油包水钻井液稳定性影响因素分析.pdf

第 4 2卷第 1 0期 2 0 1 3年 1 O月 应用化工 Ap p l i e d C h e mi c a l I n d u s t r y V01 ． 4 2 No ． 1 O 0 c t ． 2 0 1 3 油包 水钻 井液稳定性影响 因素分析 余越琳， 蒲晓林 ， 易促文， 李茜 西南石油大学 油气藏地质及开发 工程圈家重点实验室 ， 四川 成都6 1 0 5 0 0 摘要 采用破乳电压法 ， 分析了配制钻井液过程中影响体系稳定性的因素。结果表明， 高强度的搅拌和合理的加 料方式有利于提高乳状液稳定性。 白油基钻井液比柴油基钻井液具有更高的稳定性， 内相中的C a C 1 和 N a C 1 能提 高体系稳定性。乳化剂的选择是提高乳状液稳定性的关键 ， 应优先选择复配型乳化剂， 并综合考虑其 H L B值、 分子 结构以及分子特性。随油量的减少 ， 乳状液的稳定性下降。有机土等处理剂的加入则能有效提高体系稳定性。 关键词 油包水钻井液 ； 影响因素； 稳定性； 乳化剂 中图分类号 T Q 0 1 4 ； T E 2 5 4 ； O 6 4 8 ． 2 3 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 1 3 2 0 6 2 0 1 3 1 01 7 4 7 0 4 I n flu e n c e f a c t o r s o f s t a b i l i t y o f i n v e r t e mu l s i o n d r i l l i n g flu i d Y U Y u e l i n ， P X i a o l i n ， W S i w e n ， L I Q i a n S t a t e K e y L a b o r a t o ry o f Oi l Ga s Re s e r v o i r Ge o l o g y＆ E x p l o i t a t i o n， S o u t h w e s t P e t r o l e u m Un i v e r s i t y C h e n g d u 6 1 0 5 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t The b r e a k i n g v o l t a g e me t h o d h a s b e e n a d o p t e d t o a n a l y s e t h e f a c t o r s wh i c h a f f e c t t h e s t a b i l i t y o f s y s t e m i n t h e p r o c e s s o f p r e pa r a t i o n d r i l l i ng fl ui d． Th e r e s ul t s s h o w t h a t h i g h i n t e n s i t y o f s t i r r i n g a n d r e a - s o n a bl e wa y o f c h a r g i n g b e n e fi t i mp r o v i n g t h e s t a b i l i t y o f t he e mul s i o n． W h i t e o i l ba s e d d r i l l i ng flu i d i s mo r e s t a b l e t h a n d i e s e l o i l b a s e d d r i l l i n g fl u i d， C a C 1 2 a n d Na C 1 i n t h e i n t e r n a l p h a s e c a n i mp r o v e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m ． Th e c h o i c e o f e mul s i fie r i s t h e k e y t o i mp r o v i n g s t a bi l i t y o f e mu l s i o n， t h e mi x e d e mu l s i fie r i s p r e f e r r e d， a n d i t s HLB v a l u e， mo l e c u l a r s t r uc t u r e a n d mo l e c u l a r f e a t u r e s s h o u l d a l s o b e t a k e n i n t o a c c o u n t ． W i t h t h e d