CN103980867A - 抗低温纳米石蜡乳液及其制备方法 - Google Patents

抗低温纳米石蜡乳液及其制备方法 Download PDF

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于永新
孙亚珍
刘大伟
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Abstract

本发明公开了一种抗低温纳米石蜡乳液，采用反相乳化法制得。各种原料的重量百分比组成为：固体石蜡20～50％，乳化剂8％，氯化钾1～3％，丙二醇8～15％，余量为水。本发明还提供了该纳米石蜡乳液的制备方法。本发明提供的抗低温纳米石蜡乳液的中值粒径为200～400nm，凝点范围为-20～-9℃，与普通纳米石蜡乳液相比具有良好的稳定性和突出的防冻能力，作为防塌润滑剂添加到钻井液中，可满足严寒天气或较低温度环境下的油田钻井施工要求。

Description

抗低温纳米石蜡乳液及其制备方法
技术领域：
本发明涉及石油钻井领域，特别是涉及一种抗低温纳米石蜡乳液及其制备方法。
背景技术：
纳米石蜡乳液是以石蜡、乳化剂(通常是各种不同的表面活性剂)和水为主要原料，通过合适的乳化分散工艺制成的粒径范围处于亚微米级(50～500nm)的乳状液。将高质量的纳米石蜡乳液作为钻井液的添加剂时，能够明显提高钻井液的抑止性和润滑性，有效起到防止井塌、提高钻速和保护油气层的作用。另外，纳米石蜡乳液低毒、无荧光的特点也符合环境保护和油田钻探施工的要求。然而，纳米石蜡乳液作为防塌润滑剂在气温较低时易析出石蜡并凝结成固态，温度回升后也不能再转变为液态，导致无法正常应用，这一问题在冬季油田的钻探施工过程中尤为常见。因此提高纳米石蜡乳液的防冻能力是目前油田钻井领域中一个必需解决的问题。
发明内容：
本发明的一个目的是提供一种抗低温纳米石蜡乳液，作为防塌润滑剂添加到钻井液中，可满足严寒天气或低温环境下的施工要求。
本发明的另一目的是提供一种抗低温纳米石蜡乳液的制备方法。
为此，本发明的技术方案如下：
所述抗低温纳米石蜡乳液的制备原料包括：固体石蜡、乳化剂、氯化钾、丙二醇和水，采用反相乳化法制得。各种原料的重量百分比组成为：固体石蜡20～50％，乳化剂8％，氯化钾1～3％，丙二醇8～15％，余量为水。
具体制备方法如下：
(1)将石蜡与乳化剂在反应器中均匀混合；
(2)将氯化钾用水溶解后添加到反应器中，在20～30分钟内将温度由室温逐渐升至70～90℃，整个升温过程在50～300rpm搅拌条件下进行；
(3)保持升温后的温度，以50～300rpm继续搅拌乳化20～50分钟；
(4)将得到的混合体系快速降温至室温，加入丙二醇，以50～300rpm继续搅拌混合30～60分钟。
通过上述技术方案制备获得的抗低温纳米石蜡乳液的中值粒径为200～400nm，具有良好的稳定性。另外，该抗低温纳米石蜡乳液的凝点范围为-20～-9℃，与普通的纳米石蜡乳液(凝点范围：3～5℃)相比，具有突出的防冻能力，作为防塌润滑剂添加到钻井液中，可满足严寒天气或较低温度环境下的油田钻井施工要求。
附图说明：
图1为本发明技术方案中的乳化剂浓度对乳液粒径的影响图。
具体实施方式：
在上述纳米石蜡乳液体系中，乳化剂的作用在于降低乳液体系中的油水界面张力、分散双电层并在液滴表面形成保护膜，以增强体系的稳定性。乳化剂的种类和用量直接决定了乳液体系的品质。在种类选择上，通常是以乳化剂的亲水亲油平衡值(HLB：Hydrophilic Lipophilic Balance)为依据。乳化剂通常由一种或多种表面活性剂组成，与单一成分的乳化剂相比，由多种表面活性剂组成的混合乳化剂能够发挥表面活性剂间的协同作用，因此乳化效果往往更好。本发明技术方案通过多次试验比较，确定采用两种非离子型表面活性剂Tween60和Span60作为混合乳化剂，二者的重量比9：7，此时获得的混合乳化剂的HLB值为10.2～10.6，更符合石蜡乳化的HLB值(石蜡乳化的HLB范围为9～12)，添加该混合乳化剂制得的纳米石蜡乳液颗粒细小均匀(平均粒径：96.8～126.0nm)且稳定性高，说明乳化效果较好。见表1。
表1具有不同HLB值的乳化剂对乳液性能的影响
