高密度無土相油基鉆井液

由福昌，文華，吳嬌，張亞

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北荊州 434000；2.荊州嘉華科技有限公司,湖北荊州 434000）

常規(guī)高密度油基鉆井液存在加重材料加量大、流變性能難以控制，采用較高的油水比以保證其流變性能，油水比一般在90/10～95/5 之間，不僅成本高，而且后期鉆井液維護(hù)難度大[1-5]。通過加入有機(jī)土來維持加重材料的沉降穩(wěn)定性，使鉆井液體系的固相含量高，導(dǎo)致黏度和切力偏大，流變性能難以控制。同時隨著施工時間的增加，鉆井液中的固相顆粒不斷分散，體系的抗固相污染能力逐漸降低，鉆井液的流變性能、高溫穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致鉆井液性能惡化[6]。在深井作業(yè)過程中時易發(fā)生井漏、加重材料沉降，造成井下事故[7-8]。由于乳化劑是油基鉆井液的核心處理劑，對于保證油基鉆井液的乳化穩(wěn)定性能、流變性能穩(wěn)定起到了重要作用[8-10]。筆者針對高密度油基鉆井液存在的弊端，研發(fā)出一種鉆井液用乳化劑DEMUL。通過加入DEMUL、苯乙烯-丁烯/丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)與提切劑的協(xié)同作用，提高高密度油基鉆井液的穩(wěn)定性能、提高反相乳化鉆井液的流變性能，取代了常規(guī)油基鉆井液配制中通過加入有機(jī)土來維持加重材料的沉降穩(wěn)定性的依賴，建立了一套無黏土相油基鉆井液體系，解決了高密度油基鉆井液的高黏度和重晶石沉降問題。

1 乳化劑的優(yōu)化

1.1 乳化劑DEMUL 的合成路線

（1）取25 份妥爾油酸與6 份環(huán)氧丙烷加入到干燥的反應(yīng)釜中，控制壓力為0.1～0.5 MPa，升溫至150～180 ℃，反應(yīng)24～28 h，環(huán)氧丙烷開環(huán)反應(yīng)與妥爾油酸發(fā)生加成反應(yīng)，生成乳化劑中間體A。

（2）將30 份的妥爾油酸與15 份馬來酸酐加入反應(yīng)釜中，升溫至160～200 ℃，優(yōu)選溫度為180～200 ℃，攪拌并反應(yīng)6～8 h 發(fā)生酸酐酯化反應(yīng)，繼續(xù)向反應(yīng)釜中滴加15 份羥乙基乙二胺發(fā)生酰基化反應(yīng)，反應(yīng)5～7 h 后生成乳化劑中間體B。

（3）將中間體B 降溫至90 ℃，加入25 份乳化劑中間體A，恒溫攪拌1 h 即得乳化劑DEMUL。

1.2 乳化劑DEMUL 的作用機(jī)理

（1）DEMUL 中含有大量的妥爾油酸，妥爾油酸與其他油酸相比具有乳化速度快、潤滑性能優(yōu)越的特點(diǎn)。

（2）DEMUL 中的親水基團(tuán)（酰胺基和羧基）與水相中的極性水分子、親油基團(tuán)（妥爾油酸）與油相中的非極性分子間均具有較大的范德華力，提高了其構(gòu)建和穩(wěn)定油包水乳狀液的能力。還可以增強(qiáng)DEMUL 在油水界面的吸附能力；降低由于布朗運(yùn)動引起的液珠間發(fā)生的碰撞幾率，減少乳液液滴的聚集，降低了油水兩相間的界面張力。

（3）DEMUL 乳滴顆粒分布窄（見圖1）。可知，乳滴越小，乳化劑束縛力越大，形成的乳液越穩(wěn)定；乳滴粒徑在0.6～5.4 μm，分子之間的內(nèi)摩擦力越小，形成的乳狀液黏度低、流態(tài)好。

