钻井液用阳离子乳化沥青的研制

李银,袁华,韩敏,畅国财

摘要：两种配方制备的阳离子乳化沥青，在低浓度时，可看到 Span80、Tween80、

CTAB 组合制备阳离子乳化沥青粒径数据要比 Span80、Tween80、OP-10 和 CTAB 组合的要好，但在高浓度时，已不能单独从粒径和稳定性等角度来评价乳化沥青制备的优劣。由于在实际作业当中，我们通常需要考虑运输成本和添加剂对钻井液的作用效果，所以优选出适用于现场的粒径小、含水少、浓度高的阳离子乳化沥青更加有实际意义，所以对于阳离子乳化沥青的评价还需要通过加入钻井液中来进行进一步验证。

关键词：阳离子；乳化；沥青；室内试验

1 实验仪器与药品

1.1 主要实验设备与仪器

表 3-1 主要实验设备与仪器

仪器名称	型号	生产厂家
颗粒图像分析仪	Rise-3002	济南润之科技有限公司
电子天平	JM	余姚纪铭称重校验设备有限公司
增利电动搅拌器	DJ1C	江苏麦普龙仪器制造有限公司
电热恒温水浴锅	HH-S	金坛市大地自动化仪器厂
鼓风干燥箱	101 型	上海胜启仪器仪表有限公司

阳离子乳化沥青制备实验中除了需要所使用的 Span80，Tween80，OP-10，90#沥青外，还有一样阳离子表面活性剂 CTAB，即十六烷基三甲基溴化铵，呈白色结晶体至粉末状，可溶于水，能与阴离子、非离子、两性表面活性剂有良好的配位性。

2 阳离子乳化沥青制备实验

非离子型表面活性剂制备的乳化沥青往往带有负电性，这主要是由于非离子表面活性剂中的 EO 链与水形成氧键，导致 OH—在油水界面发生选择性吸附。这使得非离子表面活性剂吸附在油相表面使油相粒子在乳液中呈现负电性，而钻井液的使用过程中，岩层中的岩石往往带有负电性，因此，乳化沥青与地层岩石间的结合作用力会很弱，不能有效的抑制黏土膨胀。所以使乳化沥青表面带正电对实际应用很有帮助，本文通过在非离子乳化沥青的基础上加入阳离子表面活性剂 CTAB 进行电性调节，以此来制备表面带正电的乳化沥青。

由于高浓度的乳化沥青在显微镜下无法清晰的分辨沥青颗粒的大小，为了方便观察清楚乳化后沥青颗粒的情况，阳离子乳化沥青的制备效果实验先用油水比较低的实验进行观察分析。

2.1 Span80、Tween80 和 CTAB 复配乳化实验

此复配实验中，Span80、Tween80 和 CTAB 的混合量分别为 0.5ml、1.5ml 和 0.1g，保持油剂比 1:1，乳化水量保持 100ml。

考虑到 CTAB 为粉末状固体，易溶于水，不易溶于沥青，所以可能在沥青中不易分散，下面使用两种 CTAB 的加入方式进行实验验证。一种是直接将 CTAB 和 Span80、Tween80 一同与沥青进行搅拌混合，再加水乳化；另一种则是将 0.1gCTAB 先溶于 5ml水中，在逐步加入混有 Span80 和 Tween80 的沥青中搅拌乳化。

1、将 CTAB 直接加入沥青。CTAB 直接加入沥青中，并与沥青充分搅拌混合，加水乳化后，可观察到大量沥青胶状颗粒沉积在烧杯底部不能乳化，且乳液中的沥青颗粒与水沉降分离快，静置 12 小时后，可看到大量沥青沉降，并且乳液上部有部分清水层，所以可知将 CTAB 直接加入沥青混合的方法乳化沥青效果不好，未进行进一步的显微镜观察。

2、将 CTAB 用水溶解再加入沥青。在 CTAB 溶解于 5ml 水中后，将溶液逐滴加入到混合沥青中搅拌乳化。乳化情况较直接加入沥青中好一些，不会存在大量沥青颗粒无法乳化溶解的现象，但在显微镜下，小颗粒会出现快速相互聚集的现象，但小颗粒之间不相互结合聚并，仍会保持一定的独立性。颗粒平均粒径较无 CTAB 时略大。静置半个小时后，乳化沥青表面只出现少量游离沥青，静置 12 小时后，显微镜下聚集的颗粒依然呈现聚集状态，并未聚并成大颗粒，在烧杯底部会存在一层细腻的沥青颗粒沉积，通过摇晃烧杯的方法还会回到乳化沥青之中。

