抗溫抗污染油基鉆井液乳化劑的研制及在陽101區塊的應用

張 桓，羅春芝，張世錄，田順春，周俁玒，章楚君，王怡迪

1 長江大學化學與環境工程學院 2 中國石油渤海鉆探工程公司第三鉆井公司 3中國石油青海油田分公司采油三廠 4長江大學石油工程學院

0 引言

隨著瀘州陽101區塊頁巖氣勘探開發地不斷深入，高溫井和超高溫井數量逐漸增加，井底溫度不斷刷新，油基鉆井液的抗溫能力也面臨著巨大的挑戰[1- 3]。面對更高的井底壓力，鉆井液需要更多的加重材料來提高密度，平衡地層壓力。鉆井液在井下高溫高壓的環境中會存在乳化劑降解問題，導致鉆井液流變性、降濾失性及沉降穩定發生突變，給鉆井安全帶來一系列的問題，鉆井現場一般的解決方法是通過不斷地補充乳化劑，無形中增加了鉆井成本。在該區塊頁巖氣鉆井過程中上部地層一般用水基鉆井液鉆進，進入目的層前才用油基鉆井液將水基鉆井液體系頂替出來，頂替過程中油基鉆井液易因水基鉆井液的混入發生污染，如果油基鉆井液使用的乳化劑的類型為陽離子型或陽離子與兩性離子混合型，則會與使用陰離子型處理劑的水基鉆井液發生反應，導致乳化劑失去乳化能力，油基鉆井液的性能發生很大的變化[4]，需要使用大量的乳化劑來恢復油基鉆井液性能。且這些水基鉆井液中含有高價金屬離子對直鏈型的乳化劑的鹽析效應也會使乳化劑的乳化性能下降，如水泥漿中的Ca2+、Fe3+、Mg2+等[5]。因此，研發優良的抗高溫抗污染的油基鉆井液乳化劑具有很強的理論意義和實際意義。從分子結構設計出發，選擇松香酸、多烯多胺和馬來酸酐，通過酰胺化反應、Diels-Alder反應，合成出一種分子中帶剛性基團的陰離子型乳化劑，提高鉆井液的高溫穩定性和抗污染能力，滿足現階段現場施工要求[6- 8]。

1 實驗部分

1.1 實驗原料和儀器

(1)主要原料：多烯多胺(分析純)、松香酸(工業純)、馬來酸酐(分析純)、丙酮(分析純)、甲苯(分析純)、氫氧化鉀(分析純)、二月桂酸二丁基錫(分析純)。

(2)實驗儀器：高速電動攪拌機，恒溫油浴鍋，六速旋轉黏度計，滾子加熱爐，鉆井液失水量測定儀，高溫高壓失水儀，電穩定性測試儀。

1.2 乳化劑的合成

(1)酰胺化反應：將一定量的天然松香酸和二乙烯三胺加入到裝有機械攪拌器和冷卻回流裝置的四口燒瓶中，充分攪拌的同時，在氮氣保護的條件下將甲苯和氫氧化鉀緩慢加入，維持反應的溫度恒定在170 ℃，反應4 h后減壓蒸除多余的二乙烯三胺。

(2)Diels-Alder反應：再向四口燒瓶中補充適量的甲苯，加入一定量的馬來酸酐和二月桂酸二丁基錫，保持溫度不變，回流反應4 h，反應結束，減壓蒸除去未反應的原料，得到最終產物為紅棕色膏狀物乳化劑NY- 4。

2 結果與分析

2.1 乳化劑的微觀表征分析

對合成樣品進行紅外表征分析(見圖1)。

圖1 紅外表征分析

從圖1可以看出：3 125 cm-1處為-NH2振動吸收峰，2 934 cm-1處為-CH3、-CH2中C-H振動吸收峰，1 612 m-1處為酰胺基中的C=O伸縮振動的吸收峰，表明反應物中多烯多胺和松香酸反應；1 696 cm-1處出現振動吸收峰，這是酸酐中羰基的特征吸收峰。由于產物已經被純化。樣品中沒有馬來酸酐單體的存在，所以觀察到的1 696 cm-1處的吸收峰是已接枝上的馬來酸酐的特征吸收峰，故可確定了反應產物為目標產物。

