黏弹性表面活性剂的研制及其在微泡钻井液中的应用

郭金爱， 谢建宇， 孙举， 刘光成， 卢国林， 杨国涛， 谭安平

（中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳457001）

黏弹性表面活性剂的研制及其在微泡钻井液中的应用

郭金爱， 谢建宇， 孙举， 刘光成， 卢国林， 杨国涛， 谭安平

（中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳457001）

以氨基化合物、长链酰氯等为原料，研制出微泡钻井液用阴离子型黏弹性表面活性剂VES-1。通过优选胶束促进剂、助表面活性剂等优化出VES-1黏弹性体系。该体系黏弹性好，泡沫稳定性强，0.01 r/min低剪切黏度可达100 000 mPa·s，泡沫半衰期可达18 min以上。在VES-1黏弹性体系基础上，结合文23地层特点，通过优选稳泡剂、降滤失剂等形成高触变性微泡钻井液体系，并对其性能进行了评价。评价结果表明：VES-1微泡钻井液体系具有高触变性，能够快速形成结构，10 s 初切可达到12 Pa以上，而且初、终切相差不大，有利于悬浮携带岩屑，可对低压易漏地层形成快速有效封堵；120 ℃下注入325 mL钻井液承压即可达到10 MPa以上，可解决低压易漏地层钻进过程中地层漏失难题；VES-1微泡体系同时具有良好的抗压缩性，30 MPa下密度最高升高不超过0.05 g/cm3，该体系经120 ℃老化16 h后性能稳定，密度无变化，可抗10%复合盐水污染；同时具有良好的润滑抑制性，润滑系数比普通聚合物体系低54%以上，各项性能能够满足文23储气库建设的需要。

黏弹性 ；表面活性剂；微泡钻井液；触变性；低压易漏地层；封堵；储气库

文23储气库是中国石化新疆煤制天然气外输管道（新粤浙）项目的配套工程，为目前中国库容最大、投资最多的储气库。文23气田是典型的低压低渗枯竭型砂岩气藏，经过三十多年的开发，主块地层压力已经由原始状态的38.6 MPa下降到目前的3～4 MPa，压力系数为0.1～0.6左右，产层压力低，矿化度高，钻井易漏失，储层保护难度大。为此开展了以文23储气库为依托的枯竭砂岩气田改建储气库建设钻井关键技术研究，研制出了微泡钻井液用阴离子型黏弹性表面活性剂VES-1，优化出VES-1黏弹性体系，在此基础上，结合文23地层特点，通过优选稳泡剂、降滤失剂等，形成高触变性微泡钻井液体系[1-14]。该体系较好地解决了普通表面活性剂在微泡钻井液中泡沫稳定性不足、在井底高压条件下抗压缩能力较差的问题，并且黏弹性表面活性剂可明显提高微泡钻井液触变性，使体系能够快速形成结构，有利于大斜度定向井及水平井清洁井眼，能够对低压易漏地层形成快速有效封堵，对解决文23储气库建设过程中使用常规钻井液钻进易发生井漏等井下复杂情况、保护储层具有重要意义。

1 黏弹性表面活性剂VES-1的制备

1.1 VES-1的合成

黏弹性表面活性剂大致可分为阳离子型、两性离子型和阴离子型3大类。阳离子型黏弹性表面活性剂自身发泡性能较差，与钻井液体系中其它处理剂配伍性差；两性离子型黏弹性表面活性剂只有在酸性条件下才能表现出较好的黏弹性能，而在碱性条件下很难表现出黏弹性能；阴离子型黏弹性表面活性剂发泡性能较好，易与钻井液体系中其它处理剂配伍。因此，合成出一种适用于微泡钻井液用的阴离子型黏弹性表面活性剂VES-1[15-19]。

将氨基化合物A加入四口反应瓶中并加水稀释至一定浓度，控制反应体系温度，然后配制一定浓度的NaOH溶液备用，称取一定量的酰氯化合物B，在快速搅拌条件下将酰氯化合物B和NaOH溶液同时缓慢滴加入反应体系，控制2者的加入速度，以维持反应体系的pH值和反应温度的稳定，加料完成后，在一定温度下继续反应1.5～2 h，即可得到乳白色膏状黏弹性表面活性剂VES-1。

