趙遠(yuǎn)遠(yuǎn)，周書勝，嚴(yán)銳，可點(diǎn)，鄧亞慧

國內(nèi)抗高溫乳化劑研究進(jìn)展與應(yīng)用

趙遠(yuǎn)遠(yuǎn)1，周書勝2，嚴(yán)銳2，可點(diǎn)2，鄧亞慧2

（1. 中海油田服務(wù)股份有限公司油田化學(xué)事業(yè)部, 廣東 深圳 518000； 2. 荊州嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000）

為了保障油氣能源供給，深部油氣藏逐步鉆采。高溫下，油基鉆井液乳化劑分子運(yùn)動(dòng)活躍性提高，乳化劑分子斷裂幾率增大，降低了分子間的互相作用力以及破環(huán)了其氫鍵作用，使乳化劑失去乳化能力，從而破壞油基鉆井液的流變性以及護(hù)壁能力。綜述了常見的3種類型抗高溫乳化劑研究進(jìn)展以及抗高溫乳化劑配制的油基鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用，為抗高溫油基鉆井液的發(fā)展提供思路。

油基鉆井液；乳化劑；抗高溫性能；流變性

工業(yè)發(fā)展促使能源消耗增長，油氣資源供給為國家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供基礎(chǔ)保障[1]。隨著油氣資源鉆采力度增加，國內(nèi)高溫深井（溫度超過170 ℃、井深超過5 000 m），油氣埋藏深、溫度梯度大使儲(chǔ)層溫度高，增大了鉆采難度，并對(duì)鉆井液技術(shù)提出挑戰(zhàn)[2]。油基鉆井液使鉆具與套管、井壁摩阻、鉆井扭矩降低，具有護(hù)壁性能強(qiáng)以及抗侵污性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。其現(xiàn)場使用便捷、性能維護(hù)工作量小，上述幾大優(yōu)勢使其廣泛應(yīng)用于各油田復(fù)雜井[3-6]。油基鉆井液乳化劑的作用為：定向吸附在油水界面上形成牢固的界面膜，降低界面張力，阻止分散在油中的水相聚集成大液滴。乳化劑使乳狀液穩(wěn)定，親油膠體物質(zhì)如有機(jī)土、降濾失劑以及封堵劑才能在界面上形成具有一定強(qiáng)度的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[7]。高溫條件下，乳化劑分子運(yùn)動(dòng)活躍性提高，乳化劑分子中鍵能較小的鏈接鍵（醚鍵R—O—R）易斷裂，降低了分子間的互相作用力以及破環(huán)了其氫鍵作用，使乳化劑失去乳化能力，甚至乳狀液出現(xiàn)破乳現(xiàn)象，無法懸浮重晶石，使鉆井事故風(fēng)險(xiǎn)大大提高[8]。乳化劑性能對(duì)油基鉆井液穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用。筆者從最為常見的3種類型抗高溫乳化劑研究進(jìn)展以及抗高溫乳化劑配制的油基鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行闡述，以期為后續(xù)抗高溫油基鉆井液發(fā)展提供參考。

