CN103146361B - 一种环保型油基钻井液增粘剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种环保型油基钻井液增粘剂及其制备方法。以重量份计，该环保型油基钻井液增粘剂的原料组成包括：水10-50份、非离子单体3.0-7.5份、阴离子单体6.0-18.0份、水溶性单体0.2-1.5份、氧化剂0.05-0.25份、基础油2.0-10.0份、乳化剂1.25-4.25份、还原剂0.05-0.25份。该环保型油基钻井液增粘剂的制备方法采用反相乳液聚合，通过非离子单体、阴离子单体与水溶性单体在油相溶液中反应，在氧化剂和还原剂的引发下进行聚合，再将聚合物乳液经提纯和干燥，得到该环保型油基钻井液增粘剂。本发明的环保型油基钻井液增粘剂，有利于降低油基钻井液的配制成本和提高其环保性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种环保型油基钻井液增粘剂及其制备方法，属于石油开采技术领域。
背景技术
油基钻井液是一种以油作为连续相的钻井液，分为油包水型油基钻井液和全油基钻井液两种类型，其主要由基础油、有机土、乳化剂、润湿剂、增粘剂及加重剂等组成。油基钻井液具有良好的抑制性、抗温性和稳定性，能够较好地满足复杂地层钻井、取心作业以及欠平衡钻井、大长度水平井等特殊情况的需要，可为油气田的安全高效开发提供可靠的技术保障。
油基钻井液增粘剂是油基钻井液的重要组成成分，其主要作用是提高油基钻井液的粘度和切力，保证油基钻井液具有良好的悬浮、携岩及降失水性能。
目前，国内外对钻井液增粘剂研究主要集中在水基钻井液增粘剂领域，已开发出了HV-CMC、PAC、HEC、GEL-30及生物聚合物XC等水基钻井液增粘剂，较好地满足了水基钻井液对增粘剂的需求。但在油基钻井液增粘剂的技术领域，目前的研究主要存在以下技术问题：其一、水基钻井液增粘剂不适用于油基钻井液。HV-CMC、PAC、生物聚合物XC等水基钻井液增粘剂，其在水中可有效伸展，充分溶解，从而提高钻井液的粘度和切力，但在油基钻井液中，特别是全油基钻井液中，由于全油基钻井液不含水，这些水基钻井液增粘剂聚合物分子无法伸展，因而无法起到增粘提切的作用。其二、缺少有效的油基钻井液增粘剂。油基钻井液的增粘，目前主要依靠有机土、油基钻井液降滤失剂聚合物等材料的附带增粘作用来实现，缺少有效的油基钻井液增粘剂，有时为达到要求的钻井液粘度和切力，会增大有机土、油基钻井液降滤失剂聚合物等材料的加量，导致油基钻井液配制成本增加。其三、油基钻井液的环保性有待改进。环保性能也是油基钻井液在使用过程中被关注的重要方面之一，目前的油基钻井液的环保性存在较大的改进空间，研发和使用环保型的油基钻井液材料，如环保型油基钻井液增粘剂，将有利于提高油基钻井液的环保性能。
综上所述，研发出一种能够解决增粘剂对油基钻井液适用性问题，达到油基钻井液增粘提切的效果，同时还可进一步改进油基钻井液环保性能的油基钻井液增粘剂，仍是本领域亟待解决的问题之一。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种环保型油基钻井液增粘剂及其制备方法。该环保型油基钻井液增粘剂能够弥补水基钻井液增粘剂不适用于油基钻井液的不足，有利于降低油基钻井液体系的配制成本和提高油基钻井液整体的环保性能，对于油基钻井液性能提高和使用发挥重要作用。
为达上述目的，本发明提供一种环保型油基钻井液增粘剂，以重量份计，其原料组成包括：水10-50份、非离子单体3.0-7.5份、阴离子单体6.0-18.0份、水溶性单体0.2-1.5份、氧化剂0.05-0.25份、基础油2.0-10.0份、乳化剂1.25-4.25份、还原剂0.05-0.25份。
