国内抗高温乳化剂研究进展与应用

赵远远，周书胜，严锐，可点，邓亚慧

国内抗高温乳化剂研究进展与应用

赵远远1，周书胜2，严锐2，可点2，邓亚慧2

（1. 中海油田服务股份有限公司油田化学事业部, 广东 深圳 518000； 2. 荆州嘉华科技有限公司，湖北 荆州 434000）

为了保障油气能源供给，深部油气藏逐步钻采。高温下，油基钻井液乳化剂分子运动活跃性提高，乳化剂分子断裂几率增大，降低了分子间的互相作用力以及破环了其氢键作用，使乳化剂失去乳化能力，从而破坏油基钻井液的流变性以及护壁能力。综述了常见的3种类型抗高温乳化剂研究进展以及抗高温乳化剂配制的油基钻井液现场应用，为抗高温油基钻井液的发展提供思路。

油基钻井液；乳化剂；抗高温性能；流变性

工业发展促使能源消耗增长，油气资源供给为国家安全、经济发展提供基础保障[1]。随着油气资源钻采力度增加，国内高温深井（温度超过170 ℃、井深超过5 000 m），油气埋藏深、温度梯度大使储层温度高，增大了钻采难度，并对钻井液技术提出挑战[2]。油基钻井液使钻具与套管、井壁摩阻、钻井扭矩降低，具有护壁性能强以及抗侵污性能优异等优点。其现场使用便捷、性能维护工作量小，上述几大优势使其广泛应用于各油田复杂井[3-6]。油基钻井液乳化剂的作用为：定向吸附在油水界面上形成牢固的界面膜，降低界面张力，阻止分散在油中的水相聚集成大液滴。乳化剂使乳状液稳定，亲油胶体物质如有机土、降滤失剂以及封堵剂才能在界面上形成具有一定强度的网架结构[7]。高温条件下，乳化剂分子运动活跃性提高，乳化剂分子中键能较小的链接键（醚键R—O—R）易断裂，降低了分子间的互相作用力以及破环了其氢键作用，使乳化剂失去乳化能力，甚至乳状液出现破乳现象，无法悬浮重晶石，使钻井事故风险大大提高[8]。乳化剂性能对油基钻井液稳定性起到决定性作用。笔者从最为常见的3种类型抗高温乳化剂研究进展以及抗高温乳化剂配制的油基钻井液现场应用进行阐述，以期为后续抗高温油基钻井液发展提供参考。

1 抗高温乳化剂研究进展

1.1 油基钻井液有机酰胺类乳化剂

有机酰胺类乳化剂分子的酰胺基亲水性以及长碳链的亲油性可定向吸附在油水界面上[9]，加量小，可显著地降低界面张力，形成的界面膜强度高，具有很强抗温性能以及乳化性能。王茂功[10]等为解决乳化剂抗高温性能，避免高温下乳化剂受高温失效导致重晶石析，为此以有机酸NAA与具有多链状有机胺NAM为原料合成“梳型弧状”乳化剂。由该乳化剂配制的油基钻井液在150～220 ℃老化条件下泥浆均匀，破乳电压大于1 000 V，未出现析油现象，保持着较好的流变性，这表明油基钻井液在高温下性能稳定。王旭东[11]等采用有机酸、二氯亚砜以及二乙烯三胺为原料合成低聚型酰胺类非离子型的乳化剂。1份二乙烯三胺含有3个胺基，可以与3份有机酸反应，使该乳化剂具有3个酰胺基，使其在水相吸附能力提高；该乳化剂具有“梳型”长碳链，有机碳链之间互相作用使其乳化剂的抗温性能提高，增强油水界面膜的强度。乳化剂依靠分子间、氢键作用力使其乳化性能提高，并提高分子内刚性，造成空间位阻，使其抗高温性增强。由该乳化剂配制的油基钻井液在高温下老化前后的流变性变化较小，使钻井液在密度上调整空间大，并具有良好的抗侵污性能。孙金声[12]等采用脂肪酸多胺与脂肪酸发生酰胺化反应（R—CONH2），脂肪酸多胺中未参加酰胺化反应的胺基再与二酸反应制备乳化剂，在提切剂 RM作用下可形成弱凝胶结构，氢键使乳状液之间的作用力增强，形成无土相油基钻井液体系。该体系黏度小，有利于缩短钻井周期，在220 ℃高温下老化后，高温高压滤失量在可接受范围内。对于传统有土相油基钻井液体系而言，该体系对储层伤害小、钻时快。邵宁[13]通过妥尔油脂肪酸Y05（含有不饱和简单油酸、亚油酸以及松香酸）与有机胺、二元酸酐反应，引入亲水性能强的基团酰胺基以及羧基，制备出聚酰胺羧酸类乳化剂，该乳化剂在不同油水比下均表现出优异的乳化性能，使油水界面张力降低至0.8 mN·m-1，用其配制油基钻井液可抗200 ℃高温，表现出良好的流变性能以及强抑制性能。有机酰胺类乳化剂合成工艺简单，乳化性能强，可抗高温，通过优化分子设计使其具有良好的应用前景。

