一种新型油包水钻井液乳化剂的研究与应用

第３０卷第２期

２０１３年３月

钻井液与完井液

ＤＲＩＬＬＩＮＧＦＬＵＩＤ＆ＣＯＭＰＬＥＴＩＯＮＦＬＵＩＤ

Ｖ０１．３０Ｎｏ．２

Ｍａｔ．２０１３

【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工程技术研究院，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，２０１３，３０（２）：１２—１４，１７．

摘要利用Ｎ，Ｎ一二甲基ｌ，３一丙二胺、脂肪酸、脂肪胺和环氧氯丙烷合成出Ｇｅｍｉｎｉ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ＤＱＧＣ），ＤＱＧＣ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

０００

Ｖ），同时可以润湿重晶石粉和岩屑等固相。使用ＤＱＧＣ研制

出的新型油包水钻井液，在ＸＳ平１、￥２５平１、ＰＦ平８４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０．４Ｐａ／ｍＰａ・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

文献标识码：Ａ

文章编号：１００１—５６２０（２０１３）０２．００１２．０３

中图分类号：ＴＥ２５４．４

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、Ｓｐａｎ８０、油酸、环烷酸酰胺、环烷酸钙、石油磺酸铁、腐植酸酰胺等”］。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Ｇｅｍｉｎｉ表面活性剂作为油包水钻井液主乳化剂（代号为ＤＱＧＣ），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

（ＨＬＢ值为３～６），辅助乳化剂亲水（ＨＬＢ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油性过强的不足，使乳化水滴一辅助乳化剂亲水头基、辅助乳化剂亲油链一主乳化剂亲油链一油相，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ｐ］。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。Ｇｅｍｉｎｉ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个极性头基之间的斥力，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

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

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１６３４１３；电话１３９３６７２１４４１；Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｗｉｎ９５６８＠１６３．ｃｏｒｎ。

万方数据

第３０卷第２期闰晶等：一种新型油包水钻井液乳化剂的研究与应用

１３

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［４】。同时，Ｇｅｍｉｎｉ表面活性剂具有特殊的相行为，静止时以复杂堆砌的多孑Ｌ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

Ｇｅｍｉｎｉ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Ｇｅｍｉｎｉ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ｐＨ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。

～

（ＣＨ２）。

注：Ｒ。、Ｒ：为亲油碳链，Ａ。、Ａ：为亲水的活性头，（ＣＨ２）。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’，Ｎ７一四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ＤＱＮＳ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，加入无水乙醇作为溶剂，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ＤＱＧＣ。

万方数据

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８０：２０的油包水钻井液，氯化钙盐水浓度为２０％，有机土、降滤失剂和石灰加量分别为３．０％、４．Ｏ％和１．５％。ＤＱＧＣ与ＤＱＮＳ加量之比为３．１：１．０，实验数据如图２所示。

ＤＱＮＳ／％

Ｉ×基Ｘ：／％

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ＪＪｔｌ孚Ｌ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ＤＱＧＣ加量为２．５％，ＤＱＮＳ加量为０．８％。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。。ｍｉｎ／胶体率：加一有机胶体率帅。；。／胶体率Ｍ㈣ｎ／

土

％

％土

％

％１

４

９５．８７２．３２４９６．２７２．５３”

９５．９

７２．２

４４

９７．６

７４．８

优选出胶体率最高的４８有机土，对其加量进行优选，基础配方：２．５％ＤＱＧＣ＋Ｏ．８０％ＤＱＮＳ＋４“有机土＋１．５％石灰＋４％降滤失剂（油水比为８０：２０），实验数据见表２。

表２有机土加量优选（１５０℃、１６ｈ）

表２数据表明，随着有机土加量的提高，钻井

１４

钻

井

液与完

井

液

２０１３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（１５０℃、１６ｈ）

唾｝滤ＥＳ／ＰＶ｜ＹＰ｛Ｇｅｌ｝ＹＰ｜ＰＶＦＬ口ｔ／失齐４ｖｍＰａ．ｓ

Ｐａ

Ｐａ／Ｐａ妒６７妒３

Ｐ“ｍＰａ．ｓ

ｍＬ磺化沥青１０１８２０８．０３／４８／７０．４００．２ＤＱＨＡ１０２４２０８．５４／５９／７Ｏ．４３０碳化沥青ＯＦＣ

１０３７

２１

８．５

４／５

９／８

０．４０

０．２

由表３可以看出，由降滤失剂ＤＱＨＡ配制的钻井液老化后ＡＰＩ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

