CN103265816A - 钻井液用低软化点乳化沥青及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井液用低软化点乳化沥青及其制备方法，该乳化沥青按重量计含有：油浆25~50份、溶剂油10~35份、非离子表面活性剂1~4份、阳离子表面活性剂1~4份、C₂~C₄醇0~4份和水30~40份。其制备方法是将溶剂油及非离子表面活性剂加入油浆中，加热搅拌均匀得油浆混合液；然后将水、C₂~C₄醇和阳离子表面活性剂混合加热搅拌至阳离子表面活性剂溶解，再加入油浆混合液，在45~90℃下搅拌即得低软化点乳化沥青。本发明的乳化沥青在水中易分散、软化点低、具有良好的防塌效果及润滑性能，能在低温下较好地胶结破碎地层，封堵孔壁裂缝，提高孔壁稳定性，广泛适用于地质钻探、石油与天然气井钻探及地热钻探等，并实现了油浆的循环利用，降低工艺成本。

Description

钻井液用低软化点乳化沥青及其制备方法

技术领域

本发明涉及地质钻探领域所用的以油浆为原料制备的一种低软化点乳化沥青及其制备方法。 

背景技术

随着地质找矿钻探、科学钻探工作的进一步深入，钻孔深度不断加深，所遇到的地层越来越复杂，施工中遇到的问题也越来越多，对施工进度与施工成本产生重大影响。复杂地层孔壁不稳定是目前急需解决的施工难题之一。 

不稳定地层包括强水敏性地层、松散破碎地层、盐膏层、异常压力地层等，其中松散破碎地层，孔壁极其薄弱，胶结性差，易坍塌掉块，此类地层在地质钻探中最为常见。因此，对于钻遇松散破碎地层，理想的钻井液应具有强的粘接能力，能够在孔壁形成致密保护膜，提高孔壁的强度，从而减少孔壁坍塌、掉块现象的发生。 

钻井液用乳化沥青是一种沥青防塌剂，易分散于水及钻井液中。当孔内有一定的温度和压力时，水不溶沥青颗粒软化变形，并被挤入孔壁微裂缝中，与泥饼一起形成有效的封堵层，使孔壁稳定。乳化沥青主要以沥青或石油沥青为原料，采用沥青罐、水相罐及高剪切乳化机三个设备，沥青罐中沥青加热温度为130℃左右，水相罐中为溶有乳化剂的水溶液，温度控制在65℃左右，再通过泵分别将沥青及水相送入胶体磨或高剪切乳化设备剪切制得。目前用的乳化沥青软化点都较高，需要添加软化点调节剂才能降低软化点。 

油浆是一种原油经催化裂化后的重组分，主要成分是芳烃、饱和烃、沥青质和胶质。它是一种粘稠流体，零度以下仍未凝固（软化点低，不能测定），极易粘壁，不易清洗。目前，主要是作为燃料使用，未见报道以油浆制备钻井液用低软化点乳化沥青。 

发明内容

为了解决松散破碎地层引起的孔壁不稳定问题，本发明提供了一种以油浆为原料制备的钻井液用低软化点乳化沥青，及其制备方法。利用本发明的低软化点乳化沥青具有在水中易分散、软化点低、防塌及润滑性能好的特点，能较好地胶结破碎地层、封堵孔壁微小裂缝、改善泥饼质量，提高孔壁稳定性，并降低摩擦阻力，广泛适用于地质钻探、石油与天然气井钻探及地热钻探等。 

本发明提供了一种钻井液用低软化点乳化沥青，其含有如下重量份数的组分： 

油浆25~50份；                    溶剂油10~35份；

非离子表面活性剂1~4份； 阳离子表面活性剂1~4份；

C₂~C₄醇0~4份；                  水30~40份。

其中，油浆为原油经催化裂化后的重组分，主要成分是芳烃、饱和烃、沥青质和胶质。油浆为市售商品，可以在各大炼油厂购买，例如淄博市临淄金盛隆化工厂、中国石化集团沧州炼油厂等。 

优选地，上述钻井液用低软化点乳化沥青，含有如下重量份数的组分： 

油浆30~45份；                    溶剂油18~28份；

非离子表面活性剂1~3份； 阳离子表面活性剂1.8~3份；

C₂~C₄醇1~3份；                  水30~40份。

优选地，所述溶剂油为白油、柴油和生物柴油中的一种或几种的混合物。溶剂油作用是溶解油浆，降低油浆粘度，使油浆更易被乳化。 

优选地，所述非离子表面活性剂为失水山梨醇脂肪酸酯、单硬脂酸甘油酯和丙二醇单硬脂酸酯中的一种或几种的混合物。非离子表面活性剂作用是提高乳化沥青的抗盐性，使其不易受钙镁等阳离子的影响。 

