油基鉆井液用乳化劑標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與探討

胡靜 顏娟 劉智敏

摘 要：油基鉆井液是我國(guó)非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)支撐，乳化劑是油基鉆井液體系的關(guān)鍵處理劑。針對(duì)現(xiàn)有油基鉆井液處理劑產(chǎn)品繁雜、缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)功能性指標(biāo)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求的問(wèn)題，調(diào)研了49項(xiàng)現(xiàn)有油基鉆井液用乳化劑標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，分析了標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試項(xiàng)目的適用性。收集27種乳化劑樣品，測(cè)試各項(xiàng)目數(shù)據(jù)，提出了標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)推薦范圍，為乳化劑統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了參考，將促進(jìn)油基鉆井液產(chǎn)品質(zhì)量提高，有利于標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理和技術(shù)推廣。

關(guān)鍵詞：油基鉆井液，乳化劑，標(biāo)準(zhǔn)

0 引 言

隨著能源需求的增加，以頁(yè)巖氣、致密氣和超深井為代表的非常規(guī)油氣資源開(kāi)發(fā)逐年增多，成為我國(guó)重要的戰(zhàn)略能源接替。油基鉆井液因相較于水基鉆井液，在抑制性、潤(rùn)滑性和抗污染能力方面的性能優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件和水平井等工藝井勘探開(kāi)發(fā)。油基鉆井液處理劑是形成性能良好的油基鉆井液體系的基礎(chǔ)，主要包括乳化劑、降濾失劑、增黏劑、封堵劑和有機(jī)膨潤(rùn)土等系列處理劑產(chǎn)品。目前，油基鉆井液處理劑數(shù)量達(dá)到200多種，90% 使用的是各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同企業(yè)供應(yīng)商油基鉆井液體系和處理劑繁雜、混亂，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，增大了鉆探工程公司的使用和選擇難度。同時(shí)各鉆井液技術(shù)服務(wù)施工單位普遍反映，企業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中功能性指標(biāo)不能很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求，處理劑標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量還有待提高。

因此，有必要深入開(kāi)展油基鉆井液處理劑評(píng)估，制定行業(yè)統(tǒng)一處理劑標(biāo)準(zhǔn)，滿足目前國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用區(qū)域使用需要，促進(jìn)油基鉆井液處理劑的產(chǎn)品質(zhì)量提高，便于集中采購(gòu)、工廠化作業(yè)配制和區(qū)域模塊化技術(shù)推廣應(yīng)用，提高我國(guó)整體鉆井液規(guī)范化程度和技術(shù)水平，更好地保障非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)[1-2]。

乳化劑是油基鉆井液核心處理劑，促使油水兩相均勻分散并形成穩(wěn)定的乳液結(jié)構(gòu)，防止液體分相和沉積，確保鉆井液的性能穩(wěn)定。因此乳化劑對(duì)控制油基鉆井液性能質(zhì)量起到至關(guān)重要作用，有必要開(kāi)展乳化劑標(biāo)準(zhǔn)深入研究，詳細(xì)評(píng)估目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)有各企業(yè)乳化劑標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)方法、技術(shù)指標(biāo)等，為制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)提供有益借鑒[3-4]。

1 油基鉆井液用乳化劑標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

1.1 油基鉆井液用乳化劑類型

按現(xiàn)有市面上的油基鉆井液用乳化劑產(chǎn)品類型分類，主要分為復(fù)合乳化劑和分體式乳化劑。其中，分體式乳化劑由主乳化劑、輔乳化劑組成。主乳化劑是用于將水分散為微小水滴并與主乳形成穩(wěn)定乳化體系的化學(xué)劑。輔乳化劑是用于增強(qiáng)油基鉆井液乳化體系穩(wěn)定性和乳化性能的化學(xué)劑。復(fù)合乳化劑則是將主乳化劑、輔乳化劑和潤(rùn)濕劑根據(jù)性能需求，按比例混合出廠使用。兩種產(chǎn)品類型各有優(yōu)勢(shì)，復(fù)合乳化劑配制操作簡(jiǎn)單，便于對(duì)性能需求明確的成熟區(qū)域大規(guī)模推廣應(yīng)用。分體式乳化劑在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行各處理劑的配比調(diào)整，方便鉆遇高壓、高含硫、井漏等地質(zhì)情況不明或復(fù)雜工況時(shí)，處理鉆井液性能，同時(shí)對(duì)使用者的技術(shù)水平也有一定要求。