1 抗高溫乳化劑研究進(jìn)展

1.1 油基鉆井液有機(jī)酰胺類乳化劑

有機(jī)酰胺類乳化劑分子的酰胺基親水性以及長碳鏈的親油性可定向吸附在油水界面上[9]，加量小，可顯著地降低界面張力，形成的界面膜強(qiáng)度高，具有很強(qiáng)抗溫性能以及乳化性能。王茂功[10]等為解決乳化劑抗高溫性能，避免高溫下乳化劑受高溫失效導(dǎo)致重晶石析，為此以有機(jī)酸NAA與具有多鏈狀有機(jī)胺NAM為原料合成“梳型弧狀”乳化劑。由該乳化劑配制的油基鉆井液在150～220 ℃老化條件下泥漿均勻，破乳電壓大于1 000 V，未出現(xiàn)析油現(xiàn)象，保持著較好的流變性，這表明油基鉆井液在高溫下性能穩(wěn)定。王旭東[11]等采用有機(jī)酸、二氯亞砜以及二乙烯三胺為原料合成低聚型酰胺類非離子型的乳化劑。1份二乙烯三胺含有3個(gè)胺基，可以與3份有機(jī)酸反應(yīng)，使該乳化劑具有3個(gè)酰胺基，使其在水相吸附能力提高；該乳化劑具有“梳型”長碳鏈，有機(jī)碳鏈之間互相作用使其乳化劑的抗溫性能提高，增強(qiáng)油水界面膜的強(qiáng)度。乳化劑依靠分子間、氫鍵作用力使其乳化性能提高，并提高分子內(nèi)剛性，造成空間位阻，使其抗高溫性增強(qiáng)。由該乳化劑配制的油基鉆井液在高溫下老化前后的流變性變化較小，使鉆井液在密度上調(diào)整空間大，并具有良好的抗侵污性能。孫金聲[12]等采用脂肪酸多胺與脂肪酸發(fā)生酰胺化反應(yīng)（R—CONH2），脂肪酸多胺中未參加酰胺化反應(yīng)的胺基再與二酸反應(yīng)制備乳化劑，在提切劑 RM作用下可形成弱凝膠結(jié)構(gòu)，氫鍵使乳狀液之間的作用力增強(qiáng)，形成無土相油基鉆井液體系。該體系黏度小，有利于縮短鉆井周期，在220 ℃高溫下老化后，高溫高壓濾失量在可接受范圍內(nèi)。對(duì)于傳統(tǒng)有土相油基鉆井液體系而言，該體系對(duì)儲(chǔ)層傷害小、鉆時(shí)快。邵寧[13]通過妥爾油脂肪酸Y05（含有不飽和簡單油酸、亞油酸以及松香酸）與有機(jī)胺、二元酸酐反應(yīng)，引入親水性能強(qiáng)的基團(tuán)酰胺基以及羧基，制備出聚酰胺羧酸類乳化劑，該乳化劑在不同油水比下均表現(xiàn)出優(yōu)異的乳化性能，使油水界面張力降低至0.8 mN·m-1，用其配制油基鉆井液可抗200 ℃高溫，表現(xiàn)出良好的流變性能以及強(qiáng)抑制性能。有機(jī)酰胺類乳化劑合成工藝簡單，乳化性能強(qiáng)，可抗高溫，通過優(yōu)化分子設(shè)計(jì)使其具有良好的應(yīng)用前景。

1.2 油基鉆井液磺酸類乳化劑

油基鉆井液乳化劑分子含有磺酸基，該基團(tuán)具有很強(qiáng)的水化能力，可使乳化劑抗高溫。馮建建[14]等通過醚化反應(yīng)、磺化反應(yīng)以及中和反應(yīng)合成雙醚雙苯磺酸鹽雙子表面活性劑，該乳化劑具有優(yōu)異的乳化性能以及抗鹽性能，使乳狀液穩(wěn)定性提高，且受pH值影響小。該乳化劑配制的油基鉆井液破乳電壓超過1 000 V，抗鹽、抗鉆屑侵污性能強(qiáng)，并具有良好的流變性，動(dòng)塑比為0.42，其攜巖效率高，能抗200 ℃高溫，且已在新疆油田應(yīng)用。梁大川[15]等以十二烷基苯磺酸納（ABS）為輔乳乳化劑與主乳化劑復(fù)配配制油基油基鉆井液，在ABS作用下，可增強(qiáng)乳狀液界面膜強(qiáng)度，提高鉆井液的穩(wěn)定性以及抗高溫性能。該油基鉆井液在180 ℃高溫老化后，該體系破乳電壓大于2 000 V，泥漿均勻，未出現(xiàn)重晶石沉降問題，表明該體系具有優(yōu)異的抗溫性能。涂銳[16]通過氯化反應(yīng)、烷基化反應(yīng)以及磺化反應(yīng)制備磺酸類乳化劑，其合成工藝條件簡單，產(chǎn)率較高，該乳化劑在不同油水比下乳化效果好，形成的乳狀液滴粒徑小、穩(wěn)定性高，由其配制的油基鉆井液具有良好的流變性能，在180 ℃熱滾下高溫高壓濾失量只有4.2 mL，并能抗15%劣質(zhì)土侵污。羅飛[17]采用磺基甜菜堿型兩性離子作為油基鉆井液乳化劑，在180～210 ℃老化條件下仍具有良好的流變性，且破乳電壓高，表明在高溫老化下穩(wěn)定性強(qiáng)。杜坤[18]采用雙酚F、氯磺酸、乙醇胺為原料合成磺酸類乳化劑NGE-1，分子中的乙醇胺基和磺酸基親水性強(qiáng)，并造成空間位阻，提高分子的剛性，使乳化劑定向致密吸附在油水界面上，達(dá)到抗高溫性能，在200 ℃高溫下老化72 h后性能穩(wěn)定。常見的磺酸基團(tuán)雖有抗鹽、抗高溫性能以及強(qiáng)親水性，但由于其環(huán)保性較差，因此常不作為首選基團(tuán)。

