CN103102874A - 一种钻井液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井液及其制备方法，钻井液包括基浆和添加剂，添加剂包括高软化点沥青组合物颗粒、性能调节剂、稳定分散剂和稳定分散助剂，其中高软化点沥青组合物颗粒加入量占钻井液总质量的2%~5%；高软化点沥青组合物颗粒的平均粒径为10～120mm。制备方法包括如下内容：（1）制备高软化点沥青组合物颗粒；（2）将高软化点沥青组合物颗粒加入到钻井液中，并加入适当的性能调节剂、表面活性剂以及成膜助剂等添加剂，使高软化点沥青颗粒均匀、稳定地分散到钻井液中。本发明解决了高软化点沥青难于粉碎成细小颗粒以及难于在水基钻井液中稳定分散的问题，可以广泛用于深层油气钻井作业过程中。

Description

一种钻井液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钻井液及其制备方法，特别是含有高软化点沥青组合物钻井液，属于石油钻井开采技术领域。

背景技术

沥青类产品在油气钻井过程中有着广泛的用途，可以作为钻井液（俗称泥浆）的重要组成部分。是国内外现代钻井工程不可缺少的重要剂种之一，具有良好的防塌、润滑、降低滤失和高温稳定等综合效能。随着石油勘探与开发的发展，钻井深度不断加深，钻遇地层愈来愈复杂，定向井、水平井等特殊工艺井的数量逐渐增多。这使钻井工程对钻井液用沥青类产品及其体系提出了更高的要求。一般软化点沥青会因为过度软化甚至流淌而无法满足深井下的高温作业要求。开发出高温性能好、有良好封堵性和降滤失性的高软化点沥青，以满足油田钻井工程的需要，具有十分重要的意义。

高软化点沥青是指软化点在100℃以上，尤其是在120℃以上的沥青。高软化点沥青因其出色的抗高温能力而有着比较广泛的应用。高软化点沥青可以用于深层油气田的钻井作业中，作为钻井液的重要组成部分，可以在高温条件下起到封堵、防塌，稳定井壁，降低滤失量的作用。

为了提高钻井液用沥青类产品的使用性能，国内外先后公开了很多方法对沥青进行改性。其中最主要的方法就对沥青进行磺化。如US3485745、CN99109453、CN201010250241等。这种方法虽然能够增加产品的水溶性，但是油溶率较低。沥青经磺化后主要生成了磺酸盐，产品的软化点几乎测不出来，只能在较低的温度条件下使用。而且其颗粒没有弹性、变形能力差，不能任意嵌入井内的孔道，特别是不规则形孔道，不能很好地起到封堵和降滤失的作用。同时，这种工艺较复杂，对环境容易造成污染。CN99123211公开了一种采用表面部分磺化的方法生产油井堵水剂的方法，这种方法的优点是提高了产品的油溶物含量（可达60%），从而提高了产品中可变形颗粒的含量。缺点是产品的软化点只有100℃左右，无法在深井和超深井中使用。

钻井液以其连续相分为油基钻井液和水基钻井液。高软化点石油沥青主要以油溶性为主，所以在油基钻井液中分散性好，应用不成问题。但是在水基钻井液中，由于其水溶性很小，存在分散困难、不易稳定的问题。这也是制约高软化点沥青在水基钻井液中广泛应用的一个主要因素。

高软化点沥青在钻井液中使用时，要求以极小的颗粒分散到泥浆体系中，这样既可以保证沥青分散均匀，又可以避免聚结成大的块状物堵塞振动筛而造成无法使用等问题的发生。通常情况下，沥青颗粒的粒径要求在120μm以下，甚至100μm以下方具有良好的使用效果。

然而，将沥青粉碎成小的颗粒是十分困难的。即使能够得到细小的沥青颗粒，要想在水基钻井液中稳定分散也是很不容易的。如果不能稳定分散就无法在井下起到封堵和降滤失的作用。为了解决以上问题，通常要加入大量的乳化剂，如CN200610048319、CN200510200450等，这样做虽然可以解决分散问题，但是如果加入的乳化剂表面活性差，不能起到很好的效果；表面活性强会造成气泡严重而无法继续使用的问题。一般多采用加入消泡剂的方法，但随着气泡的减少或消失，沥青颗粒又会重新聚沉，破坏钻井液体系的稳定。

