CN104232034B - 一种钻井液和提高钻井液降滤失性能的方法 - Google Patents

一种钻井液和提高钻井液降滤失性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钻井液和提高钻井液降滤失性能的方法。本发明钻井液包括聚异丁烯丁二酰亚胺、乳化剂、有机土、碱度调节剂、无机盐水和主要量的基液。本发明钻井液及方法具有优良的降滤失性能、调节流变性能，润滑性能好，水解稳定性好，具有良好的失水造壁性能，不含芳烃，生物毒性低，降解性好，倾点低、闪点高，应用范围广，安全性能好。

Description

一种钻井液和提高钻井液降滤失性能的方法
技术领域
本发明涉及一种钻井液，特别涉及一种降滤失性能优良的钻井液。
背景技术
钻井液通常分为水基钻井液和油基钻井液。
水基钻井液具有环保和经济的优点，但不能满足复杂井况的性能要求，对于高难度井，经常会遇到扭矩过大、起下钻遇阻、卡钻、机械钻速低、井眼失稳、井漏和地层伤害等问题，且对于深水钻井所面临的问题更加复杂。
油基钻井液作为一种性能优良的钻井液体系，具有润滑性好、抑制性强及热稳定性高的特点，适用于钻大斜度井、水平井或高温及易水化页岩层。如柴油基钻井液曾一度因价格相对较低且性能优良得到了广泛应用，但随着环保要求的日益严格，由于其中含有对环境和人体有害的有毒物质而逐渐不被人们所接受。
为了解决油基钻井液对环境的污染问题并保留其优良的钻井特性，人们发展了其替代体系——合成基钻井液。合成基钻井液无毒、可生物降解，对环境无污染，钻井污水、钻屑和钻井液都可向海洋排放，同时合成基钻井液具有较好的润滑性、较高的热稳定性以及较易调控和稳定的钻井液性能，因而适合应用于环保要求严格地区、海上复杂底层、大斜度井、延伸井和水平井的钻井中。
降滤失效果影响钻井液的整体性能，在钻井液中加入降滤失剂可以在井壁上形成薄而致密的泥饼，尽可能地降低钻井液的滤失量，减少对油气层的损害。钻井液中常用的组分之一为有机土，具有提粘和悬浮重晶石的作用，在一定程度上也能降低钻井液的滤失量，但降低效果有限，因此需要在钻井液体系中加入降滤失剂。目前，国内外关于降滤失剂的研究主要集中在水基钻井液和油基钻井液领域。水基钻井液中常用的降滤失剂有纤维素类、腐殖酸类、丙烯酸类、淀粉类和树脂类，但不适用于油基及合成基钻井液体系。油基钻井液中较常用的降滤失剂为沥青类产品，如氧化沥青，其降滤失效果明显，但会影响机械钻速。另外，油基钻井液还可以采用乙丙共聚物、聚丁烯、聚异戊二烯橡胶、腐殖酸改性树脂等降滤失剂。适用于合成基钻井液体系的降滤失剂未见报道。
2001年，美国环境保护署（EPA）出台了一系列控制近海排放的准则，重点关注对合成基液的限制。之前用于墨西哥湾的线性石蜡（LP）和线性α-烯烃（LAO）不能再使用，因为石蜡的生物降解性不足且有生物毒性；线性α-烯烃的毒性略高于限制要求。同时指出植物油酯、低粘度酯和C16-18内烯烃的合成基液能够满足其指标要求。
US20040002427A1使用大豆油脂肪酸甲酯作为连续相，水作为分散相，配以相应的处理剂来配制合成基钻井液，相对于柴油，该体系无毒、无芳烃、可生物降解。但由于脂肪酸甲酯的倾点较高，因而在一定程度上限制了其应用范围，且其酯基极易水解。
发明内容
本发明提供了一种钻井液和提高钻井液降滤失性能的方法。
本发明钻井液包括聚异丁烯丁二酰亚胺、乳化剂、有机土、碱度调节剂、无机盐水和主要量的基液，所述聚异丁烯丁二酰亚胺的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.2g/mL，所述乳化剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.2g/mL，所述有机土的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.002～0.1g/mL，所述碱度调节剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.002～0.1g/mL。
所述聚异丁烯丁二酰亚胺选自单聚异丁烯丁二酰亚胺、双聚异丁烯丁二酰亚胺和多聚异丁烯丁二酰亚胺中的一种或多种，其中聚异丁烯部分的数均分子量为500～10000，优选800～6000，最优选1000～3500。聚异丁烯丁二酰亚胺可以选用无锡南方添加剂厂生产的T151、T151A、T152、T154，锦州石化分公司添加剂厂生产的T161，路博润兰炼添加剂有限公司生产的LZL l57，LubrizolCorporation生产的LZ6418、LZ6420，Afton Corporation生产的Hitec646等。