e c r e a s i n g o f o i l ， t he s t a b i l i t y o f e mu l s i o n o i l d e c l i n e s ． Th e a d di t i o n o f s o me t r e a t i n g a g e n t s u c h a s o r g a n i c s o i l c a n i n c r e a s e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m e f f e c t i v e l y ． Ke y wo r ds i n v e r t e mu l s i o n d r i l l i n g flui d；i n flu e n c e f a c t o r ；s t a bi l i t y；e mu l s i fie r 油基钻井液具有强抑制性 、 很强 的耐温抗污能 力 、 极好的保护 油气层特性 以及极佳 的润滑特性。 因此 ， 它是 目前钻深井 、 大斜度定 向井 、 水平井和各 种复杂地层的主要手段u J 。油包水钻井液是油基钻 井液中的一种 ， 是一种液体 盐水相 以极小的液滴 分散在另一种与其不相混溶 的液体 基础油 中， 加 人各种处理剂而构成的。油包水钻井液比全油基钻 井液用油量少， 因此能大幅度降低生产成本。但从 热力学观点看 ， 油包水钻井液属 于不稳定体系 ， 在钻 井过程中始终存在乳化失效 的危 险， 特别是在钻深 热井时 ， 高温作用使乳状 液更容 易失去稳定性 j 。 通过研究油包水钻井液稳定性 的影响 因素 ， 掌握其 影响规律， 可获得提高体系稳定性的方法。本文将 主要分析配制油包水钻井液过程中影响体系稳定性 的因素。 1 实验部分 1 ． 1 材料与仪器 油酸、 十二烷基苯磺酸钠、 C a O、 C a C I 、 N a C 1 均 为分析纯 ； 乳 化剂 F B M O E M U L ． I、 F B ． MO C O A T ． 1 1 、 P F MO E MU L 、 P F MO C O A T、 WO 一 1 、 WO 一 2 、 0 柴 油、 有机土 F B M O T E X 、 降滤失剂 F B ． M O G E L ． I 均为工业级。 D WY型 电稳定性测试仪 ； WT 一 2 0 0 0 A双头变频 高速搅拌机。 收稿日期 2 0 1 3 - 0 6 ． 1 3 修改稿日期 2 0 1 3 - 0 6 2 8 基金项 目 国家重点基础研究发展 9 7 3计划 2 0 1 3 C B 2 2 8 0 0 3 作者简介 余越琳 1 9 8 9 一 ， 女， 四川内江人， 西南石油大学在读硕士研究生， 师从蒲晓林教授 ， 主要从事钻井液化学与力 学方 向研究 。电话 1 5 0 0 8 4 2 0 9 6 8 ， E ma i l y u 9 6 2 3 1 6 1 6 3 ． e o m 应用化工 第4 2卷 1 ． 2实 验方法 油包水钻井液的稳定性一般可通过两个方面来 评价 一是破乳电压法 ； 二是离心法。破乳电压法是 常用的考察乳状液 的稳定性 的方法 J ， 破乳 电压越 高表明乳状液越稳定。当乳状液中加人加重材料或 深色添加剂时， 第 2种方法效果很差 J 。本 文主要 采用的是破乳电压法。 2 结果与讨 论 2 ． 1 配制条件 2 ． 1 ． 1 搅拌速度将主乳化剂 、 辅乳化剂与柴油混 合均匀 ， 然后将 C a C 1 溶液快速倒人油中， 采用高速 变频无级调速搅 拌机分 别 以 2 0 0 0 ， 4 0 0 0， 6 0 0 0， 8 0 0 0， 1 0 0 0 0 ， 1 2 0 0 0 r ／ m i n的转速乳化 2 0 mi n ， 得 到 6份不同的乳状液， 在 5 O℃下测定各 自的破乳 电 压 下 同 ， 实验结果 见图 1 。实验配方为 2 7 0 m L O 柴油 3 0 m L水 2 0 ％ C a C 1 2 3 ％乳化剂。 搅 拌速 度， r mi n 图 1 搅拌速度对乳状液破乳电压的影响 F i g ． 1 T h e i n f l u e n c e o f s t i r r i n g s p e e d o n b r e a k i n g v o l t a g e o f e mu l s i o n ． 由图 l可知 ， 随着搅拌速度的增大 ， 乳状液的破 乳电压呈上升趋 势。搅 拌速度为 1 2 0 0 0 r ／ m i n时 ， 拌速度主要影 响分散相 液滴 的大小。液滴 尺寸越 小 ， 分布范围越窄 ， 越不易聚结变大 ， 乳状液的稳定 性就越好 。 2 ． 1 ． 