CN103045186B - 一种钻井液用速散沥青粉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水基钻井液用沥青类封堵防塌剂，具体而言是一种快速分散沥青粉，其组成成分为沥青组分，油溶性树脂，改性剂和隔离剂，还提供其制备方法。根据本发明得到的样品沥青组分含量高，水分散稳定性良好，改善泥饼质量，有效抑制页岩水化膨胀，防止井壁坍塌，且具有软化点及适用温度可调控的特点。并且其生产工艺简单，生产效率高，对设备和环境条件要求低，可操作性强，产品性能稳定，无废料和粉尘产生。

Description

一种钻井液用速散沥青粉及其制备方法

技术领域

本发明涉及水基钻井液中使用的沥青类封堵防塌剂，尤其涉及一种钻井液用快速分散（速散）沥青粉类的防塌剂及其制备方法。

背景技术

井壁失稳是制约钻井工程顺利进行的三大技术难题之一，关乎于安全、成本及时间问题，主要原因在于地层的力学不稳定性和易水化膨胀性。钻井液用防塌剂，亦称页岩抑制剂，能有效地抑制页岩水化膨胀和分散，填充井壁裂缝，起到稳定井壁的作用。

目前，防塌剂中沥青类材料一直占据着主导地位，但沥青类产品在一定温度压力下会出现粘接问题，导致运输，加工和使用受限，因此专家们在沥青产品制粉方面进行了大量研究工作，例如日本专利JP6057149和JP56103280，中国专利CN1667088和苏联专利SU1030340A1都有明确提及沥青制粉的专有技术。1980年代初开始对不同的沥青加以改性，试图通过沥青改性以达到水分散特性，主要的改性方法有以下四种：

①对沥青进行表面改性，例如中国专利CN101108963和美国专利US Pat.5114598，改性剂多以非离子表面活性剂为主，但此种方法改性不充分，会出现严重的糊网现象，导致有效成分降低；

②对沥青进行磺化反应，其主要成分为沥青磺酸钠盐，是沥青在一定的温度条件下经过磺化、中和而制得产品，例如中国专利CN1239133、CN101906311和CN102276992，磺化剂有硫酸，三氧化硫，硫酸钠盐，和发烟硫酸等，产品可分为膏状和干粉状，封堵防塌性能优异，且具有一定润滑性，在各大油田已得到了广泛应用。但其生产工艺复杂，稳定性差，对作业人员的身体损害大，导致沥青软化特性消失，且污染环境；

③将沥青制备成乳化沥青，以沥青为分散相即内相，水为连续相即外相，从而使沥青可以充分乳化分散于水中，通过添加不同的乳化剂而形成稳定的乳化液。根据乳化剂的不同可将乳化沥青分为阴离子、阳离子、非离子乳化沥青，例如中国专利CN1715333、CN101139465、CN1439693和CN1441032。与传统磺化工艺生产的沥青类防塌降滤失剂相比，具有沥青含量高、显正电性、易分散于水基钻井液体系中的特点，适用的井温范围较广，近几年来乳化沥青在克拉玛依油田、塔里木油田等得到了广泛应用，获得了满意的效果。但成本昂贵，工艺繁琐，能耗较高，产品稳定性差，运输受限。

④复合沥青粉，在沥青改性为亲水性物质后，根据实际需要添加其他隔离剂，降低沥青粘接问题的同时提高其他方面的性能，增加了产品的综合性能，且生产工艺简单，例如中国专利CN200510200458、CN200610106677、CN201010175555和美国专利US Pat.2003213407A1，但同时降低了沥青的实际含量，油溶率降低，产品用量增大，无法实现低软化点沥青产品的开发。

天然沥青是一种在国内外广泛使用的封堵防塌剂，以分子量高达一万的沥青质为主要组成成分，每个沥青质大分子中都含有极性官能团，使其在岩石表面能产生强吸附力，且耐酸碱、耐高温、化学性能稳定。

