抗高温合成基钻井液用乳化剂研究及应用

2022-09-10

1.引言

油基钻井液抑制性、抗温抗污染能力强,润滑性、储层保护效果好,广泛应用于水敏性地层、高温地层等复杂地层[1,2]。随着高温高压井等复杂井的钻探增多,抗高温合成基钻井液成为近些年的研究热点。合成基钻井液的基础油(气制油)是大分子烷烃类物质[3],具有运动粘度低,总芳烃含量低,几乎不含硫和多环芳香烃,容易生物降解,具有很好的环保性能和低毒性等特点[4,5,6]。气制油分子链短、分子间作用力弱,乳化难度大,特别满足抗高温的合成基钻井液使用乳化剂,成为近年的研究热点[7,8,9]。目前,抗高温合成基钻井液的乳化剂多选用酰胺类表面活性剂[10,11],但是在乳化机理,油水界面吸附性能,乳化能力等方面罕见报道。本文研选了脂肪酰胺类表面活性剂与烷醇伯胺类表面活性剂复配的乳化剂,对其乳化稳定机理进行了探讨,形成一套抗高温合成基钻井液体系。

2.仪器和实验材料

(1)主要仪器

RheoStress RS75型流变仪(德国HAAKE公司);Track-er界面张力/流变仪(法国TECLIS公司);六速粘度计 (青岛海通达公司);Delsa nano C纳米激光粒度(20)HMD400-CCC高速搅拌器(OFI);173-00高温滚子加热炉(OFI);XPF-800C光学显微镜(上海天省仪器有限公司)。

(2)实验材料

Sareline 185V,主乳化剂PF-MOEMUL,辅乳化剂PF-MOCOAT,有机土PF-MOGEL,降滤失剂PF-MOHFR,重晶石均取自天津中海油服化学有限公司,氧化钙(分析纯),氯化钙(分析纯)。

3.乳化剂稳定性能评价

(1)作用机理

一般认为,在乳化剂分子中引入酰胺基,可增强其在油水界面的吸附能力,提高乳化剂抗温性及乳化能力。选用的EMUL与COAT乳化剂同时存在烷基链之间的分子内相互作用和依靠氢键而形成的分子间相互作用,极大提高了其构建和稳定油包水乳状液的能力[12]。

(2)界面流变性

在200mL Saraline185V油中,加入设计量的EMUL或者COAT,电磁搅拌2h,静置后去部分溶液测试性能。采用法国Teclis公司TRACKER高温高压界面流变张力仪,测试了界面扩张流变参数。

①动态界面张力

从图1看出,EMUL降低油水界面张力最多,界面张力值低于2.5mN/m。COAT降低界面张力稍弱,界面张力值基本在4mN/m左右。混合乳化剂的界面张力值居于二者中间,说明混合乳化剂的乳化能力主要由EMUL提供。随着扩张频率增加,单一乳化剂和混合乳化剂的界面张力都基本不变,说明形成的界面膜较为稳定。

②界面扩张模量

混合乳化剂的扩张模量介于两种单一乳化剂之间,与主乳化剂相近。扩张模量随扩张频率的增加而增大,这表明乳化剂分子有足够的时间通过从界面和体相向新生成界面的扩散修复由界面面积变化带来的界面张力梯度(粘弹性特征)。

③粘性模量

扩张模量的粘性部分是指界面上及界面附近各种微观弛豫过程的总合。分析EMUL、COAT和二者复配乳化剂体系界面膜粘性模量随扩张频率的变化表明,粘性模量主要由COAT提供,随频率的增大而略有增加。这表明体系中快速扩散过程起主导作用。

④相角

如图2所示,EMUL、COAT和混合乳化剂体系在油-水界面扩张模量的相角皆为正值,说明界面膜的弹性模量大于粘性模量、响应领先于扰动,反映了界面上分子与体相间的交换。复配乳化剂相角随扩张频率的增加而增大,乳化剂分子向新生成界面的吸附补充而降低了体系的弹性;高频时相角不变,此时体相与界面之间的物质交换太慢,界面单分子层无时间响应,界面层可看成纯弹性的不溶性膜。