2.2 乳化機理分析

合成的乳化劑NY- 4具有雙親性，結構中主鏈與親水基團酰胺基通過化學性質穩定的C-N鍵的連接，二乙烯三胺的引入增加了親水基團的數量，提高了乳化劑在油水相中的抗污染能力[9]。分子之間能夠形成氫鍵使得油包界面膜的強度更高。分子中氨基上的H原子能與另一個分子中的O、N之間可以形成分子間氫鍵，能夠使形成的乳化膜強度更強。馬來酸酐基團的引入，進一步提高了表面活性劑分子起始分解溫度和完全分解溫度，且更易與其他乳化劑分子形成網狀結構，增強了鉆井液體系的穩定性。松香酸分子中的環狀結構基團使合成的乳化劑具有很好的抗水基鉆井液、水泥漿前置液及水泥漿侵污的能力。

2.3 乳化劑的乳化性

按照Q/SH 3580 0047—2014《低油水比油基鉆井液乳化劑SMEMUL技術要求》標準對合成的乳化劑樣品能進行評價，實驗結果見表1。

從表1可以看出：該乳化劑能夠滿足Q/SH 3580 0047—2014《低油水比油基鉆井液乳化劑SMEMUL技術要求》標準要求。

表1 乳化劑的性能評價

3 乳化劑的性能評價

乳化劑對油基鉆井液的性能影響主要體現在加量、油水比、密度、溫度及抗污染能力等。因此，室內重點考察這些因素對乳化劑作用效果的影響，以便更好地指導乳化劑的合理應用。

基礎油基鉆井液配方：0#柴油+乳化劑+1%潤濕劑+2.5%有機土+3%CaO+CaCl2水(25%質量濃度)+3%降濾失劑+重晶石。

3.1 加量的影響

乳化劑加量會影響到油水界面膜的強度從而影響鉆井液的整體性能，同時加量也會影響鉆井液成本，因此，選擇合適的加量對指導現場施工具有很強的實際意義。

在基礎油基鉆井液配方上，固定油基鉆井液的密度為1.8 g/cm3及油水比為80:20，配制出NY- 4加量為2%～5%的油基鉆井液，測定其在150 ℃下熱滾16 h前后的性能，實驗結果見表2。從表2可以看出：當加量在3%及以上時，隨著乳化劑加量增加，鉆井液破乳電壓不斷增加，流變性參數不斷增加，動靜切力上升，濾失量逐漸降低，鉆井液穩定性不斷提高。當乳化劑加量為3%～5%時各項性能能很好滿足安全鉆井要求。

表2 乳化劑不同加量時鉆井液性能

3.2 油水比的影響

在基礎油基鉆井液配方上，固定鉆井液密度為2.0 g/cm3，乳化劑加量為4.0%，配制不同油水比的油基鉆井液，測定其在150 ℃下熱滾16 h前后的性能。實驗結果見表3。從表3可以看出：隨著油水比增加，鉆井液的破乳電壓逐漸增加，黏度、切力、濾失量逐漸下降。最低油水比為60：40時，破乳電壓>600 V，滿足現場要求油基鉆井液體系的破乳電壓ES>500 V的要求。最高油水比為90：10時動靜切力沒有大幅降低，可以滿足安全施工的要求。表明該乳化劑滿足不同油水比油基鉆井液要求。

表3 不同油水比下油基鉆井液性能

3.3 密度的影響

在基礎油基鉆井液配方上，配制的油水比為80：20，乳化劑加量為4%，配制出不同密度的油基鉆井液，測定其在150 ℃下熱滾16 h前后的綜合性能，實驗結果見表4。從表4可以看出：隨著鉆井液密度的升高，破乳電壓升高，而且均高于600 V；鉆井液表觀黏度和動切力隨著密度的增大逐漸變大，濾失量略升高，但是均小于1.8 mL。當鉆井液密度至2.30 g/cm3時，破乳電壓為1 442 V，而且穩定性好。

表4 不同密度時油基鉆井液性能

3.4 溫度的影響

在基礎油基鉆井液配方上，配制的油水比為80：20，乳化劑加量為4%，密度為2.0 g/cm3的油基鉆井液。測定其不同溫度下熱滾16 h前后油基鉆井液體系的性能。實驗結果見表5。從見表5可以看出：隨著溫度的升高，鉆井液體系的破乳電壓均大于1 000 V，鉆井液的流變性參數先略上升后略下降，濾失量略上升。溫度升高到230 ℃時，鉆井液的各項性能均能滿足安全鉆井要求，表明乳化劑的抗溫性可達230 ℃。