聚合物改性氧化沥青（PMA）是一种使用有机物改性的沥青质材料，其油溶率略低于天然沥青，但其封堵防塌性能要优于天然沥青，其粘接性亦优于天然沥青。

油溶性树脂（PR）是一种油溶率高达100%的油气层保护剂，同时可以作为沥青成分中的隔离剂。

水溶性硅油（OSO-w）是水溶性的硅油，其不同于常用的乳化硅油，可改善沥青组分的水分散稳定性，提高样品在钻井液中分散的速度。

发明内容

针对现有研究和实际应用中存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种水基钻井液用沥青类封堵防塌剂，具体而言是一种快速分散沥青粉，还提供其制备方法。根据本发明得到的速散沥青粉中，沥青组分含量高，水分散稳定性良好，改善泥饼质量，有效抑制页岩水化膨胀，防止井壁坍塌，且具有软化点及适用温度可调控的特点。并且其生产工艺简单，生产效率高，对设备和环境条件要求低，可操作性强，产品性能稳定，无废料和粉尘产生。

因此，根据本发明第一方面，提供一种速散沥青粉，其组成成分为：沥青，油溶性树脂，改性剂和隔离剂，各组分的重量配比为：

沥青：30～65份，优选40～65份，更优选50～65份，

油溶性树脂：10～25份，优选12～25份，更优选15～25份，

改性剂：2～10份，优选3～9份，更优选5～8份，

隔离剂：0～58份，优选1～45份，更优选2～30份，

其中，所述改性剂包含：

①阳离子表面活性剂，其作用是使沥青组分成为亲水性材料，用于水基钻井液；

②水溶性硅油（OSO-w），其作用是稳定沥青组分的水分散性，提高样品在钻井液中分散的速度。

本发明所述的速散沥青粉是一种沥青组分含量高于40%的快速分散沥青粉产品。

根据本发明，在改性剂中，阳离子表面活性剂与水溶性硅油的重量比例为：1～5：1～10，优选1～3：1～7，更优选1～2：1～5。

本发明中所述的阳离子表面活性剂类型的改性剂为Span系列表面活性剂、Tween系列表面活性剂、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的一种或几种以任意比例形成的混合物。所述Span系列表面活性剂优选为Span20、Span40、Span60或Span80，所述Tween系列表面活性剂优选为Tween20、Tween40、Tween60或Tween80。可以使用其中的任一种，或者两者以上的任何混合物。所述水溶性硅油，例如可以是北京优美特纳米材料有限公司生产的水溶性硅油OSO-w。

根据本发明，在优选的实施方式中，改性剂包含1～3重量份阳离子表面活性剂，如Span系列表面活性剂、Tween系列表面活性剂、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)中的一种或几种，以及1～7份水溶性硅油（OSO-w）。

根据本发明，所述沥青组分为天然沥青、聚合物改性氧化沥青（PMA）和氧化沥青中一种或几种任意比例形成的混合物。

根据本发明，所述油溶性树脂，是指油溶率达到90%以上的油溶性树脂，例如山东齐邦树脂有限公司生产的C5石油树脂，C9石油树脂，古马隆树脂，松香树脂等皆可选用，也可是上述几种任意比例形成的混合物，但是以石油树脂（PRC5或PRC9）较为理想。

本发明所述的隔离剂优选为纤维素接枝淀粉（EPPS）、聚丙烯腈铵盐（NH₄PAN）、聚（丙烯腈-丙烯酰胺）铵盐（双聚铵盐）（HMP-21）、褐煤树脂（SPNH）、磺化褐煤（SMC）、磺化酚醛树脂（SMP）、沥青纤维、羧甲基纤维素钠盐（CMC）中的一种或其中两种或多种任意比例形成的混合物。

