CN103013459B - 一种超高密度钻井液用分散剂、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高密度钻井液用分散剂、制备方法及应用。所述分散剂由包括以下组分的原料反应而得：木质素10～40，酚类1.5～20，磺化剂2.5～15，调聚剂0.5～5，催化剂0.5～4，水100份。所述方法包括：所述组分混合均匀，在160～180℃下反应6～10h后制得所述超高密度钻井液用分散剂。本发明所述的分散剂应用于超高密度钻井液中，能显著改变重晶石等固相加重剂表面性质的分散剂，通过促使加重剂颗粒表面形成水化膜，减小加重剂颗粒间的凝聚作用及摩擦阻力，使所配制的高密度钻井液粘度、切力下降，流动性得到改善，并且无毒、高效，制备方法简单、易操作。

Description

一种超高密度钻井液用分散剂、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，进一步地说，是涉及一种超高密度钻井液用分散剂、制备方法及应用。

背景技术

随着国内外油气勘探开发的不断深入，钻遇地层日益复杂，所钻深井、超深井增多，超高密度钻井液的应用越来越受到重视。为提高钻井液密度而加入的大量加重材料，会严重影响钻井液的性能。以密度4.2g/cm³的重晶石配制密度2.4g/cm³以上的钻井液，其加重材料体积分数占到钻井液总体积的50％左右，高固相含量使钻井液内摩擦增大、粘度和切力上升、剪切稀释性变差，且滤饼质量变差，极易造成卡钻事故。

在钻井液中起稀释分散作用的处理剂主要有两大类：一类是改性的天然聚合物，如丹宁碱液、栲胶碱液、磺甲基丹宁、铁铬盐等，可用于分散型钠膨润土钻井液，此类稀释剂来源广、价格低。其中丹宁、栲胶类在浅井低温、淡水泥浆中稀释效果很好。铁铬盐具有良好的稳定性，但含有铬离子，污染环境。另一类是合成高分子类，如聚丙烯酸盐及其衍生物X-40系列、两性离子聚合物XY系列、磺化苯乙烯-马来酸酐共聚物(SSMA)等，以及最近发展起来的含硅、氟的硅氟降粘剂SF-1、有机硅稀释剂GX-1等，它们对分散型钠膨润土钻井液及聚合物钻井液均有良好的稀释降粘效果，但所用原料价格昂贵，产品成本高，不利于大面积推广应用。

上述稀释分散剂在现场应用中表现出一定的稀释降粘能力，特别是针对密度不是很高的水基钻井液，在一定程度上解决了在深井、高温或遇到污染后钻井液粘、切升高的问题。但是在高密度钻井液，尤其是超高密度钻井液中，这些处理剂加入钻井液中降低粘切的效果不好，甚至不起作用。主要原因是：

(1)目前改性的天然聚合物类稀释降粘剂主要是作用于粘土颗粒，在粘土颗粒边缘吸附，增加粘土颗粒的水化性能，减弱粘土颗粒间的边-边、边-面结合，从而拆散粘土形成的结构而降低钻井液的粘、切。

(2)合成高分子类稀释降粘剂是通过与大分子聚合物形成稳定的络合物，拆散聚合物之间形成的结构来消除聚合物的提粘效应，且促使大分子聚合物收缩脱水，提高其在粘土颗粒上吸附能力，拆散粘土之间形成的结构从而使聚合物钻井液的粘度降低。

(3)超高密度钻井液中粘土含量较少，其粘、切增高主要是加重剂固相颗粒间摩擦以及固相颗粒与粘土颗粒的相互作用造成的，需要能使加重剂颗粒间的凝聚、摩擦作用减弱、固相颗粒得以均匀分散的分散降粘剂。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种超高密度钻井液用分散剂、制备方法及应用。能显著改变重晶石等固相加重剂表面性质的分散剂，通过促使加重剂颗粒表面形成水化膜，减小加重剂颗粒间的凝聚作用及摩擦阻力，使所配制的高密度钻井液粘度、切力下降，流动性得到改善，分散稀释效果好、兼具降滤失作用、并且无毒、高效，制备方法简单、易操作。