发明内容

针对现有技术在高软化点沥青颗粒应用于水基钻井液过程中存在难于稳定分散，分散后容易重新粘结等问题，本发明提供一种通过将高软化点沥青组合物颗粒加入到水基钻井液中，并加入适当的性能调节剂、表面活性剂以及成膜助剂等添加剂，使高软化点沥青颗粒均匀、稳定地分散到钻井液中。本发明解决了高软化点沥青颗粒难于在水基钻井液中稳定分散的问题。

本发明钻井液包括基浆和添加剂，添加剂包括高软化点沥青组合物颗粒、性能调节剂、稳定分散剂和稳定分散助剂，其中高软化点沥青组合物颗粒加入量占钻井液总质量的2%~5%；高软化点沥青组合物颗粒按质量百分比计，包括下列组分：（1）基础沥青：70%～94.5%；（2）固体分散剂：5%～29.5%；（3）包被剂：0.1%～5%；沥青组合物颗粒的平均粒径为10～120μm，优选为30～100μm。

其中的性能调节剂为磺化褐煤、磺化酚醛树脂中的一种或几种，用量为沥青组合物颗粒质量的10%~20%。磺化褐煤和磺化酚醛树脂可以使用市售商品，也可以按本领域常规方法制备。

其中的稳定分散剂为十八烷基三甲基氯化铵或十二烷基硫酸钠等表面活性剂，用量为钻井液总质量的0.05%~0.5%；稳定分散助剂包括成膜助剂醇酯-12、三丙二醇单丁醚等，稳定分散助剂用量占沥青组合物颗粒总质量的1%~10%。

其中，沥青组合物颗粒中，基础沥青的软化点为120℃以上，优选150℃以上，一般为120～220℃，优选为150～190℃。基础沥青可以为氧化沥青和/或溶剂脱油沥青，优选为氧化沥青和溶剂脱油沥青的混合物，其中氧化沥青占基础沥青质量的30%～70%，溶剂脱油沥青占基础沥青质量的70%～30%。基础沥青在沥青组合物中的质量百分含量优选为75%～89%。沥青组合物颗粒中，固体分散剂为石墨、蒙脱土和膨润土中的一种或几种。加入量优选占沥青组合物总质量的10%～20%。固体分散剂为粉末状态。沥青组合物颗粒中，包被剂为水溶性树脂、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的一种或几种。水溶性树脂如：水溶性丙烯酸树脂、水溶性醇酸树脂、水溶性聚酯树脂等。

本发明钻井液中，其中的基浆是本领域常规的钻井液基浆，优选为水基基浆，水基基浆组成一般为：水中加入无水碳酸钠，再加入钙膨润土，高速搅拌并养护一定时间后得到，基浆的具体组成可以由本领域技术人员按使用的需要具体确定，是本领域技术人员所熟知的。

本发明钻井液制备方法包括如下过程：

（1）制备高软化点沥青组合物颗粒；

（2）高软化点沥青组合物颗粒置于配制好的钻井液基浆中，加入性能调节剂进行剪切混合均匀，然后加入稳定分散剂，继续剪切混合，待充分起泡后加入稳定分散助剂，剪切混合均匀，得到沥青颗粒稳定分散的钻井液。

上述制备步骤（1）中，高软化点沥青组合物颗粒的制备过程如下：选择基础沥青原料（通常为块状），将基础沥青原料与固体分散剂加入到粉碎设备中进行预混合分散，然后置于低温环境至物料脆化，温度为0～-60℃，优选为-10～-30℃，时间为2～48小时，优选为2～10小时；低温脆化后物料在粉碎设备中进行粉碎，然后加入包被剂，混合均匀，即制备出高软化点沥青组合物颗粒。粉碎设备可以是高速剪切粉碎机、胶体磨或者是颚式破碎机。加入包被剂后的混合过程也在粉碎设备中进行。也可以采用适宜的设备，在粉碎过程中进行降温操作。预混合分散时进料为常温，预混合分散时间为1～10s，低温脆化后物料的粉碎时间为10～40 s，加入包被剂后的混合时间为1～10s。