在上述的环保型油基钻井液增粘剂中，优选地，所述非离子单体包括N，N′-亚甲基双丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、N-羟基丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺等中的一种或几种的组合。当采用上述几种非离子单体的组合时，其可以任意比例混合。
在上述的环保型油基钻井液增粘剂中，优选地，所述阴离子单体包括2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、3-吗啉丙磺酸和3-羟基-1-丙磺酸等中的一种或几种的组合。当采用上述几种阴离子单体的组合时，其可以任意比例混合。
在上述的环保型油基钻井液增粘剂中，优选地，所述水溶性单体包括聚乙烯吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮和α-吡咯烷酮等中的一种或几种的组合。当采用上述几种水溶性单体的组合时，其可以任意比例混合。
在上述的环保型油基钻井液增粘剂中，优选地，所述氧化剂包括偶氮二异丁酸二甲酯、过硫酸钾、偶氮二异丁腈和过硫酸铵等中的一种或几种的组合。当采用上述几种氧化剂的组合时，其可以任意比例混合。
在上述的环保型油基钻井液增粘剂中，优选地，所述基础油包括二甲基硅油、白油、大豆油和玉米油等中的一种或几种的组合。当采用上述几种基础油的组合时，其可以任意比例混合。
在上述的环保型油基钻井液增粘剂中，优选地，所述乳化剂包括司盘80、司盘60、吐温20、吐温60、乳化剂OP-10和乳化剂TX-100等中的一种或几种的组合。当采用上述几种乳化剂的组合时，其可以任意比例混合。
在上述的环保型油基钻井液增粘剂中，优选地，所述还原剂包括硫酸亚铁、亚硫酸钠和亚硫酸氢钠等中的一种或几种的组合。当采用上述几种还原剂的组合时，其可以任意比例混合。
本发明还提供一种上述的环保型油基钻井液增粘剂的制备方法，其包括以下步骤：
在搅拌条件下，将非离子单体、阴离子单体、水溶性单体和氧化剂依次溶解于水中，形成水相溶液；
在搅拌条件下，将乳化剂溶解于基础油中，形成油相溶液；
在搅拌条件下，将所述水相溶液滴加到所述油相溶液中，然后加入还原剂，搅拌均匀后，形成混合溶液；
使所述混合溶液在50-80℃水浴、搅拌条件下进行聚合反应4-8h，得到聚合物乳液；
使所述聚合物乳液进行提纯、干燥后，得到所述的环保型油基钻井液增粘剂。
在上述制备方法中，优选地，将非离子单体、阴离子单体、水溶性单体和氧化剂依次溶解于水中的步骤的具体操作方法是：将非离子单体加入到水中并搅拌使其充分溶解后，再加入阴离子单体并搅拌使其充分溶解，然后加入水溶性单体并搅拌使其充分溶解，最后加入氧化剂并搅拌使其充分溶解。
在上述制备方法中，在反应能够顺利进行的前提下，本领域一般技术人员可以对于上述各步骤中搅拌的速度进行调节；优选地，搅拌速度为2000-5000r/min。需说明的是，上述制备方法中各步骤的搅拌速度可以相同，也可以不同。此外，在上述制备方法中，可以使用丙酮对所述聚合物乳液进行提纯，其操作方法为本领域的常规提纯操作方法，而且本领域一般技术人员能够视具体情况，对该丙酮的用量进行调控；优选地，以重量份计，丙酮的用量为10-30份(以非离子单体的用量3.0-7.5份为基准)。上述制备方法中干燥的温度和时间可以为常规的干燥温度和时间；优选地，干燥温度为80-90℃，干燥时间为5-6h。
本发明的制备方法采用反相乳液聚合，通过非离子单体、阴离子单体与水溶性单体在油相溶液中反应，在氧化剂和还原剂的引发条件下，进行聚合反应，然后将得到的聚合物乳液经提纯和干燥后，制得本发明的环保型油基钻井液增粘剂。
