一种新型油包水钻井液乳化剂的研究与应用.pdf

第 3 0卷 第 2期 2 0 1 3年3月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D CoM PLET1 0N FLUI D V_o1 ． 3 0 NO ． 2 M a r ．20l 3 【 理论研究与应用技术 】 一 种新型油包水钻井液乳化剂的研究与应用 闫晶， 刘永贵 ， 张坤， 刘振华， 宋涛 大庆钻探工程公司钻井 程技术研究院，黑龙江大庆 闰晶等 ． 一种新型油包水钻井液乳化剂的研究与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 2 1 2 1 4 ，1 7 ． 摘要利用 N，N一 二甲基 1 ，3 一 丙二胺、脂肪酸、脂肪胺和环氧氯丙烷合成出Ge mi n i 阳离子表面活性剂，作 为新型油包水钻井液用主乳化剂 代号为D QG C ，D QG C具有极强的表面活性，可以形成致密的油水界面膜，在 相对较小加量下既具有较高的破乳电压 大干 l 0 0 0 V ，同时可以润湿重晶石粉和岩屑等固相。使用 DQ G C研制 出的新型油包水钻井液，在 XS平 1 、 2 5平 1 、P F平 8 4井进行了现场试验，表现出低黏高切的良好流变性，以 及携屑能力、电稳定性和滤失造壁性强等优点，动塑比维持在 0 ． 4 P a ／ mP a S以上，满足 了复杂结构井的钻探需求， 可替代 国外油包水钻 井液乳化剂。 关键词 阳离子表面活性剂 ； 油包水钻井液 ； 乳化剂 ； 携屑能力 中图分 类号 T E 2 5 4 ． 4 文献标识码 A 文章编号 中国常用的油包水钻井液乳化剂主要有高级脂 肪 酸的二价金属皂 、S p a n 8 0 、油酸 、环烷酸酰胺 、 环烷酸钙 、石油磺酸铁 、腐植酸酰胺等 [ 1 ] 。国外油 包水钻井液乳化剂主要为脂肪酸 的胺类衍生物或聚 酰胺类表面活性剂 ，参考其分子类型 ，设计合成了 Ge mi n i 表面活性剂作为油包水钻井液主乳化剂 代 号 为 DQG C ，其表 面活性较强 ，可 以大大降低油 水界面张力 ，同时由于联接基团将 2个亲水基团连 接在一起 ，因此可以形成更致密的油水界面膜，提 高乳状液稳定性 [ 2 ] 。在此基础上研制出了新型油包 水钻井液体 系，并进行 了现场试验应用。 1 乳化剂分子设计及其合成 1 ． 1 乳化剂 分子结构 设计 在油包水逆乳化钻井液体系中，乳状液滴的界 面膜厚度和强度是其保持稳定的关键 ，而形成致密 且强度高的乳状液膜主要依赖于体系中所使用的乳 化 剂 。 传统 的油包水钻井 液其主乳化 剂的亲油性强 HL B值 为 3 ～6 ，辅 助 乳 化 剂 亲 水 HL B值 为 7 ～9 ，主、辅乳化剂复配 可以调节乳化剂混合物 的亲油亲水平衡值在 4 左右，以达到较好的乳化效 果。同时，辅助乳化剂可以弥补主乳化剂亲洫 过 强的不足 ，使乳化水滴 一 辅助乳化剂亲水头基 、辅 助乳化剂亲油链 主乳化剂亲油链 ． 油相 ，这 4者 之间由于极性相 同而相吸以及结构相似而相亲 ，从 而形成较为稳定的乳状液滴 [ 3 】 。然而 ，相邻乳化剂 分子 的亲水 头基间存在 电荷斥力 和水化引起 的分 离倾向，使得乳化剂在油水界面上难以紧密排列， 界面膜 厚度和强度不 足，造成乳化剂 表面活性偏 低 ， 乳化效果不理想 ， 以及乳化剂加量大 、 成本高等 问题。 针对上述问题 ，需要 研制出一种高效乳化剂。 Ge mi n i 表面活性剂的 2个亲水活性头之间由短碳链 相连 ，亲水头基受到刚性碳链的约束 ，克服了 2个 极性头基之问的斥力 ，使乳化剂可以更 紧密地排列 在乳化液滴上 ，牢固地吸附微小水珠 ，从而获得更 大的界面强度 ，提高了乳化稳定性 ； 与单链表面活 性剂复配亦能产生较好 的协同效应 ，具有 良好 的钙 第一作者简介 闫晶，工程师，油气井工程专业硕士研究生，现在从事钻井液科研技术攻关工作。