1.2 VES-1合成产物收率测定

配制异丙醇与水体积比为9∶1的溶液，混合均匀后备用；称取一定量合成的乳白色膏状产品（精确至0.001 g），将其溶于30 mL异丙醇-水混合溶液中，加2滴酚酞指示剂，用氢氧化钠溶液滴至溶液显微红色，然后加入1 mL二硫化碳，充分摇晃6 min后，用经过标定的氢氧化钠溶液再次滴定至微红色，并且该颜色在30 s内不褪色。原料氨基化合物转化率按下式计算：

式中：V为氢氧化钠耗用的体积，mL；N为氢氧化钠当量浓度；W0为从总产物中取样重量，W1为产物总重量，W2为原料氨基化合物重量，g；经测定产品收率都能达到91%以上。

1.3 VES-1结构分析

将研制的表面活性剂VES-1经多次纯化后，用NICOLET 560傅立叶变换红外光谱仪和Mercury Plus-300核磁共振仪进行分析，结果见图1和图2。

图1 VES-1红外光谱图

图2 VES-1核磁图谱

如图1所示，3 447 cm-1处是羟基（—OH）的伸缩振动吸收峰（主要是样品吸收少量水分所致），2 923 cm-1、2 852 cm-1处是—CH2—的伸缩振动吸收峰，1 638 cm-1处是羰基（ ）的伸缩振动吸收峰，1 209 cm-1和 1 064 cm-1处为原料中磺酸基（—SO3）的伸缩振动吸收峰。从图2可以看出，0.60～2.40 ppm处的多重峰是烷基长链中氢的吸收峰，3.00～4.80 ppm处的多重峰是亲水基团中氢的吸收峰。图谱分析表明，合成产物中有长链烷基、羰基、羟基、磺酸基等特征基团，合成的化合物与目标化合物一致。

2 VES-1微泡钻井液体系形成

2.1 VES-1黏弹性体系优化

2.1.1 胶束促进剂优选

1）胶束促进剂种类。胶束促进剂的作用主要是能够压缩黏弹性表面活性剂胶束双电层，减弱表面活性剂离子头间的静电排斥作用，使表面活性剂单体容易进入胶束界面层，从而有利于增加胶束聚集数，促进胶束的生长。但不同的胶束促进剂由于其含有的离子头大小、荷电数量不同，会对黏弹性表面活性剂形成的胶束数量、胶束长度产生影响。从而影响其黏弹性能。实验中，固定表面活性剂用量、胶束促进剂用量、温度、pH值等，调整胶束促进剂种类，考察其对表面活性剂VES-1黏弹性能影响，结果见图3。从图3可以看出，相同加量下，1#KCl效果最好， VES-1黏弹体系黏度最大，0.01 r/min 转速下黏度可达 100 000 mPa·s。因此，选择1#KCl与表面活性剂VES-1配合使用。

图3 不同种类胶束促进剂对VES-1黏弹性能的影响

2）胶束促进剂加量。从对体系黏弹性和造泡、稳泡性的影响方面考察胶束促进剂加量。由图4、图5可以看出，随着胶束促进剂用量的增加，表面活性剂VES-1的黏弹性及泡沫半衰期呈先升高再降低的趋势，合适的胶束促进剂加量为3%～4%。这是由于，在胶束促进剂作用下，VES-1形成了空间网状结构，增加了体系黏度，形成黏弹性体系，同时实现对内部气核的紧密包裹，提高了泡沫稳定性。但当胶束促进剂用量过大时，胶束表面双电层会被压缩，胶束界面电荷减少，线性的棒状胶束会发生自卷曲，破坏空间网状结构，从而使体系黏度降低，黏弹性下降，泡沫稳定性也相应降低，而且胶束促进剂加量太高不利于造泡。

图4 胶束促进剂用量对VES-1黏弹性能影响

图5 胶束促进剂用量对泡沫性能影响

2.1.2 表面活性剂VES-1用量

不同VES-1加量对发泡性能的影响见图6。

图6 表面活性剂VES-1用量对泡沫性能影响

由图6可知，随着表面活性剂用量的增加，其发泡性能和泡沫半衰期均明显提高。但综合考虑表面活性剂用量、发泡体积、泡沫半衰期等因素，在配制微泡体系时，表面活性剂VES-1用量控制在0.8%～1.5%较为合适。