本发明的环保型油基钻井液增粘剂适合于石油勘探开发钻井作业时采用的油包水型油基钻井液及全油基钻井液体系的增粘和提切，其具有以下优点：其一，本发明的环保型油基钻井液增粘剂在油基钻井液中表现良好的增粘和提切效果。在油相中，本发明的增粘剂中的聚合物分子可有效伸展，充分溶解，从而起到增粘提切的作用。根据本发明的具体实施方式，相较于未加入增粘剂的油基钻井液，加入本发明增粘剂的油基钻井液的表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)及动切力(YP)分别提高到2.0倍、2.2倍和1.4倍以上。其二，本发明的环保型油基钻井液增粘剂降低了油基钻井液配制成本。采用本发明的增粘剂加入到油基钻井液中，克服了油基钻井液依靠增大有机土、油基钻井液降滤失剂聚合物等材料加料量而提高油基钻井液粘度和切力的不足。根据本发明的具体实施方式，相较于未加入增粘剂的油基钻井液，加入本发明增粘剂的油基钻井液配制成本降低12％以上。其三，本发明的环保型油基钻井液增粘剂提高了油基钻井液体系的环保性能。本发明的增粘剂加入到油基钻井液后，降低了有机土、降滤失剂等材料的使用，提高了油基钻井液整体的环保性能。根据本发明的具体实施方式，相较于未加入增粘剂的油基钻井液，加入本发明增粘剂的油基钻井液体系的急性生物毒性EC50值提高1.2倍以上。
本发明的环保型油基钻井液增粘剂及其制备方法，弥补了水基钻井液增粘剂不适用于油基钻井液的不足，有利于降低油基钻井液体系的配制成本和提高油基钻井液整体的环保性能，对于油基钻井液性能提高和使用发挥重要作用，从而能够满足油基钻井液钻井和保护环境的需要。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的技术方案及技术效果做进一步的详细说明，但不能理解为对本发明可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供一种环保型油基钻井液增粘剂，其制备方法包括以下步骤：
在搅拌条件下，将3.0g N，N′-亚甲基双丙烯酰胺加入到30mL水中，充分溶解后；加入6.0g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，继续搅拌使其充分溶解后；加入0.2g聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌使其充分溶解后；加入0.05g过硫酸钾，继续搅拌使其充分溶解后，形成水相溶液；
在搅拌条件下，将1.25g司盘80溶解于2.0mL二甲基硅油中，形成油相溶液；
在搅拌条件下，将所述水相溶液通过分液漏斗缓慢滴加到所述油相溶液中，然后加入0.05g硫酸亚铁，搅拌均匀后，形成混合溶液；
使所述混合溶液在50℃水浴、搅拌条件下进行聚合反应4h，得到聚合物乳液；
在所述聚合物乳液中加入丙酮进行提纯，再经干燥箱在80-85℃条件下，干燥5h，得到所述的环保型油基钻井液增粘剂。
实施例2
本实施例提供一种环保型油基钻井液增粘剂，其制备方法包括以下步骤：
在搅拌条件下，将6.0g甲基丙烯酰胺加入到40mL水中，充分溶解后；加入12.0g3-吗啉丙磺酸，继续搅拌使其充分溶解后；加入0.8g N-乙烯基吡咯烷酮，继续搅拌使其充分溶解后；加入0.15g过硫酸铵，继续搅拌使其充分溶解后，形成水相溶液；
在搅拌条件下，将2.75g吐温60溶解于6.0mL白油中，形成油相溶液；
在搅拌条件下，将所述水相溶液通过分液漏斗缓慢滴加到所述油相溶液中，然后加入0.15g亚硫酸钠，搅拌均匀后，形成混合溶液；
使所述混合溶液在70℃水浴、搅拌条件下进行聚合反应6h，得到聚合物乳液；