地址 黑龙江省 大庆 市八 百垧大庆 钻探 工程公 司钻 井工程技 术研 究院钻井液 技术研 究所 ；邮政编码 1 6 3 4 1 3；电话 1 3 9 3 6 7 2 1 4 4 1； E ma i l y a n j i n g 5 6 8 1 6 3 ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷 第 2期 闫晶等 一种新型油包水钻井液乳化剂的研究与应 用 l 3 皂分散性，兼具润湿功能，可作为高效乳化剂应用 于油包水钻井液体系 中 M 】 。同时，G e mi n i 表面活性 剂具有特殊 的相行为 ，静止时以复杂堆砌 的多孔结 构存在 ，当剪切速度增加时 ，会逐渐向平滑的片状 结构过渡 、转变 ，因而使钻井液体系表现 出良好 的 低黏高切 的流变性 。 1 ． 2 乳化剂的合成 Ge mi n i 表面活性 剂 同样分为 阳离子 型、阴离 子 型、两性离子 型和非离子型 。 目前对 Ge mi n i 阳 离子型表面活性剂的合成研究较成熟 ，其胺类表面 活性 剂可 以形成具有一定黏弹性的界 面膜 ，降低界 面张力 ，而且季铵盐型表面活性剂对 p H值不敏感 ， 因此 ，设计合成双子季铵盐型表面活性剂作为油包 水钻井液乳化剂 ，其分子结构见图 1 。 A。 C H 2 。 注 R 、R 2 为亲油碳链， A。 、 A 为亲水的活性头， C H 为联接基团。 图 1 新型油包水钻井液乳化剂分子结构简图 合成 阳离子 双季铵 盐表 面活性剂 的方 法 主要 有 2种 一 种是 以二 溴取代烷烃 和单 长链 烷基二 甲基叔胺 烷基为直链 烷基 在 无水 乙醇 中加热 回流 ，进行 季铵化反 应 ，适用 于二溴代烷 烃非 常 活泼且 易得 的情况 ，但二溴 代烷 烃 的价格 昂贵 ； 另一种是溴代长链烷烃和 N，N，N ，N ． 四甲 基烷基二胺以无水 乙醇作溶剂 ， 加热 回流 2 ～3 d ， 减压蒸馏除去溶 剂 ，重结 晶提纯 ，即可得到产品 。 如陈凤生等以 N， N一 二 甲基丙二胺分别与十二酸 、 十 四酸 、十六酸 和 十八酸 反应 得 到酰 胺基 叔胺 ， 再 制成 盐酸盐 ，盐酸 盐与环 氧氯丙烷在水 溶剂 中 合成了相应的含 酰胺基 双子 阳离子表面活性剂 _ 4 ] 。 研究 中，首先 以有 机 酸和 N，N一 二 甲基丙二 胺为原料 ，合成含叔胺基 团的酰胺类表面活性剂 ， 即 D Q N S 作为中间体① ； 然后以脂肪胺和环氧氯丙 烷为原料合成中间体② ； 最后将中间体①与中间体 ②按 一定物质的量投料 ，加人无水 乙醇作为溶剂 ， 加热 回流 ，经过多次溶剂洗涤后得到 阳离子双季铵 盐表面活性剂 DQG C。 2 新型油包水钻井液体 系研究 2 ． 1 乳化剂加量优选 配制油水 比为 8 0 2 0的油包水钻 井液 ，氯化 钙盐水浓度为 2 0 ％，有机土、降滤失剂和石灰加量 分别为 3 ． 0 ％、4 ． 0 ％ 和 1 ． 5 ％。DQ GC与 D QNS加量 之比为 3 ． 1 1 ． 0 ，实验数据如图 2所示。 D QNS ／ ％ D QG C ／ ％ 图 2 新型油包水钻 井液乳化 剂加量对破乳 电压的影响 从 图 2看 出，随着乳化剂加量的增加 ，电稳定 性增强 ，乳化剂加量为 2 ． 5 ％ 和 0 ． 8 ％ 时，钻井液破 乳 电压增长的最快 ，继续增加乳化剂加量 ，破乳 电 压增长速度缓慢。综合考虑乳化效果和钻井液成本 因素 ， 确定 D QGC加量为 2 ． 5 ％， DQ NS加量为 O ． 8 ％。 2 ． 2 有机土优选 对 4 种有机土进行胶体率测试 ， 实验数据见表 1 。 表 1 4种有机土胶体率测试结果 有机胶体率 n ／ 胶体率 。 ／ 有机胶体率 。 。 ／ 胶体率 n ， 土 ％ ％ 土 ％ ％ 1 9 5． 8 7 2． 3 2 96．2 7 2． 