所述聚异丁烯丁二酰亚胺的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.2g/mL，优选0.01～0.15g/mL，最优选0.015～0.1g/mL。
所述乳化剂为C10-C20的脂肪酸及其碱金属或碱土金属盐、脂肪酸山梨醇酯、脂肪酸酰胺、脂肪酸聚氧乙烯醚、烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、环烷酸及其碱金属或碱土金属盐、环烷酸酰胺和石油磺酸盐中的一种或多种，可以选用油酸、硬脂酸、硬脂酸钙、油酸山梨醇酯、失水油酸山梨醇酯、油酸酰胺、十八烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、环烷酸钙、环烷酸酰胺和石油磺酸钙中的一种或多种，优选C10-C20的脂肪酸及其碱土金属盐、脂肪酸山梨醇酯、环烷酸及其碱土金属盐中的一种或多种。
所述乳化剂最优选C12-C18的脂肪酸与C12-C18的脂肪酸山梨醇酯的混合物，二者之间的质量比为3:1～1:10，优选2:1～1:8，最优选1:1～1:5。所述C12-C18的脂肪酸山梨醇酯可以选用市售商品Span-80。
所述乳化剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.2g/mL，优选0.01～0.15g/mL，最优选0.012～0.1g/mL。
所述有机土是由亲水的膨润土与阳离子表面活性剂发生离子交换吸附后制成的亲油粘土，所述阳离子表面活性剂优选季铵盐，可以选用十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基苄基氯化铵、十六烷基三甲基溴化胺、十八烷基三甲基氯化铵。所述有机土优选由十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵和十八烷基二甲基氯化胺中的一种或多种与膨润土发生离子交换吸附后制成的的亲油粘土，可以选用市售商品Benton34或ADDEZ150。
所述有机土的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.002～0.1g/mL，优选0.005～0.08g/mL，最优选0.01～0.07g/mL。
所述碱度调节剂优选生石灰、烧碱和石膏中的一种或多种，最优选生石灰。
所述碱度调节剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.002～0.1g/mL，优选0.005～0.09g/mL，最优选0.01～0.07g/mL。
所述无机盐水中的无机盐可以选用CaCl2、NaCl、KCl、Na2CO3和K2CO3中的一种或多种，优选CaCl2和/或NaCl。所述无机盐水的质量浓度为10%～50%，优选15%～40%，最优选20%～30%。
所述基液可以选用酯基液、醚基液和烃基液中的一种或多种，所述酯基液可以选用植物油、动物油和脂肪酸低碳醇酯中的一种或多种，所述醚基液可以选用单醚基液或二醚基液，所述烃基液可以选用石蜡（LP）、α-烯烃（LAO）、内烯烃（IO）、聚α-烯烃（PAO）和烷基苯（LAB）中的一种或多种。
所述脂肪酸低碳醇酯为C8-C20脂肪酸与C1-C12醇的酯化产物。所述C1-C12醇优选C4～C12的一元支链醇，例如异丁醇、叔丁醇、异戊醇和异辛醇中的一种或多种，最优选C5～C8的一元支链醇。
所述脂肪酸低碳醇酯可以由C8-C20脂肪酸与C1-C12醇直接发生酯化反应得到；也可由含有脂肪酸甘油酯的动植物油与C1-C12醇发生酯交换反应得到，其中所述的含有脂肪酸甘油酯的动植物油包括牛油、猪油、大豆油、棉籽油、棕榈油、花生油、菜籽油、葵花籽油、红花油、椰子油和餐饮废油中的一种或多种，优选大豆油和/或棉籽油；还可以由生物柴油与C4-C12支链醇发生酯交换反应制备得到生物柴油支链醇酯。
所述脂肪酸低碳醇酯优选生物柴油和/或生物柴油支链醇酯，最优选生物柴油支链醇酯。
所述生物柴油支链醇酯是由生物柴油与C4-C12支链醇发生酯交换反应得到的脂肪酸支链醇酯。所述C4-C12支链醇优选C4～C12的一元支链醇，例如异丁醇、叔丁醇、异戊醇和异辛醇中的一种或多种，最优选C5～C8的一元支链醇，其中所述的生物柴油可以选用牛油生物柴油、猪油生物柴油、大豆油生物柴油、棉籽油生物柴油、棕榈油生物柴油、花生油生物柴油、菜籽油生物柴油、葵花籽油生物柴油、红花油生物柴油、椰子油生物柴油和餐饮废油生物柴油中的一种或多种，优选大豆油生物柴油和/或棉籽油生物柴油。
