CN105585858A - 一种改性沥青组合物颗粒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改性沥青组合物颗粒及其制备方法，本发明的改性沥青组合物颗粒，包括如下组分：高软化点沥青颗粒80wt%～94wt%；胶乳5wt%～20wt%；其中，所述的高软化点沥青颗粒，以高软化点沥青I为核相，外层包裹高软化点沥青II，高软化点沥青II与高软化点沥青I的软化点差为10~25℃。制备方法如下：将胶乳均匀喷洒到高软化点沥青组合物上，静置渗透一段时间，经真空冷冻干燥，得到改性沥青组合物颗粒。本发明改性沥青组合物颗粒具有较高的软化点，高温性能优良，制备方法简单，在深层钻井时能够在较宽温度范围的钻井作业条件下持续发挥作用，起到良好的封堵和降滤失效果。

Description

一种改性沥青组合物颗粒及其制备方法

技术领域

本发明属于石油沥青领域，具体涉及一种改性沥青组合物颗粒及其制备方法。

背景技术

沥青类产品是重要钻井液处理剂之一，具有良好的防塌、润滑、乳化、降滤失和高温稳定等综合效能。沥青类产品一般含有不溶于水的沥青颗粒，并且有一定的软化点。当井眼内有足够高的温度和压力时，沥青颗粒软化变形，并被挤入井壁微裂缝中，阻止钻井液和滤液从微裂缝渗透，与泥饼一起有效地封堵地层。沥青类物质是石油钻井极其有效的防塌剂和油层保护剂。随着石油勘探与开发的发展，钻井深度不断加深，钻遇地层愈来愈复杂，定向井、水平井等特殊工艺井的数量逐渐增多。这使钻井工程对钻井液用沥青类产品及其体系提出了更高的要求。开发出高温性能好、有良好封堵性和降滤失性的高软化点沥青(指软化点在100℃以上，尤其是在120℃以上)，以满足油田钻井工程的需要，具有十分重要的意义。

高软化点沥青的制备工艺一般采用溶剂脱沥青或吹气氧化工艺，CN102464989A、CN102876344A、CN102464988A和CN102382696A等公开了几种用于钻井液中的高软化点沥青或沥青颗粒的制备方法，沥青软化点一般在120℃以上，最高达250℃。

CN102952526A公开了一种高软化点乳化沥青水基钻井液处理剂及其制备方法，所述钻井液处理剂包括40～70%软化点为150～240℃的沥青、35～50重量%水，0.02～2%助剂，0.05～5%乳化剂，0.01～1%稳定剂，该钻井液处理剂具有良好的高温高压降滤失功能，适用于高温高压的深井及超深井钻井。

US7220348B1、CN102876344A、CN102876344A和CN102732280A也公开几种高软化点沥青的生产方法，沥青产品软化点都在250℃以，但主要用于生产碳纤维制品、耐火材料粘结剂及纺丝领域。

现有的高软化点沥青在应用于钻井液体系当中时，由于组成单一，存在粘弹范围较小，使用温度范围较窄等问题，很难在井下持续发挥作用。CN1046176A公开了一种含有预混合的约2份高软化点硬沥青、约1份低软化点硬沥青、约1份苛化褐煤以及一种强亲油性非离子表面活性剂的水基钻井泥浆添加剂。这种添加剂组合物可以在宽范围的温度和压力内有效，但简单的机械混合很难有效的发挥不同软化点沥青的作用效果。采用几种不同软化点沥青机械混合，简单组合，也都是各自发挥作用，超过软化点之后，就失去作用，想要在不同温度范围内达到良好的封堵效果，就要保证每种软化点沥青的加入量，进一步增加了沥青在钻井液分散的难度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种改性沥青组合物颗粒及其制备方法。本发明改性沥青组合物颗粒具有较高的软化点，高温性能优良，制备方法简单，在深层钻井时能够在较宽温度范围的钻井作业条件下持续发挥作用，起到良好的封堵和降滤失效果。

本发明的改性沥青组合物颗粒，按改性沥青组合物颗粒重量百分含量计，包括如下组分：

高软化点沥青颗粒80wt%～94wt%；

胶乳5wt%～20wt%；

其中，所述的高软化点沥青颗粒，以高软化点沥青I为核相，外层包裹高软化点沥青II，按质量百分比计，包括如下组分：高软化点沥青I20%～60%，高软化点沥青II40%～80%；其中高软化点沥青II与高软化点沥青I的软化点差为10~25℃；

