一种新型油包水钻井液乳化剂的研究与应用

一种新型油包水钻井液乳化剂的研究与应用

摘要:利用N, N-二甲基1、3-丙二胺、脂肪酸、脂肪胺和环氧氯丙烷合成出Gemin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(大于1000V，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, S25平1, PF平84井进行了现场试验，表现出低粘高切的良好流变性，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 Pa/mPas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。

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、环烷酸酞胺、环烷酸钙、石油磺酸铁、腐植酸酞胺等。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酞胺类表面活性剂，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。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(HLB值为3-6 )，辅助乳化剂亲水强(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-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。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。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粘高切的流变性。

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载弹性的界面膜，降低界面张力，而且季胺盐型表面活性剂对pH值不敏感，因此，设计合成双子季胺盐型表面活性剂作为油包水钻井液乳化剂。

合成阳离子双季胺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，进行季胺化反应，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-四甲基烷基二胺以无水乙醇作溶剂，加热回流2-3d,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-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酞胺基叔胺，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酞胺基双子

阳离子表面活性剂。

研究中，首先以有机酸和N, N-二甲基丙二胺为原料，合成含叔胺基团的酞胺类表面活性剂，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按一定量投料，加无水乙醇作为溶剂，加热回流，经过多次溶剂洗涤后得到阳离子双季胺盐表面活性剂DQGC。

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% , 4.0%和1.5%。DQGC与DQNS加量之比为3.1:1.0。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%DQGC +0.8%DQNS+4#有机土+1.5%石灰+4%降滤失剂(油水比为80 : 20 ),表2数据表明，随着有机土加量的提高，钻井液的载度和切力增加，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

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。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4 mL，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+4%DQHA+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，且钻井液具有低粘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。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400 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结伦

从表7可知，新型油包水钻井液具有低载高切的流变性，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3800m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结伦

1.设计合成了Gemini阳离子季钱胺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80:20)+2.5%DQGC+0.8%DGNS+3%有机土+1.5%石灰+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。