CN104017549B - 一种配制高屈服值油基钻井液用有机土及其制备方法 - Google Patents

一种配制高屈服值油基钻井液用有机土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种配制高屈服值油基钻井液用有机土，所述有机土由蒙脱石、烷基季铵盐阳离子表面活性剂、带有强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂和带长链烷基基团阴离子表面活性剂反应而成；所述的烷基季铵盐阳离子表面活性剂，投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.6~1.5倍；带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂的投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.01~0.5倍；带长链烷基基团阴离子表面活性剂的投入量为带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂等物质的量，即两种物质摩尔比为1:1。本发明能在由矿物油配制的钻井液中具有较高的屈服值且经高温老化后仍能保持稳定。

Description

一种配制高屈服值油基钻井液用有机土及其制备方法
技术领域
本发明涉及油基钻井液用有机土领域，特别涉及到配制高屈服值油基钻井液的有机土及其制备方法。
背景技术
油基钻井液是指以油作为连续相的钻井液，与水基钻井液相比，有机钻井液具有抗高温、抗盐侵、抗钙侵、有利于井壁稳定、润滑性好和对油气层损害程度较小等多种优点。目前已成为钻高难度的高温深井、大斜度定向井、水平井和各种复杂地层的重要手段，并且还可广泛地用作解卡液、射井完液、修井液和取芯液等。为了提高钻速和节约成本，从20世纪70年代中期开始，较广泛地使用油包水乳化钻井液。为了保护生态环境，适应海洋钻探等的需要，从80年代初开始使用以矿物油作为基础油的低毒油包水乳化钻井液。由于目前全油基钻井液已较少使用，因此通常所说的油基钻井液主要是指以柴油（由于对生态环境有影响，也被限制使用）或矿物油（白油）作为连续相的油包水乳化钻井液。其中屈服值（YieldPoint）是反映钻井液性能的一个重要指标，它反映了钻井液流体在流动时内部凝胶网状结构的强度，也称为动切力，是表征钻井液性能的重要参数。屈服值的大小直接关系到钻井液钻进时携带钻屑和静止时悬浮加重材料的能力。较高的屈服值不仅可以提高钻井液携带岩屑的能力，还能净化井孔，防止井壁坍塌和卡钻事故。
目前，有机土是配制油基钻井液最常用的流变助剂，它可以有效地提高钻井液的流变粘度的同时降低滤失量。但普通的有机土主要作为油漆、油墨和润滑脂的触变剂和流变剂使用，一般剪切稀释指数较高，且使用时如果溶剂体系极性较低则需要添加小分子的极性活化剂，如甲醇、乙醇、丙酮和碳酸丙烯酯等才能成胶，但这些小分子物质易燃、易爆，容易引起安全事故。配制钻井液的矿物油在组成上主要以脂肪烃或脂环烃为主，极性较低。普通的有机土在矿物油中很难分散成胶，而小分子活化剂在配制钻井液时是不允许使用的。这就导致用普通有机土配制的钻井液表观粘度值可能很高，但塑性粘度值也较高，从而导致屈服值偏低，往往达不到使用要求，这些都是普通有机土未能充分分散的缘故。这时要提高钻井液的屈服值就需要添加提切剂来增加屈服值，这不仅增加了钻井液的成本，并且增加了钻井液的不稳定性和复杂性。
发明内容
本发明为了解决现有有机土配制的钻井液屈服值偏低的缺陷，本发明的一个目的是提供一种配制高屈服值油基钻井液用有机土，该有机土能在由矿物油配制的钻井液中具有较高的屈服值且经高温老化后仍能保持稳定。本发明的另外一个目的是提供上述的有机土的制备方法。
为了实现上述的第一个目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种配制高屈服值油基钻井液用有机土，所述有机土由蒙脱石、烷基季铵盐阳离子表面活性剂、带有强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂和带长链烷基基团阴离子表面活性剂反应而成；所述的烷基季铵盐阳离子表面活性剂，投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.6~1.5倍；带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂的投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.01~0.5倍；带长链烷基基团阴离子表面活性剂的投入量为带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂等物质的量，即两种物质摩尔比为1:1。
