油基鉆井液用乳化劑標準現(xiàn)狀與探討

胡靜 顏娟 劉智敏

摘 要：油基鉆井液是我國非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重要技術支撐，乳化劑是油基鉆井液體系的關鍵處理劑。針對現(xiàn)有油基鉆井液處理劑產品繁雜、缺乏統(tǒng)一的標準、標準功能性指標不能滿足現(xiàn)場使用需求的問題，調研了49項現(xiàn)有油基鉆井液用乳化劑標準。結合現(xiàn)場實際需求，分析了標準中測試項目的適用性。收集27種乳化劑樣品，測試各項目數(shù)據(jù)，提出了標準指標推薦范圍，為乳化劑統(tǒng)一標準的制定提供了參考，將促進油基鉆井液產品質量提高，有利于標準化、規(guī)范化管理和技術推廣。

關鍵詞：油基鉆井液，乳化劑，標準

0 引 言

隨著能源需求的增加，以頁巖氣、致密氣和超深井為代表的非常規(guī)油氣資源開發(fā)逐年增多，成為我國重要的戰(zhàn)略能源接替。油基鉆井液因相較于水基鉆井液，在抑制性、潤滑性和抗污染能力方面的性能優(yōu)勢，被廣泛應用于復雜地質條件和水平井等工藝井勘探開發(fā)。油基鉆井液處理劑是形成性能良好的油基鉆井液體系的基礎，主要包括乳化劑、降濾失劑、增黏劑、封堵劑和有機膨潤土等系列處理劑產品。目前，油基鉆井液處理劑數(shù)量達到200多種，90% 使用的是各個生產企業(yè)制定的企業(yè)標準，不同企業(yè)供應商油基鉆井液體系和處理劑繁雜、混亂，缺乏統(tǒng)一的標準，增大了鉆探工程公司的使用和選擇難度。同時各鉆井液技術服務施工單位普遍反映，企業(yè)產品標準中功能性指標不能很好地滿足現(xiàn)場使用需求，處理劑標準質量還有待提高。

因此，有必要深入開展油基鉆井液處理劑評估，制定行業(yè)統(tǒng)一處理劑標準，滿足目前國內主要應用區(qū)域使用需要，促進油基鉆井液處理劑的產品質量提高，便于集中采購、工廠化作業(yè)配制和區(qū)域模塊化技術推廣應用，提高我國整體鉆井液規(guī)范化程度和技術水平，更好地保障非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)[1-2]。

乳化劑是油基鉆井液核心處理劑，促使油水兩相均勻分散并形成穩(wěn)定的乳液結構，防止液體分相和沉積，確保鉆井液的性能穩(wěn)定。因此乳化劑對控制油基鉆井液性能質量起到至關重要作用，有必要開展乳化劑標準深入研究，詳細評估目前國內市場現(xiàn)有各企業(yè)乳化劑標準檢測項目、檢測方法、技術指標等，為制定統(tǒng)一標準提供有益借鑒[3-4]。

1 油基鉆井液用乳化劑標準現(xiàn)狀

1.1 油基鉆井液用乳化劑類型

按現(xiàn)有市面上的油基鉆井液用乳化劑產品類型分類，主要分為復合乳化劑和分體式乳化劑。其中，分體式乳化劑由主乳化劑、輔乳化劑組成。主乳化劑是用于將水分散為微小水滴并與主乳形成穩(wěn)定乳化體系的化學劑。輔乳化劑是用于增強油基鉆井液乳化體系穩(wěn)定性和乳化性能的化學劑。復合乳化劑則是將主乳化劑、輔乳化劑和潤濕劑根據(jù)性能需求，按比例混合出廠使用。兩種產品類型各有優(yōu)勢，復合乳化劑配制操作簡單，便于對性能需求明確的成熟區(qū)域大規(guī)模推廣應用。分體式乳化劑在現(xiàn)場進行各處理劑的配比調整，方便鉆遇高壓、高含硫、井漏等地質情況不明或復雜工況時，處理鉆井液性能，同時對使用者的技術水平也有一定要求。