2 乳化 时间 将 主 、 辅乳化剂与柴油混合均 匀 ， 再 把 C a C 1 溶 液 快 速 加 人 油 中，分 别 在 1 2 0 0 0 r ／ m i n 下乳化不同时间 ， 配制成 9份不 同的乳 状液 ， 考察乳化时间对乳状液破乳电压的影响规律 ， 见图 2 。实验 配方 为 2 7 0 mL 0 柴 油 3 0 mL水 2 0 ％ C a C 1 ， 3 ％乳化剂。 乳 化 时幅】 ／ mi n 图2 乳化时间对乳状液破乳电压的影响 F i g ． 2 Th e i n f l u e n c e o f e mu l s i f i c a t i o n t i me o n b r e a k i n g v o l t a g e o f e mu l s i o n 由图 2可知， 乳状 液的破乳 电压随乳化时间的 延长而增加。这是因为乳化时间代表给乳状液输入 的能量多少， 乳化时间越长， 向体系输人的能量越 多 ， 水相便 能分 散成更小 的液滴 ， 乳状 液也 就越稳 定。 2 ． 1 ． 3 加料方式 搅拌速度 1 2 0 0 0 r ／ m i n ， 乳化时 间 2 0 m i n ， 以不 同的加料 方式配制 4份乳状 液， 其 破乳电压 见表 1 。实 验配方 为 2 7 0 m L 0 柴 油 乳状液的破乳电压最大 ， 稳定性最好 。这是 由于搅 3 0 mL水 2 O ％ C a C 1 3 ％乳化剂。 表 1 加料方式对乳状液破乳电压的影响 T a b l e 1 T h e i n fl u e n c e o f t h e wa y o f c h a r n g o n b r e a k i n g v o l t a g e o f e mu l s i o n 由表 1 可知， 在相同的搅拌速度和搅拌时间下， 由于加料方式不同， 乳状液的稳定性有所差异。其 中， 最好的加料方式为 柴油与主、 辅乳混合均匀后， 将 C a C 1 溶液缓慢滴加人油中。 2 ． 2 内外相 2 ． 2 ． 1 基油 目前， 油基钻井液中普遍使用的基油 为柴油 我国常使用 0 柴油 和各种低毒矿物油。 实验考察了以 0 柴油和 白油 配制 的乳状液 的破乳 电压 ， 结 果 见 表 2 。实 验 配方 为 2 7 0 mL基 油 3 0 mL 水 2 0 ％ C a C 1 2 3 ％乳化剂。 由表 2可知， 相比O 柴油， 白油作为基油时， 乳 状液具有更好 的稳定性。一般地， 油包水乳化剂 的 分子结构应与油相分子结构相近 ， 乳化剂与油相具 有较好的相容性时， 有利于乳状液的稳定 。 第 1 O期 余越琳等 油包水钻井液稳定性影响因素分析 表 2 基油对乳 状液破乳 电压 的影 响 Ta bl e 2 The i n flue nc e o f ba s e oi l o n b r e ak i ng vo l t ag e of e mul s i o n 基油 0 柴油 自油 l 8 3 2 7 3 2 ． 2 ． 2 内相在配制油基 钻井液时 ， 常用盐水作 为内相， 其主要 目的是有效地控制水相 的活度 ， 消除 泥页岩膨胀水化 ， 保证井壁稳定 。有 的盐还能增强 乳状液的稳 定性 。为考察 C a C [ 和 N a C [ 对乳状液 稳定性 的影响规律 ， 以不 同浓度 的 C a C 1 和 N a C 1 水 溶液作为内相， 测定各 自的破乳电压， 结果见图 3 。 实验配方为 2 7 0 m L 0 柴油 3 0 m L 盐水 3 ％主乳 化剂。 宙 脚 辞 裰 无机盐质量百分数， ％ 图 3 无机 盐对乳状 液破乳 电压的影 响 F i g ． 3 T h e i n f l u e n c e o f i n o r g a n i c s a l t o n b r e a k i n g v o l t a g e o f e mu l s i o n 由图3可知， C a C l 和 N a C I 的加入均能提高乳 状液的稳定性， 但提高程度有限。这是由于加入无 机 电解质会压缩离子型表面活性剂极性头周 围的双 电子层 J ， 并因电解质反离子插人 离子型表 面活性 剂极性头之间， 部分屏蔽极性 头之 间产生电性排斥 力， 从而使离子型表面活性剂在界面的吸附量增多， 使油水界面张力下降， 但影响程度有限。对于非离 子或两性型表面活性剂 ， 无机盐通 过与溶剂 的相互 作用影响溶液的有效浓度 ， 从而进 一步影 响它们在 界面 上 的 吸附 量 ， 但 影 响 程 度 比较 小 』 。此 外 ， C a C 1 ，中的 C a n能形成二元金属皂 ， 有利于形成稳 定 的油包水乳状液。 2 ． 3 乳化剂 主要讨论乳化剂的 H L B值和种类对乳状液稳 定性的影响。 2 ． 3 ． 1 乳化剂的 H L B值乳化剂的 H L B值对乳 状液稳定性的影 响规律可由拟乳化曲线得出。