根据本发明第二方面，提供一种制备上述速散沥青粉的方法，所述速散沥青粉包含以下重量配比的组分：

沥青：30～65份，优选40～65份，更优选50～65份，

油溶性树脂：10～25份，优选12～25份，更优选15～25份，

改性剂：2～10份，优选3～9份，更优选5～8份，

隔离剂：0～58份，优选1～45份，更优选2～30份，

该方法包括以下步骤：

(1)称取上述配比的沥青组分和油溶性树脂进行初步混合，翻搅过程中在其表面喷洒上述配比的改性剂；

(2)将初步改性的沥青组分和油溶性树脂组分进行粉碎，粉碎样品目数为40～200目；

(3)粉碎出料后，使其进入干混机，并加入上述配比的隔离剂，启动干混机进行干混，优选干混20～120min，优选30～60min，然后出料，任选将其装袋保存。

根据本发明，步骤(1)的初步混合可以在平面上或容器内进行，优选置地混合。

根据本发明，步骤(2)的粉碎优选在鼓风粉碎机中进行，为此将步骤(1)初步改性的沥青组分和油溶性树脂转入鼓风粉碎机中进行粉碎。

本发明步骤(3)中，优选通过抽泵将粉碎出料送入干混机。

通过本发明方法制得的速散沥青粉可以用作钻井液用的封堵防塌剂，特别是用作水基钻井液用的封堵防塌剂。

本发明所制得的封堵防塌剂沥青组分含量高(50%～65%)，水分散稳定性良好，封堵性能优异，具有较高油溶率(50%～70%)和降失水率(75%～85%)，是一种速散沥青粉防塌剂，且具有软化点及适用温度可调控的特点，适用深度可达到7000～8000米。

而且，其具有高温下软化变形及吸附于井壁表面的特点，改善泥饼质量，有效抑制页岩水化膨胀，可以充分封堵井壁微裂缝、解理面，从而达到稳定井壁，防止井壁坍塌并降低钻井液及滤液渗透到地层的可能性，通过表面改性及添加固体粉末状隔离剂的生产工艺提高沥青材料在水基钻井液中的水分散稳定性及抗粘接性。

另外，本发明的制备方法生产工艺简单，生产效率高，对设备和环境条件要求低，可操作性强，产品性能稳定，无废料和粉尘产生。

附图说明

图1为本发明速散沥青粉的制备工艺流程示意图。

具体实施方式

以下通过实施例来进一步解释或说明本发明内容。但所提供的实施例不应被理解为对本发明保护范围构成限制。

性能评价

1、样品外观评价：

在常温下目测样品。

2、细度评价：

称取试样50g（称准至0.01g），放在30目标准筛中，迅速震动标准筛直至试样不再漏下为止。称量筛余物质量，按公式（1）计算细度。

$S=\frac{m_1}{m}\×100\%$

式中：

S——细度，％；

m₁——筛余物质量，g；

m——称取试样质量，g。

3、水分散速度评价：

使用100量筒量取100mL蒸馏水，称取1.0g样品迅速倒入量筒中（样品避免占到量筒壁上），同时开始计时，观察样品全部浸入蒸馏水中所使用的时间。

4、油溶率评价：

（1）取0.2～0.3g脱脂棉、一张擦镜纸和一段合适的线放在称量瓶中，在105±3℃下烘干至恒重，备用。

（2）把恒重过的擦镜纸对折，平铺在干净的称量纸上，再把脱脂棉均匀平铺在擦镜纸中部。称取研细并过筛孔边长为0.28mm标准筛的试样0.5g（精确至0.1mg），倒在脱脂棉中心。

（3）先用脱脂棉把试样包严，再用擦镜纸把棉花包卷严，最后用线把试样包缠好。注意：包样过程中不能有试样外漏，包好的试样包应不能明显看见样品。将试样包放入抽提器内的样品杯中，样品杯挂在抽提器内微型冷凝管下方。

（4）往抽提器中注入250mL～300mL四氯化碳。将抽提器放入电热套内加热并保持沸腾状态，待流出液无色为止。取出样品杯，将纸卷置于干燥箱中，在105±3℃下干燥2h，取出放入干燥器中，冷却30min后称量。

