白油基乳状液稳定性研究

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油基钻井液为油包水(W/O)型乳状液。研究W/O型乳状液的稳定性,特别是高温稳定性,可加深对油基钻井液抗高温性能的认识。本文以3#白油为油相,研究了商用三元复配乳化剂CRJ和自制乳化剂SDR-8的表/界面活性及乳化性能,特别考察了高温老化处理(模拟钻井工程中的循环过程)对乳状液稳定性的影响,探讨了相关机理等,以期为抗高温油基钻井液的研发和现场应用提供依据。本文的主要研究内容和结论:(1)乳化剂的界面活性研究了 CRJ及其组分(CRJ-1、CRJ-2和CRJ-3)和SDR-8的表/界面活性,考察了浓度、温度和电解质(CaCl2)的影响以及SDR-8的抗温能力,探讨了相关机理等。结果表明,亲油性CRJ-1不降低白油的表面张力,亲水性CRJ-2和CRJ-3均可显著降低水的表面张力。这三种乳化剂均能显著降低白油/水界面张力,具明显的界面活性,其大小顺序为:CRJ-1>CRJ-3>CRJ-2。三种乳化剂复配可明显增强其界面活性,即具明显的协同增效作用。SDR-8可明显降低白油/水界面张力,且可形成弹性为主的界面膜。添加CaC12可增强SDR-8的界面活性及其界面膜粘弹性。经180℃高温处理8h后,其界面活性和界面膜弹性还有所增强,表明是一个有潜力的高温乳化剂。(2)乳化剂乳化性能及乳状液常温稳定性研究了 CRJ和SDR-8的乳化性能及乳状液常温稳定性,考察了各种因素如油/水体积比(Ro/w,9/1-5/5)、CaC12、Ca(OH)2和有机土等的影响,探讨了相关机理。结果表明,CRJ和SDR-8均能乳化白油-纯水体系形成乳状液(简称CRJ-H2O和SDR-H2O体系)。CRJ-H2O体系(Ro/w=8/2-6/4)为O/W型乳状液,而SDR-H2O体系在Ro/w=9/1-7/3时为W/O型乳状液,在Ro/w=6/4和5/5时为O/W型乳状液。CRJ-H2O和SDR-H2O乳状液均具良好的稳定性,且后者优于前者。在 CRJ-H2O和 SDR-H2O 体系中加入 25 wt%CaC12(水相)和 30 g/L Ca(OH)2,均可形成W/O型乳状液,分别简称CRJ-Ca(OH)2和SDR-Ca(OH)2体系,但前者静置稳定性高,后者极不稳定(5 min内即分层破乳)。在CRJ-Ca(OH)2和SDR-Ca(OH)2体系中再加入20 g/L有机土,仍为W/O型乳状液,分别简称CRJ-Ca(OH)2-OC和SDR-Ca(OH)2-OC体系。有机土可有效提高乳状液体系的常温稳定性。(3)高温老化对乳状液稳定性的影响对所形成的乳状液体系进行高温(150、180和232℃)老化处理8h后,观察其乳状液类型变化,测定其静置稳定性,探讨相关机理等。结果表明,高温老化不改变 CRJ-Ca(OH)2、SDR-Ca(OH)2、CRJ-Ca(OH)2-OC 和 SDR-Ca(OH)2-OC乳状液类型。随老化温度升高,CRJ-Ca(OH)2和SDR-Ca(OH)2体系的稳定性增强,可能是Ca(OH)2经高温处理后形成“有机Ca(OH)2”纳米颗粒所致;CRJ-Ca(OH)2-OC和SDR-Ca(OH)2-OC体系稳定性呈降低趋势,可能是有机土聚集所致。随Ro/w减小(或水相体积分数增大),各乳状液体系高温老化后的稳定性均有增强趋势,因为分散水滴数目增多,可减缓其下沉速率。经高温(232℃)老化处理后,SDR-Ca(OH)2-OC体系的稳定性明显高于CRJ-Ca(OH)2-OC体系,表明SDR-8的高温乳化能力优于CRJ复配乳化剂。(4)油基钻井液性能评价对SDR-8配制的油基钻井液(泥浆)进行了性能评价。结果表明,以Ro/w=9/1和SDR-8加量40 g/L配制的重泥浆(密度ρ=2.4 g/cm3),经232℃老化处理16 h后,其动切力(~5.5Pa)、破乳电压(~740V)和高温高压(176℃/500 psi)滤失量(~4.2 ml)等符合钻井现场应用要求,具实用前景。另外,SDR-8可配制高水相低密度(Ro/w=5/5,ρ=1.2 g/cm3)油基泥浆,其性能也基本符合要求,这对降低泥浆成本具重要意义。
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