所述生物柴油与C4-C12支链醇反应的条件为：反应温度为80～180℃，优选100～180℃，最优选120～170℃；反应时间为0.5～10小时，优选2～10小时，最优选3～8小时；所述生物柴油与C4-C12支链醇的质量比为2:1～6:1，优选1.5:1～5:1，最优选1.1:1～4:1；催化剂可以选用硫酸、对甲苯磺酸、磷酸、磷酸酯、锆酸酯、钛酸酯、氧化锌和阳离子与交换树脂中的一种或多种，优选硫酸、对甲苯磺酸、锆酸酯、钛酸酯和阳离子交换树脂，最优选对甲苯磺酸、锆酸酯和钛酸酯。
在本发明的钻井液中，所述聚异丁烯丁二酰亚胺、乳化剂、有机土和碱度调节剂的加入量是以所述基液和无机盐水的体积之和为基准，所述基液占基液和无机盐水的体积之和的60%～95%，优选70%～90%，所述无机盐水占基液和无机盐水的体积之和的5%～40%，优选10%～30%。
本发明还提供了一种提高钻井液降滤失性能的方法，是将主要量的基液、聚异丁烯丁二酰亚胺、乳化剂和有机土加入到无机盐水和碱度调节剂中调制成钻井液，所述聚异丁烯丁二酰亚胺的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.2g/mL，所述乳化剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.2g/mL，所述有机土的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.002～0.1g/mL，所述碱度调节剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.002～0.1g/mL。
本发明钻井液及方法具有优良的降滤失性能、调节流变性能，润滑性能好，水解稳定性好，具有良好的失水造壁性能，不含芳烃，生物毒性低，降解性好，倾点低、闪点高，应用范围广，安全性能好。
具体实施方式
下面通过实例进一步详细说明本发明，但本发明并不限于此。
所使用的原料及来源：
油酸（AR），北京化工厂；氧化钙（AR），广东汕头市西陇化工厂；
对甲苯磺酸（AR），由国药集团化学试剂有限公司生产；
钛酸四丁酯（CP），由国药集团化学试剂有限公司生产；
Span-80（CP），由国药集团化学试剂有限公司生产；
基液A，棉籽油生物柴油，由石家庄炼化分公司生产；
基液C，大豆油生物柴油，由大豆油与甲醇发生酯交换反应制备得到；
T151，由无锡南方添加剂公司生产；T161，由无锡南方添加剂公司生产；
Benton34，有机土，由NL Chemicals生产；
ADDEZ150，有机土，由杭州西河化工有限公司生产；
AEO-3，脂肪酸聚氧乙烯醚，由浙江皇马化工集团生产；
BC-130，氧化沥青，由潍坊北川天然沥青科技有限公司生产；
乙丙共聚物，由锦州市润达化工有限责任公司生产。
实施例1
将160g异辛醇加入300g基液A（棉籽油生物柴油）中，在搅拌、常压下加入催化剂对甲苯磺酸9.0g，加入完毕后，在常压下通入N2，加热至150℃，搅拌反应4小时，经水洗处理得基液B。
实施例2
将106g异戊醇加入300g基液C（大豆油生物柴油）中，在搅拌、常压下加入催化剂钛酸四丁酯6.0g，加入完毕后，在常压下通入N2，加热至120℃，搅拌反应5小时，经水洗处理得基液D。
基液A、B、C、D的理化性质见表1。
表1基液A、B、C、D的理化性质
钻井液的实施例3-8与对比例1-6
按表2、3的配方组成分别将基液与聚异丁烯丁二酰亚胺、乳化剂、有机土混合、在11000r/min的速度下搅拌10min，然后加入碱度调节剂、无机盐水，在11000r/min的速度下搅拌30min后制备得到钻井液的实施例3-8与对比例1-6。
表2钻井液的实施例
表3钻井液的对比例
对钻井液的实施例3-8与对比例1-6进行了降滤失性能测试，试验设备采用青岛同春石油仪器有限公司生产的ZNS中压失水仪，按照GB-T16782-1997《油基钻井液现场测试程序》中的方法测定滤失量，结果见表4。滤失量越小，表明降滤失效果越好。
由表4结果可知，本发明钻井液具有优良的降滤失性能。
表4
钻井液 滤失量FLAPI/mL
实施例3 8.3
实施例4 7.8
实施例5 2.3
实施例6 6.8
实施例7 2.9
实施例8 5.6
对比例1 12.3
对比例2 16.3
对比例3 6.9
对比例4 11.2
对比例5 7.1
对比例6 6.5

Claims (16)

1.一种钻井液，包括聚异丁烯丁二酰亚胺、乳化剂、有机土、碱度调节剂、无机盐水和主要量的基液，所述聚异丁烯丁二酰亚胺的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.2g/mL，所述乳化剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.2g/mL，所述有机土的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.002～0.1g/mL，所述碱度调节剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.002～0.1g/mL。