上述制备步骤（2）中，高软化点沥青组合物颗粒置于配制好的钻井液基浆中，加入性能调节剂进行高速剪切10~20分钟，然后加入稳定分散剂，继续剪切5~10分钟，待充分起泡后加入适量稳定分散助剂，剪切2~5分钟，得到沥青颗粒稳定分散的钻井液。

本发明得到的高软化点沥青颗粒，其颗粒平均粒径≤100μm。将本发明所得高软化点沥青钻井液，进行体系粘度、中压滤失量、高温高压滤失量等性能测试，试验结果表明其提粘作用和降滤失性有明显提高。

本发明方法中，首先选择合适软化点的沥青原料采用预分散、冷冻粉碎、后处理等步骤得到高软化点沥青组合物颗粒，根据不同要求，可以通过改变工艺条件，来调整沥青颗粒大小。

将制备好的适宜大小的高软化点沥青组合物颗粒加入到钻井泥浆中剪切搅拌，进行初步分散，同时加入一定量的性能调节剂。性能调节剂主要选择磺化褐煤、磺化酚醛树脂类的物质，这些物质都属于水溶性的，加入后不仅可以增加体系的水溶物含量，还可以一定程度上改变体系的流变学性质，更有利于沥青颗粒的分散。但是这种分散是不稳定的，如果搅拌停止，沥青颗粒又会逐渐分离出来。

为了解决这些问题，必须加入表面活性剂。但是表面活性弱的表面活性剂作用不明显。本发明采用表面活性强，且耐高温的十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基硫酸钠等表面活性剂，很好地解决了分散问题。但是活性强的表面活性剂加入后，随着搅拌的进行，起泡严重，甚至到了无法进行下一步测试的程度。为此，加入了醇酯-12、三丙二醇单丁醚等物质，即消除了气泡，又不破坏体系的稳定。另外，此类物质又是一种成膜助剂，可以促进成膜，能够更好地起到封堵和降滤失的作用。而普通的消泡剂在消除气泡的同时，沥青颗粒又会重新聚沉下来，破坏体系稳定。

综上所述，通过性能调节剂、稳定分散助剂等各种添加剂的协同作用，可以使高软化点沥青颗粒稳定分散在水基钻井液中，从而可以起到很好的提粘、封堵和降低滤失量的作用。

具体实施方式

下面将通过实施例对本发明进行进一步说明，但并不因此而限制本发明，其中的百分含量为质量百分含量。

实施例1

将软化点为154.0℃的氧化沥青，占基础沥青的35%，和软化点为155.2℃的溶脱沥青，占基础沥青的65%，与占总物料16%的石墨和占总物料4%的膨润土，加入到高速粉碎机中，混合时间5s，放入冰柜中冷冻温度-25℃，冷冻8小时，粉碎时间25s，加入占物料总量1.2%的水溶性丙烯酸树脂，再混合4s，得到高软化点沥青组合物颗粒，其平均粒径为80 μm。

按钻井液总质量的2%将高软化点沥青组合物颗粒置于400ml配制好的钻井液基浆（基浆主要组成为：每1000mL水中加入2.75g无水碳酸钠，再加入60g钙膨润土，高速搅拌20min于室温下养护24h，得6%淡水基浆。下同）中，加入占沥青质量12%的磺化褐煤，高速剪切10分钟，然后加入占钻井液总质量0.05%的十八烷基三甲基氯化铵，继续剪切5分钟，待充分起泡后加入占沥青组合物颗粒质量2%的醇酯-12，剪切2分钟，得到沥青颗粒稳定分散的钻井液。

对比例1

按实施例1的过程和条件，将软化点为154.0℃的氧化沥青，占基础沥青的35%，和软化点为155.2℃的溶脱沥青，占基础沥青的65%，与占总物料16%的石墨和占总物料4%的膨润土，加入到高速粉碎机中，混合时间5s，放入冰柜中冷冻温度-25℃，冷冻8小时，粉碎时间25s，加入占物料总量1.2%的水溶性丙烯酸树脂，再混合4s，得到高软化点沥青组合物颗粒。

按钻井液总质量的2%将高软化点沥青组合物颗粒置于400ml配制好的钻井液基浆中，高速剪切10分钟，然后加入占泥浆质量0.05%的十八烷基三甲基氯化铵，继续剪切5分钟，待充分起泡后加入占沥青组合物颗粒质量2%的醇酯-12，剪切2分钟，得到钻井液。