1.2 油基钻井液磺酸类乳化剂

油基钻井液乳化剂分子含有磺酸基，该基团具有很强的水化能力，可使乳化剂抗高温。冯建建[14]等通过醚化反应、磺化反应以及中和反应合成双醚双苯磺酸盐双子表面活性剂，该乳化剂具有优异的乳化性能以及抗盐性能，使乳状液稳定性提高，且受pH值影响小。该乳化剂配制的油基钻井液破乳电压超过1 000 V，抗盐、抗钻屑侵污性能强，并具有良好的流变性，动塑比为0.42，其携岩效率高，能抗200 ℃高温，且已在新疆油田应用。梁大川[15]等以十二烷基苯磺酸纳（ABS）为辅乳乳化剂与主乳化剂复配配制油基油基钻井液，在ABS作用下，可增强乳状液界面膜强度，提高钻井液的稳定性以及抗高温性能。该油基钻井液在180 ℃高温老化后，该体系破乳电压大于2 000 V，泥浆均匀，未出现重晶石沉降问题，表明该体系具有优异的抗温性能。涂锐[16]通过氯化反应、烷基化反应以及磺化反应制备磺酸类乳化剂，其合成工艺条件简单，产率较高，该乳化剂在不同油水比下乳化效果好，形成的乳状液滴粒径小、稳定性高，由其配制的油基钻井液具有良好的流变性能，在180 ℃热滚下高温高压滤失量只有4.2 mL，并能抗15%劣质土侵污。罗飞[17]采用磺基甜菜碱型两性离子作为油基钻井液乳化剂，在180～210 ℃老化条件下仍具有良好的流变性，且破乳电压高，表明在高温老化下稳定性强。杜坤[18]采用双酚F、氯磺酸、乙醇胺为原料合成磺酸类乳化剂NGE-1，分子中的乙醇胺基和磺酸基亲水性强，并造成空间位阻，提高分子的刚性，使乳化剂定向致密吸附在油水界面上，达到抗高温性能，在200 ℃高温下老化72 h后性能稳定。常见的磺酸基团虽有抗盐、抗高温性能以及强亲水性，但由于其环保性较差，因此常不作为首选基团。

1.3 油基钻井液羧酸类乳化剂

长碳链羧酸分子中含有羧酸基团，具有强亲水性，属于一种抗高温乳化剂，由于其“棒状”结构，非“梳型”结构，其乳化性能较差，常通过化学改性提高其乳化性能。韩秀贞[19]等采用脂肪酸、环氧氯丙烷以及四甲基丁二胺为原料合成Gemini表面活性剂，该结构可降低基团之间的斥力，提高界面膜强度，使乳状液微小、均匀分布，使乳状液稳定性提高。由其配制的油基钻井液具有低黏高切的流变性，提高钻时，降低钻井过程中造成的激动压力，可确保钻屑及时返出井眼。覃勇[20]等采用马来酸酐改性妥尔油脂肪酸制备乳化剂HT-MUL，该乳化剂配制的油基钻井液乳化率高，与哈里伯顿乳化剂性能相当，在超过200 ℃老化条件下，破乳电压仍大于800 V，高温高压滤失量小于4 mL。唐国旺[21]采用羧酸类化合物作为乳化剂，该乳化剂在250 ℃高温下才开始分解，稳定性高，由其配制钻井液在180 ℃高温下乳化率超过85%，并在焦页195-1HF井成功应用，钻井过程中滤失量小于2 mL，能保持低黏高切的流变性能，具有良好的应用前景。

2 抗高温油基钻井液现场应用

油基钻井液在现场应用效果较好[22]，水葡深1井为大庆油田一口重要探井，其井深5 500 m，实际地层温度为219 ℃，优选抗高温乳化剂配制的油基钻井液在该井成功应用。钻进过程中，抗高温油基钻井液破乳电压大于2 000 V，滤失量小，具有良好的流变性能以及抑制性，井眼扩大率小[23]。大庆油田GL区块GS-3井为一口高风险的探井，该井稳定梯度大，井底温度为200 ℃，抗高温油基钻井液在该井成功应用，钻进过程中，井眼规则，井眼扩大率小于6%，且无井下复杂情况发生[24]。东北石油大学研制出抗高温乳化剂，由其配制的油基钻井液可抗180 ℃高温，先后在徐深6-c211 井、齐 平2-平10 井和葡 34-平 10 井应用成功，施工顺利，现场实验效果较好[25]。中国石油大学通过室内研制抗高温乳化剂，配制成抗高温油基钻井液可抗200 ℃温度，并成功应用于克深1101井，钻进过程中，成功解决了深部地层阻卡、井壁失稳问题，打破国外公司技术垄断[26]。川庆钻探工程有限公司研发出抗高温油基钻井液，并成功应用于井底温度为203 ℃的塔探1井，钻进过程中流变性、沉降稳定性良好，满足超深井现场施工要求[27]。

3 结束语

由于高温深部油气藏开采过程中，对钻井液技术要求高，其原因为：高温易使油基钻井液处理剂分子断裂，那么油基钻井液易失去携岩、护壁能力。抗高温乳化剂是油基钻井液性能稳定的核心技术。目前国内乳化剂种类众多，但被学者们重视研究以及现场应用的乳化剂甚少，被研究以及现场应用的乳化剂主要为“梳型”乳化剂以及Gemini双子乳化剂，由此类乳化剂配制油基钻井液逐步代替国外公司（麦克巴、哈利伯顿）油基钻井液体系。

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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

赵远远（1984-），男，四川省南充市人，工程师，2015年毕业于长江大学石油工程专业，研究方向：油田应用化学。

TE254

A

1004-0935（2021）11-1715-03