CN103897677B - 采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液及制备方法 - Google Patents

采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液及其制备方法，主要解决现有技术中油基钻井液不耐盐、不耐温及乳液稳定性能差的问题。本发明通过含基础油、水、有机土、酚醚磺酸盐复合乳化剂、pH调节剂、增粘剂和降滤失剂的油基钻井液及制备方法的技术方案，较好的解决了该问题，可用于强水敏、高温地层及需要钻大位移特殊井、海上水平井等特殊需要。

Description

采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液及制备方法
技术领域
本发明涉及一种采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液及制备方法。
背景技术
随着石油储量的不断减少且开采困难，世界各国纷纷加大了对深部地层油气资源勘探开发的投入，开发新的油藏已经成为当今各大石油公司发展的迫切要求。我国待探明的油气资源主要分布在塔里木、准噶尔、柴达木、吐哈、四川等盆地，其资源量的73%埋藏在深层，且地下条件异常复杂，因此深井和超深井油气钻探及配套的开发技术已成为制约油气资源开发的关键因素。随着地层深度的增加，深井、超深井的地层温度也会越来越高，地层的高温环境给钻井液能否维持稳定的性能带来了极大的挑战。
钻井液作为钻井工程的重要组成部分，其性能直接关系到深井、超深井的钻井质量、钻井成本和钻井周期。相对于水基钻井液，油基钻井液具有较强的防塌抑制性、润滑性和良好的储层保护性能，尤其可满足强水敏及高温、超高温地层，或者需要钻大位移特殊井及海上水平井等特殊转钻井需要。油基钻井液，又称油包水钻井液，是由油、水、乳化剂、降滤失剂、活度平衡剂、流型调节剂等组成。通常使用的油包水钻井液含水量在5 ～30 %之间(含水量在5%以内的一般叫做全油基钻井液，不称为油包水钻井液)，但抗高温达180℃ 以上的油包水钻井液中水的含量一般在5～10 %，很少超过15%。水的含量增大，携屑性、降滤失性和悬浮性、流变性都变好，但热稳定性和电稳定性都变差，如CN1660958 报道了一种合成基钻井液，使用的主乳化剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵和壬基酚聚氧乙烯醚的混合物，尽管在150℃老化16小时后仍有良好的流变性和破乳电压，水含量最高为25%，但更高温度和水含量下的性能未见报道。油基钻井液由于基液以油为主，因此价格昂贵，成本高，全油基钻井液更是如此，如CN101215461 报道了一种全油合成基钻井液，使用的乳化剂为长碳链脂肪酸酰胺、长碳链烷基苯磺酸钙、聚烯烃羧酸酯中的一种或多种的混合物，尽管具有低毒、环保、对储层伤害小等优点，但其制备成本高，限制了其推广使用。
目前市场上提供用作油基钻井液乳化剂的品种较少，而报道用于强化采油用的乳化剂品种相对较多，如US4485873、US4545912 、CN100531884等报道了聚氧乙烯烷基酚醚乙酸盐、双尾链聚氧乙烯磺酸盐、烷基芳苄基聚氧乙烯醚阴离子表活剂在强化采油方面的应用，但未涉及到其在钻井液乳化剂方面的用途。
油基钻井液由于受到成本、环保要求的限制一直发展比较缓慢，应用的区块也较少，随着现有油田储量日益下降，并且新探区的开采会遇到各种复杂地层及环境，急需性能优良的制备油基钻井液用乳化剂，以解决现有油基钻井液乳液稳定性能差、不耐盐、不耐温的问题。通过提高油基钻井液中水的比例达到降低油基钻井液的成本问题，为广泛应用油基钻井液作业提供技术保障。发明所述的正是这种高含水量情况下，适合于以酚醚磺酸盐复合油基乳化剂为乳化剂的油基钻井液及其制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中油基钻井液不耐盐、不耐温及乳液稳定性能差的问题，提供一种新的采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液。此油基钻井液具有耐温耐盐性能好、乳液稳定性能佳的优点，可用于强水敏、高温地层及需要钻大位移特殊井、海上水平井等特殊钻井作业中。本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液的制备方法。
为了解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液，以质量份数计包括以下组份：