2.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述聚异丁烯丁二酰亚胺选自单聚异丁烯丁二酰亚胺、双聚异丁烯丁二酰亚胺和多聚异丁烯丁二酰亚胺中的一种或多种，其中聚异丁烯部分的数均分子量为500～10000。
3.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述乳化剂为C10-C20的脂肪酸及其碱金属或碱土金属盐、脂肪酸山梨醇酯、脂肪酸酰胺、脂肪酸聚氧乙烯醚、烷基磺酸盐、烷基苯磺酸盐、环烷酸及其碱金属或碱土金属盐、环烷酸酰胺和石油磺酸盐中的一种或多种。
4.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述乳化剂为C10-C20的脂肪酸及其碱土金属盐、脂肪酸山梨醇酯、环烷酸及其碱土金属盐中的一种或多种。
5.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述有机土是由亲水的膨润土与阳离子表面活性剂发生离子交换吸附后制成的亲油粘土。
6.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述碱度调节剂为生石灰、烧碱和石膏中的一种或多种。
7.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述无机盐水中的无机盐为CaCl2、NaCl、KCl、Na2CO3和K2CO3中的一种或多种，所述无机盐水的质量浓度为10%～50%。
8.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述基液为植物油、动物油和脂肪酸低碳醇酯中的一种或多种，其中所述的脂肪酸低碳醇酯为C8-C20脂肪酸与C1-C12醇的酯化产物。
9.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述基液为生物柴油支链醇酯，是由生物柴油与C4-C12支链醇发生酯交换反应得到的脂肪酸支链醇酯。
10.按照权利要求9所述的钻井液，其特征在于，所述C4-C12支链醇为C4～C12的一元支链醇。
11.按照权利要求9所述的钻井液，其特征在于，所述生物柴油为牛油生物柴油、猪油生物柴油、大豆油生物柴油、棉籽油生物柴油、棕榈油生物柴油、花生油生物柴油、菜籽油生物柴油、葵花籽油生物柴油、红花油生物柴油、椰子油生物柴油和餐饮废油生物柴油中的一种或多种。
12.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述聚异丁烯丁二酰亚胺的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.01～0.15g/mL。
13.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述乳化剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.01～0.15g/mL。
14.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述有机土的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.08g/mL。
15.按照权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述碱度调节剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.09g/mL。
16.一种提高钻井液降滤失性能的方法，是将主要量的基液、聚异丁烯丁二酰亚胺、乳化剂和有机土加入到无机盐水和碱度调节剂中调制成钻井液，所述聚异丁烯丁二酰亚胺的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.2g/mL，所述乳化剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.005～0.2g/mL，所述有机土的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.002～0.1g/mL，所述碱度调节剂的加入量是基液和无机盐水的体积之和的0.002～0.1g/mL。
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