2.1.3 助表面活性剂优选

1）助表面活性剂优选。合适的助表面活性剂的加入有利于提高膜的强度，进而提高微泡稳定性，因此在表面活性剂VES-1和胶束促进剂混合溶液中，加入不同种类的助表面活性剂，考察表面活性剂体系的发泡、稳泡性能，从而优选出适合于VES-1黏弹性体系的助表面活性剂，结果见表1。从表1可以看出，两性离子型表面活性剂与VES-1体系的配伍性要比阴离子和非离子表面活性剂好。综合考虑发泡和稳泡性，选择CHB作为VES-1黏弹性体系中的助表面活性剂。

表1 不同种类助表面活性剂对泡沫性能影响

2）助表面活性剂用量。在表面活性剂VES-1和胶束促进剂混合溶液中，加入两性离子型表面活性剂CHB，考察其用量对表面活性剂体系发泡、稳泡性能影响。如图7可知，随着两性离子型表面活性剂CHB用量增加，表面活性剂体系发泡体积和泡沫半衰期呈上升趋势。综合考虑发泡、稳泡性及成本，合适的CHB用量应为0.2%～0.4%。

在上述实验基础上优化出黏弹性表面活性剂体系配方如下。

清水 +（0.8%～1.5%）VES-1+（3%～4%）KCl+（0.2%～0.4%）CHB

图7 CHB用量对表面活性剂体系泡沫性能影响

2.1.4 VES-1黏弹性体系泡沫性能

微泡水膜的厚度和黏度对维持泡沫的稳定性至关重要。VES-1具有黏弹性，形成的水膜黏性大，泡沫壁厚，从图8可看出，VES-1微泡壁厚是OP-10的2倍以上。从图9、图10可看出，与DC、OP-10相比，VES-1形成的泡沫量小、半衰期长，利于微泡稳定。

图8 VES-1和 OP-10形成的微泡

图9 发泡量比较

图10 半衰期比较

2.2 VES-1微泡钻井液体系形成

在VES-1黏弹性体系基础上，结合文23地层特点，通过优选稳泡剂、降滤失剂等形成了VES-1高触变性微泡钻井液体系，配方如下。

（2%～4%）膨润土浆+（0.5%～1.0%）LV-CMC+（0.3%～0.6%）COP-HFL/LFL+（0.2%～0.5%）HXC+（0.8%～1.5%）VES-1+（1%～3%）KCl+（0.2%～0.4%）CHB+（1%～2%）润滑抑制剂NAPG

3 VES-1微泡钻井液性能评价

3.1 触变性

考察了VES-1微泡体系的触变性，并与基液及DC微泡体系进行了对比。从图11可以看出，VES-1体系的触变性明显好于其它体系，10 s初切可达到 12 Pa，420 s之后基本稳定在 20 Pa 左右。

图11 不同体系的触变性能

3.2 承压封堵性

在120 ℃下分别将VES-1、DC、OP-10配制的微泡钻井液在粒径为0.16～0.28 mm的砂床中进行承压封堵能力考察，结果见图12。

图12 不同表面活性剂体系承压封堵性能对比

从图12可以看出，以VES-1为发泡剂配制的微泡钻井液仅需325 mL承压即可达到10 MPa以上，DC体系则需要435 mL，而OP-10配制的微泡钻井液承压最高仅2.1 MPa。这是由于VES-1微泡钻井液具有的黏弹性结构有利于提高体系的承压封堵能力。

3.3 抗压缩性

将相近密度的3种微泡钻井液在120 ℃下进行抗压缩性能测试。从图13可看出，一开始加压后体系密度都有所升高，5 MPa后密度提高趋于缓和，但VES-1体系密度增加值最小，30 MPa下最高升高值不超过0.05 g/cm3，说明VES-1微泡体系具有良好的抗压缩能力。

图13 3种钻井液抗压缩性能对比

3.4 VES-1微泡体系高温稳定性

文23气田沙四气藏地层温度一般为113～117.5 ℃，分别用VES-1、DC、OP-10配制微泡钻井液体系，考察体系120 ℃的抗温稳定性能及触变性，结果见表2。