1.3 油基鉆井液羧酸類乳化劑

長碳鏈羧酸分子中含有羧酸基團(tuán)，具有強(qiáng)親水性，屬于一種抗高溫乳化劑，由于其“棒狀”結(jié)構(gòu)，非“梳型”結(jié)構(gòu)，其乳化性能較差，常通過化學(xué)改性提高其乳化性能。韓秀貞[19]等采用脂肪酸、環(huán)氧氯丙烷以及四甲基丁二胺為原料合成Gemini表面活性劑，該結(jié)構(gòu)可降低基團(tuán)之間的斥力，提高界面膜強(qiáng)度，使乳狀液微小、均勻分布，使乳狀液穩(wěn)定性提高。由其配制的油基鉆井液具有低黏高切的流變性，提高鉆時(shí)，降低鉆井過程中造成的激動(dòng)壓力，可確保鉆屑及時(shí)返出井眼。覃勇[20]等采用馬來酸酐改性妥爾油脂肪酸制備乳化劑HT-MUL，該乳化劑配制的油基鉆井液乳化率高，與哈里伯頓乳化劑性能相當(dāng)，在超過200 ℃老化條件下，破乳電壓仍大于800 V，高溫高壓濾失量小于4 mL。唐國旺[21]采用羧酸類化合物作為乳化劑，該乳化劑在250 ℃高溫下才開始分解，穩(wěn)定性高，由其配制鉆井液在180 ℃高溫下乳化率超過85%，并在焦頁195-1HF井成功應(yīng)用，鉆井過程中濾失量小于2 mL，能保持低黏高切的流變性能，具有良好的應(yīng)用前景。

2 抗高溫油基鉆井液現(xiàn)場應(yīng)用

油基鉆井液在現(xiàn)場應(yīng)用效果較好[22]，水葡深1井為大慶油田一口重要探井，其井深5 500 m，實(shí)際地層溫度為219 ℃，優(yōu)選抗高溫乳化劑配制的油基鉆井液在該井成功應(yīng)用。鉆進(jìn)過程中，抗高溫油基鉆井液破乳電壓大于2 000 V，濾失量小，具有良好的流變性能以及抑制性，井眼擴(kuò)大率小[23]。大慶油田GL區(qū)塊GS-3井為一口高風(fēng)險(xiǎn)的探井，該井穩(wěn)定梯度大，井底溫度為200 ℃，抗高溫油基鉆井液在該井成功應(yīng)用，鉆進(jìn)過程中，井眼規(guī)則，井眼擴(kuò)大率小于6%，且無井下復(fù)雜情況發(fā)生[24]。東北石油大學(xué)研制出抗高溫乳化劑，由其配制的油基鉆井液可抗180 ℃高溫，先后在徐深6-c211 井、齊 平2-平10 井和葡 34-平 10 井應(yīng)用成功，施工順利，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)效果較好[25]。中國石油大學(xué)通過室內(nèi)研制抗高溫乳化劑，配制成抗高溫油基鉆井液可抗200 ℃溫度，并成功應(yīng)用于克深1101井，鉆進(jìn)過程中，成功解決了深部地層阻卡、井壁失穩(wěn)問題，打破國外公司技術(shù)壟斷[26]。川慶鉆探工程有限公司研發(fā)出抗高溫油基鉆井液，并成功應(yīng)用于井底溫度為203 ℃的塔探1井，鉆進(jìn)過程中流變性、沉降穩(wěn)定性良好，滿足超深井現(xiàn)場施工要求[27]。

3 結(jié)束語

由于高溫深部油氣藏開采過程中，對(duì)鉆井液技術(shù)要求高，其原因?yàn)椋焊邷匾资褂突@井液處理劑分子斷裂，那么油基鉆井液易失去攜巖、護(hù)壁能力?？垢邷厝榛瘎┦怯突@井液性能穩(wěn)定的核心技術(shù)。目前國內(nèi)乳化劑種類眾多，但被學(xué)者們重視研究以及現(xiàn)場應(yīng)用的乳化劑甚少，被研究以及現(xiàn)場應(yīng)用的乳化劑主要為“梳型”乳化劑以及Gemini雙子乳化劑，由此類乳化劑配制油基鉆井液逐步代替國外公司（麥克巴、哈利伯頓）油基鉆井液體系。

［1］吳福元，萬博，趙亮，等.特提斯地球動(dòng)力學(xué)[J].巖石學(xué)報(bào)，2020，36（6）：1627-1674.

［2］丁士東，趙向陽.中國石化重點(diǎn)探區(qū)鉆井完井技術(shù)新進(jìn)展與發(fā)展建議[J].石油鉆探技術(shù)，2020，48（4）：11-20.

［3］孫玉學(xué)，郭春萍，趙景原，等.低毒高性能油基鉆井液研制與評(píng)價(jià)[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā)，2021，40（2）：95-102.

［4］劉曉燕，毛世發(fā)，史沛謙.國內(nèi)油基鉆井液技術(shù)進(jìn)展評(píng)述[J].石化技術(shù)，2020，27（5）：259.

