CN104927800A - 一种高密度钻井液用分散剂及其制备方法 - Google Patents

一种高密度钻井液用分散剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高密度钻井液用分散剂及其制备方法。该分散剂由包括以下组分的原料反应而得：褐煤树脂20-50，酚类10-30，酰胺类10-30，磺化剂5-10，催化剂0.5-3，碱试剂5-10，水30-50。所述方法包括：将褐煤树脂、酚类、酰胺类、催化剂、水混合均匀后采用半干法反应后继续依次加入磺化剂和碱试剂制得所述分散剂。本发明所述的分散剂用于高密度钻井液中，该分散剂能显著改善重晶石等固相加重剂表面性质，能在加重剂表面快速形成水化膜，在改善流变性的同时具有显著的吸附和水化能力，解决流变性与沉降稳定性的难题。该制备方法简单、易操作，产品效果显著。

Description

一种高密度钻井液用分散剂及其制备方法
技术领域
 本发明属于油田钻井液用助剂技术领域，具体涉及一种高密度钻井液用分散剂及其制备方法和应用。
背景技术
随着石油工业的发展和对石油需求的不断增长，钻探地层越来越深，油气田勘探开发已深入到环境要求苛刻的油气藏，由浅部地层向深部地层、由浅海向深海转变，开采难度越来越大，其中井深的不断增加就是一个重要表现，由此也带来一系列问题，如井底高压、高温、复杂情况增多等，这给钻井工程带来了挑战，同时对钻井液提出了更高的性能要求。如何在苛刻条件下保持钻井液的性能以满足深井超深井的需要具有重要意义。随着钻遇地层地质情况异常复杂，钻井过程中井塌、井涌、井喷等事故时有发生，地层压力系数高，存在高压盐水层和气层，往往需要高密度或超高密度钻井液来保证钻井的顺利进行。高密度钻井液中固相含量高，膨润土含量低，颗粒之间吃力减小，将相互吸引而形成一定的结构，进而影响粘土颗粒之间的相互作用。体系形成大量网状结构，粘度和切力骤然上升。对于超深井，一般井底温度很高，使得钻井液的维护变得困难，往往陷入加重-增稠-降粘-加重剂沉降-密度下降-再次加重的恶性循环，甚至发生严重事故。为了解决高密度钻井液中因固相含量高而引起的问题，同时满足深井、超深井的需要，我们研制了一种高密度钻井液用分散剂，该分散剂能抗温、抗盐的同时对粘土水化分散具有抑制作用及对重晶石具有分散作用。
发明内容
为了满足钻遇深井、超深井的需要以及对现有技术的改进，本发明的一个目的是提供一种高密度钻井液用分散剂（下文可简称为ZK-506），改分散剂具有耐温、抗盐和分散能力强等特点，与其它钻井液处理剂相容性好，能适用于多种体系的钻井液中，兼顾成本低的特点。
本发明的的另一个目的是提供高密度钻井液用分散剂的制备方法，该工艺简单易操作，反应转化率高，无后处理，无三废。
本发明的第三个目的是提供上述高密度钻井液用分散剂的应用。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：所述高密度钻井液用分散剂由褐煤树脂、酚类和酰胺类物质先在催化剂作用下发生反应，后加入磺化剂经磺化反应制得，所述各反应物的重量份数如下：
褐煤及褐煤改性物                   20-50；
酚类                               10-30；
酰胺类                             10-30；
磺化剂                              5-10；
碱试剂                              5-10；
催化剂                              0.5-3；
水                                  30-50。
优选情况下，参与反应的各反应物的重量份数为：
褐煤及褐煤改性物                    30-40；
酚类                                15-25；
酰胺类                              15-25；
磺化剂                               7-8；