表2 VES-1、DC、OP-10微泡体系抗温性对比

考察发现，经过120 ℃老化16 h后，VES-1体系的性能很稳定，密度无变化，微泡体系仍然很细密，看不到虚泡； DC体系稍有虚泡，OP-10体系完全消泡；而且VES-1体系老化前后初终切都较高，而且初终切相差不大，表现出良好的触变性。

3.5 抗盐水污染性能

文23地层水为高矿化度盐水，总矿化度（26～30）×104mg/L，Cl-含 量 16×104～18×104mg/L，ES47 段 Ca2+含量达 10 835 mg/L，属 CaCl2水型。所以钻井液应具备良好的抗盐水污染能力，以满足遇地层盐水侵情况下的性能稳定需要。将复合盐水加入配制好的微泡钻井液中，经120 ℃老化16 h后，考察不同污染量下微泡钻井液流变性和密度变化。从表3可看出，加入5%以下复合盐水对微泡钻井液的密度、黏度和切力影响不大，性能稳定；加入7%以上复合盐水后，钻井液的黏度、切力和密度都有所升高，但密度提高不超过0.06 g/cm3，而且高温滚动前后性能稳定。

表3 复合盐水加量对微泡钻井液性能影响

3.6 润滑性

根据文23储气库钻井方案部署，定向井约占总井数95%以上，要求钻井液具有良好的润滑性，为此考察了微泡体系的润滑性，并优选出适合微泡体系的润滑抑制剂聚醚烷基糖苷NAPG，见表4。

表4 微泡体系润滑性能对比

注：基础配方：4%膨润土浆＋0.5%HXC+0.5%LVCMC+0.3%COP-HFL/LFL；VES-1体系：基础配方+1.2%VES-1+2%KCl+0.2%CHB+2%NAPG。

从表4可看出，微泡体系具有良好的润滑性，比基础配方润滑系数降低率达到54%以上。

4 结论

1.研制出适合微泡钻井液用阴离子型黏弹性表面活性剂VES-1。优化出VES-1黏弹性体系， 该体系黏弹性好，泡沫稳定性强，0.01 r/min低剪切黏度可达 100 000 mPa· s，泡沫半衰期可达 18 min以上。并在此基础上结合文23地层特点，研制出VES-1高触变性微泡钻井液体系。

2.VES-1微泡体系同时具有良好的抗压缩性、高温稳定性、润滑抑制性及抗盐水污染能力，能够满足文23储气库建设的需要。

[1]牛步青， 黄维安， 王洪伟， 等.聚胺微泡沫钻井液及其作用机理 [J].钻井液与完井液， 2016， 32（6）：30-34.NIU Buqing， HUANG Wei'an， WANG Hongwei， et al.Polyamine micro foam drilling fluid[J].Drilling Fluid &Completion Fluid， 2016， 32（6）：30-34.

[2]蒲晓林，李霜，李艳梅，等. 水基微泡沫钻井液防漏堵漏原理研究[J].天然气工业，2005，25（5）：47-49.PU Xiaolin， LI Shuang， Li Yanmei， et al. Experimental research of the leak resistance and loss circulation control of WB micro-foam drilling fluid[J].Natural Gas Industry，2005， 25（5）： 47-49.

[3]王桂全，孙玉学，李建新，等. 微泡沫钻井液的稳定性研究与应用[J].石油钻探技术，2010，38（6）：75-78.WANG Guiquan， SUN Yuxue， LI Jianxin， et al. Stability of micro-foam drilling fluid and its application[J].Petroleum Drilling Techniques， 2010， 38（6）： 75-78.

[4]王富华， 梁国昌， 郭保雨. 用于低压低渗透油气藏的可循环泡沫防塌钻井液[J]. 钻井液与完井液， 2009，26（1）：6-8.WANG Fuhua， LIANG Guochang， GUO Baoyu. A recyclable foaming drilling fluid suitable for drilling low pressure low permeability reservoirs[J]. Drilling Fluid &Completion Fluid， 2009， 26（1）： 6-8.