(3)老化温度对乳状液静置稳定性影响

在280mL Saraline185V中,加入2.0%EMUL,1%COAT,高速搅拌5min后,加入70mL 25%CaCl2水溶液,高速搅拌20min后,装入老化罐中高温老化。老化后降温取出测试性能。研究老化温度对乳液稳定性的影响发现,乳液在低温下稳定性较差,150℃制备的乳液静置0.5h出现明显分层,但是在180℃ 和200℃制备的乳状液在静置24h时析油量仍很少。说明所选择的乳化剂具有较好的抗温性。不同温度老化后的乳液滴较不均匀,温度会影响乳液的粒径及乳液滴的均匀程度,但是温度对乳液粒径影响规律性不明显。温度达232℃时,乳液滴粒径变大,说明已达该乳化体系的温度极限。200℃时乳液粒径没有明显变化,说明所选乳化剂具有较好抗温性。

(4)老化时间对乳状液静置稳定性影响

现场应用中需要钻井液在多次循环后仍保持较好性能,老化时间过长,乳化剂可能存在失效的风险。选择180℃制备乳液,考察不同老化时间对乳状液稳定性的影响。由图3可见,长时间静置,乳液在较短时间内会出现分层,但是在较长时间内才会出现析油现象,分层主要是由于乳液粒径不均一,在重力作用下粒径较大的液滴下沉,在一层里分散相比较多,另一层则反之,因此出现分层现象。分层使乳液的均匀性发生了改变但乳液并未真正被破坏,往往液滴密集地排列在体系的一端(上层或下层),分成两层,其界限可以是渐变或明显的;一般情况下,分层过程中液滴大小和分布没有明显的改变,只是在乳液内建立起平衡的液滴浓度梯度。由图4看出,经过长时间老化乳液的光学显微照片中可见大量边缘清晰的液滴(水相),乳液滴粒径≈2μm,且分散性较好。72h与16h老化的乳液粒径差异不大,说明乳液具有较好的长时间老化稳定性。

(a)16h、(b)24h、(c)48h、(d)72h

(a)16h、(b)24h、(c)48h、(d)72h

(a)16h、(b)24h、(c)48h、(d)72h

(a)16h、(b)24h、(c)48h、(d)72h

4.抗高温合成基钻井液

(1)抗高温合成基钻井液性能评价

配方:270mL Saraline 185V+2.0%EMUL+1.0%COAT+ 30mL 26%CaCl2+2.0%MOGEL+3.0%降滤失剂+重晶石加重至密度2.0g/cm3,油水比9:1,180℃、200℃、220℃热滚16h后测流变性,破乳电压,176℃,3.5MPa下高温高压滤失量,测试结果见表1。

从表1看出,抗高温合成基钻井液抗温性良好,150-220℃范围内,体系性能稳定。破乳电压较高,高温高压失水较低,能满足高温高压井钻井要求。

(2)抗污染评价

对配制的合成基抗高温钻井液进行了污染能力评价,评价结果见表2。从表2数据可知,本文研制的抗高温合成基钻井液中分别加入10%模拟海水,10%污染土后,在200℃老化16h,体系性能没有出现明显恶化,说明体系抗污染能力强。

5.结论

(1)通过对研选的酰胺类表面活性剂界面流变性研究,明确了主乳化剂EMUL与辅乳化剂COAT在油水界面的吸附规律,所形成界面膜是以弹性为主的弹性膜。

(2)通过研究老化时间,老化温度对乳液稳定性影响发现,研选的EMUL与MOAT形成的乳液抗温性达232℃,经过72h静置,乳液粒径仍处于微米级。

(3)以研选的EMUL与MOAT为基础,配伍其它处理剂,构建了抗高温合成基钻井液,在150-220℃范围内,体系性能稳定、流变性能优异、滤失量小、抗污染能力强,能满足现场高温高压井钻进的需求。

摘要:为满足高温高压钻井要求,研选了两种抗高温乳化剂,对乳化机理进行了探讨。评价了主乳化剂(EMUL)、辅乳化剂(COAT)的界面流变性,乳液抗温、抗长时间老化性能及微观形貌。用EMUL和COAT配制了抗高温合成基钻井液并评价其性能。结果显示,在不同频率下EMUL降低油/水界面张力至2.5mN/m,COAT的界面扩张模量最高,混合乳化剂形成的乳液滴弹性模量大于粘性模量。EMUL和COAT配制的乳液高温时稳定性更强,静置72h后仍具有较好乳液稳定性,乳液粒径基本保持不变。用EMUL与COAT配制的合成基钻井液抗温达220℃、性能稳定、流变性能优异、滤失量小、抗污染能力强。EMUL主要降低油水界面张力,COAT主要提高界面膜强度,混合乳化剂形成的乳液滴是弹性模量大于粘性模量的弹性液滴。

关键词:乳化剂,界面流变,合成基钻井液,乳液稳定性,抗高温

参考文献

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