按乳化劑化學組分分類，分為非離子表面活性劑、陽離子表面活性劑、陰離子表面活性劑和聚合物穩(wěn)定劑。非離子表面活性劑是乳化劑中常用的一類表面活性劑。它們的化學成分可以是聚氧乙烯鏈或聚氧乙烯聚氧丙烯鏈等。非離子表面活性劑在油水界面上降低表面張力，促進油和水的混合。它們的化學成分可以是聚氧乙烯鏈或聚氧乙烯聚氧丙烯鏈等。陽離子表面活性劑也可以用于油基鉆井液乳化劑中。它們的化學成分包括胺鹽類化合物或季銨鹽類化合物等。陰離子表面活性劑在某些情況下也可以用作乳化劑的組成部分。常見的陰離子表面活性劑包括脂肪酸皂、磺酸皂類等。聚合物穩(wěn)定劑是用于增強乳化體系穩(wěn)定性的一類化學成分。常見的聚合物包括聚丙烯酰胺、聚合酰胺類化合物等。

陰離子型乳化劑要求在堿性或中性條件下使用。在使用多種乳化劑配制乳狀液時，這類乳化劑可以互相混合使用，也可與非離子型乳化劑混配使用[5]。

1.2 乳化劑性能指標

通過收集國內油基鉆井液乳化劑現(xiàn)行標準，統(tǒng)計1項鉆井液乳化劑石油行業(yè)標準（見表1）、3項復合乳化劑企業(yè)標準（見表2）、22項主乳化劑企業(yè)標準（見表3）和23項輔乳化劑企業(yè)標準（見表4），涉及的檢測項目可分為兩類，一類是理化指標，包括：外觀、閃點、傾點等 ；另一類是鉆井液功能性指標，包括 ：破乳電壓、乳化率、常溫下和高溫老化后的表觀黏度、塑性黏度等。

2 乳化劑標準的適用性分析

通過收集主（復合）乳化劑樣品15個、輔乳化劑樣品12個，開展處理劑性能評價，在符合國家法律法規(guī)和行業(yè)標準的前提下，遵循“油基鉆井液用乳化劑標準性能指標應該滿足生產需求，標準檢測方法盡量操作簡便可行”的原則下，對各項標準指標進行篩選，建議檢測以下項目及指標范圍。

2.1 外觀

油基鉆井液乳化劑外觀，通過目測觀察，普遍呈油狀粘稠液體，顏色呈棕紅色、棕黃色、褐色等。

2.2 密度

乳化劑的密度按國標GB/T 16783.2《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場測試 第 2 部分：油基鉆井液》[6]規(guī)定的方法進行測定。將密度計底座放在一水平面上，將待測樣品注入到潔凈、干燥的密度計杯中，把杯蓋蓋在注滿樣品的杯上，旋轉杯蓋至蓋緊，保證樣品從杯蓋小孔中溢出以便排出混入樣品的空氣；將杯蓋表面及杯身擦拭干凈。然后將臂梁放在底座的刀墊上，沿刻度移動游碼使之平衡，在水準泡位于中心線下時即已達到平衡；最后在靠近杯一邊的游碼邊緣讀取樣品密度值，精確到0.01 g/cm3。如圖1、2所示，樣品主乳化劑的密度范圍為：0.85～0.96 g/cm3；輔乳化劑的密度范圍為：0.90～0.97 g/cm3，因此建議確定密度指標范圍為 0.85～0.97 g/cm3。

2.3 閃點

閃點，是化工產品存儲、運輸?shù)闹匾踩笜恕０凑誈B/T 261《石油產品閃點測定法（閉口杯法）》[8]規(guī)定的方法進行測定。于BBS-800型全自動閉口閃點測定儀中倒入乳化劑；放入加熱器內，修改樣品的預置閃點和執(zhí)行標準，將樣品加入樣品杯內的刻度線處，并將樣品杯放入加熱爐內；確認儀器參數(shù)正確后，自動開始測定。待儀器測定完成后，自動打印閃點值，并報警提示，測試樣品閃點完成。見表5，主乳化劑的閃點范圍為：86～126℃。輔乳化劑的閃點范圍為：84～112℃。根據(jù)兩項關于化學品管理國家標準規(guī)定：GB 13690《化學品分類和危險性公示通則》[9]和GB 20581《化學品分類、警示標簽和警示性說明 安全規(guī)范易燃液體》[10]，閃點≤93℃屬于易燃液體，閃點大于60℃且閃點不大于93℃屬于4類易燃液體。易燃液體在現(xiàn)場倉儲使用中要求更嚴格。結合產品實際檢測情況，建議確定閃點范圍為大于等于80℃。