所述的高软化点沥青I的软化点为150~280℃，优选180~260℃，高软化点沥青I为固体粉状，平均粒径≤80μm，优选平均粒径≤60μm，高软化点沥青I可以为市售产品或天然硬沥青，也可以按照本领域常规技术制备，如减压蒸馏工艺、溶剂脱沥青工艺、吹气氧化工艺等，或几种工艺的结合。

所述的高软化点沥青II的软化点为160～300℃，优选为180～280℃，高软化点沥青II可以为粉末状或颗粒状，高软化点沥青II可以为市售产品或天然硬沥青，也可以按照本领域常规技术制备，如减压蒸馏工艺、溶剂脱沥青工艺、吹气氧化工艺等，或几种工艺的结合。

所述的高软化点沥青颗粒的制备方法，包括如下内容：（1）将高软化点沥青II与相容剂混合得到母液，然后将高软化点沥青I与母液在反应器中混合均匀，从反应器底部通入压缩气体进行吹脱处理，相容剂呈气相经反应器上部出口排出，经冷却可循环使用，吹脱结束后，出料，冷却得到高软化点沥青混合物；（2）将步骤（1）得到的混合物、表面活性剂和无机微粉加入到粉碎设备中进行混合粉碎，即制备出高软化点沥青颗粒。

所述的相容剂为馏程范围在100~300℃之间的任意馏分，优选150~280℃之间的任意馏分。

所述的相容剂与高软化点沥青II混合的质量比为1:4~2:1，优选1:3~1:1。

所述的压缩气体为空气、氮气或惰性气体中的一种或几种。

所述的高软化点沥青II与相容剂混合温度为20~80℃，优选25~75℃。混合时间为5~60分钟，优选10~30分钟，混合过程可以采用普通的机械搅拌的方式，使二者混合均匀。

所述的反应器为带有搅拌功能的反应容器，反应器下部设有压缩气体入口，上部设有气体出口。

所述的吹脱处理的条件为：吹脱温度120～300℃，优选为160～280℃，吹脱时间为0.3～3小时，压缩气体入口压力为0.1~0.5MPa。

吹脱处理过程优选按照如下方式进行：在温度120~250℃，进行吹脱处理20~150分钟，然后升温至140~300℃，吹脱10~100分钟。所述的吹脱温度始终小于高软化点沥青I的软化点。

所述的高软化点沥青I优选与无机微粉进行干混，其中沥青与无机微粉的质量比为10：1~100：1，所述的无机微粉为石墨、蒙脱土、膨润土或水滑石中的一种或几种，无机微粉的粒度小于100μm，优选纳米级无机微粉，上述无机微粉优选经过有机改性的无机微粉，如硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂等有机改性剂。

所述的粉碎设备可以是高速剪切粉碎机、胶体磨、球磨粉碎机等搅拌或打击搅拌式粉碎设备，粉碎时间为10～60s，粉碎温度为不大于30℃，高软化点沥青优选在粉碎前进行低温脆化处理，低温脆化处理条件为：温度为0～-60℃，优选为-10～-30℃，时间为2～48小时，优选为2～10小时。

所述的表面活性剂为十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、木质素磺酸钠或木质素磺酸钙等中的一种或几种，加入量占高软化点沥青组合物颗粒重量的0.05%~5%，优选0.5%~3%。

所述的无机微粉为石墨、蒙脱土、膨润土或水滑石中的一种或几种，无机微粉的粒度小于100μm，优选纳米级无机微粉，上述无机微粉优选经过有机改性的无机微粉，加入量占高软化点沥青组合物颗粒重量的1%~10%，优选3%~5%。

所述的高软化点沥青颗粒中还可以根据需要加入磷酸酯淀粉、羧甲基淀粉、阳离子淀粉、羧甲基纤维素(CMC)、聚乙烯醇纤维和水溶性PVA纤维中的一种或几种。

所述的高软化点沥青颗粒的平均粒径为50～150μm，优选为60～100μm。

本发明所述的胶乳，可以是天然胶乳、丁苯胶乳、丁腈胶乳、氯丁胶乳、聚苯乙烯胶乳或聚丁二烯胶乳中的一种或几种。

本发明改性沥青组合物颗粒中优选加入促进剂，以改性沥青组合物颗粒重量为基准，促进剂加入量为1wt%～10wt%，其中促进剂为硫酸盐、季铵盐或木质素磺酸盐中的一种或几种，其中硫酸盐为改性月桂醇基硫酸钠、仲醇基硫酸钠和混合脂肪醇硫酸钠等中的一种或几种；季铵盐为十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵等中的一种或几种；木质素磺酸盐为木质素磺酸钠或木质素磺酸钙。