(1)60～90份的基础油；
(2)10～40份的水；
(3)2～5份的有机土；
(4)0.5～5份的酚醚磺酸盐复合乳化剂；
(5)0.5～3份的pH调节剂；
(6)0.5～3份的增粘剂；
(7)0.5～3份的降滤失剂；
其中(4)组分中的酚醚磺酸盐复合乳化剂，以质量份数计包括以下组份：
(8)0.5～6份的酚醚磺酸盐；
(9)0.5～5份的非离子表面活性剂；
(10)0.1～1份的两性离子表面活性剂；
(11)5～50份的油；
酚醚磺酸盐的分子通式为：
式中：R为C1～C20的烷基或枯基()，M为选自氢、钙、镁、钡、锌、铝、或铁中的任意一种离子， m为乙氧基团EO的加合数，其取值范围为0～10中的任意一个整数，n为丙氧基团PO的加合数，其取值范围为0～40中的任意一个整数， x取值范围为1～3中任意一个整数。
上述技术方案中，M优选方案为氢、钙、镁、锌或铝，更优选方案为选自氢、钙、镁或锌；R优选C4～C16或枯基，更优选方案C8～C12或枯基；m为乙氧基团EO的加合数，其取值优选范围为1～5中的任意一个整数，n为丙氧基团PO的加合数，其取值优选范围为5～35中的任意一个整数，x优选为1或2；非离子表面活性剂优选自斯盘20、斯盘60、斯盘85、吐温40、吐温80、月桂酰二乙醇胺、椰油酰二乙醇胺、油酰二乙醇胺之一；两性离子表面活性剂优选自椰油酰胺基丙基甜菜碱、硬脂酰胺基丙基甜菜碱、油基甜菜碱之一，油优选白油；水优选为20wt% CaCl2水溶液或25wt%NaCl的水溶液；基础油优选为白油、液体石蜡或白油液体石蜡的混合物；有机土优选为十六烷基三甲基溴(氯)化铵、十二烷基三甲基溴(氯)化铵季铵盐阳离子改性的有机土；pH调节剂优选为无水氧化钙或碳酸钠粉末；增粘剂优选为顺丁橡胶或乙丙橡胶；降滤失剂优选为长链有机胺改性的腐植酸，链长优选为C12、C16。
为解决上述技术问题之二，本发明所采用的技术方案如下：采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液的制备方法，包括以下步骤：
(1) 将所需量的酚醚磺酸盐、非离子表面活性剂、两性离子表面活性剂和白油依次加入反应瓶中，升温至40～70℃搅拌1～4小时，得到所需的复合油基乳化剂油溶液。以质量份数计，酚醚磺酸盐、非离子表面活性剂、两性离子表面活性剂和白油的配比为0.5～6份∶0.5～5份∶0.1～1份∶5～50份。
(2) 以(1)合成的复合油基乳化剂油溶液为乳化剂，在高速搅拌下依次与基础油、水、有机土、pH调节剂、增粘剂、降滤失剂混合，搅拌一定时间后得到稳定的油包水型钻井液体系，分别测定该油包水型钻井液体系在室温及180℃高温老化24小时后的破乳电压和API滤失量。以质量份数计，各组份的比例为基础油60～90份、水10～40份、乳化剂1～5份、有机土2～5份、增粘剂0.5～3份、降滤失剂0.5～3份、pH调节剂0.5～3份。
上述技术方案中，(a)以质量份数计，酚醚磺酸盐的用量优选范围为1～4份，非离子表面活性剂的用量优选范围为1～4份，两性离子表面活性剂的用量优选范围为0.3～0.8份，白油的用量优选范围为10～40份，反应温度优选为50～60℃，搅拌时间优选为2～3小时；(b)以质量份数计，各组份的优选比例为基础油70～80份、水20～30份、乳化剂2～4份、有机土3～4份、增粘剂1～2份、降滤失剂1～2份、pH调节剂1～2份。
本发明制备的油基钻井液，由于使用的乳化剂酚醚磺酸盐分子结构中同时含有聚氧乙烯、聚氧丙烯非离子基团和磺酸根阴离子基团，使其兼具阴离子表面活性剂的耐温性能和非离子表面活性剂的耐盐优点，从而使得该油基钻井液具有优良的耐温耐盐性能；另外，酚醚磺酸盐分子结构中的亲油基团同时含有芳香环和长碳链，具有较好的油溶性，而分子结构中的羟磺酸基又使其具有一定的亲水性，分子易于在油水界面排列，同时与其它表面活性剂之间具有很好的协同效应，可使油水界面张力达到较低值，从而有利于油包水体系的稳定。
采用本发明制备的油基钻井液，其耐温达180℃、API滤失量≤3ml、高温老化前后破乳电压≥800V，是一种耐温耐盐性能佳、滤失量小、乳液稳定性好的油包水钻井液体系。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述。
具体实施方式
【实施例1】
(1) 以质量百分比计，取合成的壬基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸钙(m=2，n=15)3份、椰油酰二乙醇胺1份、硬脂酰胺基丙基甜菜碱0.6份和40份白油依次加入反应瓶中，升温至60℃搅拌3小时，得到所需的复合油基乳化剂油溶液，其中复合乳化剂含量以质量百分比计为10.3%。