圖1 乳化劑DEMUL 的粒徑分布

1.3 乳化劑的性能

1.3.1 乳化劑界面張力及電穩(wěn)定性能

乳狀液在油和水兩相間的界面張力是乳化劑在油相和水相界面擴(kuò)散和吸附的一個動態(tài)平衡過程。隨乳化劑的加量從1%增加至4%，DEMUL 界面張力由1.00 mN/m 逐步降低至0.48 mN/m，EMUL的界面張力由3.21mN/m降低至0.92mN/m。DEMUL 與EMUL 形成的乳液在微觀下的對比如圖2 所示。

圖2 乳化劑DEMUL 與EMUL 在微觀下的形貌

由圖2 可知，DEMUL 乳滴粒徑較EMUL 小，表明DEMUL 的界面張力粒徑小，能有效降低由于布朗運(yùn)動引起的液珠間發(fā)生的碰撞幾率，減少乳液液滴的聚集，降低油水兩相間的界面張力。由DEMUL 的破乳電壓值可知，DEMUL 破乳電壓值大于1100 V，表明其具有良好的電穩(wěn)定性能。

1.3.2 乳化劑加量優(yōu)選

考察了乳化劑DEMUL 的加量對高密度無黏土相油基鉆井液體系性能的影響，結(jié)果見表1。可知，隨DEMUL 加量的增加，鉆井液的黏度增加，電穩(wěn)定性能逐步增大，高溫高壓濾失量逐漸降低。當(dāng)DEMUL 加量為4%時，相對于加入有機(jī)土的鉆井液體系，具有更好的電穩(wěn)定性能和較低的高溫高壓濾失量。表明DEMUL 具有一定的增黏效果，而高密度無黏土相油基鉆井液的φ6、φ3值及動切力較低，還需補(bǔ)充提切劑，以提高鉆井液體系的切力。基礎(chǔ)配方如下。

表1 乳化劑DEMUL 的加量對鉆井液性能的影響

320 mL 3#白油+2.0%堿度調(diào)節(jié)劑LIM+3.0%降濾失劑HITROL+80 mL 26%CaCl2水溶液+重晶石（密度為2.2 g/cm3）

2 提切劑的優(yōu)化

熱塑性彈性體是一類在常溫下顯示橡膠彈性、高溫下能塑化成型的高分子材料，如苯乙烯-丁烯/丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、苯乙烯-乙烯/丙烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEPS)等，是目前應(yīng)用較為廣泛的氫化苯乙烯彈性體[11-12]，其作為黏合劑使用時，具有優(yōu)異的低溫性能和初切、終切性能；在高溫熔融狀態(tài)下，表觀黏度隨溫度升高、剪切速率加快而降低[12]。實(shí)驗(yàn)表明，聚合物SEBS 與提切劑DEHEO的協(xié)同作用，能在提高鉆井液切力的同時，也能避免黏度的上漲。由表2 可以看出，單獨(dú)加入大量的DEHEO 雖然能提高鉆井液體系的切力，但同時會增大鉆井液的黏度。加入0.5%SEBS 后，即使增大DEHEO 的加量，也能有效抑制鉆井液體系黏度的增大。確定高密度無黏土相油基鉆井液體系中DEHEO 的加量為2.5%和SEBS 的加量為0.5%。

表2 聚合物SEBS 與提切劑DEHEO 對鉆井液性能的影響

基漿配方為：320 mL 3#白油+2.0%LIM+4.0%DEMUL+3.0%HITROL+80 mL 26%CaCl2水溶液+重晶石（密度為2.2 g/cm3）

3 無土相油基鉆井液性能

高密度無土相油基鉆井液配方為：320 mL 3#白油+4.0%DEMUL+2.5%DEHEO+0.5%SEBS+2.0%LIM+3.0%HITROL+80 mL26%CaCl2水溶液+重晶石（密度為2.2 g/cm3）

3.1 抗溫性能

在160～200 ℃下、評價了高密度無土相油基鉆井液老化16 h 和160 h 后的流變性能。由表3 可知，隨老化溫度的升高和老化時間的增加，鉆井液的流變性能基本不變，濾失量略微增大，破乳電壓在600 V 以上，說明該鉆井液具有良好的抗溫性能。