ＤＱＨＡ降滤失剂加量优选（１５０ｏＣ、１６ｈ）

注：高温高压实验条件为１５０℃、３．５ＭＰａ。

从表４可以看出，ＤＱＨＡ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４ｍＬ，因此确定ＤＱＨＡ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８０：２０）＋２．５％ＤＱＧＣ＋３％有机土＋０．８％ＤＱＮＳ＋１．５％石灰心％ＤＯＨＡ＋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

造壁性，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

Ｇｅｔ｝

ＹＰ｜Ｐｙ

钻井液

ＥｖＳ／ｍＰＰａＶ／．ｓＹＰＰａ／

Ｐ卯ａ妒如Ｐ如Ｐａ．ｓ

万方数据

从表５可看出，使用ＤＱＧＣ配制的新型油包水钻井液被１０％劣质土污染或加重后，破乳电压大于４００Ｖ，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ＤＱＧＣ配制的新型油包水钻井液先后在大

庆油田ＸＳ平１井、￥２５平１井、ＰＦ平８４井、￥７０平ｌ井和Ｆ６井进行了现场应用，该体系在施工过程中性能稳定，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３１１０～４

５４５

ｍ的钻进任务。

ＸＳ平１井的设计垂深为３

６９３．２６

ｍ，斜深为

４７３８．２２

ｍ，最大井斜为８５．７４。，水平位移为１

３５１．６１

ｍ，入靶后钻进水平位移８０６．１１ｍ完钻，井底温度

小于１５０℃。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

０６２

Ｖ，动塑比始终维持

在０．４以上，初、终切为３～５Ｐａ、５～１５Ｐａ，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

手÷深／Ｆｙ｜ｐ／

ＥＳ／ＰＶ／

Ｇｅｌ／ＹＰ；ＹＰ｛Ｐｖ

ＦＬＷｍｐ

，

∞‘／ｐ１

ｍ

ｓ

ｇ／ｃｍ３

Ｖ

ｍＰａ・Ｓ…。Ｐａ／Ｐａ

Ｐａ

Ｐａ／ｍＰａ・Ｓ

ｍＬ

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ＹＰｌ井应用的钻井液性能对比。

（下转第１７页）

第３０卷第２期

孙明波等：低ｐＨ值钻井液用除钙剂

１７

（上接第１４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

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８０：２０）

＋２．５％ＤＱＧＣ＋０．８％ＤＧＮＳ＋３％有机土＋１．５％石灰

井号幺，？。。＝。：Ｐ篇。孑馏一

罴兹咝鍪㈦％～∞一勰邋燮｜｜｜｜隧登酗

井使用的国外钻井液。

嬲一蚴一姗

要

８００

４．Ｏ

２．８３．６

＋４％ＤＱＨＡ＋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：２３９—２４１．

［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，２００４，５０（６）：６９１．６９７．［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，２００３：２－５．

［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，２００４，２３（８）：８５２—８５５．

（收稿日期２０１２—１１—１５；ＨＧＦ＝１３０２Ｆ５；编辑付碉颖）

注：ＸＳ平１、ＰＦ平８４井使用自行研制的钻井液，ＹＰｌ

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。

ＤＱＧＣ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的技术发展具有指导意义。

４

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

结论

１．设计合成了Ｇｅｍｉｎｉ阳离子季铵盐型表面活

万方数据

一种新型油包水钻井液乳化剂的研究与应用

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

闫晶， 刘永贵， 张坤， 刘振华， 宋涛

大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院,黑龙江大庆钻井液与完井液

Drilling Fluid & Completion Fluid2013,30(2)

1.鄢捷年 钻井液工艺学

2.高志农;许东华;吴晓军 新型低聚表面活性剂研究进展[期刊论文]-武汉大学学报 2004(06)3.夏立新 油水界面膜与乳状液稳定性关系的研究[学位论文] 2003

4.郑延成;韩冬;杨普华 低聚表面活性剂的合成及应用进展[期刊论文]-化工进展 2004(08)

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_zjyywjy201302004.aspx