1、2023 年第 2 期工程师园地针对海上极易出现的异常高温高压地层，油基钻井液被大量使用于复杂的钻井作业中 1,2。相对于陆地所使用的柴油基钻井液，白油基钻井液拥有对环境更友好的特性而被在海上钻井中广泛应用。但白油本身芳香烃含量低，极性弱于柴油，这导致原有的钻井液添加剂在白油中分散结合能力降低，在白油中性能表现变差 3。其中有机土是油基钻井液重要的添加剂。有机土均匀地高度分散在油相中，通过自身在油相中分散和膨胀从而调控油基钻井液的性能 4。具有增粘、提切、减少钻井液滤失量，以及维持油包水乳状液的稳定性的作用。因此，溶剂的改变使得有机土的分散性变差，成胶率下降，无法维持基础的钻井液流变性能 5,
2、6。通常来说，有机膨润土的制备是通过蒙脱土间层中的阳离子与不同类型的表面活性剂中的离子进行交换反应而制备 7。蒙脱土对表面活性剂的离子交换量与表面活性剂的本身性质对有机蒙脱土在油基钻井液中的结构有着很大的影响。大多数的蒙脱土的改性是通过阳离子的（季胺离子）或硅烷偶联剂来实现的 8。王茂功等分别对自主研制的柴油基有机土和白油基有机土进行了性能对比评价9。舒福昌等基于白油基开发了高成胶率有机土 HMC-4，提高非离子与阳离子表面活性剂协同改性白油基钻井液用蒙脱土黄新平（中海油服 天津分公司，河北 燕郊 065201）摘要：为了开发一种适用于白油的有机土并应用在海上高温高压地层环境，本文通过使用非离
3、子表面活性剂与阳离子表面活性剂对蒙脱土协同改性，采用湿法工艺制得有机土 DMOS。选择了其他两种在现场使用的柴油基钻井液有机土与其做性能对比评价。结果表明，非离子与阳离子表面活性剂协同改性的蒙脱土片晶疏松，与白油的接触角极小。有机土 DMOS 在白油中具有很好的成胶性能，在 140的条件下，胶体率仍能保持在 94%。基于 DMOS配置的油基钻井液具有更为稳定的流变性能，在 140的条件下保持高于 1000V 的电稳定性。所形成的低渗低厚度泥饼以及良好的润滑性能够减少钻具与井壁的摩擦，防止卡钻，可满足海上现场钻井需求。关键词：白油；蒙脱土；表面活性剂；油基钻井液；改性中图分类号：TE254文献标
4、识码：ANonionic and cationic surfactants synergistically modify montmorillonite for white oil-based drilling fluidsHUANG Xin-ping（COSL Tianjin Branch,Yanjiao 065201,China）Abstract:In order to develop an organic soil suitable for white oil and apply it in the offshore high temperatureand high pressure f
5、ormation environment,in this paper,the organic soil DMOS was prepared by a wet process bysynergistically modifying montmorillonite with a nonionic surfactant and a cationic surfactant.Two other diesel-based drilling fluid organic soils used in the field were selected for comparison and evaluation of
6、 their performance.The results show that the montmorillonite platelets modified by nonionic and cationic surfactants are loose and thecontact angle with white oil is extremely small.The organic soil DMOS has good colloidal properties in white oil,and the colloidal rate can still be maintained at 94%
7、under the condition of 140.Oil-based drilling fluids basedon DMOS configuration have more stable rheological properties and electrical stability above 1000V at 140.Theformed low-permeability,low-thickness mud cake and good lubricity can reduce the friction between the drillingtool and the well wall,
8、prevent sticking,and meet the needs of offshore drilling.Key words:white oil;montmorillonite;surfactant;oil-based drilling fluid;modificationDOI：10.16247/ki.23-1171/tq.20230294收稿日期：2022-09-02作者简介：黄新平（1985-），男，汉族，山西运城人，工程师，毕业于重庆科技学院化学工程与工艺专业，大学本科，主要从事钻完井液方向。Sum329 No.2化学工程师ChemicalEngineer2023 年第 2 期
