油基钻井液乳化剂的筛选及评价

苏超　李闯　肖文惠　邵帅

摘 要：从常用的主乳化剂和辅助乳化剂中进行筛选并对不同加量的主辅乳化剂进行实验，得到热滚前后乳化液的破乳电压，选出最佳的主辅乳化剂和用量，同时对配置的乳化液的抗污染性和抗乳化性进行实验，评价了其各项性能，结果表明所配制的乳化液各项性能表现良好，可用于油基钻井液中。

关 键 词：乳化剂；油基钻井液；破乳电压

中图分类号：TE 357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）07-1378-04

Selection and Evaluation of Emulsifier for Oil-based Drilling Fluids

SU Chao， LI Chuang， XIAO Wen-hui， SHAO Shuai

（Northeast Petroleum University， HeiLongjiang Daqing 163318， China）

Abstract： Main emulsifier and auxiliary emulsifier were selected， the experiments by using different amount of the main emulsifier and auxiliary emulsifier were carried out， emulsion breaking voltages of the emulsion before and after hot rolling were obtained， the best main emulsifier and auxiliary emulsifier and their dosage were determined. Anti-fouling and anti-emulsifying properties of the emulsion with the best formula were tested. The results show that the performance of prepared emulsion is good and can be used in oil-based drilling fluids.

Key words： Emulsifier； Oil-based drilling fluid； Emulsion breaking voltage

油基鉆井液具有耐高温、稳定性好、润滑性较好并对井下油气层有一定的保护作用等优点。[1-5]油基钻井液常用基液为油包水乳液，其整体性能主要取决于所用的乳液性能是否稳定，乳化剂效果是否良好。目前，我国常用于油基钻井液主乳化剂发展较快，但是仍存在一些问题，主要体现在配制的油包水钻井液经高温热滚后破乳电压仍较低，不稳定，另外主乳化剂成本较高，粘度较大，很难满足钻井现场应用要求，[6-9]本文主要针对目前常用的主乳化剂和辅助乳化剂进行配对，配制形成高性能、低成本的抗高温油基钻井液。

1 乳化剂类型的优选

1.1 乳化剂的作用机理及类型

乳化剂的主要作用机理：①降低界面张力：表面活性剂在将界面上会发生吸附，表面活性分子会定向、紧密地吸附在油水界面上使界面能量降低，防止了油或水的聚集。例如，煤油/水的界面张力一般在40 N/m。向其中加入适当的表面活性剂，其界面张力可降至1 N/m以下，煤油就可容易地分散在水中。②增加界面强度：表面活性剂在界面吸附，形成界面膜，当表面活性剂浓度较低时，界面上吸附的分子较少，界面强度较差，所形成的乳状液稳定性也差。继续增加表面活性剂溶液浓度，表面活性剂分子在界面上会形成一个紧密得到界面膜，其强度相应增大，乳状液珠之间的凝聚所受到的阻力增大，形成的乳状液的稳定性就好。实践证明，做为乳化剂的表面活性剂必须加入足够量，一般要超过表面活性剂的胶束浓度，才具有最佳的乳化效果。③界面电荷的产生：如果加入的表面活性剂是离子型表面活性剂，液滴表面上吸附的表面活性剂分子的亲水端是带电离子，使液滴相互接近时就产生排斥力，从而防止了液滴聚集。常用的油包水钻井液中，乳化剂按分子结构主要分为以下类型[10-13]，如表1。

1.2 乳化剂种类的优选

乳化剂的性能是油包水乳液是否稳定的关键，也决定了整个油基钻井液的整体性能。抗高温、高压的高性能油基钻井液同样也需要选择抗高温、高性能的乳化剂。本文选取了几种不同类的乳化剂，比较了其抗高温性能及电稳定性能，实验所选取的基液为500 mL柴油+125 mL 25% 氯化钙水溶液+10 mL乳化剂，热滚条件：150 ℃20 h，实验结果如表2所示。

由表2实验结果可以得到：当油水比为4∶1时，乳化剂的粘度随着所加量逐渐升高，其中RHJ-3的抗温性能与电稳定性要强于RHJ-1和RHJ-2，综合考虑选择RHJ-3做为油基钻井液的体系的主乳化剂。

1.3 乳化剂加量及优选

1.3.1 主乳化剂加量及优选

乳化剂的多少影响着乳状液性能，如果加量太少，油水界面形成的吸附膜上的活性分子则不足，会导致配方的稳定性变差；乳化剂加量过高，钻井液粘度则过大，不易于钻井液的流动甚至造成井筒堵塞，且增大配制成本，因此需要合理确定乳化剂的加量，笔者通过测定不同加量乳化剂的乳状液性能来确定其最佳加量，实验所使用的基准试液为500 mL柴油+125 mL 20% 氯化钙水溶液+1%辅助乳化剂，热滚条件：150 ℃20 h实验结果如表3所示。