乳化剂的用量决定了乳液液滴的总面积和液滴大小，增加乳化剂的用量能够降低乳液粒径，增强稳定性，但超过一定的用量范围后，不仅不能提高石蜡乳液的品质，还会降低其使用价值。发明人考察了混合乳化剂的添加量对乳液初始平均粒径的影响。由图1可知，乳液粒径随乳化剂浓度(质量百分比)升高而逐渐减小，当乳化剂的浓度大于4.0％时，乳液粒径小于200nm，并且随着乳化剂浓度的增大而明显减小，当乳化剂的浓度超过8％时，粒径变化不明显，因此乳化剂浓度确定为8％。纳米石蜡乳液体系中的氯化钾为无机防冻剂，丙二醇为有机防冻剂，将上述两种防冻剂的添加量控制在本发明技术方案所述的范围内，可以在保持较低成本的基础上有效提高其抗低温能力。
制备过程中通常难以对反应条件进行精确控制，所以步骤(2)中给出了温控范围(70～90℃)，但如果能够将反应温度一直控制在85℃不波动，则获得的产品性能更好。同样地，反应时间在一定范围内的延长或缩短对产品也无显著影响，其中较优选的反应时间组合为：步骤(2)中的升温时间为25分钟；步骤(3)中升温后的持续搅拌时间为35分钟；步骤(4)中的搅拌混合时间为40分钟，此时获得的产品性能更好，下面结合具体实施例来进一步说明：
实施例1
各原料的重量百分比组成：石蜡20％；混合乳化剂8％，包括两种非离子型表面活性剂：4.5％的Tween60和3.5％的Span60；氯化钾1％；丙二醇8％，余量为水。
具体步骤：
(1)将石蜡、非离子型表面活性剂Tween60和Span60在反应器中混合均匀；
(2)将氯化钾用水溶解后添加到反应器中，在25分钟内将温度由室温逐渐升至85℃，整个升温过程在50～300rpm搅拌条件下进行；
(3)保持升温后的温度，以50～300rpm继续搅拌乳化35分钟；
(4)将得到的混合体系用冷水浴快速降温至室温，加入丙二醇，以50～300rpm继续搅拌混合40分钟，得到抗低温纳米石蜡乳液。
该抗低温纳米石蜡乳液的性能测试：
(1)机械稳定性测试：将纳米石蜡乳液在3000rpm转速下离心45分钟，之后静置观察是否分层；
(2)长期稳定性测试：将纳米石蜡乳液静置6个月，观察其是否明显分层或发生沉降；
(3)乳液中值粒径测定：用激光粒度仪测定乳液的中值粒径；
(4)抗低温性能测定：用自动倾点凝点测定仪测定乳液凝点。
其性能测试及比较结果详见表2。
表2抗低温纳米石蜡乳液与普通纳米石蜡乳液的性能比较
实施例2～5中改变了除乳化剂之外的各组分的重量百分比，其余制备步骤及样品性能测试方法均与实施例1相同。实施例2～5中各组分的配比见表3，性能测试及比较结果见表4。
表3实施例2～5中各组分的重量百分比
表4由实施例2～5获得的抗低温纳米石蜡乳液与普通纳米石蜡乳液的性能比较
*注：表中机械稳定性是指离心后乳液是否分层；长期稳定性是指静置6个月后乳液是否分层；
实施例2～5分别表示由对应实施例获得的抗低温纳米石蜡乳液
以上实施例表明，通过本发明技术方案获得的抗低温纳米石蜡乳液的与普通纳米石蜡乳液相比，乳液中值粒径更小、更均匀，说明稳定性更好。另外，该抗低温纳米石蜡乳液的凝点最低达到-20℃，与普通纳米石蜡乳液相比，具有突出的防冻能力。

Claims (7)

1.一种抗低温纳米石蜡乳液，其特征在于由以下重量百分比的组分制成：
2.根据权利要求1所述的抗低温纳米石蜡乳液，其特征在于所述乳化剂由两种非离子型表面活性剂Tween60和Span60组成，二者的重量比为9：7。
3.一种权利要求1所述抗低温纳米石蜡乳液的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将石蜡与乳化剂在反应器中均匀混合；
(2)将氯化钾用水溶解后添加到反应器中，在20～30分钟内将温度由室温逐渐升至70～90℃，整个升温过程在50～300rpm搅拌条件下进行；
(3)保持升温后的温度，以50～300rpm继续搅拌乳化20～50分钟；
(4)将得到的混合体系快速降温至室温，加入丙二醇，以50～300rpm继续搅拌混合30～60分钟。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述乳化剂由两种非离子型表面活性剂Tween60和Span60组成，二者的重量比为9：7。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的温度控制是由室温逐渐升至85℃。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中升温后的搅拌乳化时间为35分钟。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中的搅拌混合时间为40分钟。
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