抗高温合成基钻井液用乳化剂的研究

王旭东

(中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东 东营 257000)

由于连续相是油，油基(油包水型)钻井液具有抑制性强、抗温能力强、润滑性好、油气层保护效果好、抗污染能力强以及等优点，因此在水敏性地层、高温地层等复杂地层具有广泛的应用[1-2]。根据油相不同，油基钻井液可分为柴油基钻井液、白油基钻井液和合成基钻井液。和柴油/白油基钻井液相比，合成基钻井液毒性低、环保性能更好，具有广阔的发展前景。但是合成基钻井液基础油分子链短、分子间作用力弱，乳化难度大，特别是抗高温的乳化剂还达不到要求，限制了其在现场的应用[3-4]。本文通过研制高性能乳化剂，形成了一套抗高温合成基钻井液体系，为合成基钻井液的推广应用提供了技术支撑。

1 乳化剂的研制

油包水型的合成基钻井液本质上是不稳定的乳状液体系，维持乳状液的稳定性，特别是在高温条件下的稳定性是建立抗高温合成基钻井液的核心问题[5]。合成基基础油的分子链短，分子间作用力弱，常规乳化剂的乳化效果差，为了得到稳定的乳状液，引入了低聚型表面活性剂作为合成基钻井液的乳化剂[6]。

1.1 制备方法

将与合成基基础油具有较好相溶性的有机酸和具有特殊结构的有机胺加入到烧瓶中，氮气保护，并加入催化剂，于一定温度下通过酰胺化反应生成低聚型酰胺类乳化剂，除去水分后，加入司盘80和吐温80的混合物，搅拌均匀，即为研制的乳化剂，代号为SLH-3。

1.2 作用原理

该乳化剂分子中引入了酰胺基，增强了其在油水界面的吸附能力，提高了该乳化剂的乳化能力。该乳化剂属于低聚型表面活性剂，由于其特殊的分子结构，该乳化剂分子在油水界面聚集吸附时，同时存在烷基链之间的分子内相互作用和依靠氢键而形成的分子间相互作用，极大地提高了其构建和稳定油包水乳状液的能力[6]。此外，该乳化剂属于非离子型的乳化剂，和其它处理剂的配伍性较好。

2 乳化剂的性能评价

2.1 评价方法

量取210 mL合成基的基础油，在水浴加热(50℃)、搅拌条件下加入3%的乳化剂SLH-3， 待SLH-3完全溶解后，加入90 mL的水(20%的CaCl2溶液)，继续搅拌20 min，得到油包水乳状液。通过评价乳状液的稳定性来评价乳化剂的性能[7]。

破乳电压法：将电稳定性测试仪的探头置于盛有乳状液的浆杯中，记录并求出两次测量结果的平均值，两次读值之差不得超过5%；乳化率评价法：将一定体积(V，mL)的乳状液倒入量筒中，静置观察并读取2 h 分离出油相的体积(V1，mL)，乳化率W=(V-V1)/V×100%；离心评价法：在带刻度的离心管中加入10mL 乳状液，在2000 r /min 的转速下离心5 min，测定离心试管中分离出液体的体积。上部清液的体积(析液量，ΔV)越小，说明乳状液越稳定；高温老化评价法：将乳状液倒入高温老化罐中，在一定温度下老化16 h，之后测试乳状液的性能，可以评价乳状液的高温稳定性。

2.2 评价结果

利用破乳电压法、乳化率评价法和离心评价法测试了所配制乳状液在不同温度老化前后的稳定性，结果如表1所示。

表1 不同温度老化之后乳状液的性能测试(50℃)

注：乳状液组成：210 mL合成基+90 mL 20%的CaCl2水溶液+3%的SLH-3。

由表1可见，220℃老化16 h之后，乳状液的破乳电压值在800 V以上，说明乳状液的电稳定性优异；2 h的乳化率大于90%，说明乳化剂分子在油水界面上形成了界面膜结构，能够阻止油的析出；析液量小于0.8 mL，说明乳化剂分子形成的界面膜强度高，能够阻止较强外力对乳状液稳定性的破坏。随着老化温度的增加，乳状液的稳定性呈现先上升后下降的趋势，这是因为老化温度低于150℃时，温度升高促进了乳化剂在油水界面上的吸附，增强了界面膜的强度，提高了其稳定性；当老化温度大于180℃后，继续提高温度，过高的温度会导致乳化剂分子在油水界面上的解吸附，降低乳状液的稳定性。当老化温度达到220℃时，乳状液的稳定性仍然保持在较高的水平上，说明研制的乳化剂在高温条件下仍然具有良好的乳化能力，能够满足配制抗高温合成基钻井液的需要。此外，该乳状液在水相含量达到30%时具有很好的稳定性，说明研制的乳化剂对合成基基础油的乳化能力很强，由于水相含量的增加，可以有效降低合成基钻井液使用的成本。

3 抗高温合成基钻井液

3.1 抗高温合成基钻井液的基础配方

在研制高性能乳化剂SLH-3的基础上，优选抗高温的其他处理剂(有机土、降滤失剂、润湿剂、抗高温封堵剂等)，建立了抗高温合成基钻井液基础配方：合成基基础油(210 mL)+20%的CaCl2水溶液90 mL+3%乳化剂SLH-3+3%有机土+4%降滤失剂+3%润湿剂+1%抗高温封堵剂+2%的碱度调节剂(CaO)+重晶石(钻井液体系密度范围0.9 ～1.5 g/cm3)。

3.2 抗高温合成基钻井液的性能

测试合成基钻井液在高温老化前后的流变性能、电稳定性以及不同条件下的滤失量：室温中压滤失量(FLAPI，室温，0.7 MPa)和高温高压滤失量(FLHTHP，150℃，3.5 MPa)。

抗高温合成基钻井液的性能详见表2。

表2 不同温度老化后合成基钻井液的性能(50℃)

由表2的数据可知，加入有机土、降滤失剂、润湿剂和抗高温封堵剂等配套处理剂后，体系的破乳电压增大，说明优选的处理剂与乳化剂具有较好的配伍性，能够增强体系的稳定性。配制的合成基钻井液老化前后塑性粘度较低、动切力较高，动/塑比保持在较高的水平，流变性能优异，体系的API滤失量小于2.0 mL，HTHP滤失量小于10 mL，说明优选的降滤失剂效果良好。220℃老化之后，体系的性能变化不大，说明该体系具有优异的抗温能力，能抗220℃的高温。

3.3 抗污染能力评价

对体系的抗污染能力进行了评价，评价结果详见表3。由表3的数据可知，在本文研制的合成基钻井液体系中加入3%的NaCl 、2%的CaCl2、10%的水和20%的钻屑后，塑性粘度、动切力、破乳电压和滤失量等关键指标没有出现明显的恶化，主要性能能够满足现场应用的要求，说明体系抗污染能力强。

表3 体系抗污染能力评价结果

4 结论

(1)通过酰胺化反应合成了适合合成基使用的低聚型酰胺类乳化剂，该乳化剂结构特殊，性能优异，在高温(220℃)下仍然能够保持较好的乳化效果。

(2)以研制的乳化剂为基础，优选其它处理剂，构建了抗高温合成基钻井液体系。在50～220℃范围内，该体系稳定性好，流变性能优异，滤失量低，抗污染能力强，能够满足现场高温地层钻探的需要。