在所述聚合物乳液中加入丙酮进行提纯，再经干燥箱在80-85℃条件下，干燥5h，得到所述的环保型油基钻井液增粘剂。
实施例3
本实施例提供一种环保型油基钻井液增粘剂，其制备方法包括以下步骤：
在搅拌条件下，将7.5g N-羟基丙烯酰胺加入到50mL水中，充分溶解后；加入18.0g3-羟基-1-丙磺酸，继续搅拌使其充分溶解后；加入1.5gα-吡咯烷酮，继续搅拌使其充分溶解后；加入0.25g偶氮二异丁腈，继续搅拌使其充分溶解后，形成水相溶液；
在搅拌条件下，将4.25g乳化剂TX-100溶解于10.0mL玉米油中，形成油相溶液；
在搅拌条件下，将所述水相溶液通过分液漏斗缓慢滴加到所述油相溶液中，然后加入0.25g亚硫酸氢钠，搅拌均匀后，形成混合溶液；
使所述混合溶液在80℃水浴、搅拌条件下进行聚合反应8h，得到聚合物乳液；
在所述聚合物乳液中加入丙酮进行提纯，再经干燥箱在85-90℃条件下，干燥6h，得到所述的环保型油基钻井液增粘剂。
性能评价
1、增粘性能评价
(1)油基钻井液的配制
按照以下原料组成及方法制备油基钻井液1#。油基钻井液1#的原料组成包括：柴油300mL、有机土OCMA3％(山东华潍膨润土有限公司生产)、司盘802％、吐温200.6％、水100mL、CaO2.0％、降滤失剂JS-13.0％(石家庄华信泥浆助剂有限公司生产)、质量浓度26％的CaCl2溶液100mL，其中，原料的百分含量是以所述油基钻井液1#的总重量为基准进行计算的。油基钻井液1#的制备方法包括以下步骤：在搅拌条件下，将上述的各原料在钻井液配制容器中混合，持续搅拌8h以上，然后封闭静置16h，得到所述油基钻井液1#。
取4份配制好的油基钻井液1#，每份400mL，其中1份为空白对照样，在搅拌条件下，向另外3份油基钻井液中分别加入0.5％实施例1-3的环保型油基钻井液增粘剂(以400mL油基钻井液1#的总重量为基准)，充分溶解后，分别制备得到油基钻井液2#(含有0.5％实施例1产品)、油基钻井液3#(含有0.5％实施例2产品)和油基钻井液4#(含有0.5％实施例3产品)。
(2)油基钻井液中增粘性能评价
按GB/T16783.1-2006的规定在六速旋转粘度计上分别测定油基钻井液1#、油基钻井液2#、油基钻井液3#和油基钻井液4#的φ600、φ300、φ200、φ100、φ6、φ3的粘度，然后计算表观粘度、塑性粘度、动切力及10s、10min的静切力。并且采用中压滤失仪SD-6(青岛海通达专用仪器有限公司生产)分别测定油基钻井液1#、油基钻井液2#、油基钻井液3#和油基钻井液4#的失水量(API.FL)，结果如表1所示。
其中，表观粘度、塑性粘度、动切力和静切力的计算公式如下所述：
AV＝0.50×φ600
PV＝φ600-φ300
YP＝0.51×(φ300-PV)
G10S(或G10min)＝R3/2
式中：AV——表观粘度，mPa·s；
PV——塑性粘度，mPa·s；
YP——动切力，Pa；
φ600、φ300、φ3——600r/min，300r/min，3r/min时的稳定读值，mPa·s；
G10S、G10min——10s、10min的静切力，Pa；
R3——静止10s或10min时的3r/min最大读值，mPa·s。
表1增粘性能评价结果
由表1数据可以得知，与不含有实施例的增粘剂的油基钻井液相比，含有实施例1的增粘剂的油基钻井液2#的AV、PV、YP分别提高到原来的2.18、2.38和1.67倍；含有实施例2的增粘剂的油基钻井液3#的AV、PV、YP分别提高到原来的2.45、2.63和2.00倍；含有实施例3的增粘剂的油基钻井液4#的AV、PV、YP分别提高到原来的2.03、2.25和1.44倍。