(2) 称取(1)制备的复合油基乳化剂油溶液 87.4克，量入白油118.8mL入不锈钢高搅杯内，高速搅拌10min，再依次加入十六烷基三甲基溴化铵改性的有机土9克、十六胺改性的腐植酸3克、顺丁橡胶4.5克及无水碳酸钠粉末4.5克，继续高速搅拌20min，最后加入90mL 20wt%CaCl2水溶液，再高速搅拌10min，得到稳定的油包水型钻井液体系。分别测定该油包水型钻井液体系的破乳电压(ES)和API滤失量(FL)。其中，破乳电压由青岛通达专用仪器厂的DWY-2型钻井液电稳定性测定仪测定，API滤失量由SD型多联滤失仪测定。
将上述配制好的油包水型钻井液放入XGRL-4型高温滚子加热炉中，180℃高温老化24小时，分别测定该油包水型钻井液体系的破乳电压和API滤失量，所用仪器及过程同老化前，结果如表1、2所示。
【实施例2】
(1) 以质量百分比计，取合成的壬基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸钙(m=2，n=15)3份、吐温40 1份、椰油酰胺基丙基甜菜碱0.6份和20份白油依次加入反应瓶中，升温至50℃搅拌3小时，得到所需的复合油基乳化剂油溶液，其中复合乳化剂含量以质量百分比计为18.7%。
(2) 称取(1)制备的复合油基乳化剂油溶液48.2克，量入液体石蜡164.4mL入不锈钢高搅杯内，高速搅拌10min，再依次加入十二烷基三甲基溴化铵改性的有机土9克、十六胺改性的腐植酸4.5克、乙丙橡胶3克及无水氧化钙粉末4.5克，继续高速搅拌20min，最后加入90mL 20wt%CaCl2水溶液，再高速搅拌10min，得到稳定的油包水型钻井液体系。同【实施例1】的方法测定老化前后的破乳电压(ES)和API滤失量(FL)，结果如表1、2所示。
【实施例3】
(1) 同【实施例2】(1)。
(2) 称取(1)制备的复合油基乳化剂油溶液64.2克，量入液体石蜡119.3mL入不锈钢高搅杯内，高速搅拌10min，再依次加入十二烷基三甲基溴化铵改性的有机土9克、十六胺改性的腐植酸6克、乙丙橡胶3克及无水氧化钙粉末4.5克，继续高速搅拌20min，最后加入120mL 20wt%CaCl2水溶液，再高速搅拌10min，得到稳定的油包水型钻井液体系。同【实施例1】的方法测定老化前后的破乳电压(ES)和API滤失量(FL)，结果如表1、2所示。
【实施例4】
(1) 以质量百分比计，取合成的辛基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸(m=1，n=30)1份、斯盘60 4份、油基甜菜碱0.2份和30份白油依次加入反应瓶中，升温至60℃搅拌2小时，得到所需的复合油基乳化剂油溶液，其中复合乳化剂含量以质量百分比计为14.8%。
(2) 称取(1)制备的复合油基乳化剂油溶液60.8克，量入白油149.8mL入不锈钢高搅杯内，高速搅拌10min，再依次加入十六烷基三甲基氯化铵改性的有机土9克、十二胺改性的腐植酸4.5克、顺丁橡胶3克及无水碳酸钠粉末3克，继续高速搅拌20min，最后加入90mL25wt%NaCl水溶液，再高速搅拌10min，得到稳定的油包水型钻井液体系。同【实施例1】测定老化前后的破乳电压(ES)和API滤失量(FL)，结果如表1、2所示。
【实施例5】
(1) 以质量百分比计，取合成的十二烷基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸镁(m=4，n=15)2份、油酰二乙醇胺 2份、油基甜菜碱0.4份和10份白油依次加入反应瓶中，升温至50℃搅拌2小时，得到所需的复合油基乳化剂油溶液，其中复合乳化剂含量以质量百分比计为30.6%。
(2) 称取(1)制备的复合油基乳化剂油溶液19.6克，量入白油224.2mL入不锈钢高搅杯内，高速搅拌10min，再依次加入十六烷基三甲基溴化铵改性的有机土12克、十二胺改性的腐植酸3克、乙丙橡胶6克及无水氧化钙粉末3克，继续高速搅拌20min，最后加入60mL20wt%CaCl2水溶液，再高速搅拌10min，得到稳定的油包水型钻井液体系。同【实施例1】测定老化前后的破乳电压(ES)和API滤失量(FL)，结果如表1、2所示。
【实施例6】
(1)同【实施例5】(1)。