作为优选，所述的烷基季铵盐阳离子表面活性剂的投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.8~1.2倍。
作为优选，所述的烷基季铵盐阳离子表面活性剂为单或双长碳链且碳原子数为14~22的烷基季铵盐阳离子表面活性剂，其结构表达式分别为：
式中R1碳原子数为14-20的烷基；R2为碳原子数为1-20的烷基或苄基或异辛基；R3为碳原子数为1-4的烷基或苄基；X-为Cl-或Br-；作为再优选，所述的烷基季铵盐阳离子表面活性剂为优选十六/十八烷基三甲基氯化铵、十六/十八烷基二甲基苄基氯化铵、双十六/双十八烷基二甲基氯化铵、双十六/双十八烷基甲基苄基氯化铵。
作为优选，所述的带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂的投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.05~0.3倍。
作为优选，所述的带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂的分子结构中带有酰胺基、羟基或酯基的中的一种或两种及以上；作为再优选，所述的带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂为十六/十八烷基二羟乙基氯化铵、二（牛油乙基酰胺）聚乙氧基甲基硫酸甲酯铵和二（牛油乙基酯）聚乙氧基甲基硫酸甲酯铵中的一种或两种及以上的混合物。
作为优选，所述的带长链烷基基团阴离子表面活性剂为碳链由12-18个碳的脂肪酸、脂肪酸盐、烷基磺酸或烷基磺酸盐；作为再优选，所述的带长链烷基基团阴离子表面活性剂为肉豆蔻酸/肉豆蔻酸钠、棕榈酸/棕榈酸钠、硬脂酸/硬脂酸钠、十四烷基磺酸/十四烷基磺酸钠、十四烷基磺酸/十四烷基磺酸钠、十六烷基磺酸/十六烷基磺酸钠、十六烷基苯磺酸/十六烷基苯磺酸钠、十八烷基磺酸/十八烷基磺酸钠、十八烷基苯磺酸/十八烷基苯磺酸钠中的一种或两种及以上的混合物。
为了实现上述的第二个目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种制备所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土的方法，该方法包括以下的步骤：
1）将膨润土原矿粉在淡水或去离子水中打浆；
2）加入土量的1%~5%的钠盐改型剂，搅拌1~2小时，经自然沉降、水力旋流器、过滤式离心机或卧式离心机除砂，优选卧式离心机；将分离的悬液再经高压均质机或碟片式离心机进一步去除杂质，得到钠基蒙脱石悬液；
3）将钠基蒙脱石悬液边搅拌边加热至40~90℃，优选60~80℃；保温0.5~2小时，用磷酸、硫酸或盐酸将悬液的酸碱度调节至pH=2~5，继续搅拌0.5~2小时；
4）向悬液中投入烷基季铵盐阳离子表面活性剂，投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.6~1.5倍，继续搅拌反应0.5~2小时；
5）同时向悬液中投入带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂和带长链烷基基团阴离子表面活性剂，带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂的投入量为钠基蒙脱石CEC的0.01~0.5倍；带长链烷基基团阴离子表面活性剂的投入量为带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂等物质的量，继续搅拌反应0.5~2小时；
6）停止加热，将反应浆液泵入板框压滤机或离心分离机中脱水，然后将滤饼在闪蒸式干燥机、微波干燥机或热风干燥机中烘干，最后经磨粉机磨粉、包装。
作为优选，步骤1）膨润土原矿粉蒙脱石含量≥40%，蒙脱石层电荷密度<0.45/单位半晶胞的钙基、镁基、钠基、锂基或混合型膨润土。
作为优选，步骤2）钠盐改型剂选用Na2CO3、NaF和Na2SO4中的一种或两种及以上的混合物，优选NaF。
作为优选，步骤2）钠基蒙脱石悬液中的蒙脱石纯度≥95%。
本发明由于采用了上述的技术方案，所述有机土由蒙脱石、烷基季铵盐阳离子表面活性剂、带有强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂和带长链烷基基团阴离子表面活性剂反应而成。能在由矿物油配制的钻井液中具有较高的屈服值且经高温老化后仍能保持稳定。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
（1）将安吉钙基膨润土原矿粉分散于淡水或去离子水中打浆；
（2）加入土量的3.5%的NaF搅拌1~2小时。经卧式离心机除杂。将分离的悬液再经碟片式离心机进一步去除杂质，得到钠基蒙脱石悬液；
（3）将钠基蒙脱石悬液边搅拌边加热至80℃，保温1小时，用硫酸将悬液的酸碱度调节至pH=3.5，继续搅拌1小时；