[5]汪桂娟，丁玉兴，陈乐亮，等. 具有特殊结构的微泡沫钻井液技术综述[J]. 钻井液与完井液，2004，21（3）：44-52.WANG Guijuan， DING Yuxing， CHEN Leliang， et al.Summarization micro-foam drilling fluid with special structure[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2004， 21（3）： 44-52.

[6]郑力会，左锋，王珊，等. 国内可循环泡沫类钻井液应用现状[J].石油钻采工艺，2010，32（1）：10-16.ZHENG Lihui， ZUO Feng， WANG Shan， et al. State of the art in the micro-bubble-based drilling fluids in China[J]. Oil Drilling & Production Technology，2010，32（1）： 10-16.

[7]谢建宇，周亚贤，刘光成，等.微泡沫钻井液密度特性研究[J]. 钻井液与完井液，2014，31（4）：8-10.XIE Jianyu， ZHOU Yaxian， LIU Guangcheng， et al.Research of the density feature of micro-foam drilling fluid[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2014，31（4）：8-10.

[8]王广财， 熊开俊， 曾翔宇， 等.可循环油基泡沫钻井液在胜北油田的应用 [J].钻井液与完井液， 2014， 31（6）：17-20.WANG Guangcai， XIONG Kaijun， ZENG Xiangyu， et al.Application of oil base circulable foam drilling fluid in block Shengbei[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2014， 31（6）：17-20.

[9]王健，洪伟，关键，等.泡沫随钻堵漏钻井液体系[J].钻井液与完井液，2015，32（3）：23-26.WANG Jian， HONG Wei， GUAN Jian， et al. Study and application of foam LCM[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2015，32（3）：23-26.

[10]杨倩云，郭保雨，严波. 黏弹性聚合物钻井液技术[J].钻井液与完井液， 2014，31（3）：6-9.YANG Qianyun， GUO Baoyu， YAN Bo. Viscoelastic polymer drilling fluid technology[J].Drilling Fluid &Completion Fluid， 2014， 31（3）： 6-9.

[11]蓝强，杨景利，李公让. 新型可循环泡沫钻井液用发泡剂性能研究[J]. 石油钻采工艺，2012，34（3）：28-32.LAN Qiang, YANG Jingli, LI Gongrang. Experiment study on properties of a novle circulative foaming agent for foam drilling fluid[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2012，34（3）：28-32.

[12]蒋官澄，张强，张志行，等.黏弹性表面活性剂CTAB 在钻井液中的应用 [J].油田化学， 2014， 31（3）：317-321.JIANG Guancheng， ZHANG Qiang， ZHANG Zhixing，et al. Application of viscoelastic surfactant in drilling fluid[J]. Oil field Chemistry， 2014， 31（3）： 317-321.

[13]刘忠运 ，颜娜 ，伍锐东，等. 黏弹性表面活性剂压裂液在低渗油田的应用现状[J]. 化学工业与工程技术，2010，31（3）：39-42.LIU Zhongyun， YAN Na， WU Ruidong， et al.Application status of visco-elastic surfactant fracturing fluid in the low permeability oilfield[J]. Chemical Industry& Engineering， 2010， 31（3）： 39-42.

[14]崔茂荣，马勇. 钻井液触变性评价方法的合理性探索[J].钻井液与完井液，2006，23（1）：24-26.CUI Maorong， MA Yong. Reasonable exploration of evaluation ways of drilling fluid[J]. Drilling Fluid &Completion Fluid， 2006， 23（1）： 24-26.

[15]侯树刚，胡建均，李勇军，等. 低压低渗枯竭型砂岩储气库钻井工程方案设计[J].石油钻采工艺，2013，35（5）：36-39.HOU Shugang， HU Jianjun， LI Yongjun， et al. Drilling engineering design of low pressure & low permeability depleted sandstone gas storage[J].Oil Drilling &Production Technology， 2013， 35（5）： 36-39.

[16]刘德新， 赵修太，邱广敏， 等.阴离子型黏弹性表面活性剂基凝胶的制备和性能[J].应用化学，2008，25（7）：865-867.LIU Dexin， ZHAO Xiutai， QIU Guangmin， et al.Behavior of viscoelastic surfactant based gel[J]. Applied Chemistry， 2008，25（7）： 865-867.