实验 中采用油酸和十二烷基苯磺酸钠配成一系列不同 H L B值的乳化剂， 取其等量， 在相同条件下配制成 多份柴油一 盐水 2 0 ％ C a C 1 乳状液， 测定各试样的 分层时间， 再以最长的分层时间作为被除数， 各试样 的分层时间作除数 ， 得到介于 0～l的数来代表乳化 效率 ， 绘出拟乳化效率 图 ， 见图 4 。 1 ． 0 O．8 望 0 ． 6 ∞ 七 ’ 噬0 ． 4 O． 2 0 1． 5 2 ． O 2． 5 3． 0 3． 5 4 ． 0 4． 5 5 ． 0 5． 5 r 乳化 剂的HL B 值 图4 柴油一 盐水 2 0 ％ C a C 1 ， 拟乳化效率曲线 F i g ． 4 E mu l s i f i c a t i o n e ff i c i e n c y C H I V e o f d i e s e l - s ali n e 2 0 ％ C a C 1 2 由图 4可知 ， 具有最长分层时间的试样所对应 的 H L B值即为最佳 H L B值， 因此， 柴油- 盐水 2 0 ％ C a C 1 体系所需乳化剂的最佳 H L B值为3 ． 5 。 2 ． 3 ． 2 乳化剂的种类 目前 ， 油基钻井液所用的乳 化剂主要有用硬脂酸、 油酸、 亚油酸、 塔罗油、 被氧化 塔罗油和甘油三酸酯等 l 8碳原子的脂肪酸得到的 合成脂肪酸皂盐u 9 以及高度改性的塔罗脂肪酸皂 盐或塔罗松香酸皂盐， 或 2种改性产品的混合产 品 “ J 。实验用 4种表面活性剂作为乳化剂 ， 在相 同条件下配制成 4份乳状液 ， 测定各乳状液的破乳 电压’ ， 结果见表 3 。实验 配方为 2 7 0 m L 0 柴油 3 0 m L水 2 0 ％ C a C 1 2 3 ％乳化剂 。 表 3 乳化剂种类对乳状液破乳电压的影响 Ta b l e 3 T h e i n flu e n c e o f t y p e s o f e mu l s i fi e r o n b r e a k i n g v o l tag e o f e m uls i o n 乳化剂种类 E S ／ V F B ． MOE MU I - I F B ． M O E MU I ． I ／ F B MO C O A T ． Ⅱ PF ． MOE MUL ／ P F． M0C 0AT W 0． 1 ／ W 0． 2 1 2 4 3 0 7 2 2 1 2 3 0 由表 3可知 ， 复配型较单一乳化剂可极大的提 高体系稳定性 。能大幅度降低油水界面张力并形成 坚韧的界面膜的乳化剂 ， 可使乳状液达到很好的稳 定状态。这与乳化剂分子本身的结构和特性有关 。 2 ． 4 油水比 配制4份不同油水比的乳状液， 分别测定其破 乳电压， 结果见表 4 。实验配方为 0 柴油 水 2 0 ％ C a C 1 2 3 ％乳化剂。 由表4可知， 随着油水比减小， 乳状液的破乳电 压降低， 乳状液越不稳定。这是由于水相的增加使乳 状液滴的密集程度增大， 更容易发生碰撞聚集， 导致 乳状液失稳。在实际生产过程中， 在保证钻井液稳定 性的前提下， 尽量减少油的用量可降低生产成本。 l 7 5 0 应用化工 第 4 2卷 表 4 油水 比对乳状液破乳 电压 的影 响 Ta bi e 4 The i nflue nc e of r a t i o o f o i l a nd wa t e r o n b r e a k i n g v o l t a g e o f e mu l s i o n 油水 比／ 体积比 9 1 8 2 7 3 6 4 1 83 1 59 I 1 2 6 8 2 ． 5处 理剂 考察了有机土 、 降滤失剂和 C a O三种处理剂对 油包水钻井液体系稳定 的影响 ， 结果见表 5 。 由表 5可知 ， 有 机土 、 降滤失剂 和 C a O都有提 高油包水钻井液 的稳 定性 的作用 ， 有机土的作用最 为明显。这是由于有机土能提高钻井液的粘切 ， 提 高钻井液的稳定性 ， 又能起固体乳化剂的作用。降 滤失剂既有活性基团， 又有非极性基团， 因此具有表 面活性 ， 具有一定程度的乳化作用 引。C a O能提供 Ca “ ，有利于二元金属皂的形成 ， 根据定 向楔理论 ， 有利于形成稳定的油包水钻井液 。 