（5）按公式计算油溶率：

$W_O=\frac{m_8-m_9}{m_7}\×100$

式中：

W_O——油溶率，％；

m₇——试样质量，g；

m₈——脱脂棉、擦镜头纸及试样质量，g；

m₉——脱脂棉、擦镜头纸及残留物质量，g。

5、软化点评价：

将试样在280±10℃下灼烧30min后按GB/T4507-84（环球法）进行软化点测定。

6、封堵性能评价：

（1）钻井液基浆的配制：取自来水1000mL，在搅拌下加入缓缓加入钻井液试验用钠土50g，高速搅拌60min，在搅拌过程中停下两次以刮下粘附在容器壁上的粘土，然后将此基浆在室温密闭下养护24h。基浆性能要求：API滤失量为25mL±5mL，HTHP（120℃）滤失量为110mL±10mL。如基浆的性能达不到要求可按比例调整钠土的加量。

（2）API滤失量的测定：取基浆400mL两份，边搅拌边缓慢加入20.00g样品，高速搅拌20min，室温密闭下养护24h，高速搅拌5min后测定API滤失量。

（3）HTHP120℃滤失量的测定：取基浆400mL两份，边搅拌边缓慢加入20.00g样品，高速搅拌20min，室温密闭下养护24h，高速搅拌5min后测定HTHP（120℃、3.5MPa）滤失量。

7、起泡率评价：

（1）基浆配制：在1000mL蒸馏水中加入缓慢40.00g膨润土，高速搅拌20min，在室温下密闭养护24h。

（2）取上述基浆300mL，加入3.00g样品，高速搅拌5min，取下开始计时立即倒入500mL量筒中，静止至10s读出体积。

（3）结果按公式（5）计算

$X=\frac{V-300}{300}\×100\%---\left(5\right)$

式中：

X——起泡率，％；

V——加样浆高速搅拌后的体积，mL。

实施例1

（1）称取100kg天然沥青1#，50kg聚合物改性氧化沥青（PMA）和50kg油溶性树脂（PRC9），置于地面进行初步混合；翻搅的过程中在物料表面喷洒6kg工业级十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）及12kg水溶性硅油（OSO-w），进行初步表面改性；

（2）将步骤（1）所得物料转入鼓风粉碎机进行粉碎；

（3）粉碎出料后，通过抽泵将其送入干混机中，在干混机中加入隔离剂，所述隔离剂包括15kg双聚铵盐（HMP-21）和25kg纤维素改性淀粉（EPPS），进行干混30min，检验合格后出料装袋，得到实例1。

将实例1按照以上钻井液处理剂评价标准1～7进行检验，检测数据见表1。

表1实例1质量检测结果

实施例2

（1）称取100kg天然沥青2#，100kg聚合物改性氧化沥青（PMA）和50kg油溶性树脂（PRC9），置于开口搅拌槽中进行初步混合；翻搅的过程中在物料表面喷洒6kg非离子表面活性剂Span80及8kg非离子表面活性剂Tween80，进行初步表面改性；

（2）将步骤（1）所得物料转入鼓风粉碎机进行粉碎；

（4）粉碎出料后，通过抽泵将其送入干混机中，在干混机中加入隔离剂，包括12.5kg褐煤树脂（SPNH）和37.5kg聚丙烯腈铵盐（NH4PAN），进行干混50min，检验合格后出料装袋，得到实例2。

将实例2按照以上钻井液处理剂评价标准1～7进行检验，检测数据见表2。

表2实例2质量检测结果

实施例3

（1）称取50kg天然沥青1#，100kg聚合物改性氧化沥青（PMA）和80kg油溶性树脂（PRC5），置于地面进行初步混合；翻搅的过程中在物料表面喷洒2.3kg工业级液体CTAB及12kg水溶性硅油（OSO-w），进行初步表面改性；

（2）将步骤（1）所得物料转入鼓风粉碎机进行粉碎；

（3）粉碎出料后，通过抽泵进入干混机中，在干混机中加入隔离剂，包括8kg褐煤树脂（SPNH）和15kg纤维素改性淀粉（EPPS），干混30min，检验合格后出料装袋，得到实例3。

将实例3按照以上钻井液处理剂评价标准1～7进行检验，检测数据见表3。

表3实例3质量检测结果

实施例4

（1）称取200kg天然沥青1#，100kg聚合物改性氧化沥青（PMA）和50kg油溶性树脂（PRC5），置于地面进行初步混合；翻搅的过程中在物料表面喷洒10.5kg工业级十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）及24.5kg水溶性硅油（OSO-W），进行初步表面改性；