按乳化劑化學(xué)組分分類，分為非離子表面活性劑、陽(yáng)離子表面活性劑、陰離子表面活性劑和聚合物穩(wěn)定劑。非離子表面活性劑是乳化劑中常用的一類表面活性劑。它們的化學(xué)成分可以是聚氧乙烯鏈或聚氧乙烯聚氧丙烯鏈等。非離子表面活性劑在油水界面上降低表面張力，促進(jìn)油和水的混合。它們的化學(xué)成分可以是聚氧乙烯鏈或聚氧乙烯聚氧丙烯鏈等。陽(yáng)離子表面活性劑也可以用于油基鉆井液乳化劑中。它們的化學(xué)成分包括胺鹽類化合物或季銨鹽類化合物等。陰離子表面活性劑在某些情況下也可以用作乳化劑的組成部分。常見(jiàn)的陰離子表面活性劑包括脂肪酸皂、磺酸皂類等。聚合物穩(wěn)定劑是用于增強(qiáng)乳化體系穩(wěn)定性的一類化學(xué)成分。常見(jiàn)的聚合物包括聚丙烯酰胺、聚合酰胺類化合物等。

陰離子型乳化劑要求在堿性或中性條件下使用。在使用多種乳化劑配制乳狀液時(shí)，這類乳化劑可以互相混合使用，也可與非離子型乳化劑混配使用[5]。

1.2 乳化劑性能指標(biāo)

通過(guò)收集國(guó)內(nèi)油基鉆井液乳化劑現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)1項(xiàng)鉆井液乳化劑石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）、3項(xiàng)復(fù)合乳化劑企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表2）、22項(xiàng)主乳化劑企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表3）和23項(xiàng)輔乳化劑企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表4），涉及的檢測(cè)項(xiàng)目可分為兩類，一類是理化指標(biāo)，包括：外觀、閃點(diǎn)、傾點(diǎn)等 ；另一類是鉆井液功能性指標(biāo)，包括 ：破乳電壓、乳化率、常溫下和高溫老化后的表觀黏度、塑性黏度等。

2 乳化劑標(biāo)準(zhǔn)的適用性分析

通過(guò)收集主（復(fù)合）乳化劑樣品15個(gè)、輔乳化劑樣品12個(gè)，開(kāi)展處理劑性能評(píng)價(jià)，在符合國(guó)家法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，遵循“油基鉆井液用乳化劑標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)應(yīng)該滿足生產(chǎn)需求，標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法盡量操作簡(jiǎn)便可行”的原則下，對(duì)各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)進(jìn)行篩選，建議檢測(cè)以下項(xiàng)目及指標(biāo)范圍。