实施例2

将软化点为168.4℃的氧化沥青，占基础沥青的55%，和软化点为165.9℃的溶脱沥青，占基础沥青的45%，与占总物料12%的石墨和占总物料6%的蒙脱土，加入到高速粉碎机中，混合时间5s，放入冰柜中冷冻温度-30℃，冷冻6小时，粉碎时间20s，加入占物料总量1.0%的聚乙烯吡咯烷酮，再混合5s，得到高软化点沥青组合物颗粒，其平均粒径为62 μm。

按钻井液总质量的3%将高软化点沥青组合物颗粒置于400ml配制好的钻井液基浆中，加入占沥青质量16%的磺化酚醛树脂，高速剪切15分钟，然后加入占钻井液质量0.1%的十二烷基硫酸钠，继续剪切5分钟，待充分起泡后加入占沥青组合物颗粒质量4%的三丙二醇单丁醚，剪切4分钟，得到沥青颗粒稳定分散的钻井液。

对比例2

按实施例2的过程和条件，将软化点为168.4℃的氧化沥青，占基础沥青的55%，和软化点为165.9℃的溶脱沥青，占基础沥青的45%，与占总物料12%的石墨和占总物料6%的蒙脱土，加入到高速粉碎机中，混合时间5s，放入冰柜中冷冻温度-30℃，冷冻6小时，粉碎时间20s，加入占物料总量1.0%的聚乙烯吡咯烷酮，再混合5s，得到高软化点沥青组合物颗粒。

按钻井液总质量的3%将高软化点沥青组合物颗粒置于400ml配制好的钻井液基浆中，加入占沥青质量16%的磺化酚醛树脂，高速剪切15分钟，然后加入占沥青质量4%的三丙二醇单丁醚，剪切4分钟，得到钻井液。

实施例3

将软化点为181.6℃的氧化沥青，占基础沥青的70%，和软化点为180.2℃的溶脱沥青，占基础沥青的30%，与占总物料12%的石墨、占总物料4%的蒙脱土和占总物料4%的膨润土，加入到小型高速粉碎机中，混合时间5s，放入冰柜中冷冻温度-20℃，冷冻9小时，粉碎时间30s，加入占物料总料1.5%的水溶性醇酸树脂，再混合5s，得到高软化点沥青组合物颗粒，其平均粒径为106 μm。

按钻井液总质量的2.5%将高软化点沥青组合物颗粒置于400ml配制好的钻井液基浆中，加入占沥青组合物颗粒质量16%的磺化酚醛树脂，高速剪切10分钟，然后加入占钻井液质量0.2%的十二烷基硫酸钠，继续剪切5分钟，待充分起泡后加入占沥青质量2.5%的醇酯-12，剪切4分钟，得到沥青颗粒稳定分散的钻井液。

对比例3

按实施例3的过程和条件，将软化点为181.6℃的氧化沥青，占基础沥青的70%，和软化点为180.2℃的溶脱沥青，占基础沥青的30%，与占总物料12%的石墨、占总物料4%的蒙脱土和占总物料4%的膨润土，加入到小型高速粉碎机中，混合时间5s，放入冰柜中冷冻温度-20℃，冷冻9小时，粉碎时间30s，加入占物料总料1.5%的水溶性醇酸树脂，再混合5s，得到高软化点沥青组合物颗粒。

按钻井液总质量的2.5%将高软化点沥青组合物颗粒置于400ml配制好的钻井液基浆中，加入占沥青组合物颗粒质量16%的磺化酚醛树脂，高速剪切10分钟，然后加入占钻井液质量0.2%的十二烷基硫酸钠，继续剪切10分钟，得到钻井液。

表1  实施例1和比较例1中钻井液的性质。

	实施例1基浆	实施例1钻井液	对比例1钻井液
				AV/  mpa.s	8.7	15.2	11.3
PV/  mpa.s	5.4	10.7	6.9
				中压滤失/ml	37.2	20.5	30.4
高温高压滤失/ml	78.6	27.5	53.2
				陈化后	稳定分散	稳定分散	稳定分散