表5 处理剂对油包水钻井液破乳电压的影响 Ta b l e 5 Th e i n f h l e n e e o f t r e a t i n g a g e n t s o n b r e a kin g v o l tag e o f i nv e r t e mu l s i o n d r i l l i n g flu i d 油包水钻井液体系配方 2 7 0 m L柴油 3 O m L水 2 0 ％ C a C 1 2 3 ％ 乳化剂 2 7 0 m L柴油 3 O m L水 2 0 ％ C a C I 2 3 ％ 乳化剂 2 ％有机土 2 7 0 m 1 柴油 3 O m L水 2 0 ％ C a C 1 2 3 ％ 乳化剂 2 ％有机土 2 ％ 降滤失剂 2 7 0 m L柴油 3 0 m I 水 2 0 ％ C a C | 2 3 ％ 乳化剂 2 ％有机土 2 ％ 降滤失剂 2 ％ C a O l 8 3 5 5 8 6 71 7 3 9 3 结论 1 在配制油包水乳状液时， 搅拌速度越快 ， 搅 拌时间越长 ， 得到的乳状液越稳定。将主 、 辅乳化剂 与油混合均匀后， 再缓慢滴加人盐水 ， 能提高乳状液 的稳定性。 2 白油基钻井液 比柴油基钻井液具有更高的 稳定性， 内相中C a C 1 和 N a C 1 的加入能提高体系稳 定性。 3 乳化剂是影 响乳状液稳定性 的关键 因素 ， 应优先选择复配型乳化剂， 并综合 考虑其 H L B值 、 分子结构以及分子特性等因素。 ． 4 油包水乳状液的稳定性随油量 的减少而下 降。在实际生产中， 可在保证钻井液稳定性 的前提 下 ， 适 当降低油水 比， 以降低生产成本。 5 有机土 、 降滤失剂 和 C a O的加入能提高油 包水钻井液的稳定性。 参考文献 [ 1 ] 高海洋， 黄进军， 崔茂荣， 等． 高温下乳状液稳定性的 评价方法[ J ] ． 西南石油大学学报， 2 0 0 1 ， 2 3 4 5 7 - 5 9 ． [ 2 ] 李哲． 抗高温油基钻井液体系的研制[ D ] ． 青岛 中国 石油大学 华东 ， 2 0 I 1 1 - 2 ． [ 3 ] 王霞， 潘成松， 陈军， 等． O ／ W 型稠油乳状液的静态稳 定性评价[ J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 9 ， 3 2 6 4 6 48 ． f 4 ] 黄红玺， 张峰， 许明标 ， 等． 油包水乳状液稳定性影响 因素分析[ J ] ． 断块油气田， 2 0 0 9 ， 1 6 6 9 9 ． 1 0 1 ． [ 5 ] T e n g H o n g n i ， Wa n g F e i ， S u n M e i j u a n ， e t a 1 ． I n fl u e n c e o f s a l t s o n a q ue o us t wo p ha s e s y s t e m o f c a t i o ni c a n d a ni o n i c S U r f a c t a n t a q u e o u s m i x t u r e[ J ] ．A e t a C h i m i c a S i n i c a ， 2 0 0 5， 6 3 1 7 1 5 7 0 1 5 7 4 ． [ 6 ] 谭晶， 曹绪龙 ， 李英， 等． 油／ 水界面表面活性剂的复配 协同机制[ J ] ． 高等化学学报， 2 0 0 9 ， 3 0 5 9 4 9 9 5 3 ． [ 7 ] 梁大川， 黄进军， 崔茂荣， 等． 抗高温高密度低毒油包 水钻井液的乳化剂优选和研制[ J ] ． 西南石油学院学 报， 2 0 0 0 ， 2 2 3 7 4 7 7 ． [ 8 ] 杜谋涛 ， 黄勇成 ， 尚上 ， 等． 柴油一 生物质油乳化燃料最 佳 H L B值及理化性质研究[ J ] ． 燃料化学学报， 2 0 0 9 ， 3 7 6 6 8 0 - 6 8 3 ． [ 9 ] Wa l k e r T O， S i mp s o n J P ， D e a r i n g H L ． F a s t d ri l l i n g i n v e r t e m u l s i o n d r i l l i n g f l u i d s U S ， 4 5 0 8 6 2 8 [ P ] ． 1 9 8 5 - 0 4 0 2． [ 1 0 ]K i r s n e r J ， Mi l l e r J ， B r a c k e n J ． A d d i t i v e f o r o i l b a s e d d r i l 1 ． i n g fl u i d s U S ， 7 0 0 8 9 o 7 [ P ] ． 2 0 0 6 - 0 3 -07 ． [ 1 1 ]M i ll e r J J ． Me t a ll i c s o a p s o f mo d i fi e d t a ll o i l a c i d s U S ． 7 5 3 4 7 4 6 [ P ] ． 2 0 0 9 -05 - 1 9 ． [ 1 2 ]赵雄虎， 田荣剑． 油包水钻井液降滤失规律研究[ J ] ． 石油钻采工艺， 2 0 0 3 ， 2 5 5 1 6 1 9 ．