碱试剂                               5-10；
催化剂                               1.5-2；
水                                   35-45。
进一步，所述的褐煤及褐煤改性物为褐煤、褐煤树脂或磺化褐煤中的一种或两种以上组成混合物。
进一步，所述的酚类为苯酚、对苯酚、甲酚中的一种或两种以上组成的混合物。
进一步，所述的高密度钻井液用分散剂，其特征在于所述的酰胺类为丙酰胺、尿素、丙烯酰胺中的一种或两种以上组成的混合物。
进一步，所述的磺化剂为亚硫酸氢钠、发烟硫酸或氯磺酸中的一种。
进一步，所述的催化剂为焦亚硫酸钠、重铬酸钾或氯酸钾中的一种。
进一步，所述的碱试剂为氢氧化钠、氢氧化钾或碳酸钠中的一种或两种组成的混合物。
本发明提供的上述高密度钻井液用分散剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将上述份数的褐煤树脂、酚类、酰胺类、催化剂和水加入到反应釜中，搅拌混合均匀，加热至80-100℃，在此温度下反应1-3小时。
步骤二：上述反应结束后，快速升温至120-150℃后加入磺化剂，搅拌条件下反应1-3小时。
步骤三：最后加入碱试剂搅拌反应0.5-1.5小时得反应产物，反应产物经烘干、粉碎，即得高密度钻井液用分散剂。
本发明提供高密度钻井液用分散剂应用在钻井液中时，该高密度钻井液用分散剂以体积百分含量为1.5%～5%的用量加入到钻井液中。
本发明提供的高密度钻井液用分散剂经各种反应后生成带有苯环、磺酸基、羟基等抗温基团，使其能在高温下保持其优越性能，同时含有胺基，能显著改变固相表面性质，可快速形成水化膜，在改善流变性的同时具有显著的吸附和水化能力，解决流变性与沉降稳定性的难题。
本发明提供的方法简单易操作，反应条件温和，反应物转化效率高，成本低，反应结束后无废处理。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。
以下以实施例详细说明。实施例中所使用的药品和试剂均可自市场购得。
实施例1
 取30kg水，20kg褐煤，10kg苯酚，20kg尿素，0.5kg焦亚硫酸钠，依次加入到反应釜中并搅拌均匀，升温至80℃，恒温搅拌反应1小时，快速升温至120℃，继续向反应釜中加入5kg发烟硫酸，搅拌反应1小时，最后加入5kg氢氧化钠，搅拌反应0.5小时后得反应产物，将反应产物烘干、粉碎，即得高密度钻井液用分散剂。
实施例2
称取40kg水，35kg褐煤树脂，20kg甲酚，30kg丙烯酰胺，1.8kg重铬酸钾，依次加入到反应釜中并搅拌均匀，升温至90℃，恒温搅拌反应2小时，快速升温至130℃，继续向反应釜中加入7kg氯磺酸，搅拌反应2小时，最后加入10kg碳酸氢钠，搅拌反应1.0小时后得反应产物，将反应产物烘干、粉碎，即得高密度钻井液用分散剂。
实施例3
称取50kg水，50kg磺化褐煤，30kg对苯酚，20kg丙酰胺，3.0kg氯酸钾，依次加入到反应釜中并搅拌均匀，升温至90℃，恒温搅拌反应3小时，快速升温至140℃，继续向反应釜中加入10kg亚硫酸氢钠，搅拌反应2小时，最后加入7kg氢氧化钾，搅拌反应1.0小时后得反应产物，将反应产物烘干、粉碎，即得高密度钻井液用分散剂。
实施例4
称取50kg水，25kg褐煤，25kg磺化褐煤，20kg苯酚，10kg甲酚，20kg尿素，3.0kg重铬酸钾，依次加入到反应釜中并搅拌均匀，升温至100℃，恒温搅拌反应3小时，快速升温至150℃，继续向反应釜中加入10kg发烟硫酸，搅拌反应3小时，最后加入10kg氢氧化钾，搅拌反应1.5小时后得反应产物，将反应产物烘干、粉碎，即得高密度钻井液用分散剂。
以下已实施例1为为例，对所制得的高密度钻井液用分散剂ZK-506的细度、在钻井液中的降粘性能、滤失量和抗温抗盐性进行评价。
细度的测定
称取试样10g(称取至0.01g),放入孔径为0.9mm标准筛中在振荡机上用中速振荡10min。将筛余物转入已知质量的器皿中，称量（称准至0.01g）。
根据式（1）计算高密度钻井液用分散剂的细度，两次测定结果的差值在0.5%之间时，取其算术平均值。测定结果如下表1。
            