（2）将步骤（1）所得物料转入鼓风粉碎机进行粉碎；

（3）粉碎出料后，通过抽提泵进入干混机中，在干混机中加入隔离剂，包括26.5kg纤维素改性淀粉（EPPS）和43.5kg双聚铵盐（HMP-21），干混30min，检验合格后出料装袋，得到实例4。

将实例4按照以上钻井液处理剂评价标准1～7进行检验，检测数据见表4。

表4实例4质量检测结果

根据上述的实施例对本发明作了详细描述。需说明的是，以上的实施例仅仅为了举例说明本发明而已。在不偏离本发明的精神和实质的前提下，本领域技术人员可以设计出本发明的多种替换方案和改进方案，其均应被理解为在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种快速分散沥青粉，其组成成分为沥青组分，油溶性树脂，改性剂和隔离剂，其特征在于，各组成成分的重量配比为：

沥青：40～65份，

油溶性树脂：12～25份，

改性剂：3～9份，

隔离剂：1～45份，

其中，所述改性剂包含：

①阳离子表面活性剂，和

②水溶性硅油，

其中，阳离子表面活性剂与水溶性硅油的重量比例为：1～3：1～7；

所述隔离剂选自纤维素接枝淀粉、聚丙烯腈铵盐NH₄PAN、聚(丙烯腈-丙烯酰胺)铵盐、褐煤树脂、磺化褐煤、磺化酚醛树脂、沥青纤维、羧甲基纤维素钠盐中的一种或其中两种或多种任意比例形成的混合物，

所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或几种以任意比例形成的混合物，

所述沥青组分为天然沥青、聚合物改性氧化沥青和氧化沥青中一种或几种任意比例形成的混合物，所述油溶性树脂的油溶率达到90％以上。

2.根据权利要求1的快速分散沥青粉，其特征在于，各组成成分的重量配比为：

沥青：50～65份，

油溶性树脂：15～25份，

改性剂：5～8份，

隔离剂：2～30份；

其中，表面活性剂与水溶性硅油的重量比例为1～2：1～5。

3.一种制备根据权利要求1的快速分散沥青粉的方法，所述快速分散沥青粉包含以下重量配比的组分：

沥青粉：40～65份，

油溶性树脂：12～25份，

改性剂：3～9份，

隔离剂：1～45份，

所述隔离剂选自纤维素接枝淀粉、聚丙烯腈铵盐NH₄PAN、聚(丙烯腈-丙烯酰胺)铵盐、褐煤树脂、磺化褐煤、磺化酚醛树脂、沥青纤维、羧甲基纤维素钠盐中的一种或其中两种或多种任意比例形成的混合物，

包括以下步骤：

(1)称取上述配比的沥青组分和油溶性树脂进行初步混合，翻搅过程中在其表面喷洒上述配比的改性剂；

(2)将初步改性的沥青组分和油溶性树脂组分进行粉碎，粉碎样品目数为40～200目；

(3)粉碎出料后，使其进入干混机，并加入上述配比的隔离剂，启动干混机进行干混20min～2小时，然后出料，任选将其装袋保存。

4.根据权利要求3的制备方法，其特征在于，所述快速分散沥青粉包含以下重量配比的组分：

沥青粉：50～65份，

油溶性树脂：15～25份，

改性剂：5～8份，

隔离剂：2～30份，

其中，步骤(3)中，干混30min～1小时。

5.根据权利要求3的制备方法，其中

步骤(1)的初步混合在平面上或容器内进行。

6.根据权利要求3的制备方法，其中

步骤(2)的粉碎在鼓风粉碎机中进行。

7.根据权利要求3的制备方法，其中

步骤(3)中，通过抽提泵将粉碎出料送入干混机。

8.根据权利要求1至2之一的快速分散沥青粉或者根据权利要求3至7之一的方法制得的快速分散沥青粉用作水基钻井液用的封堵防塌剂的用途，其中，沥青组分含量为50％～65％，油溶率为50％～70％，并且降失水率为75％～85％。