(2) 称取(1)制备的复合油基乳化剂油溶液29.4克，量入白油186.3mL入不锈钢高搅杯内，高速搅拌10min，再依次加入十六烷基三甲基溴化铵改性的有机土9克、十二胺改性的腐植酸4.5克、乙丙橡胶4.5克及无水氧化钙粉末3克，继续高速搅拌20min，最后加入90mL20wt%CaCl2水溶液，再高速搅拌10min，得到稳定的油包水型钻井液体系。同【实施例1】测定老化前后的破乳电压(ES)和API滤失量(FL)，结果如表1、2所示。
【实施例7】
(1)以质量百分比计，取合成的十二烷基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸镁(m=4，n=15)3份、月桂酰二乙醇胺 1份、椰油酰胺基丙基甜菜碱0.8份和40份白油依次加入反应瓶中，升温至50℃搅拌3小时，得到所需的复合油基乳化剂油溶液，其中复合乳化剂含量以质量百分比计为10.7%。
(2) 称取(1)制备的复合油基乳化剂油溶液84.1克，量入液体石蜡122.7mL入不锈钢高搅杯内，高速搅拌10min，再依次加入十二烷基三甲基氯化铵改性的有机土9克、十六胺改性的腐植酸3克、顺丁橡胶3克及无水氧化钙粉末6克，继续高速搅拌20min，最后加入90mL20wt%CaCl2水溶液，再高速搅拌10min，得到稳定的油包水型钻井液体系。同【实施例1】测定老化前后的破乳电压(ES)和API滤失量(FL)，结果如表1、2所示。
【实施例8】
(1)以质量百分比计，取合成的枯基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸钙(m=1，n=5)1份、斯盘85 3份、油基甜菜碱0.3份和20份白油依次加入反应瓶中，升温至60℃搅拌3小时，得到所需的复合油基乳化剂油溶液，其中复合乳化剂含量以质量百分比计为17.7%。
(2) 称取(1)制备的复合油基乳化剂油溶液33.9克，量入白油207.6mL入不锈钢高搅杯内，高速搅拌10min，再依次加入十四烷基三甲基溴化铵改性的有机土12克、十六胺改性的腐植酸4.5克、乙丙橡胶6克及无水氧化钙粉末4.5克，继续高速搅拌20min，最后加入60mL 25wt%NaCl水溶液，再高速搅拌10min，得到稳定的油包水型钻井液体系。同【实施例1】测定老化前后的破乳电压(ES)和API滤失量(FL)，结果如表1、2所示。
【实施例9】
(1)以质量百分比计，取合成的壬基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸锌(m=1，n=12)4份、吐温80 1份、硬脂酰胺基丙基甜菜碱0.5份和10份白油依次加入反应瓶中，升温至60℃搅拌2小时，得到所需的复合油基乳化剂油溶液，其中复合乳化剂含量以质量百分比计为35.5%。
(2) 称取(1)制备的复合油基乳化剂油溶液25.4克，量入白油191mL入不锈钢高搅杯内，高速搅拌10min，再依次加入十六烷基三甲基溴化铵改性的有机土9克、十二胺改性的腐植酸4.5克、乙丙橡胶4.5克及无水氧化钙粉末3克，继续高速搅拌20min，最后加入90mL20wt%CaCl2水溶液，再高速搅拌10min，得到稳定的油包水型钻井液体系。同【实施例1】测定老化前后的破乳电压(ES)和API滤失量(FL)，结果如表1、2所示。
表1 室温老化前油基钻井液体系性能
实施例 油水比(体积比) 破乳电压ES/V 滤失量FL/mL
1 70:30 1156 0.5
2 70:30 1123 0.5
3 60:40 765 1.0
4 70:30 1025 0.4
5 80:20 1415 0.3
6 70:30 1147 0.6
7 70:30 1203 0.6
8 80:20 1375 0.4
9 70:30 1006 0.7
表2 180℃老化24小时后油基钻井液体系性能
实施例 油水比(体积比) 破乳电压ES/V 滤失量FL/mL
1 70:30 1123 0.6
2 70:30 1069 0.6
3 60:40 562 1.2
4 70:30 958 0.5
5 80:20 1228 0.4
6 70:30 1087 0.7
7 70:30 1158 0.7
8 80:20 1349 0.5
9 70:30 912 0.8
【比较例1】
同【实施例1】，不同之处为使用的油基乳化剂为4wt% 斯盘85，其余相同，测定了油包水型钻井液体系破乳电压和API滤失量，结果如表3、4所示。
【比较例2】
同【实施例1】，不同之处为使用的油基乳化剂为4wt% 硬脂酸钙，其余相同，测定了油包水型钻井液体系破乳电压和API滤失量，结果如表3、4所示。