式中：Sx—0.9mm孔径标准筛的筛余量，%；
          m1—筛余物和器皿质量，g；
          m0—器皿质量，g；
          m—试样质量，g。
               
细度的测量结果取两次的算术平均值为8.7%。
降粘性和滤失量评价
淡水加重基浆的配制
量取300 mL蒸馏水置于杯中，加入0.75 g无水碳酸钠（称准至0.0001 g）、15.0 g钻井液实验用钠膨润土（称准至0.1 g），高速搅拌20 min，其间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的膨润土，在磨口瓶中25℃±3℃下养护24 h后，高速搅拌下加入756 g重晶石（称准至0.1 g），其间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的重晶石，高速搅拌10 min，用六速旋转粘度计测定基浆Ф100读数，按“GB/T 16783.1：水基钻井液现场测试程序”用API滤失仪测定其滤失量，淡水加重基浆密度应该2.15～2.25 g/cm3范围内，Ф100数值应在155～185范围内，API滤失量和120 ℃滚动16 h后滤失量应在25～35 mL。若不在范围内，可适当调整重晶石的加量。
盐水加重基浆的配制
量取300 mL蒸馏水置于杯中，加入12.0 g氯化钠（称准至0.01 g）、1.2 g无水碳酸钠（称准至0.0001 g），高速搅拌5 min，待完全溶解后加入24.0 g钻井液实验用钠膨润土（称准至0.01 g），高速搅拌20 min，其间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的膨润土，在磨口瓶中25℃±3℃下养护24 h后，高速搅拌下加入980 g重晶石（称准至0.1 g），高速搅拌10 min，其间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的重晶石，作为盐水加重基浆。用六速旋转粘度计测定基浆Ф100读数，按“GB/T 16783.1：水基钻井液现场测试程序”用API滤失仪测定其滤失量，盐水加重基浆密度应该2.35～2.45 g/cm3范围内，Ф100数值应在130～160范围内，常温滤失量和120℃滚动16 h后滤失量应均大于100 mL。若不在范围内，可适当调整重晶石的加量。
取两份淡水加重基浆，一份基浆作为常温空白样，高速搅拌10 min后用六速旋转粘度计测100转读数为Ф100（1），按“GB/T 16783.1：水基钻井液现场测试程序”用API滤失仪测定其滤失量；在第二份基浆中用玻璃棒搅拌下加入4.8 g样品（称准至0.0001 g），高速搅拌10 min后测100转读数为Ф100（2）,按“GB/T 16783.1：水基钻井液现场测试程序”用API滤失仪测定其滤失量；按式（2）计算淡水浆常温降粘率,实验结果见表2。
    
式中：P1—— 淡水常温降粘率，%；
Ф100（1）——常温淡水基浆100 r/min的读数；
Ф100（2）——加样后常温淡水钻井液100 r/min的读数。
根据公式（2）得到其在常温条件下，对淡水加重基浆的降粘率为80%，降粘效果显著，同时降低了泥浆的滤失量。
取两份盐水加重基浆，一份基浆作为常温空白样，高速搅拌10 min后用六速旋转粘度计测100转读数为Ф100（5）和常温滤失量；在第二份基浆中用玻璃棒搅拌下加入13.0 g样品（称准至0.01 g），高速搅拌10 min后测100转读数为Ф100（6），“GB/T 16783.1：水基钻井液现场测试程序”用API滤失仪测定其滤失量；按式（3）计算盐水浆的常温降粘率，实验结果见表3。
    
式中：P3—— 盐水常温降粘率，%；
Ф100（5）——常温盐水基浆100 r/min的读数；
Ф100（6）——加样后常温盐水钻井液100 r/min的读数。
根据公式（3）得到其在常温条件下，对盐水加重基浆的降粘率为85%，降粘效果显著，同时加样后，对盐水加重基浆的滤失量能显著改善。
抗温性能测定
取两份淡水加重基浆，一份基浆高速搅拌10 min后放入滚子加热炉中，于120℃滚动16 h，待冷却至25±3℃，高速搅拌5 min，测100转读数Ф100（3）和120℃/16 h后API滤失量；在第二份基浆中用玻璃棒搅拌下加入4.8 g（准称至1 mg）样品，高速搅拌10 min放入滚子加热炉中，于120℃滚动16 h，待冷却至25±3℃，高速搅拌5 min，测100转读数Ф100（4）和120℃/16 h后滤失量。按式（4）计算淡水浆常温和120℃/16 h降粘率，,实验结果见表4。
              