图 1 Span80:Tween80=1:3，油剂比为 1:1 的阳离子乳液照片

将 CTAB 直接加入混合沥青中，由于 CTAB 为粉末状固体，充分与沥青混合后，加水搅拌乳化，不仅没有起到优化乳化能力的效果，还使得许多沥青吸附在 CTAB 粉末周围，使得这些吸附在周围沥青无法被破碎和乳化，从而在烧杯底部形成许多大颗粒状的沥青胶团。这是因为 CTAB 不易溶于沥青和油性乳化剂，所以 CTAB 在混合沥青中并未充分展开和分散，而是与沥青相互吸附成团，造成 CTAB 粉末不能与水接触、部分沥青被吸附而不能充分破碎和乳化，造成乳化效果下降。所以在接下来的实验中，对于加入CTAB 的实验，都需要将 CTAB 溶解在水中，充分溶解再加入熔融沥青，以增强 CTAB的在沥青中的分散性和乳化性能。

2.2 Span80、Tween80、OP-10 和 CTAB 复配乳化实验

此复配实验中，Span80、Tween80、OP-10 和 CTAB 的混合量分别为 0.5ml、1ml、阳离子乳化沥青的研制0.5ml 和 0.1g，沥青 2g，保持油剂比 1:1，乳化水量为 100ml。将 0.1gCTAB 先溶于 5ml水中，不停搅拌的同时，逐滴滴入已与其他三种表面活性剂混合好的沥青中，再加水搅拌乳化。

停止搅拌后，乳液表面几乎无沥青析出，且乳液呈黑色，静置半小时底部也会有一定的沥青沉降，但沉降量较不加入 CTAB 少。显微镜下，颗粒较无 CTAB 组要大，D50值已经达到 12μm，但粒径分布均匀，有相互聚集的现象。载玻片样品静置 12 小时后，再观察显微镜下的样品，可看到大多数颗粒已经相聚，但并未聚并为大颗粒。但从统计数据上来看，粒径数据较无 OP-10 的组合要差。

图 2 Span80:Tween80:OP-10=1:2:1，油剂比为 1:1 的阳离子乳液照片

通过上面实验现象和数据，我们可以看出，Span80、Tween80 和 CTAB 组合的粒径较 Span80、Tween80、OP-10 和 CTAB 组合的更小，但较无 CTAB 的非离子乳化沥青粒径要明显增大，说明 CTAB 的加入对乳化也产生了一定影响。两种组合制备成的乳化沥青稳定性从外观和显微镜下看基本无差距。这两组较之前的组合多添加了 CTAB，在显微镜下我们同样观察到了沥青颗粒聚结的现象。在没有 CTAB 的复配组合中，乳液颗粒也是缓慢聚集，聚集后一段时间就聚结成大颗粒。虽然加入 CTAB 后沥青颗粒间仍相互聚结，出现一定量的沉降，但沥青颗粒之间并未聚并为大的沥青颗粒。对于这种聚结而不聚并的现象，我认为产生这种现象的原因主要是范德华力和静电力综合作用的结果，范德华力使得沥青颗粒间相互吸引，沥青颗粒间不聚并的稳定性可能源于离子表面的电荷作用，吸附在沥青颗粒表面的阳离子表面活性剂 CTAB 使沥青颗粒之间产生一定的斥力，虽然颗粒间聚结，但斥力仍使颗粒之间保持独立性，减小了相互之间的聚并的速度。

3结束语

使用在非离子乳化沥青中加入阳离子表面活性剂 CTAB 的方法可以制备出粒径和乳化效果都较好的阳离子乳化沥青。但由于加入的阳离子乳化沥青 CTAB 是粉末状固体，直接加入沥青中搅拌无法充分溶解，甚至与沥青胶结，反而使沥青乳化效果变差，所以加入 CTAB 时，需要用少量水进行溶解，再加入沥青中参与乳化。

参考文献

[1]吴艳.钻井液用抗高温阳离子乳化沥青的研制与性能评价[J].断块油气田，2017(09）.