油基钻井液主乳化剂的合成及性能评价

丁 磊，罗春芝，肖瑞雪 （长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州434023）

马来松香是由松香和马来酸酐反应得到的，主要用于制造油墨、油漆、涂料、胶黏剂等［1－3］。随着我国页岩气勘探开发的全面铺开，油基钻井液得到了越来越广泛的应用［4］，而油基钻井液的关键在于主乳化剂的选择。研究表明，马来松香可作为油基钻井液的主乳化剂［5］，但其乳化性能与松香的软化点、原料比及合成条件关系很大。为此，笔者在室内选择不同软化点的松香，在一定条件下合成了一系列马来松香样品，再从中优选出乳化性能最好的样品并确定其软化点。并以此为基础，改变松香与马来酸酐的比例，合成了一系列马来松香样品，并对其乳化性能进行评价。

1 样品合成及其物性分析

1.1 主要原料

松香 （工业级）；马来酸酐 （工业级）；丙三醇 （工业级）；CaO （工业级）。

1.2 合成方法

首先称取一定量的松香于三口烧瓶中，将三口烧瓶放于油浴锅中加热，待松香完全熔化后，向三口烧瓶中加入马来酸酐，当温度上升到176℃左右时添加丙三醇，然后使温度上升到200～203℃，加入催化剂，恒温反应4h，反应结束后，倒出反应产物，冷却并粉碎后即得到马来松香样品。

1.3 松香软化点的确定

选用不同软化点的松香为原料，合成5个马来松香样品。在油基钻井液基本配方中加入3%样品配制成油基钻井液体系，以滤失量和破乳电压为评价标准，分别对其进行性能评价 （见表1）。由表1可知，以软化点为124℃的松香为原材料合成的马来松香样品配制的油基钻井液滤失量最小，破乳电压最高，由此可以看出该样品的乳化性能最好。因此，选择软化点为124℃的松香为最佳松香。

表1 不同软化点松香对马来松香性能的影响

1.4 原料配比的确定

改变松香及马来酸酐的摩尔数比，其他条件保持一致，合成7个样品。在油基钻井液基本配方中加入3%样品配制成油基钻井液体系，以滤失量和破乳电压为评价标准，分别对其进行性能评价（见表2）。从表2可以看出，随着松香和马来酸酐摩尔比的增加，钻井液滤失量先下降后上升，破乳电压先上升后下降，流变性参数基本呈上升趋势。当松香和马来酸酐摩尔比为2.4∶1时，合成样品所配制出的油基钻井液体系的滤失量最小，破乳电压最大，流变性也能很好满足现场钻井要求。因此，松香和马来酸酐最佳原料比为2.4∶1。

表2 原料配比对马来松香性能的影响

1.5 样品红外光谱分析

对合成样品进行了红外光谱分析 （见图1）。从图1可以看出：2939.95cm－1为—CH3伸 缩 振 动峰，1694.98cm－1为C═ C伸缩振动峰，1354.03～1041.89cm－1为环酸酐伸缩振动峰，3372.11cm－1为—OH 伸缩振动峰，1602.33cm－1为C═ O的伸缩振动峰。该样品的红外光谱图与马来松香标准谱图相符，从而证实该样品为马来松香。

2 性能评价

图1 样品的红外光谱图

2.1 乳化性能

室内选择油田现场常用的环烷酸钙、EZ－MUL（哈里伯顿）和市场购买的马来松香1、马来松香2进行乳化性能对比评价。在油基钻井液基本配方中分别加入3%的主乳化剂配制成油基钻井液，在120℃条件下滚动老化16h，以滤失量和破乳电压为评价标准，评价不同主乳化剂的乳化性能 （见表3）。从表3可以看出，与其他几种乳化剂相比较，以合成样品为主乳化剂的油基钻井液流变性参数能满足安全钻井要求，滤失量最小，破乳电压最高，钻井液最稳定，说明合成样品的乳化性能最好。

表3 不同乳化剂对油基钻井液体系性能的影响

2.2 样品加量对油基钻井液体系性能的影响

在油基钻井液基本配方中加入不同加量的样品配制出不同油基钻井液，在120℃下滚动老化16h，以滤失量和破乳电压为评价标准，评价样品加量对油基钻井液体系性能的影响 （见表4）。从表4可以看出，随样品加量的增加，钻井液滤失量、破乳电压先下降后上升，流变性参数变化不大。当样品加量为2.5%～3.5%时，钻井液的API滤失量及高温高压滤失量均较低，破乳电压较大，流变性也能满足钻井要求。因此确定样品的最佳加量在2.5%～3.5%之间。

表4 样品加量对油基钻井液体系性能的影响

2.3 抗温性能

在油基钻井液基本配方中加入3%样品配制成油基钻井液，在不同温度下滚动老化16h，以滤失量和破乳电压为评价标准，评价温度对样品乳化性能影响 （见表5）。从表5可以看出，随温度的升高，钻井液流变性变化很小，滤失量略有增加，破乳电压稍下降。温度为150℃时，钻井液各项性能仍均能满足要求；温度为160℃时，钻井液各项性都有下降，但还能满足钻井要求，这表明以合成样品为主乳化剂的油基钻井液的抗温性能较好。

表5 温度对样品乳化性能影响

2.4 抗盐性能

在油基钻井液基本配方中加入3%样品配制成油基钻井液，在该钻井液中加入不同加量的NaCl，在120℃下滚动老化16h，以滤失量和破乳电压为评价标准，评价NaCl对样品乳化性能的影响 （见表6）。从表6可以看出，随NaCl加量增加，钻井液流变性参数变化不大，滤失量增大，破乳电压下降。只是当NaCl加量超过10%时，滤失量增大到不能满足安全钻井要求，破乳电压也接近临界值，表明钻井液稳定性受到一定影响。总体而言，以合成样品为主乳化剂的油基钻井液的抗盐性能较好。

表6 盐加量对油基钻井液性能的影响

3 结 论

（1）样品最佳合成条件为：松香软化点为124℃；松香与马来酸酐的摩尔比为2.4∶1。

（2）与常用油基钻井液乳化剂及市售的马来松香相比，合成样品的乳化性能最好。

（3）合成样品加量为2.5%～3.5%时，油基钻井液的流变性能很好地满足钻井要求。

（4）以合成样品为主乳化剂的油基钻井液的抗温、抗盐性能较好。

［1］宋湛谦 .利用松脂资源发展精细化工 ［J］.林产化学与工业，1994，14（1）：68－73.

［2］张广友，张晋康，黄希坝 .松香为原料表面活性剂的合成与发展趋势 ［J］.林产化学与工业，1993，13（1）：89－96.

［3］赵小红，梁柏林 .以应用性能为导向的熔融法微波辅助加热合成马来松香 ［J］.应用化工，2011，40（10）：1800－1803.

［4］王中华 .页岩气水平井钻井液技术的难点及选用原则 ［J］.中外能源，2012，17（4）：43－47.

［5］张国运 .松香系列表面活性剂的合成和应用 ［J］.日用化学工业，2004，34（2）：105－107.