［5］郭鵬.國內(nèi)外油基鉆井液用乳化劑研究進(jìn)展[J].內(nèi)蒙古石油化工，2017，43（8）：5-8.

［6］任金萍.油基鉆井液技術(shù)進(jìn)展研究[J].西部探礦工程，2019，31（8）：55-56.

［7］王中華. 油基鉆井液技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2018.

［8］王中華.國內(nèi)鉆井液技術(shù)進(jìn)展評(píng)述[J].石油鉆探技術(shù)，2019，47（3）：95-102.

［9］賈珂. 氣制油基油包水乳狀液的穩(wěn)定性研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2020.

［10］王茂功，徐顯廣，苑旭波.抗高溫氣制油基鉆井液用乳化劑的研制和性能評(píng)價(jià)[J].鉆井液與完井液，2012，29（6）：4-5.

［11］王旭東，郭保雨，陳二丁，等.油基鉆井液用高性能乳化劑的研制與評(píng)價(jià)[J].鉆井液與完井液，2014，31（6）：1-4.

［12］孫金聲，黃賢斌，蔣官澄，等.無土相油基鉆井液關(guān)鍵處理劑研制及體系性能評(píng)價(jià)[J].石油勘探與開發(fā)，2018，45（4）：713-718.

［13］邵寧. 油基鉆井液體系乳化劑的合成與性能研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2020.

［14］馮建建，王茂仁，王軍，等.一種雙子表面活性劑及其在油基鉆井液乳化劑中的應(yīng)用[J].化工管理，2014（15）：73-74.

［15］梁大川，黃進(jìn)軍，崔茂榮，等.抗高溫高密度低毒油包水鉆井液的乳化劑優(yōu)選和研制[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2000（3）：74-77.

［16］涂銳.一種星型油基鉆井液用乳化劑的制備及性能研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2016.

［17］羅飛.兩性離子乳化劑的合成及抗高溫水包油鉆井液研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2017.

［18］杜坤.油基鉆井液新型高效乳化劑的研制與評(píng)價(jià)[J].鉆井液與完井液，2020，37（5）：555-560.

［19］韓秀貞，王顯光，李勝，等.一種低黏高切油基鉆井液體系[J].鉆井液與完井液，2015，32（3）：16-19.

［20］覃勇，蔣官澄，鄧正強(qiáng)，等.抗高溫油基鉆井液主乳化劑的合成與評(píng)價(jià)[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：6-10.

［21］唐國旺. 油基鉆井液處理劑的研究與體系構(gòu)建[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2018.

［22］海衛(wèi)國，于培志.油基鉆井液在陽101H3-8井中的應(yīng)用[J].遼寧化工，2020，49（10）：1293-1296.

［23］于興東，姚新珠，林士楠，等.抗220℃高溫油包水鉆井液研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2001（5）：45-47.

［24］閆晶，劉永貴.新型抗高溫油包水乳化鉆井液體系的研究與應(yīng)用[J].油田化學(xué)，2013，30（4）：486-490.

［25］蓋大眾.新型油基鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用[D].大慶：東北石油大學(xué)，2015.

［26］邱心明. 具有多個(gè)親水基團(tuán)的油基鉆井液用乳化劑研制與性能評(píng)價(jià)[D].北京：中國石油大學(xué)（北京），2018.

［27］王星媛，陸燈云，吳正良.抗220℃高密度油基鉆井液的研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液，2020，37（5）：550-554.

Research Progress and Application of High Temperature Resistant Emulsifiers in China

1,2,2,2,2

（1. COSL Oilfield Chemistry Division, Shenzhen Guangdong 518000, China; 2. Jingzhou Jiahua Technology Co., Ltd., Jingzhou Hubei 434000, China）

In order to ensure the supply of oil and gas energy, deep oil and gas reservoirs were gradually drilled and produced. At high temperature, the molecular movement activity of emulsifier in oil based drilling fluid can be improved, and the probability of emulsifier molecular fracture can be increased, which will reduce the interaction force between molecules and break its hydrogen bond effect, so that the emulsifier will lost its emulsifying ability, and it can damage the rheological properties and wall protection ability of oil based drilling fluid. In this paper, the research progress of three types of HT-resistant emulsifiers and the field application of HT-resistant oil drilling fluids prepared by HT-resistant emulsifiers were reviewed to improve the thinking for the development of HT-resistant oil drilling fluids.

Oil based drilling fluid; Emulsifier; High temperature resistance; Rheological properties

2021-04-16

趙遠(yuǎn)遠(yuǎn)（1984-），男，四川省南充市人，工程師，2015年畢業(yè)于長江大學(xué)石油工程專業(yè)，研究方向：油田應(yīng)用化學(xué)。

TE254

A

1004-0935（2021）11-1715-03