（4）向悬液中投入钠基蒙脱石阳离子交换容量（CEC）的1.0倍的十八烷基二甲基苄基氯化铵，继续搅拌反应1小时；
（5）同时向悬液中投入钠基蒙脱石阳离子交换容量（CEC）的0.1倍的二（牛油乙基酰胺）聚乙氧基甲基硫酸甲酯铵和0.1倍CEC的硬脂酸，继续搅拌反应0.5~2小时；
（6）停止加热，将反应浆液泵入板框过滤式离心机中脱水，彻底洗去游离的氯离子和硫酸甲酯根，然后将滤饼在闪蒸式干燥机中烘干，最后经磨粉机磨粉制备完成。
实施例2
将实施例1中步骤（4）中的烷基季铵盐阳离子表面活性剂换成十八烷基三甲基氯化铵，加入量为0.9倍CEC。其它步骤与实施例1同。
实施例3
将实施例1中步骤（5）中的带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂替换成十八烷基二羟乙基氯化铵，加入量调整为0.15倍CEC。其它步骤与实施例1同。
实施例4
将实施例1中步骤（5）中的带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂替换成二（牛油乙基酯）聚乙氧基甲基硫酸甲酯铵。其它步骤与实施例1同。
实施例5
将实施例1中步骤（5）中的阴离子表面活性剂替换成十六烷基磺酸钠，其它步骤与实施例1同。
实施例6
将实施例1中步骤（4）中的烷基季铵盐阳离子表面活性剂换成十八烷基三甲基甲基氯化铵。步骤5中替换成十八烷基二羟乙基氯化铵和硬脂酸钠。同时加入量均调整为0.2CEC，其它步骤与实施例1同。
实施例7
将实施例1中步骤（1）的安吉钙基膨润土原矿粉替换为怀俄明钠基膨润土原矿粉；步骤（2）中的NaF加入量调整为2%；步骤（4）中的烷基季铵盐阳离子表面活性剂换成双十八烷基甲基苄基氯化铵。其它步骤与实施例1同。
实施例8
将实施例7步骤（4）中的烷基季铵盐阳离子表面活性剂换成双十八烷基甲基苄基氯化铵。步骤（5）中的长链烷基阴离子表面活性剂替换成十六烷基磺酸钠，其它步骤与实施例7同。
实施例9
将实施例8中步骤（5）带强极性季铵盐阳离子表面活性剂替换为二（牛油乙基酯）聚乙氧基甲基硫酸甲酯铵，其它步骤与实施例8同。
实施例10
将实施例9中步骤（5）带强极性季铵盐阳离子表面活性剂替换为十八烷基二羟乙基氯化铵，其它步骤与实施例9同。
试验例
将上述实施例1~10制备的有机土与国外钻井液用有机土及国内普通有机土在钻井液中进行对比，测试方法如下：
（1）按表1所示的配方，将有机土和氧化钙加入到矿物油中，放在高速搅拌机上以11000rpm搅拌20分钟，然后加入乳化剂Pinemul100和润湿剂Pinemul300，高搅5分钟后，加入氯化钙溶液，高搅20分钟，最后加入重晶石，再高搅30分钟，配制完成。
表 1
（2）将配制的好的钻井液在室温下用六转旋转粘度计测试其流变性能，记录各转速读数，计算泥浆的表观粘度（AV）、塑性粘度（PV）、屈服值（YP）以及10秒钟和10分钟的凝胶强度（Gel Strengths）；然后再将在钻井液在高温滚子炉中在150℃热滚16小时，冷却至室温，再高搅30分钟，按上述步骤再测试其流变性能，测试结果列于表2。
表2
续表2
续表2

Claims (13)

1.一种配制高屈服值油基钻井液用有机土，其特征在于：所述有机土由蒙脱石、烷基季铵盐阳离子表面活性剂、带有强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂和带长链烷基基团阴离子表面活性剂反应而成；所述的烷基季铵盐阳离子表面活性剂，投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.6~1.5倍；带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂的投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.01~0.5倍；带长链烷基基团阴离子表面活性剂的投入量为带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂等物质的量；
所述的烷基季铵盐阳离子表面活性剂为单或双长碳链且碳原子数为14~22的烷基季铵盐阳离子表面活性剂，结构表达式分别为：
式中R1碳原子数为14-20的烷基；R2为碳原子数为1-20的烷基或苄基或异辛基；R3为碳原子数为1-4的烷基或苄基；X-为Cl-或Br-；
所述的带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂的分子结构中带有酰胺基、羟基或酯基的中的一种或两种及以上；
所述的带长链烷基基团阴离子表面活性剂为碳链由12-18个碳的脂肪酸、脂肪酸盐、烷基磺酸或烷基磺酸盐。