2、重金属含量评价
依照GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中的方法，分别对实施例1-3的环保型油基钻井液增粘剂进行盐酸或硝酸酸溶预处理，将制备得到的溶解液按相应重金属元素测定方法，采用原子荧光仪、等离子质谱仪等进行测定，其测定结果如表2所示。
表2重金属含量评价结果(单位：mg/kg)
| 样品 | 总镉(Cd) | 总汞(Hg) | 总铅(Pb) | 总铬(Cr) | 总砷(As) |
| 实施例1 | 未检出 | 0.156 | 0.205 | 31.2 | ＜0.10 |
| 实施例2 | 未检出 | 0.173 | 0.218 | 22.4 | ＜0.10 |
| 实施例3 | 未检出 | 0.160 | 0.241 | 30.9 | ＜0.10 |
| 标准 | ≤20 | ≤15 | ≤1000 | ≤1000 | ≤75 |
表2中所述的标准是指GB4284-84《农用污泥中污染物控制标准》。由表2数据可以得知，实施例1-3的环保型油基钻井液增粘剂的重金属含量极低，达到了环保、无污染的水平。
3、急性生物毒性评价
分别在98mL蒸馏水(一级)中加入2.0g实施例1-3的环保型油基钻井液增粘剂，配制得到2％的增粘剂水溶液，然后按照GB/T15441-1995《水质急性毒性的测定发光细菌法》中的方法测定实施例1-3的增粘剂水溶液的急性生物毒性EC50值，结果如表3所示。
表32wt％增粘剂水溶液的急性生物毒性评价结果
| 样品 | 测试浓度(wt％) | EC50(mg/L) | 毒性分级 |
| 实施例1 | 2.0 | 53100 | 无毒 |
| 实施例2 | 2.0 | 50200 | 无毒 |
| 实施例3 | 2.0 | 51600 | 无毒 |
美国环保署(EPA)急性生物毒性EC50分级标准如下：剧毒≤1mg/L；重毒1-100mg/L；中毒100-1000mg/L；微毒1000-10000mg/L；实际无毒≥10000mg/L；排放标准≥30000mg/L。由此可以得知实施例1-3的增粘剂水溶液达到无毒等级，可以直接排放，安全、环保。
4、油基钻井液的急性生物毒性评价
按照以下原料组成及“增粘性能评价”中的方法制备油基钻井液2’#、油基钻井液3’#和油基钻井液4’#。
油基钻井液2’#的原料组成包括：柴油300mL、有机土OCMA1％(山东华潍膨润土有限公司生产)、司盘802％、吐温200.6％、0.5％实施例1的环保型油基钻井液增粘剂、水100mL、CaO2.0％、降滤失剂JS-12.0％(石家庄华信泥浆助剂有限公司生产)、质量浓度26％的CaCl2溶液100mL，其中，原料的百分含量是以所述油基钻井液2’#的总重量为基准进行计算的。
油基钻井液3’#的原料组成包括：柴油300mL、有机土OCMA1％(山东华潍膨润土有限公司生产)、司盘802％、吐温200.6％、0.5％实施例2的环保型油基钻井液增粘剂、水100mL、CaO2.0％、降滤失剂JS-12.0％(石家庄华信泥浆助剂有限公司生产)、质量浓度26％的CaCl2溶液100mL，其中，原料的百分含量是以所述油基钻井液3’#的总重量为基准进行计算的。
油基钻井液4’#的原料组成包括：柴油300mL、有机土OCMA1％(山东华潍膨润土有限公司生产)、司盘802％、吐温200.6％、0.5％实施例3的环保型油基钻井液增粘剂、水100mL、CaO2.0％、降滤失剂JS-12.0％(石家庄华信泥浆助剂有限公司生产)、质量浓度26％的CaCl2溶液100mL，其中，原料的百分含量是以所述油基钻井液4’#的总重量为基准进行计算的。