优选地，所述阳离子表面活性剂为十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵、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的混合物。阳离子表面活性剂作用是使乳液液滴表面带正电荷，吸附在带有负电荷的孔壁岩石上，有利于乳液液滴进入孔壁裂缝中。 

优选地，所述C₂~C₄醇为乙醇、丙三醇、异丙醇、丁醇和异丁醇中的一种或几种的混合物。C₂~C₄醇作用是作为助表面活性剂，提高表面活性剂乳化油浆的效果。 

其中，本发明的钻井液用低软化点乳化沥青组分中的所述水为自来水、工业水和河水中的一种，其他干净的水也都适用本发明。 

本发明还提供了一种上述低软化点乳化沥青的制备方法，步骤是： 

（1）将溶剂油及非离子表面活性剂加入油浆中，加热搅拌至均匀后，得油浆混合液，备用；

（2）将水、C₂~C₄醇和阳离子表面活性剂混合，加热搅拌至阳离子表面活性剂溶解后，再加入步骤（1）的油浆混合液，在45~90℃的反应温度、200~1000rpm的搅拌速率下，搅拌30~60min，即得所述的钻井液用低软化点乳化沥青。

优选地，步骤（2）的反应温度是55~75℃，搅拌速率为300~800rpm。 

本发明所述方法制得的钻井液用低软化点乳化沥青外观为棕褐色乳液，无异味，易分散在钻井液中。 

本发明所述方法制得的钻井液用低软化点乳化沥青，胶体稳定性≥95%，相对抑制度在0.35~0.45，蒸发残余物含量≥50%，润滑系数降低率≥50%。 

本发明与现有技术相比的有益效果在于： 

（1）本发明使用油浆制备乳化沥青，实现了废物的循环利用，减少了钻井液处理剂对石油沥青原料的消耗，节约了资源。

（2）与传统采用天然沥青制备乳化沥青工艺相比，本发明的制备方法简单，成本低。天然沥青软化点在100℃以上，需加入软化点调节剂降低沥青的软化点，并使用胶体磨生产乳化沥青，本发明的乳化沥青无需加入软化点调节剂即具有低软化点，在较低温度下也能较好地胶结破碎地层，封堵孔壁裂缝，提高孔壁稳定性，广泛适用于地质钻探、石油与天然气井钻探及地热钻探等。 

（3）本发明的乳化沥青具有较好的润滑性能，能降低钻具与孔壁、钻具与套管间摩擦阻力以及起下钻阻力。 

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。 

将溶剂油及非离子表面活性剂加入油浆中，加热搅拌均匀后，得油浆混合液；然后将水、C₂~C₄醇和阳离子表面活性剂加入反应器中，加热搅拌至阳离子表面活性剂充分溶解后，再将油浆混合液加入反应器中，在温度为45~90℃、搅拌速率为200~1000rpm的条件下，搅拌反应30~60min，即得低软化点乳化沥青。 

表1  不同组分加量及反应条件制备乳化沥青 

原料	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						油浆	25份	35份	30份	45份	50份
溶剂油	白油35份	白油28份	白油26份	柴油18份	生物柴油10份
						非离子表面活性剂	司盘60 4份	司盘80 2份	司盘60 1份	单硬脂酸甘油酯1份	司盘80 1.2份
阳离子表面活性剂	十六烷基三甲基氯化铵4份	十六烷基三甲基溴化铵3份	十六烷基三甲基溴化铵2份	十八烷基三甲基氯化铵2份	十八烷基三甲基氯化铵1.8份
						C2~C4醇	0份	异丙醇2份	异丁醇1份	乙醇1份	异丙醇4份
水	32份	30份	40份	33份	33份
						反应温度/℃	65	75	55	65	90
搅拌转速/ rpm	200	300	400	800	1000
						搅拌时间/min	30	30	40	60	40

注：司盘60、司盘80为失水山梨醇脂肪酸酯的不同商品规格。

对实施例1-5乳化沥青产品进行胶体稳定性及加入5%淡水钠土基浆后流变学性能评价，具体结果见表2、表3所示。 

表2  实施例1-5的乳化沥青产品胶体稳定性测定结果 

实施例样品	胶体稳定性/%
		实施例1	99
实施例2	99
		实施例3	98
实施例4	98
		实施例5	96
乳化沥青指标要求	≥95

注：胶体稳定性为：100mL搅匀的1%样品水溶液置于100mL具塞量筒中，室温下静置24h后，读取析出上层清液或下层清液的体积。100减去析出的体积后与100的比值为胶体稳定性。

表3  实施例乳化沥青产品加入5%淡水钠土基浆后的流变学测定 

样品名称	加量	表观粘度/mPa.s	API失水量/mL
				实施例1	2	8.5	13
实施例2	2	9.5	11
				实施例3	2	8	10
实施例4	2	8.5	11.5
				实施例5	2	9	12
5%淡水钠土基浆	—	8.5	12