2.1 外觀

油基鉆井液乳化劑外觀，通過(guò)目測(cè)觀察，普遍呈油狀粘稠液體，顏色呈棕紅色、棕黃色、褐色等。

2.2 密度

乳化劑的密度按國(guó)標(biāo)GB/T 16783.2《石油天然氣工業(yè) 鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 第 2 部分：油基鉆井液》[6]規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。將密度計(jì)底座放在一水平面上，將待測(cè)樣品注入到潔凈、干燥的密度計(jì)杯中，把杯蓋蓋在注滿樣品的杯上，旋轉(zhuǎn)杯蓋至蓋緊，保證樣品從杯蓋小孔中溢出以便排出混入樣品的空氣；將杯蓋表面及杯身擦拭干凈。然后將臂梁放在底座的刀墊上，沿刻度移動(dòng)游碼使之平衡，在水準(zhǔn)泡位于中心線下時(shí)即已達(dá)到平衡；最后在靠近杯一邊的游碼邊緣讀取樣品密度值，精確到0.01 g/cm3。如圖1、2所示，樣品主乳化劑的密度范圍為：0.85～0.96 g/cm3；輔乳化劑的密度范圍為：0.90～0.97 g/cm3，因此建議確定密度指標(biāo)范圍為 0.85～0.97 g/cm3。

2.3 閃點(diǎn)

閃點(diǎn)，是化工產(chǎn)品存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)闹匾踩笜?biāo)。按照GB/T 261《石油產(chǎn)品閃點(diǎn)測(cè)定法（閉口杯法）》[8]規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定。于BBS-800型全自動(dòng)閉口閃點(diǎn)測(cè)定儀中倒入乳化劑；放入加熱器內(nèi)，修改樣品的預(yù)置閃點(diǎn)和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，將樣品加入樣品杯內(nèi)的刻度線處，并將樣品杯放入加熱爐內(nèi)；確認(rèn)儀器參數(shù)正確后，自動(dòng)開(kāi)始測(cè)定。待儀器測(cè)定完成后，自動(dòng)打印閃點(diǎn)值，并報(bào)警提示，測(cè)試樣品閃點(diǎn)完成。見(jiàn)表5，主乳化劑的閃點(diǎn)范圍為：86～126℃。輔乳化劑的閃點(diǎn)范圍為：84～112℃。根據(jù)兩項(xiàng)關(guān)于化學(xué)品管理國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：GB 13690《化學(xué)品分類和危險(xiǎn)性公示通則》[9]和GB 20581《化學(xué)品分類、警示標(biāo)簽和警示性說(shuō)明 安全規(guī)范易燃液體》[10]，閃點(diǎn)≤93℃屬于易燃液體，閃點(diǎn)大于60℃且閃點(diǎn)不大于93℃屬于4類易燃液體。易燃液體在現(xiàn)場(chǎng)倉(cāng)儲(chǔ)使用中要求更嚴(yán)格。結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際檢測(cè)情況，建議確定閃點(diǎn)范圍為大于等于80℃。

2.4 傾點(diǎn)

傾點(diǎn)，按照GB/T 3535《石油產(chǎn)品傾點(diǎn)測(cè)定法》[11]。將試樣在不攪拌的情況下，放入已保持在高于預(yù)期傾點(diǎn)12 ℃，至少48 ℃的浴中，將試樣加熱到45 ℃或高于預(yù)期傾點(diǎn)9 ℃（選擇較高者）。將試管轉(zhuǎn)移到已維持在24 ℃+1.5 ℃的浴中。取出觀察試樣的流動(dòng)性，充分傾斜以確定試樣是否流動(dòng)。

當(dāng)試樣不流動(dòng)時(shí)，將試管放回浴中，待再降低3 ℃時(shí)，重新觀察試樣的流動(dòng)性。直至試樣在水平位置5s不移動(dòng)，記錄此時(shí)觀察到的溫度計(jì)讀數(shù)。如表6所示，主乳化劑的傾點(diǎn)范圍為：-34～-6℃。輔乳化劑的傾點(diǎn)范圍為：-30～-4 ℃。傾點(diǎn)指標(biāo)的設(shè)置，是為了滿足現(xiàn)場(chǎng)冬季施工操作可行。國(guó)內(nèi)冬季現(xiàn)場(chǎng)各區(qū)塊施工溫度差異性較大，建議按照各地實(shí)際情況確定范圍。