2.4 傾點

傾點，按照GB/T 3535《石油產品傾點測定法》[11]。將試樣在不攪拌的情況下，放入已保持在高于預期傾點12 ℃，至少48 ℃的浴中，將試樣加熱到45 ℃或高于預期傾點9 ℃（選擇較高者）。將試管轉移到已維持在24 ℃+1.5 ℃的浴中。取出觀察試樣的流動性，充分傾斜以確定試樣是否流動。

當試樣不流動時，將試管放回浴中，待再降低3 ℃時，重新觀察試樣的流動性。直至試樣在水平位置5s不移動，記錄此時觀察到的溫度計讀數(shù)。如表6所示，主乳化劑的傾點范圍為：-34～-6℃。輔乳化劑的傾點范圍為：-30～-4 ℃。傾點指標的設置，是為了滿足現(xiàn)場冬季施工操作可行。國內冬季現(xiàn)場各區(qū)塊施工溫度差異性較大，建議按照各地實際情況確定范圍。

2.5 破乳電壓

乳化劑的破乳電壓指標是決定油基鉆井液的電穩(wěn)定性的功能性指標之一。通過對現(xiàn)有油基鉆井液現(xiàn)場試驗區(qū)塊的實際工程需求調研，確立了頁巖氣區(qū)塊150℃、超深井區(qū)塊180℃的破乳電壓測試方法。分別稱取16g油基鉆井液用乳化劑（主、輔乳化劑按生產商比例均勻混合）于高攪杯中，加入320 mL 5#白油，高攪10 min（11，000r/min），加入8.0g有機土，繼續(xù)11，000 r/min高速攪拌 10 min 。加入80mL蒸餾水， 11，000 r/min高速攪拌 30 min，將配制好的乳狀液轉入高溫陳化釜中，在 150 /180℃ 下滾動 16 h，冷卻至室溫，高攪 15 min（11，000 r/min），繼續(xù)3000 r/min高速攪拌 5 min，測試漿體50±2℃下的破乳電壓。如圖3、4所示，150℃熱滾后破乳電壓值范圍為285～785V，180℃熱滾后破乳電壓值范圍為38～857V，建議標準確定范圍為大于400V。

2.6 表觀黏度

乳化劑的表觀黏度是決定油基鉆井液流變性的又一個重要功能性指標。分別稱取16g油基鉆井液用乳化劑（主、輔乳化劑按生產商比例均勻混合）于高攪杯中，加入320 mL 5#白油，高攪10 min（11，000r/min），加入8.0g有機土，繼續(xù)11，000 r/min高速攪拌 10 min 。加入80mL蒸餾水， 11，000 r/min高速攪拌 30 min，將配制好的乳狀液轉入高溫陳化釜中，在 150 /180℃ 下滾動 16 h，冷卻至室溫，高攪 15 min（11，000 r/min），繼續(xù)3000 r/min高速攪拌 5 min，測試漿體50±2℃下的表觀黏度。如圖5、6示，測試結果，結合現(xiàn)場油基鉆井液攜砂性、可泵性等流變指標需要，推薦150℃表觀黏度小于35，推薦180℃表觀黏度小于40。

3 結論及建議

針對市面上現(xiàn)有油基鉆井液用乳化劑包含分體式主乳化劑、分體式輔乳化劑和復合乳化劑的現(xiàn)狀，結合現(xiàn)場實際需求，根據(jù)收集的樣品測試數(shù)據(jù)分析，建議外觀、密度、閃點、傾點作為理化指標方面的測試項目，使用同一套技術指標和試驗方法評價主乳化劑、輔乳化劑和復合乳化劑；建議分別150℃和180℃熱滾后考察破乳電壓、表觀黏度作為功能性指標方面的測試項目。

建議油基鉆井液用乳化劑指標：外觀為油狀粘稠液體；密度范圍在0.85～0.97g/cm3，閃點大于80℃；傾點按需求設置；破乳電壓分別按150℃和180℃熱滾后測試，均大于400V；150℃熱滾后表觀黏度小于35，180℃熱滾后表觀黏度小于40。部分地區(qū)如：四川盆地下川東區(qū)塊、塔里木盆地大北區(qū)塊，會使用油基鉆井液應對巨厚膏鹽層的情況，可考慮進一步考察評價乳化劑抗污染方面的性能指標。

隨著環(huán)境保護意識的增強，研發(fā)環(huán)境友好型的乳化劑已經成為新的需求趨勢。可研究乳化劑標準的生物毒性和降解性指標，促進環(huán)保處理劑的技術進步。

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