9、2023 年第 2 期了有机土在白油中的成胶率，明显改善了钻井液的基础性能 10。崔明磊等通过对钙基膨润土有机改性，研制了可抗 240的白油基钻井液用有机土 11。由于在不稳定的外界条件下，如高温、固相含量增加等条件下，传统有机蒙脱土与白油产生脱附，导致基础性能变化 12,13。因此，本文基于以往的研究，不同于使用单一表面活性剂改性的方式，使用非离子表面活性剂和阳离子表面活性剂共同改性蒙脱土，增强表面活性剂与黏土矿物的相互作用力，提高蒙脱土与白油的契合能力。这对提高油基钻井液高温稳定性、高密度条件下的良好流变性能有着重要的意义。1实验部分1.1试剂与仪器白油（运动黏度（40）为 4.16mm2
10、 s-1，芳烃含量为 0.00034%，密度为 0.8554g cm-3，广东茂名金汇化工有限公司）；蒙脱石（河北省灵寿县展图矿产品加工厂）；阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，纯度为 99%阿拉丁试剂网）；非离子表面活性剂 Span 80（99%阿拉丁试剂网）；主乳化剂MOEMUL、辅乳化剂MOCOAT，中海油现场的油基钻井液材料；CaO、CaCl2，纯度均为 99.9%，荆州嘉华科技有限公司；降滤失剂（MOHFR）、封堵剂（MORLF），中海油现场的油基钻井液材料；重晶石（密度 4.2g cm-3河南三门峡渑池顺达重晶石有限公司）；HIGEL 有机土和 MT004 有机土（钻
11、井现场柴油基钻井液使用的有机土）。高速搅拌器（力辰科技有限公司）；OCA200 型全自动接触角测量仪（德国 dataphysics 公司）；SU8000 型日立冷场发射超高分辨率电子显微镜（日立分析仪器（上海）有限公司）；六速旋转粘度计（青岛鑫睿德石油仪器有限公司）；油基钻井液电稳定测试仪（肯测仪器有限公司）；高温高压滤失仪（美国fann 式公司）；UMT-2 型钻井液摩擦测试仪（美国CETR 公司）；变频高温滚子炉（青岛森欣有限公司）。1.2实验方法1.2.1改性蒙脱土的制备采用湿法对蒙脱土进行改性，在 25将 20g 的蒙脱土添加至 1500mL 去离子水中，1000r min-1转速搅拌
12、 20min，然后逐渐加入1g 的阳离子表面活性剂 CTAB 以及 50g 的非离子表面活性剂 Span 80，将混合物在 65条件下以1000r min-1的转速搅拌 24h，完成离子间的交换以及吸附。之后通过将混合物在 12000r min-1的转速下离心 10min，完成脱水步骤，接着使用去离子水对蒙脱土进行洗涤以去除残留在蒙脱土表面的表面活性剂。然后再次脱水，洗涤重复 3 次获得纯净的改性后的蒙脱土。获得的蒙脱土放置于 65烘箱烘干 12h，并将蒙脱土在研钵中研磨，过 120 目的筛网，制得含有不同加量的非离子表面活性剂的有机土 DMOS。1.2.2油基钻井液的制备取 320mL 的白
13、油，加入3.2%的主乳化剂和 0.8%的辅乳化剂，在 8000r min-1的转速下搅拌 10min，混合均匀后，将所研制的 1%有机土、1%CaO 依次加入白油中，每次加入后以8000r min-1的转速搅拌 10min。所得到的基础溶液加入 80mL 的 25%的 CaCl2溶液（模拟地层同等矿化度），继续以 10000r min-1的转速高速搅拌20min，获得油包水乳状液。后续加入 2%的降滤失剂（MOHFR）以及 1%封堵剂（MORLF），继续以8000r min-1的转速搅拌 10min。最后加入重晶石，将油基钻井液密度调节至 1.5g cm-3后，以 8000r min-1的转速
14、高速搅拌 20min，完成对油基钻井液的配制。2结果与讨论2.1有机土的性能评价与取自不同现场所使用的 HIGEL 有机土和MT004 有机土进行效果性能对比。其他两种有机土均是仅仅通过单一的表面活性剂进行改性。通过各项对有机土的性能测试，检测共同改性的有机土相对于单一活性剂改性的有机土的差异。2.1.1有机土的扫描电镜DMOS 有机土的 SEM图见图 1。由图 1 可见，DMOS 有机土出现表层向上的现象，片层边缘出现了一定的卷曲。有机土片晶出现层间距增加。这是因为阳离子表面活性剂 CTAB 和非离子表面活性剂 Span 80 嵌入到 Ca-Mt 层中造成的。邻片与邻片间的吸引力降低，出现了
15、更加疏松，黄新平：非离子与阳离子表面活性剂协同改性白油基钻井液用蒙脱土SU8000 10.0kVx5.00k SE（UL）10.0mSU8000 12.0kVx5.00k SE（UL）图 1DMOS 有机土的扫描电镜图Fig.1SEM image of DMOS organic soil10.0m952023 年第 2 期更薄的片层，这些都有利于有机土在溶液中的分散和极性的增加。2.1.2有机土的接触角测试使用泥饼压制器将有机土压制成泥饼，通过接触角测试仪测试白油与泥饼间的接触角，结果见图 2。由图 2 可见，DMOS 与白油形成的接触角最小，为 8.0，说明其疏水性最强。HIGEL 和 MT
16、004 与白油形成的接触角偏大，分别为 15.9和 16.4，疏水性弱于 DMOS。说明表面活性剂插入蒙脱土层间中从而产生疏水亲油表面。说明所研制的有机土具有更强的极性，极性越强的物质溶于白油能够增强两者间的化学能。2.1.3有机土的成胶体积将 1g 的有机土充分溶解在 100mL 白油中，在 100 和 140的条件下分别在烘箱中静置 24h。测试不同温度下，不同时间内，有机土在白油中形成的凝胶体积，从而得出其与白油的相容性与抗温能力。图 3 为不同类型的有机土在白油中形成的凝胶体积和凝胶的抗温稳定性。由图 3 可见，总体上 DMOS 在白油中形成的凝胶体积值都非常好。在高温 180后仍然保持在94mL，而其他两种有机蒙脱土所形成的凝胶体积在70mL 以下，尤其在温度上升至 150后，整体的凝胶体积出现了下降，其中使用有机土 MT004 形成的凝胶体积在 180下仅仅为 34mL。这种差异是由这3 种不同类型的有机土改性方式和使用的表面活性剂决定的。这也说明了在 DMOS 中，改性剂分子进入蒙脱土层并增加了蒙脱土的相容性，同时也使得蒙脱土具有一定的高温稳定性。2.1.4有机土的黏切性