表5 不同溫度時油基鉆井液性能

3.5 鉆屑的影響

鉆進過程中鉆屑會不斷地侵入到鉆井液中，循環到地面時會通過振動篩、除砂器和除泥器等除固相設備清除一部分鉆屑，保證鉆井液體系性能的穩定，但這些除固相設備不能完全清除所有的固相，隨著侵入鉆井液中鉆屑量的增加，鉆井液性能會發生變化[10]。

在基礎油基鉆井液配方上，配制鉆井液油水比為80：20，乳化劑加量為4%，密度為2.00 g/cm3的鉆井液，測定不同鉆屑加量時油基鉆井液體系在150 ℃熱滾16 h后的性能。實驗結果見表6。從見表6可以看出：隨著鉆屑含量增加，鉆井液破乳電壓變化不大，鉆井液表觀黏度和塑性黏度增大，濾失量略上升，但均小于2 mL。鉆屑含量為10%時，鉆井液的流變性、濾失量及破乳電壓仍滿足安全鉆井要求，表明該鉆井液體系有較好的抗巖屑污染性。

表6 鉆屑對油基鉆井液性能影響

3.6 水基鉆井液、水泥漿前置液及水泥漿的影響

在基礎油基鉆井液配方上，配制鉆井液油水比為80：20，乳化劑加量為4%，密度為2.00 g/cm3的油基鉆井液，測定Y101H2- 8井水基鉆井液、前置液及水泥漿對其性能影響。實驗結果見表7。從表7可以看出：隨著水基鉆井液、前置液和水泥漿加量增加，鉆井液破乳電壓下降，流變性變化很小，濾失量略上升，整體性能仍滿足鉆井要求。加量低于5%時，油基鉆井液性能基本穩定，表明乳化劑的抗污染能力較強。破乳電壓下降的主要原因是乳狀液穩定性沒有被影響時侵入流體分散在乳液外相中而使導電性增強，表現出來的是破乳電壓下降。

表7 水基鉆井液、前置液及水泥漿對油基鉆井液性能影響

3.7 靜態沉降穩定性

在基本油基鉆井液配方上固定鉆井液油水比為80：20，乳化劑加量為4%，配制出密度為2.30 g/cm3油基鉆井液。測定在230 ℃下靜置不同時間的沉降穩定因子。實驗表明，鉆井液在230 ℃下靜置3 d時沉降因子無變化，5 d后沉降因子為0.510且其他性能無明顯變化，表明以NY- 4為主要乳化劑配制的油基鉆井液沉降穩定性好。

4 現場應用

以NY- 4乳化劑為主要處理劑配制出的油基鉆井液體系在四川瀘縣Y101H2- 8井得到了成功應用。該井四開裸眼井段長3 054 m，水平井段1 853 m，完鉆井深6 263 m，井底電測溫度達157℃，實際鉆進時溫度185 ℃左右，刷新了當時中國石油頁巖氣鉆井井深、儲層埋深4 000 m以下水平段最長兩項記錄。整個鉆井施工期間，鉆井液性能穩定，所有性能指標完全符合甲方設計指標。其現場鉆井液性能將表8?，F場鉆井液配方：240 mL 0#柴油+4.5%乳化劑+1%潤濕劑+2.0%有機土+3% CaO+60 mL 28%CaCl2水+1.5%降濾失劑+1.5%封堵劑+重晶石。鉆井液密度為2.06 g/cm3。

表8 現場鉆井液性能

5 結論

(1)以天然松香酸、多烯多胺、馬來酸酐為主要原料，通過酰胺化、Diels- Alder兩步法反應合成一種抗高溫抗污染乳化劑NY- 4。紅外圖譜分析表明松香酸、多烯多胺及馬來酸酐均參與了反應，使乳化劑具有抗溫抗污染結構基團。

(2)乳化劑的乳化性能滿足Q/SH 3580 0047—2014《低油頭比油基鉆井液乳化劑SMEMDL技術要求》標準要求。加量為3%～5%時可配制出油水比為60:40至90:10、密度為1.3～2.3 g/cm3的油基鉆井液。體系抗溫達230 ℃。密度為2.3 g/cm3時在230 ℃下靜置5 d，沉降因子SF小于0.51?？箮r屑污染為10%，抗現場水基鉆井液、水泥漿前置液和水泥漿侵污為8%。

(3)以NY- 4乳化劑為主要處理劑配制出的油基鉆井液在位于四川瀘縣陽101H2- 8井應用，表現出良好的抗溫性。