5 3 9 5， 9 7 2． 2 4 97。 6 7 4． 8 优选 出胶体率最高的 4 有机土 ，对其加量进行 优选 ，基础配方 2 ． 5 ％D QG C 0 ． 8 ％D QNS 4 有机 土 1 ． 5 ％ 石灰 4 ％ 降滤失剂 油水 比为 8 0 2 0 ， 实验数据见表 2 。 表 2 有机 土加量优选 1 5 o℃、1 6h 表 2数据表 明，随着有机土加量 的提高 ，钻井 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 3年 3月 液的黏度和切力增加 ，在加量为 3 ％时流变性较好 ， 因此确定有机土加量为 3 ％。 2 ． 3 降 滤失剂 在上述实验基础上对降滤失剂进行 了优选 ，实 验数据见表 3 。 表 3 降滤失剂优选 1 5 0 o C 、1 6 h 电 E S ／P V } Y P f G e l | Y P } P y F L n ／ 失剂 v mP a ． s P a P a ／ P a 6 ／ 3 P a ／ mPa． s mL 磺化沥青 1 0 1 8 2 0 8 ． 0 3 ／ 4 8 ／ 7 0 ． 4 0 0 ．2 D QH A 1 0 2 4 2 0 8 ． 5 4 ／ 5 9 ／ 7 0 ． 4 3 0 碳化 沥青 O F C 1 0 3 7 2 1 8 ． 5 4 ／ 5 9 ／ 8 O ． 4 0 0 ． 2 由表 3可 以看 出，南降滤 失剂 DQ H A配制 的 钻井液老化后 A P I 滤失量为 0 ，因此对其加量进行 了优选，并考察高温高压降滤失效果，数据见表 4 。 表 4 D QH A降滤失剂加量优 选 1 5 0℃、1 6h 注 高温高压实验条件为 1 5 0℃、3 ． 5 MP a 。 从表 4可以看 出，D QH A加量 的变化对钻井液 流变性影响不大 ，加量为 4 ％ 时高温高压滤失量小 于 4 mL，因此确定 D QH A加量为 4 ％。 2 ． 4 新 型油包 水钻井液性 能评价 通过室 内实验，对各处理剂的加量进行优选 ， 最终形成新型油包水钻井液基础配方如下。 油相 油水 比为 8 0 2 0 2 ． 5 ％DQ GC 3 ％有机 土 O ． 8 ％D Q NS 1 ． 5 ％石 灰 4 ％DO HA 氯化钙盐水 该体系所使用 的乳化剂加量低 ，但乳化稳定性 强 ，且钻井液具有低黏高切 的流变性和良好 的滤失 造壁 l生，其性能及抗污染能力见表 5 。 表 5 新型油包水钻井液室内性能评价 钻井液 E v S ／ m P P a V ／ ．s Y P P a ／ 从 表 5可看 出 ，使 用 D QGC配制 的新 型油包 水钻井液被 1 0 ％ 劣质 土污染或加重后 ，破乳 电压 大于 4 0 0 V，仍然维持较好 的电稳定性 ，且流变性 可控 ，可 以进行现场试验 。 3 现 场 应 用 使用 DQ GC配制 的新型油包水钻井液先后在大 庆油 田XS平 1 井 、 2 5平 1 井 、P F平 8 4井 、 7 0 平 1 井和 F 6井进行 了现场应用 ，该体系在施 _丁过 程 中性能稳定 ，流变性 良好且携岩能力较强。满足 了不同类型水平井 的施工需求。 3 ． 1 XS 平 1 井 三开井段 根据邻井钻探成果及地震解 释成果 ，预计 XS 平 1 井 自上而下可能钻遇有断层 、漏层 、超压 层 ， 四方 台组以上疏松地层 ，需注意防漏 、防塌 ； 嫩江 组二段和青山 口组地层发育大段泥岩 ，施工过程 中 需防止井壁坍塌 。应用新型油包水钻井液进行该井 三开井段 3 1 1 0 ～4 5 4 5 m的钻进任务 。 XS平 1 井 的设 计垂 深 为 3 6 9 3 ． 2 6 m，斜 深 为 4 7 3 8 ． 2 2 m， 最大井斜为 8 5 ． 7 4 。 ， 水平位移为 1 3 5 1 ． 6 1 m，人靶后钻进水平位移 8 0 6 ． 