本发明的目的之一是提供一种超高密度钻井液用分散剂。

由包括以下组分的原料反应而得：

木质素    10～40重量份，优选15～30重量份；

酚类      1.5～20重量份，优选4～15重量份；

磺化剂    2.5～15重量份，优选5～10重量份；

调聚剂    0.5～5重量份，优选1～4重量份；

催化剂    0.5～4重量份，优选0.8～2重量份；

水    100    重量份

所述的木质素为木本木质素和/或草本木质素；

所述的酚类是苯酚、对甲酚、间甲酚中的一种或两种；

所述的磺化剂是亚硫酸钠、亚硫酸氢钠或硫酸中的一种，优选为亚硫酸钠、亚硫酸氢钠；其中所述硫酸为浓硫酸或发烟硫酸，优选发烟硫酸；

所述的调聚剂为醛类化合物；优选甲醛或乙醛；

所述的催化剂为胺基磺酸，苯磺酸，阳离子交换树脂中的一种或组合。

所述分散剂是由以下方法制备的：所述组分混合均匀，在160～180℃下反应6～10h后制得。

木质素和酚类在催化剂作用下反应，醛类调聚剂主要是起到木质素和酚类物质之间桥接的作用，决定了所得产物分子量的大小。磺化剂增加了产物的磺酸基团，增强产物的分散效果及抗温抗盐能力。

本发明的目的之二是提供一种超高密度钻井液用分散剂的制备方法。

包括：

所述组分混合均匀，在160～180℃下反应6～10h后制得。

具体地：

在水中依次加入所述用量的木质素、苯酚类、磺化剂、调聚剂、催化剂等，搅拌混合均匀后，加入反应釜，于160～180℃下反应6～10h，降温，放料，干燥后制得所述超高密度钻井液用分散剂。

本发明的目的之三是提供一种超高密度钻井液用分散剂在钻井中的应用。

所述超高密度钻井液用分散剂用于不同重晶石加量的高密度和超高密度钻井液中，其用量为2～15重量份数(以钻井液中的水为100重量份计)。

本发明的超高密度钻井液用分散剂能显著降低2.4～3.0g/cm³的超高密度水基钻井液的粘度和切力，对高密度固相加重剂的分散效果好，兼具降滤失作用，且具有较强的抗盐污染能力。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

按照SY/T 5621-93钻井液测试程序中的规定测定配制的超高密度浆液的100转读数。

抗盐超高密度钻井液的评价方法参照中华人民共和国行业标准ZB/T E13004-90(钻井液测试程序)。

所用原料如下：

对甲苯酚：北京化学试剂公司，分析纯；

亚硫酸钠：北京化工厂，分析纯；

亚硫酸氢钠：北京益利精细化学品有限公司；

甲醛：北京化学试剂公司，分析纯；

对甲苯磺酸：淄博利科精细化工技术有限公司，工业品；

胺基磺酸：广州市信诚贸易有限公司，工业品；

阳离子交换树脂：河北树脂厂，工业品；

氢氧化钠：北京化工厂，分析纯；

氯化钠：北京化工厂，分析纯；

Span-80：西陇化工股份有限公司，化学纯；

重晶石：贵州凯里市龙腾矿业有限公司，密度4.32g/cm³；

白油：河北省辛集市景山石油化工厂，工业品；

钠膨润土：胜利油田博友泥浆技术有限责任公司产钻井液试验用钠膨润土；

低粘PAC：淄博技化工有限公司，工业品；

SML-4：中国石化石油工程技术研究院，工业品；

草本木质素：廊坊盛祥龙节能材料有限公司，工业品；

木本木质素：廊坊盛祥龙节能材料有限公司，工业品

降滤失剂SML-4，自制，制备方法如下：

磺化褐煤28份，甲醛2份，磺酸盐聚合物11份，水100份，将混合均匀后200℃下反应6h，干燥、粉碎后制得褐煤接枝共聚降滤失剂SML-4。

实施例1：

该超高密度钻井液用分散剂由下述组分的原料制备：草本木质素20份，苯酚10份，亚硫酸钠8份，甲醛2份，对甲苯磺酸1.2份，水100份，混合均匀后160～170℃下反应8h，干燥后制得分散剂SMS-19A。

盐水加重基浆的配制：在300mL蒸馏水中加入12g氯化钠、1.2g无水碳酸钠，高速搅拌5min，加入24g实验用钠膨润土，高速搅拌20min，在磨口瓶中养护24h，高速搅拌下加入980g重晶石，高速搅拌10min，作为盐水加重基浆，测其Φ₁₀₀₀读数、密度和滤失量，盐水加重基浆密度应该2.40±0.05g/cm³范围内，Φ₁₀₀数值应在145±10范围内，常温滤失量和120℃滚动16h滤失量应在120～160mL。

降粘率和滤失量测定：取四份盐水加重基浆，一份为常温空白样，高速搅拌10min后测100转读数Φ₁₀₀₍₁₎；第二份基浆加入13g样品，高速搅拌10min后测100转读数Φ₁₀₀₍₂₎和常温滤失量；第三份基浆高速搅拌10min后于120℃滚动16h，待冷后高速搅拌5min，测100转读数Φ₁₀₀₍₃₎；第四份基浆中用玻璃棒搅拌下加入13g样品，高速搅拌10min后于120℃滚动16h，冷却后高速搅拌5min，测100转读数Φ₁₀₀₍₄₎和常温滤失量。按下式计算盐水浆的常温和120℃/16h老化后的降粘率：