[17]苏乐， 郭磊， 刘兆华.印尼KSO Benacat区块低密度微泡沫钻井液技术 [J].石油钻探技术， 2016，44（1）：18-22.SU Le，GUO Lei，LIU Zhaohua. Low-density microfoam drilling fluid technology deployed in Benacat Block，Indonesia[J].Petroleum Drilling Techniques，2016，44（1）：18-22.

[18]曾平，谢维跃， 蒋佑清，等. N-酰基氨基酸型表面活性剂的合成与应用进展[J].精细与专用化学品 ，2008，16（24）：13-16.ZENG Ping， XIE Weiyue， JIANG Youqing， et al.Progress on synthesis and application of N-acylamino acid type surfactants[J]. Fine and Specialty Chemicals， 2008，16（24）： 13-16.

[19]王晓军.抗温抗盐无固相微泡沫钻井液研制与现场应用[J].石油钻探技术，2016，44（2）：58-64.WANG Xiaojun.The development and application of solid-free micro-foam drilling fluid with temperature resistance and salt tolerance[J]. Petroleum Drilling Techniques，2016，44（2）：58-64.

A Viscoelastic Surfactants: Its Development and Application in Micro Foam Drilling Fluids

GUO Jin’ai, XIE Jianyu, SUN Ju, LIU Guangcheng, LU Guolin, YANG Guotao, TAN Anping
(Research Institute of Drilling Engineering, Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd., Sinopec, Puyang, Henan 457001)

A viscoelastic anionic surfactant VES-1 has been synthesized with amino-compound and long-chain acryl chloride for use in micro foam drilling f l uids. A micro foam mud treated with VES-1 was formulated with selected micelle enhancer and secondary surfactants. The micro foam mud had good viscoelasticity and stable foam. Low shear rate (0.01 r/min) viscosity of the foam mud is 100 000 mPa·s, and the half-life longer than 18 min. Based on the formation characteristics of the Wen-23 gas storage, the VES-1 micro foam mud was further treated with foam stabilizer and f i lter loss reducers to form a micro foam mud of high thixotropy.Laboratory evaluation results have proved its high thixotropy and ability to quickly form network structure inside the mud. The initial(10 s) gel strength of the VES-1 foam mud was at least 12 Pa, and there was only slight difference between the 10 s and 10 min gel strengths. This is especially benef i cial to carrying drilled cuttings out of hole and plugging low pressure thief zones to avoid mud losses. VES-1 is apparently superior to the commonly used surfactants (such as OP-10) in mud loss control under pressure. In mud loss experiment, injection of 325 mL of the VES-1 mud at 120 ℃ increased the pressure to above 10 MPa, indicating that this mud can help resolve mud loss problem in low pressure formations. VES-1 micro foam mud also had good pressure resistance; its density increase did not exceed 0.05 g/cm3under 30 MPa. After aging at 120 ℃ for 16 h, the mud properties remained unchanged. The VES-1 mud is able to resist contamination by 10% compound saltwater. It also has good lubricity; the friction coeff i cient of the VES-1 mudis 54% less than commonly used polymer drilling f l uids. Properties of the VES-1 micro foam mud are able to satisfy the needs for the construction of the Wen-23 gas storage.

中国石油化工集团公司重点项目“枯竭砂岩气田改建储气库钻完井关键技术研究”（JP14028）；中石化中原石油工程公司重点科研项目“微泡钻井液用表面活性剂的研制” （2014207）。

郭金爱，1968年生，高级工程师，毕业于西安石油学院应用化学专业，现从事钻井液技术研究及产品开发工作。电话（0393）4890993；E-mail：zyytgja@163.com。

Viscoelasticity; Surfactants; Micro foam mud; Thixotropy; Mud loss in low pressure formation; Plugging; Gas storage

郭金爱，谢建宇，孙举，等.黏弹性表面活性剂的研制及其在微泡钻井液中的应用[J].钻井液与完井液，2017，34（5）：1-7.

GUO Jin’ai, XIE Jianyu, SUN Ju, et al.A viscoelastic surfactants： its development and application in micro foam drilling f l uids [J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（5）：1-7.

TE254.3

A

1001-5620（2017）05-0001-07

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.001

2017-6-14；HGF=1705N1；编辑 王小娜）