分别取2.0mL油基钻井液1#、油基钻井液2’#、油基钻井液3’#和油基钻井液4’#，然后按照GB/T15441-1995《水质急性毒性的测定发光细菌法》中的方法测定油基钻井液1#、油基钻井液2’#、油基钻井液3’#和油基钻井液4’#的急性生物毒性EC50值，结果如表4所示。
表4油基钻井液的急性生物毒性评价结果与配制成本
| 样品 | 测试浓度(％) | EC50(mg/L) | 配制成本(元/m3) |
| 油基钻井液1# | 100 | 3670 | 8300 |
| 油基钻井液2’# | 100 | 8200 | 7100 |
| 油基钻井液3’# | 100 | 9100 | 7000 |
| 油基钻井液4’# | 100 | 8500 | 7300 |
美国环保署(EPA)急性生物毒性EC50分级标准如下：剧毒≤1mg/L；重毒1-100mg/L；中毒100-1000mg/L；微毒1000-10000mg/L；实际无毒≥10000mg/L；排放标准≥30000mg/L。由表4可以得知实施例1-3的增粘剂改善了油基钻井液的急性生物毒性问题，提高了油基钻井液整体的环保性能；并且降低了油基钻井液体系的配制成本。
Claims (3)
1.一种环保型油基钻井液增粘剂，以重量份计，其原料组成包括：水10-50份、非离子单体3.0-7.5份、阴离子单体6.0-18.0份、水溶性单体0.2-1.5份、氧化剂0.05-0.25份、基础油2.0-10.0份、乳化剂1.25-4.25份、还原剂0.05-0.25份；
其中，所述非离子单体包括N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、N-羟基丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺中的一种或几种的组合；
所述阴离子单体包括2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、3-吗啉丙磺酸和3-羟基-1-丙磺酸中的一种或几种的组合；
所述水溶性单体包括聚乙烯吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮和α-吡咯烷酮中的一种或几种的组合；
所述氧化剂包括偶氮二异丁酸二甲酯、过硫酸钾、偶氮二异丁腈和过硫酸铵中的一种或几种的组合；
所述基础油包括二甲基硅油、白油、大豆油和玉米油中的一种或几种的组合；
所述乳化剂包括司盘80、司盘60、吐温20、吐温60、乳化剂OP-10和乳化剂TX-100中的一种或几种的组合；
所述还原剂包括硫酸亚铁、亚硫酸钠和亚硫酸氢钠中的一种或几种的组合。
2.一种权利要求1所述的环保型油基钻井液增粘剂的制备方法，其包括以下步骤：在搅拌条件下，将非离子单体、阴离子单体、水溶性单体和氧化剂依次溶解于水中，形成水相溶液；
在搅拌条件下，将乳化剂溶解于基础油中，形成油相溶液；
在搅拌条件下，将所述水相溶液滴加到所述油相溶液中，然后加入还原剂，搅拌均匀后，形成混合溶液；
使所述混合溶液在50-80℃水浴、搅拌条件下进行聚合反应4-8h，得到聚合物乳液；
使所述聚合物乳液进行提纯、干燥后，得到所述的环保型油基钻井液增粘剂。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，将非离子单体、阴离子单体、水溶性单体和氧化剂依次溶解于水中的步骤包括：将非离子单体加入到水中并搅拌使其充分溶解后，再加入阴离子单体并搅拌使其充分溶解，然后加入水溶性单体并搅拌使其充分溶解，最后加入氧化剂并搅拌使其充分溶解。
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