2.5 破乳電壓

乳化劑的破乳電壓指標(biāo)是決定油基鉆井液的電穩(wěn)定性的功能性指標(biāo)之一。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有油基鉆井液現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)塊的實(shí)際工程需求調(diào)研，確立了頁(yè)巖氣區(qū)塊150℃、超深井區(qū)塊180℃的破乳電壓測(cè)試方法。分別稱取16g油基鉆井液用乳化劑（主、輔乳化劑按生產(chǎn)商比例均勻混合）于高攪杯中，加入320 mL 5#白油，高攪10 min（11，000r/min），加入8.0g有機(jī)土，繼續(xù)11，000 r/min高速攪拌 10 min 。加入80mL蒸餾水， 11，000 r/min高速攪拌 30 min，將配制好的乳狀液轉(zhuǎn)入高溫陳化釜中，在 150 /180℃ 下滾動(dòng) 16 h，冷卻至室溫，高攪 15 min（11，000 r/min），繼續(xù)3000 r/min高速攪拌 5 min，測(cè)試漿體50±2℃下的破乳電壓。如圖3、4所示，150℃熱滾后破乳電壓值范圍為285～785V，180℃熱滾后破乳電壓值范圍為38～857V，建議標(biāo)準(zhǔn)確定范圍為大于400V。

2.6 表觀黏度

乳化劑的表觀黏度是決定油基鉆井液流變性的又一個(gè)重要功能性指標(biāo)。分別稱取16g油基鉆井液用乳化劑（主、輔乳化劑按生產(chǎn)商比例均勻混合）于高攪杯中，加入320 mL 5#白油，高攪10 min（11，000r/min），加入8.0g有機(jī)土，繼續(xù)11，000 r/min高速攪拌 10 min 。加入80mL蒸餾水， 11，000 r/min高速攪拌 30 min，將配制好的乳狀液轉(zhuǎn)入高溫陳化釜中，在 150 /180℃ 下滾動(dòng) 16 h，冷卻至室溫，高攪 15 min（11，000 r/min），繼續(xù)3000 r/min高速攪拌 5 min，測(cè)試漿體50±2℃下的表觀黏度。如圖5、6示，測(cè)試結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)油基鉆井液攜砂性、可泵性等流變指標(biāo)需要，推薦150℃表觀黏度小于35，推薦180℃表觀黏度小于40。

3 結(jié)論及建議

針對(duì)市面上現(xiàn)有油基鉆井液用乳化劑包含分體式主乳化劑、分體式輔乳化劑和復(fù)合乳化劑的現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，根據(jù)收集的樣品測(cè)試數(shù)據(jù)分析，建議外觀、密度、閃點(diǎn)、傾點(diǎn)作為理化指標(biāo)方面的測(cè)試項(xiàng)目，使用同一套技術(shù)指標(biāo)和試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)主乳化劑、輔乳化劑和復(fù)合乳化劑；建議分別150℃和180℃熱滾后考察破乳電壓、表觀黏度作為功能性指標(biāo)方面的測(cè)試項(xiàng)目。

建議油基鉆井液用乳化劑指標(biāo)：外觀為油狀粘稠液體；密度范圍在0.85～0.97g/cm3，閃點(diǎn)大于80℃；傾點(diǎn)按需求設(shè)置；破乳電壓分別按150℃和180℃熱滾后測(cè)試，均大于400V；150℃熱滾后表觀黏度小于35，180℃熱滾后表觀黏度小于40。部分地區(qū)如：四川盆地下川東區(qū)塊、塔里木盆地大北區(qū)塊，會(huì)使用油基鉆井液應(yīng)對(duì)巨厚膏鹽層的情況，可考慮進(jìn)一步考察評(píng)價(jià)乳化劑抗污染方面的性能指標(biāo)。

隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，研發(fā)環(huán)境友好型的乳化劑已經(jīng)成為新的需求趨勢(shì)。可研究乳化劑標(biāo)準(zhǔn)的生物毒性和降解性指標(biāo)，促進(jìn)環(huán)保處理劑的技術(shù)進(jìn)步。

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