表2  实施例2和比较例2中钻井液的性质。

	实施例2基浆	实施例2钻井液	比较例2钻井液
				AV/  mpa.s	8.7	16.5	8.8
PV/  mpa.s	5.4	11.4	6.3
				中压滤失/ml	37.2	18.8	31.6
高温高压滤失/ml	78.6	25.3	43.4
				陈化后	稳定分散	稳定分散	部分结块

表3  实施例3和比较例3中钻井液的性质。

	实施例3基浆	实施例3钻井液	比较例3钻井液
				AV/  mpa.s	8.7	19.0	17.5
PV/  mpa.s	5.4	12.8	10.3
				中压滤失/ml	37.2	22.3	无法测试
高温高压滤失/ml	78.6	29.2	无法测试
				陈化后	稳定分散	稳定分散	起泡严重

注：陈化时间为16小时，陈化温度为150℃。本发明中软化点的测试方法根据GB/T4507方法进行。粘度、中压及高温高压滤失量按GB/T 16783-2006方法进行。AV表示表观粘度 ，PV表示塑性粘度。

Claims (10)

1.一种钻井液，包括基浆和添加剂，其特征在于：添加剂包括高软化点沥青组合物颗粒、性能调节剂、稳定分散剂和稳定分散助剂，其中高软化点沥青组合物颗粒加入量占钻井液总质量的2%~5%；高软化点沥青组合物颗粒按质量百分比计，包括下列组分：（1）基础沥青：70%～94.5%；（2）固体分散剂：5%～29.5%；（3）包被剂：0.1%～5%；沥青组合物颗粒的平均粒径为10～120μm，优选为30～100μm。

2.根据权利要求1所述的钻井液，其特征在于：性能调节剂为磺化褐煤、磺化酚醛树脂中的一种或几种，用量为沥青组合物颗粒质量的10%~20%。

3.根据权利要求1所述的钻井液，其特征在于：稳定分散剂为十八烷基三甲基氯化铵或十二烷基硫酸钠，用量为钻井液总质量的0.05%~0.5%。

4.根据权利要求1所述的钻井液，其特征在于：稳定分散助剂包括成膜助剂醇酯-12或三丙二醇单丁醚，稳定分散助剂用量占沥青组合物颗粒总质量的1%~10%。

5.根据权利要求1所述的钻井液，其特征在于：沥青组合物颗粒中，基础沥青的软化点为120℃以上，优选150℃以上。

6.根据权利要求1或5所述的钻井液，其特征在于：基础沥青为氧化沥青和溶剂脱油沥青的混合物，其中氧化沥青占基础沥青质量的30%～70%，溶剂脱油沥青占基础沥青质量的70%～30%。

7.根据权利要求1所述的钻井液，其特征在于：沥青组合物颗粒中，固体分散剂为石墨、蒙脱土和膨润土中的一种或几种；包被剂为水溶性树脂、聚乙烯吡咯烷酮的一种或几种。

8.一种权利要求1所述钻井液的制备方法，其特征在于如下过程：

（1）制备高软化点沥青组合物颗粒；

（2）高软化点沥青组合物颗粒置于配制好的钻井液基浆中，加入性能调节剂进行剪切混合均匀，然后加入稳定分散剂，继续剪切混合，待充分起泡后加入稳定分散助剂，剪切混合均匀，得到沥青颗粒稳定分散的钻井液；

其中步骤（1）中，高软化点沥青组合物颗粒的制备过程如下：选择基础沥青原料，将基础沥青原料与固体分散剂加入到粉碎设备中进行预混合分散，然后置于低温环境至物料脆化，温度为0～-60℃，时间为2～48小时；低温脆化后物料在粉碎设备中进行粉碎，然后加入包被剂，混合均匀，即制备出高软化点沥青组合物颗粒。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：高软化点沥青组合物颗粒制备过程中，预混合分散时间为1～10s，低温脆化后物料的粉碎时间为10～40 s，加入包被剂后的混合时间为1～10s。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，高软化点沥青组合物颗粒置于配制好的钻井液基浆中，加入性能调节剂进行高速剪切10~20分钟，然后加入稳定分散剂，继续剪切5~10分钟，待充分起泡后加入适量稳定分散助剂，剪切2~5分钟，得到沥青颗粒稳定分散的钻井液。