表3 高密度無黏土相油基鉆井液的抗溫性能

3.2 沉降穩(wěn)定性能

將鉆井液加入不銹鋼罐中，在160 ℃下靜置一段時間后，測量鉆井液液柱上部（游離體下層）密度和底部的密度用沉降因子表示，沉降因子為0.50 時說明未發(fā)生靜態(tài)沉降，沉降因子大于0.52 時說明靜態(tài)沉降穩(wěn)定性較差。由表4 可知，隨著靜置時間的增長，鉆井液黏度輕微增加，沉降因子均為0.50，表明油基鉆井液具有良好的沉降穩(wěn)定性能。

表4 乳化劑加量對高密度無土相油基鉆井液性能的影響

3.3 抗污染性能

在鉆進(jìn)過程中，鉆屑會持續(xù)分散進(jìn)入鉆井液，對鉆井液造成污染。因此，鉆井液要有足夠的抗污染能力，才能保持良好的流變性能，實(shí)驗(yàn)室采用過孔徑為100 目篩的現(xiàn)場鉆屑和水泥石粉對鉆井液體系進(jìn)行侵污，如表5 所示。可知，該鉆井液抗污達(dá)到10%時，其流變性、濾失量略微增大，電穩(wěn)定性基本保持不變，表現(xiàn)出良好的抗污染性能。

表5 高密度無黏土相油基鉆井液的抗污染能力

3.4 抑制性能和潤滑性能

通過滾動回收率對高密度無黏土相油基鉆井液的抑制性能進(jìn)行評價。在105 ℃烘干6～10 目的鉆屑，并在110 ℃老化16 h，過篩孔為40 目篩子，在105 ℃烘干即為回收率，測定巖屑的第1 次回收率為96.3%，第2 次回收率為93.2%，說明該體系具有較強(qiáng)的抑制性能。室內(nèi)采用Fann 公司的EP 極壓潤滑儀評價了高密度無黏土相油基鉆井液的潤滑性能，其摩阻系數(shù)為0.08，說明該鉆井液具有較好的潤滑性能。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

川渝頁巖氣某井是一口高密度水平井，垂深為3948.08 m，水平段長為1800 m，設(shè)計完鉆井深為5945 m，實(shí)際完鉆井深為6100 m，水平段密度為2.20 g/cm3左右，井底溫度為160 ℃左右。目的層龍馬溪組斜深井段3500～5935 m，頁巖發(fā)育，鉆進(jìn)過程中易發(fā)生垮塌、井漏等復(fù)雜情況。采用高密度無黏土相油基鉆井液體系鉆進(jìn)，鉆井過程中該鉆井液體系的流變性能穩(wěn)定（見表6）。可知，攜砂性能良好，抑制性能強(qiáng)，未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況。

表6 龍馬溪組現(xiàn)場鉆井液主要性能

5 結(jié)論

1.研發(fā)了一種具有強(qiáng)電穩(wěn)定性能、增黏效果的小粒徑乳化劑DEMUL，并開發(fā)了一種高密度無黏土相油基鉆井液體系。乳化劑DEMUL 具有一定的增黏效果、較低的界面張力、良好的電穩(wěn)定性能。

2.通過加入DEMUL、苯乙烯-丁烯/丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)與提切劑的協(xié)同作用，達(dá)到提高高密度油基鉆井液的穩(wěn)定性能，且配方簡單、處理劑加量少。

3.高密度無土相油基鉆井液體系在200 ℃下老化160 h 能保持良好的流變性能和穩(wěn)定性，且具有良好的抑制性能和極壓潤滑性能。該鉆井液體系在川渝頁巖氣某高密度水平井進(jìn)行了應(yīng)用，鉆井過程中鉆井液的流變性能穩(wěn)定，攜砂性能良好，抑制性能強(qiáng)，未出現(xiàn)井下復(fù)雜情況。