【比较例3】
同【实施例5】，不同之处为使用的油基乳化剂为3wt%油酰二乙醇胺，其余相同，测定了油包水型钻井液体系破乳电压和API滤失量，结果如表3、4所示。
表3 室温老化前油基钻井液体系性能
比较例 油水比(体积比) 破乳电压ES/V 滤失量FL/mL
1 70:30 652 0.9
2 70:30 585 1.1
3 80:20 879 0.7
表4 180℃老化24小时后油基钻井液体系性能
比较例 油水比(体积比) 破乳电压ES/V 滤失量FL/mL
1 70:30 451 2.3
2 70:30 325 2.5
3 80:20 627 1.1

Claims (8)

1.一种采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液，以质量份数计，包括以下组份：
(1)60～90份的基础油；
(2)10～40份的水；
(3)2～5份的有机土；
(4)0.5～5份的酚醚磺酸盐复合乳化剂；
(5)0.5～3份的pH调节剂；
(6)0.5～3份的增粘剂；
(7)0.5～3份的降滤失剂；
所述的酚醚磺酸盐复合乳化剂，以质量份数计，包括以下组份：
(8)1～4份的酚醚磺酸盐；
(9)0.5～5份的非离子表面活性剂；
(10)0.1～1份的两性离子表面活性剂；
(11)5～50份的油；
其中(8)组分为壬基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸钙，m＝2，n＝15；辛基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸，m＝1，n＝30；十二烷基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸镁，m＝4，n＝15；枯基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸钙或壬基酚聚氧乙烯聚氧丙烯醚羟基丙磺酸锌，m＝1，n＝5；m为乙氧基团EO的加合数，n为丙氧基团PO的加合数。
2.根据权利要求1所述的采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液，其特征在于所述的基础油为柴油、白油、液体石蜡、白油液体石蜡的混合物之一。
3.根据权利要求1所述的采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液，其特征在于所述的水为15～30wt％CaCl2或NaCl的水溶液。
4.根据权利要求1所述的采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液，其特征在于所述的有机土为C12～C16长链季铵盐阳离子改性的有机土。
5.根据权利要求1所述的采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液，其特征在于所述的非离子表面活性剂选自斯盘、吐温、或选自月桂酰二乙醇胺、椰油酰二乙醇胺、肉豆蔻酰二乙醇胺、棕榈油酰二乙醇胺、油酰二乙醇胺之一的长链脂肪酰胺之一；两性离子表面活性剂为甜菜碱类表面活性剂；油选自白油或液体石蜡。
6.根据权利要求5所述的采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液，其特征在于所述的斯盘系列表面活性剂选自斯盘20、斯盘40、斯盘60、斯盘80和斯盘85之一；吐温系列表面活性剂选自吐温20、吐温40、吐温60、吐温80、吐温85之一；长链脂肪酰胺系列表面活性剂选自月桂酰二乙醇胺、椰油酰二乙醇胺、肉豆蔻酰二乙醇胺、棕榈油酰二乙醇胺、油酰二乙醇胺之一；甜菜碱类表面活性剂选自椰油酰胺基丙基甜菜碱、油酰胺基丙基甜菜碱、硬脂酰胺基丙基甜菜碱、椰油基甜菜碱、油基甜菜碱、硬脂基甜菜碱之一；油选自白油。
7.根据权利要求1所述的采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液，其特征在于所述的pH调节剂为无水碳酸钠或氧化钙粉末。
8.根据权利要求1所述的采用酚醚磺酸盐复合油基乳化剂的油基钻井液，其特征在于所述的增粘剂为顺丁橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶之一；降滤失剂为C12～C16长链有机胺改性腐植酸或氧化沥青。
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