按上述测试方法所得结果见表1。

实施例2：

该超高密度钻井液用分散剂由下述组分的原料制备：木本木质素18份，对甲酚10份，亚硫酸钠8份，甲醛3份，对甲苯磺酸1份，水100份，混合均匀后160～170℃下反应8h，干燥后制得分散剂SMS-19B。

按实施例1中的测试方法所得结果见表1。

实施例3：

该超高密度钻井液用分散剂由下述组分的原料制备：木本木质素20份，苯酚10份，亚硫酸氢钠10份，甲醛4份，对甲苯磺酸1.5份，水100份，混合均匀后170～180℃下反应6h，干燥后制得分散剂SMS-19C。

按实施例1中的测试方法所得结果见表1。

实施例4：

该超高密度钻井液用分散剂由下述组分的原料制备：木本木质素25份，苯酚8份，亚硫酸钠8份，乙醛4份，胺基磺酸1份，水100份，混合均匀后170～180℃下反应6h，干燥后制得分散剂SMS-19D。

按实施例1中的测试方法所得结果见表1。

实施例5：

该超高密度钻井液用分散剂由下述组分的原料制备：木本木质素16，对甲酚10份，亚硫酸钠8份，甲醛3份，阳离子交换树脂0.8份，水100份，混合均匀后165～175℃下反应8h，干燥后制得分散剂SMS-19E。

按实施例1中的测试方法所得结果见表1。

实施例6：

该超高密度钻井液用分散剂由下述组分的原料制备：木本木质素16，苯酚4份，亚硫酸钠6份，甲醛4份，阳离子交换树脂2份，水100份，混合均匀后165～175℃下反应8h，干燥后制得分散剂SMS-19F。

按实施例1中的测试方法所得结果见表1。

实施例7：

该超高密度钻井液用分散剂由下述组分的原料制备：木本木质素25份，对甲酚15份，亚硫酸钠10份，甲醛4份，胺基磺酸2.5份，水100份，混合均匀后165～175℃下反应8h，干燥后制得分散剂SMS-19G。

按实施例1中的测试方法所得结果见表1。

实施例8：

该超高密度钻井液用分散剂由下述组分的原料制备：木本木质素35，对甲酚4份，亚硫酸钠12份，甲醛3份，阳离子交换树脂1.8份，水100份，混合均匀后165～175℃下反应8h，干燥后制得分散剂SMS-19H。

按实施例1中的测试方法所得结果见表1。

表1

从实验数据可看出，超高密度钻井液用分散剂的加入，将2.40g/cm³的盐水超高密度钻井液的100转读数大大降低，降粘率最高可达到86.5％，且钻井液滤失量大大降低(由原来120～160mL降为4.5mL)；经120℃滚动老化16h后，降粘率仍大于78％，滤失量也较低，表明超高密度钻井液用分散剂对高密度固相加重剂的分散效果好，兼具降滤失作用，且具有较强的抗温、抗盐污染能力。

实施例9：

用实施例1中制备的超高密度钻井液用分散剂为组分之一配制了密度为2.50g/cm³的钻井液，其组分配比为以水为100重量份计如下：

按上述组分配比，配制钠膨润土浆，静置老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19A、降滤失剂SML-4、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠，用量按以上所述。搅拌至溶解均匀，高搅下加入所述用量的重晶石，高搅20min后，制得超高密度钻井液。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能见表2。

表2

从上表中实验数据可见，用实施例1制备的超高密度钻井液分散剂SMS-19为分散剂配制的密度为2.50g/cm³的钻井液在经过120℃/16h老化后的表观粘度AV为89mPa·s，老化后的常温常压滤失量FL_API为2.5mL、高温高压滤失量FL_HTHP为13mL，表明其流变性能好、滤失量易控制。

实施例10：

用实施例1中制备的超高密度钻井液用分散剂为组分之一配制了密度为2.62g/cm³的钻井液，其组分配比为以水为100重量份计如下：

按上述组分配比，配制钠膨润土浆，静置老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19A、降滤失剂SML-4、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠。搅拌至溶解均匀，高搅下加入重晶石，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在150℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能见表3。