注：与5%淡水钠土基浆API失水量相比，产品API失水量越低性能越好。

分别对实施例1-5的乳化沥青产品及两种市售乳化沥青（其中阳离子乳化沥青UDL为山东明德石油科技有限公司提供样品，阳离子乳化沥青ZZDF为郑州东方助剂有限公司提供样品）进行软化点、蒸发残留物含量、抑制性能、润滑性能测定，结果如表4-6所示。 

表4  实施例产品与市售产品软化点及蒸发残留物含量测定 

样品名称	软化点/℃	蒸发残留物含量/%
			实施例1	蒸发残留物为液体，因此不能通过环球法测定出软化点	56.5
实施例2	同上	61.2
			实施例3	同上	52.8
实施例4	同上	60.3
			实施例5	同上	57.2
阳离子乳化沥青UDL	55	34.3
			阳离子乳化沥青ZZDF	蒸发残留物为黑色固体，但高温受热后不能熔化，推断该乳化沥青软化点很高	18.8
乳化沥青指标要求	标称±10	≥55

表5 实施例产品与市售乳化沥青相对抑制度对比评价结果

样品名	膨胀高度/mm	相对抑制度
			10%氯化钾溶液	4.92	---
实施例1	3.02	0.61
			实施例2	2.00	0.41
实施例3	2.10	0.43
			实施例4	2.06	0.42
实施例5	2.20	0.45
			阳离子乳化沥青UDL	3.46	0.70
阳离子乳化沥青ZZDF	2.29	0.47
			乳化沥青指标要求	—	≤1.0

注：相对抑制度为3％乳化沥青样品溶液与10％KCl溶液浸泡岩心6h的膨胀高度比值，相对抑制度越低产品抑制性能越好。

表6 实施例产品与市售乳化沥青润滑性能对比评价结果（5%淡水钠土基浆） 

注：润滑系数降低率越大表明产品润滑性能越好。

对比表1-6测定的数据，可以看出：实施例1虽然胶体稳定性及加入5%淡水钠土基浆的润滑性能优于实施例2、实施例3及实施例4，但是实施例1中油浆加量低，则起防塌作用的沥青质及胶质组分含量也就低。因此，制备乳化沥青时油浆用量尽可能大（大于35%）。但是如果油浆占的比例太大就不一定能乳化成水包油的乳液，即不能保证产品的胶体稳定性。另外，由表中也可以看出，实施例2、3、4的API失水量和相对抑制度均优于实施例1和5。 

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。 

Claims (8)

1.一种钻井液用低软化点乳化沥青，其特征在于，含有如下重量份数的组分：

油浆25~50份；                    溶剂油10~35份；

非离子表面活性剂1~4份；  阳离子表面活性剂1~4份；

C₂~C₄醇0~4份；                   水30~40份。

2.根据权利要求1所述的钻井液用低软化点乳化沥青，其特征在于，含有如下重量份数的组分：

油浆30~45份；                    溶剂油18~28份；

非离子表面活性剂1~3份；  阳离子表面活性剂1.8~3份；

C₂~C₄醇1~3份；                  水30~40份。

3.根据权利要求1所述的钻井液用低软化点乳化沥青，其特征在于，所述溶剂油为白油、柴油和生物柴油中的一种或几种的混合物。

4.根据权利要求1所述的钻井液用低软化点乳化沥青，其特征在于，所述非离子表面活性剂为失水山梨醇脂肪酸酯、单硬脂酸甘油酯和丙二醇单硬脂酸酯中的一种或几种的混合物。

5.根据权利要求1所述的钻井液用低软化点乳化沥青，其特征在于，所述阳离子表面活性剂为十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵、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的混合物。

6.根据权利要求1所述的钻井液用低软化点乳化沥青，其特征在于，所述C₂~C₄醇为乙醇、丙三醇、异丙醇、丁醇和异丁醇中的一种或几种的混合物。

7.权利要求1~6任一所述的钻井液用低软化点乳化沥青的制备方法，其特征在于，步骤为：

（1）将溶剂油及非离子表面活性剂加入油浆中，加热搅拌至均匀后，得油浆混合液，备用；

（2）将水、C₂~C₄醇和阳离子表面活性剂，加热搅拌至阳离子表面活性剂溶解后，再加入步骤（1）的油浆混合液，在45~90℃的反应温度、200~1000rpm的搅拌速率下，搅拌30~60min，即得低软化点乳化沥青。

8.根据权利要求7所述的钻井液用低软化点乳化沥青的制备方法，其特征在于，步骤（2）的反应温度是55~75℃，搅拌速率为300~800rpm。