式中：P2—— 淡水120℃/16 h 降粘率，%；
Ф100（3）——120℃/16 h淡水基浆100 r/min的读数；
Ф100（4）——加样后120℃/16 h淡水钻井液100 r/min的读数。
根据公式（4）得到其在120℃热滚16h后，对淡水加重基浆的降粘率为80%，降粘效果显著，滤失量也同时降低。
取两份盐水加重基浆，一份基浆高速搅拌10 min后放入滚子加热炉中，于120℃滚动16 h，待冷却至25±3℃，高速搅拌5 min，测100转读数Ф100（7）和120℃/16 h后API滤失量；在第二份基浆中用玻璃棒搅拌下加入13.0 g样品（准称至0.01 g），高速搅拌10 min放入滚子加热炉中，于120℃滚动16 h，待冷却至25±3℃，高速搅拌5 min，测100转读数Ф100（8）和120℃/16 h后API滤失量。按式（5）计算盐水浆的常温和120℃/16 h降粘率，实验结果见表5。
   
式中：P4—— 盐水120℃/16 h 降粘率，%；
Ф100（7）——120℃/16 h盐水基浆100 r/min的读数；
Ф100（8）——加样后120℃/16 h盐水钻井液100 r/min的读数。
根据公式（5）得到其在120℃热滚16h后，对淡水加重基浆的降粘率为74%，降粘效果显著，120℃热滚16h后也能有效降低泥浆的滤失量。
本发明实施例1-4所得高密度钻井液用分散剂的各项性能指标见表6。
上述实施例只是对本发明的说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种高密度钻井液用分散剂，其特征在于，所述高密度钻井液用分散剂由褐煤或褐煤改性物、酚类和酰胺类物质先在催化剂作用下发生反应，后分别加入磺化剂、碱试剂经磺化反应、中和反应制得，所述各反应物的重量份数如下：
褐煤及褐煤改性物                20-50；
酚类                            10-30；
酰胺类                          10-30；
磺化剂                          5-10；
碱试剂                          5-10；
催化剂                          0.5-3；
水                              30-50。
2.根据权利要求1所述的高密度钻井液用分散剂，其特征在于所述的褐煤及褐煤改性物为褐煤、褐煤树脂或磺化褐煤中的一种或两种以上组成混合物。
3.根据权利要求1所述的高密度钻井液用分散剂，其特征在于所述的酚类为苯酚、对苯酚、甲酚中的一种或两种以上组成的混合物。
4.根据权利要求1所述的高密度钻井液用分散剂，其特征在于所述的酰胺类为丙酰胺、尿素、丙烯酰胺中的一种或两种以上组成的混合物。
5.根据权利要求1所述的高密度钻井液用分散剂，其特征在于所述的磺化剂为亚硫酸氢钠、发烟硫酸或氯磺酸中的一种。
6.根据权利要求1所述的高密度钻井液用分散剂，其特征在于所述的催化剂为焦亚硫酸钠、重铬酸钾或氯酸钾中的一种。
7.根据权利要求1所述的高密度钻井液用分散剂，其特征在于所述的碱试剂为氢氧化钠、氢氧化钾或碳酸钠中的一种或两种组成的混合物。
8.根据权利要求1-7所述的高密度钻井液用分散剂，其特征在于所述的高密度钻井液用分散剂的制备方法包括如下步骤:
步骤一：将上述份数的褐煤树脂、酚类、酰胺类、催化剂和水加入到反应釜中，搅拌混合均匀，加热至80-100℃，在此温度下反应1-3小时;
步骤二：上述反应结束后，快速升温至120-150℃后加入磺化剂，搅拌条件下反应1-3小时;
步骤三：最后加入碱试剂搅拌反应0.5-1.5小时得反应产物，反应产物经烘干、粉碎，即得高密度钻井液用分散剂。
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