表3

从上表中实验数据可见，采用实施例1制备的超高密度钻井液分散剂SMS-19A为分散剂配制的密度为2.62g/cm³的钻井液在经过150℃/16h老化后的表观粘度AV为130mPa·s，老化后的常温常压滤失量FL_API为1.8mL，在150℃下的高温高压滤失量FL_HTHP为10mL，表明其流变性能好、滤失量易控制。

实施例11：

用实施例1中制备的超高密度钻井液用分散剂为组分之一配制了密度为2.75g/cm³的钻井液，其组分配比为以水为100重量份计如下：

按上述组分配比，配制钠膨润土浆，静置老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19A、抗盐降滤失剂SML-4、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠，搅拌至溶解均匀，搅拌下加入重晶石粉，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能见表4。

表4

从上表中实验数据可见，用实施例1制备的超高密度钻井液分散剂SMS-19A为分散剂配制的密度为2.75g/cm³的钻井液在经过120℃/16h老化后的漏斗粘度FV为94s、表观粘度AV为99mPa·s，老化后的常温常压滤失量FL_API为2.0mL、高温高压滤失量FL_HTHP为11mL，表明其流变性能好、滤失量易控制。

实施例12：

用实施例1中制备的超高密度钻井液用分散剂为组分之一配制了密度为2.86g/cm³的钻井液，其组分配比为以水为100重量份计如下：

按上述组分配比，配制钠膨润土浆，静置老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19A、抗盐降滤失剂SML-4、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠，搅拌至溶解均匀，搅拌下加入重晶石粉，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能见表5。

表5

注：“-”表示用六速粘度计测不出数值。

从上表中实验数据可见，用实施例1制备的超高密度钻井液分散剂SMS-19A为分散剂配制的密度为2.86g/cm³的钻井液在经过120℃/16h老化后，在六速粘度计上600转读数不能读出，300转读数为248，表明体系的流动性较好，老化后的常温常压滤失量FL_API为1.2mL、高温高压滤失量FL_HTHP为9mL，滤失量易控制。

实施例13：

用实施例1中制备的超高密度钻井液用分散剂为组分之一配制了密度为3.0g/cm³的钻井液，其组分配比为以水为100重量份计如下：

按上述组分配比，配制钠膨润土浆，老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19A、降滤失剂SML-4、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠。搅拌至溶解均匀，高搅下加入重晶石，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能见表6。

表6

注：“-”表示用六速粘度计测不出数值。

从上表中实验数据可见，用实施例1制备的超高密度钻井液分散剂SMS-19A为分散剂配制的密度为3.0g/cm³的钻井液在经过120℃/16h老化后的漏斗粘度FV为279s，流变性尚好，老化后的常温常压滤失量FL_API为0.7mL、高温高压滤失量FL_HTHP为7mL，滤失量很低，能够应用于超深井或高压地层的压井作业及钻进施工。

实施例14：

用实施例2中制备的超高密度钻井液用分散剂为组分之一配制了密度为2.75g/cm³的钻井液，其组分配比及测试过程与实施例8相同。超高密度钻井液性能见表7。

表7

实施例15：

用实施例3中制备的超高密度钻井液用分散剂为组分之一配制了密度为2.75g/cm³的钻井液，其组分配比及测试过程与实施例8相同。超高密度钻井液性能见表8。

表8

实施例16：

用实施例5中制备的超高密度钻井液用分散剂为组分之一配制了密度为2.75g/cm³的钻井液，其组分配比及测试过程与实施例8相同。超高密度钻井液性能见表9。

表9

Claims (5)

1.一种超高密度钻井液用分散剂，其特征在于由包括以下组分的原料反应而得：

所述的木质素为木本木质素和/或草本木质素；

所述的酚类是苯酚、对甲酚、间甲酚中的一种或两种；

所述的磺化剂是亚硫酸钠、亚硫酸氢钠或硫酸中的一种；

所述的调聚剂为甲醛或乙醛；

所述的催化剂为对甲苯磺酸，阳离子交换树脂中的一种或组合；

所述分散剂是由以下方法制备的：所述组分混合均匀，在160～180℃下反应6～10h后制得。

2.如权利要求1所述的超高密度钻井液用分散剂，其特征在于：

所述的磺化剂为亚硫酸钠或亚硫酸氢钠。

3.如权利要求1所述的超高密度钻井液用分散剂，其特征在于：

以水为100重量份计，

4.一种如权利要求1～3之一所述的超高密度钻井液用分散剂的制备方法，包括：

所述组分混合均匀，在160～180℃下反应6～10h后制得所述超高密度钻井液用分散剂。

5.一种如权利要求1～3之一所述的超高密度钻井液用分散剂在钻井中的应用，其特征在于：

以钻井液中的水为100重量份计，所述超高密度钻井液用分散剂的用量为2～15重量份数。