本发明的改性沥青组合物颗粒的制备方法，包括如下内容：将胶乳均匀喷洒到高软化点沥青颗粒上，静置渗透一段时间，经真空冷冻干燥，得到改性沥青组合物颗粒。

本发明方法中，所述的胶乳是天然胶乳、丁苯胶乳、丁腈胶乳、氯丁胶乳、聚苯乙烯胶乳或聚丁二烯胶乳中的一种或几种，胶乳的固含量为20wt%～60wt%。

本发明方法中，高软化点沥青颗粒与胶乳的质量比为5：1～1：1。

本发明方法中，喷洒胶乳可以采用具有喷洒功能的设备，如喷壶、喷洒机、喷雾器等，喷洒过程中可以对物料进行翻动或拌和，使胶乳均匀分散在沥青颗粒表面。

本发明方法中，所述的静置渗透时间为0.5~2小时，在常温下静置即可。

本发明方法中，真空冷冻干燥的条件为：干燥温度为-10～-50℃，优选-20~-40℃，冷冻时间5～24小时，优选10~18小时。真空冷冻干燥前需进行预冻，预冻温度为-30~-50℃，预冻时间为1~4小时。

本发明方法中，优选在制备过程中加入促进剂，促进剂需在真空冷冻干燥前加入。

本发明改性沥青组合物颗粒在油田钻井方面，特别是深层钻井液体系中的应用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本发明使用的高软化点沥青颗粒，外层的软化点高于核相的软化点10~25℃，井温在两种软化点区间及附近变化时，高软化点沥青组合物颗粒的核相先软化，但由于外层沥青的存在，不会发生流淌，当受到外力挤压时，沥青颗粒容易变形，核相和外层粘弹性差异，也有利于形成致密的泥饼，起到封堵作用，拓宽了高软化点沥青组合物颗粒的适用温度范围。本发明高软化点沥青组合物颗粒可以根据实际的需要对核相和外层的沥青进行软化点的调变，可以在较宽的钻井深度范围内持续发挥作用。本发明高软化点沥青组合物颗粒相比于单一或机械混合的高软化点沥青混合物，具有更强的变形能力，可以根据实际需要调整颗粒大小，从而使用油层内不同大小的孔的封堵，起到良好的封堵效果。

（2）本发明在高软化点沥青颗粒外层进一步引入了胶乳作为改性剂。一方面，胶乳与沥青颗粒有较好的亲和能力，可以均匀地附着在沥青的表面，同时增加了颗粒的可变形能力，即增加了其粘弹使用范围。另一方面，在钻井作业中，颗粒在压力和其它外力的作用下，少部分胶乳可以在井壁和泥饼之间形成薄膜，提高了泥饼的致密性，起到了很好的降低高温高压滤失量的作用。在制备过程中，采用喷洒的方法简单易行，而且较易均匀；常温静置渗透一段时间可以使胶乳与沥青颗粒之间更好结合。

具体实施方式

下面将通过实施例对本发明进行进一步说明，但并不因此而限制本发明，其中的百分含量为质量百分含量。软化点的测试方法根据GB/T4507方法进行。高温高压滤失量按SY/T5621方法测定。平均粒度分布采用激光粒度仪测定的。

实施例1

取100g高软化点沥青II（软化点为200℃）和70g馏程为150~170℃的馏分置于容器中，30℃搅拌35分钟，待充分混合均匀后制得母液；将60g高软化点沥青I（软化点为180℃，平均粒径为70μm）与母液在反应器中混合，并通入压缩空气，气体入口压力为0.2MPa，反应器温度保持在140~150℃，搅拌20分钟，然后升温至170℃，搅拌10分钟，出料，冷却得到高软化点沥青混合物；

将100g低温脆化处理的高软化点沥青混合物（低温脆化条件：温度-25℃，时间8小时）、4g水滑石和1.5g木质素磺酸钠，加入到高速粉碎机中，混合粉碎25s，得到高软化点沥青颗粒，记为A1，其平均粒径为90μm。