2.根据权利要求1所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土，其特征在于：所述的烷基季铵盐阳离子表面活性剂的投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.8~1.2倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土，其特征在于：所述的烷基季铵盐阳离子表面活性剂为十六/十八烷基三甲基氯化铵、十六/十八烷基二甲基苄基氯化铵、双十六/双十八烷基二甲基氯化铵、双十六/双十八烷基甲基苄基氯化铵。
4.根据权利要求1所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土，其特征在于：所述的带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂的投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.05~0.3倍。
5.根据权利要求1或4所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土，其特征在于：所述的带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂为十六/十八烷基二羟乙基氯化铵、二（牛油乙基酰胺）聚乙氧基甲基硫酸甲酯铵和二（牛油乙基酯）聚乙氧基甲基硫酸甲酯铵中的一种或两种及以上的混合物。
6.根据权利要求1或4所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土，其特征在于：所述的带长链烷基基团阴离子表面活性剂为肉豆蔻酸/肉豆蔻酸钠、棕榈酸/棕榈酸钠、硬脂酸/硬脂酸钠、十四烷基磺酸/十四烷基磺酸钠、十四烷基磺酸/十四烷基磺酸钠、十六烷基磺酸/十六烷基磺酸钠、十六烷基苯磺酸/十六烷基苯磺酸钠、十八烷基磺酸/十八烷基磺酸钠、十八烷基苯磺酸/十八烷基苯磺酸钠中的一种或两种及以上的混合物。
7.一种制备权利要求1所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土的方法，其特征在于该方法包括以下的步骤：
1）将膨润土原矿粉在淡水或去离子水中打浆；
2）加入土量的1%~5%的钠盐改型剂，搅拌1~2小时，经自然沉降、水力旋流器、过滤式离心机或卧式离心机除砂；将分离的悬液再经高压均质机或碟片式离心机进一步去除杂质，得到钠基蒙脱石悬液；
3）将钠基蒙脱石悬液边搅拌边加热至40~90℃；保温0.5~2小时，用磷酸、硫酸或盐酸将悬液的酸碱度调节至pH=2~5，继续搅拌0.5~2小时；
4）向悬液中投入烷基季铵盐阳离子表面活性剂，投入量为钠基蒙脱石阳离子交换容量的0.6~1.5倍继续搅拌反应0.5~2小时；
5）同时向悬液中投入带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂和带长链烷基基团阴离子表面活性剂，带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂的投入量为钠基蒙脱石CEC的0.01~0.5倍；带长链烷基基团阴离子表面活性剂的投入量为带强极性基团的季铵盐阳离子表面活性剂等物质的量，继续搅拌反应0.5~2小时；
6）停止加热，将反应浆液泵入板框压滤机或离心分离机中脱水，然后将滤饼在闪蒸式干燥机、微波干燥机或热风干燥机中烘干，最后经磨粉机磨粉、包装。
8.根据权利要求7所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土的制备方法，其特征在于：步骤1）除砂选用卧式离心机。
9.根据权利要求7所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土的制备方法，其特征在于：步骤1）膨润土原矿粉蒙脱石含量≥40%，蒙脱石层电荷密度<0.45/单位半晶胞的钙基、镁基、钠基、锂基或混合型膨润土。
10.根据权利要求7所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土的制备方法，其特征在于：步骤2）钠盐改型剂选用Na2CO3、NaF和Na2SO4中的一种或两种及以上的混合物。
11.根据权利要求7所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土的制备方法，其特征在于：步骤2）钠盐改型剂选用NaF。
12.根据权利要求7所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土的制备方法，其特征在于：步骤2）钠基蒙脱石悬液中的蒙脱石纯度≥95%。
13.根据权利要求7所述的一种配制高屈服值油基钻井液用有机土的制备方法，其特征在于：步骤3）加热至60~80℃。
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