1 1 m完钻 ，井底温度 小于 1 5 0 o C。配浆至正常钻进的钻井液性能如表 6 所示 。由表 6可 以看 出，该 钻井液高温 下具有低 黏高切 的流变性能 以及 良好 的电稳定 性和滤失造 壁性 ，破乳 电压最低为 1 0 6 2 V，动塑 比始终维 持 在 0 ． 4以上 ，初 、终 切 为 3 ～5 P a 、5 ～ 1 5 P a ，返 砂正常 ，多次起下钻无阻卡显示 ，携屑能力强 。施 工过程 中扭矩 平稳 ，摩阻低 ，机械钻速达 1 ． 7 m／ h 以上 ，满足了深层水平井的施工要求。 表 6 XS平 1 井三开井段钻井液性能 井深 ／ F V ／ p } E S ／ PV ／ G e l f Y P f Y P l P F L Ⅻ P m s c m v m Pa．s 6 ／ 03 Pa ／ Pa Pa Pa ／ mPa．s mL Ge l l Y P} Py P a ／ P a 6 P a ／ H l P a ． s 3 ． 2 不 同油包 水钻 井液现场 应用对 比情 况 表 7为新型油包水钻井液与 国外泥浆公司在大 庆油 田 Y P 1 井应用的钻井液性能对 比。 下转第1 7 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 0卷 第 2期 孙明波等低p H值钻井液用除钙剂 1 7 上接 第1 4 页 表 7 新型油 包水钻 井液与国外油包水钻井液现场性能对 比 共号 F Y s E F xs 平 1 0 ． 9 8 4 6～6 7 2 4 ～ 3 3 1 O ～ 1 4 ． 5 0 ． 4 ～ 0 ． 4 4 1 41 5 4 ． 0 s 6 0 6 9 28 3 2 1 3 1 3- s o s 01 2． s YP 1 1 ．25 48～ 65 25～ 3 0 9～ 1 2． 5 0． 4～ 0 ． 4 6 8 5 6 3． 6 注 X S平 1 、P F平 8 4井使用 自行研制的钻井液 ，YP 1 井使用 的国外钻井液 。 从表 7可知 ，新型油包水钻井液具有低黏高切 的流变性 ，携岩能力强 ，与国外油包水钻井液性能 相近， 其破乳电压这一指标优于国外油包水钻井液。 DQ GC的研制成功与应用，在节约钻井综合成 本的前提下满足了大庆油 田井深 3 8 0 0 m 以内特殊 工艺井的钻探需求 ，对油包水钻井液处理剂及体 系 的技术发展具有指导意义。 4 结论 1 ． 设 计合成 了 Ge mi n i 阳离子季铵 盐型表面活 性剂作为油包水钻井液乳化剂。 2 ． 通 过 大 量 室 内 实 验 ，研 制 出 新 型 油 包 水 钻 井 液 体 系 的配 方 为 油相 油 水 比为 8 0 2 0 2 ． 5 ％D QGC 0 ． 8 ％D G NS 3 ％ 有 机 土 1 ． 5 ％ 石 灰 4 ％D QHA 氯化钙盐水 。 3 ． 室内实验及现场试验结果均表明 ，新型油包 水钻井液乳化剂的性能优异 ，可以替代国外的同类 产 品 。 参 考 文 献 [ 1 ] 鄢捷年 ． 钻井液工艺学 [ M】 ． 山东东营 中国石油大学 出版社 2 3 9 ． 2 4 1 ． [ 2 】 高志农，许东华，吴晓军 ． 新型低聚表面活性剂研究进 展 [ J ] ． 武汉大学学报 ，2 0 0 4 ，5 0 6 6 9 1 ． 6 9 7 ． [ 3 】 夏立 新 ． 油水 界面 膜与乳 状液 稳定 性关 系 的研 究 [ D] ． 中国科学院博士学位论文 ，2 0 0 3 2 - 5 ． [ 4 ] 郑延成，韩冬，杨普华 ． 低聚表面活性剂的合成及应用 进展 [ J ] ． 化工进展 ，2 0 0 4 ，2 3 8 8 5 2 8 5 5 ． 收稿 日期2 0 1 2 ． 1 1 - 1 5 ；H GF 1 3 0 2 F 5 ；编辑付明颖 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m