通过实验结果可知：乳状液的破乳电压随着主乳化剂的含量的增加而升高。这主要是因为油水界面的表面活性剂分子变多，使得乳状液性能更稳定。当乳化剂的加量控制在3%时，乳化液的破乳电压基本处于稳定，这是由于油水界面基本已经被表面活性剂占领。综上所述，主乳化剂最优加量控制在4%（表3和图1）。

1.3.2 輔乳化剂加量优选

辅乳化剂是一种十分重要的辅助化学剂，可以增强主乳化剂各项性能的同时保证乳化液的稳定，加入辅乳化剂后，乳化液的油水界面处会形成一种复合吸附膜，以维持乳化液的稳定性。本文主要测定FRHJ-1、FRHJ-2、FRHJ-3与主乳化剂RHJ-3之间的配套性以及相容性，实验所用基液为500 mL柴油+125 mL 20% 氯化钙水溶液+3% RHJ-3，在150 ℃20 h的条件下进行热滚，具体实验数据如表4所示。

通过实验结果可以得到，辅助乳化剂FRHJ-3与主乳化剂RHJ-3的相容性和配合性能最佳，配制后的乳化液各项性能综合表现最为优秀，且其最优加量为1%。另外辅乳化剂可以改善乳化液的亲水亲油平衡，形成复合膜，增强乳化效果。

2 乳化剂性能评价实验

2.1 乳化剂抗污染实验

由于油基钻井液所用在的油层复杂，会由于地层中其他物质的侵入导致钻井液性能变化，因此在乳化剂的选择时，除了考虑对乳化液的稳定性能的影响，还有考虑其抗污染能力，以保证钻井液在钻井过程中，仍可以发挥其各项性能，本实验所用的基液为500 mL柴油+125 mL 20% 氯化钙水溶液+3% RHJ-2+1% FHRJ-3，在热滚条件为150 ℃20 h下进行，其各项数据如表5所示。

实验结果表明，所配制的乳化液的抗污染性能较为不错，当乳化液体系中的含水量达到35%时，破乳电压仍然很高，说明以主乳化剂RHJ-3与辅乳化剂FRHJ-3配制而成的乳状液性能稳定，抗污染能力强，可知主辅乳化剂的兼容性及协同工作效果良好，可以满足配制油基钻井液的基本要求。

2.2 乳化率评价实验

乳化率评价法是一种评价短时间内稳定性的方法，评价的主要方法是将老化后的乳状液倒入200 mL量筒中，以天为单位静置观察后读取分离处油相的体积，按照以下公式计算出乳化率：

（1）

式中：W —乳化率，%；

V —分离出的油层体积，mL。

根据以上机理，配制基础乳液（500 mL柴油+4%主乳化剂+1%辅乳化剂+3% CaO+2%有机土），取100 mL放置于200 mL量筒中，并测试上层吸油量，计算乳化率，实验结果如图2所示。

图2表明，按所选的主辅乳化剂配置的油基钻井液在静置一周后乳化率仍高于80%，与国外较为先进的乳化剂配置的油基钻井液乳化率相当，而传统的环烷酸钙配置成的油基钻井液乳化率仅为50%，说明所选出的主辅乳化剂相容性较好，各项性能稳定，可以用作油基钻井液的乳化剂。

3 现场应用

运用所配制的新型油包水钻井液在国内某油田XM-1、XM-2井进行了现场应用，应用表明该体系在施工过程中性能稳定、抗污染能力强，满足了水平井、大位移井等高难度井的施工要求。

根据临井的钻井资料及地震解释，预计XM-1

的油包水溶液在该井的三开井段2 700～4 100 m进行钻井任务。XM-1井的设计垂深为2 814 m，斜深

的油包水溶液在该井的三开井段2 700～4 100 m进行钻井任务。XM-1井的设计垂深为2 814 m，斜深为4 457.12 m的油包水溶液在该井的三开井段2 700～4 100 m进行钻井任务。XM-1井的设计垂深为2 814 m，斜深为4 457.12 m，水平位移为1 124.56 m，最大井斜为87°，井底温度为140 ℃左右。配浆至正常钻进的钻井液性能如表6所示。

由表6可以得到，所筛选的主辅乳化剂配置的钻井液在高温下具有良好的流变性能及电稳定性，破乳电压最低为1 063 V，反砂正常，经多次起下钻无卡钻遇阻现象，并有较强携屑能力，钻进过程中摩阻低、扭矩平稳，机械钻速达到1.8 m/h以上，满足深层水平井施工要求。

4 结 论

（1）对常用的主辅乳化剂进行热滚实验、根据实验性能筛选出了匹配性最好的主辅乳化剂，并通过性能测定实验确定各乳化剂的最优加量。

（2）对所筛选出的主辅乳化剂进行性能评价实验，结果表明其抗污染性、乳化率等综合性能均达到现场实验要求。

（3）用所筛选的乳化剂配置成的油基钻井液，应用于水平井等钻井现场，结果表明钻井过程中扭矩平稳、摩阻较低、机械钻速较高，满足现场应用。

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