实施例2

取100g高软化点沥青II（软化点为250℃）和50g煤油置于容器中，室温50℃搅拌30分钟，待充分混合均匀后制得母液；将100g高软化点沥青I（软化点为220℃，平均粒径为75μm）与母液在反应器中混合，并通入压缩空气，气体入口压力为0.25MPa，反应器温度保持在180~190℃，搅拌60分钟，然后升温至210℃，搅拌10分钟，出料，冷却得到高软化点沥青混合物；

将100g经低温脆化的高软化点沥青组合物（脆化处理条件同实施例1）、5g石墨、1g十六烷基三甲基溴化铵和3g羧甲基淀粉加入到高速粉碎机中，混合粉碎15s，得到高软化点沥青颗粒，记为A2，其平均粒径为100μm。

实施例3

取100g高软化点沥青II（软化点为170℃）和100g汽油置于容器中，室温65℃搅拌30分钟，待充分混合均匀后制得母液；将120g高软化点沥青I（软化点为145℃，平均粒径为80μm）与母液在反应器中混合，并通入压缩空气，气体入口压力为0.35MPa，反应器温度保持在140℃，搅拌60分钟，出料，冷却得到高软化点沥青混合物；

将100g沥青组合物、6g蒙脱土和0.5g十八烷基三甲基溴化铵，加入到高速粉碎机中，混合粉碎30s，得到高软化点沥青颗粒，记为A3，其平均粒径为80μm。

对比例1

100g高软化点沥青I、4g水滑石和1.5g木质素磺酸钠，加入到高速粉碎机中，混合粉碎25s，得到高软化点沥青颗粒，记为A4，其平均粒径为90μm。

对比例2

100g高软化点沥青II、5石墨、1g十六烷基三甲基溴化铵和3g羧甲基淀粉加入到高速粉碎机中，混合粉碎20s，得到沥青颗粒，记为A5，其平均粒径为85μm。

对比例3

高软化点沥青I和高软化点沥青II的原料及用量比例同实施例3，100g高软化点沥青I和高软化点沥青II的混合物经脆化处理（脆化处理条件同实施例1），与6g蒙脱土、0.5g十八烷基三甲基溴化铵，加入到高速粉碎机中，混合粉碎30s，得到沥青颗粒，记为A6，其平均粒径为100μm。

实施例4

将胶乳均匀喷洒到沥青颗粒A1上，边喷洒边翻动。喷洒结束后，常温静置30分钟，进行真空冷冻干燥（预冻温度为-40℃，预冻时间为2小时，干燥温度-20℃，干燥时间为10小时），得到改性沥青组合物颗粒A7。

实施例5

取96g氯丁胶乳（固含量30%）置于喷壶中，将胶乳均匀喷洒到沥青颗粒A2，边喷洒边翻动。喷洒结束后，常温静置45分钟。加入5.0%木质素磺酸钠，混合均匀，进行真空冷冻干燥（预冻温度-30℃，预冻时间2.5小时；干燥温度-18℃，干燥时间12小时），得到改性沥青组合物颗粒A8。

实施例6

取128g丁腈胶乳（固含量30%）置于喷壶中，将胶乳均匀喷洒到沥青颗粒A3上，边喷洒边翻动。喷洒结束后，常温静置60分钟。进行真空冷冻干燥（预冻温度-35℃，预冻时间3小时；干燥温度-25℃，干燥时间15小时），得到改性沥青组合物颗粒A9。

将A1~A9高软化点青颗粒加入到配制好的基浆，高软化点沥青颗粒加入量占基浆重量的2%，在试验压力3.45MPa条件下分别测定不同温度老化后的滤失量，具体结果见表1。其中基浆制备方法如下：1000mL水中加入2.75g无水碳酸钠沥，再加入60g钙膨润土，高速搅拌20分钟于室温下养护24小时，得6%淡水基浆。

表1改性沥青组合物颗粒不同温度老化后的滤失量。

注：表中温度为陈化温度，陈化时间均为16小时。

Claims (29)

1.一种改性沥青组合物颗粒，其特征在于：按改性沥青组合物颗粒重量百分含量计，包括如下组分：高软化点沥青颗粒80wt%～94wt%；胶乳5wt%～20wt%；其中，所述的高软化点沥青颗粒，以高软化点沥青I为核相，外层包裹高软化点沥青II，按质量百分比计，包括如下组分：高软化点沥青I20%～60%，高软化点沥青II40%～80%；其中高软化点沥青II与高软化点沥青I的软化点差为10~25℃。

2.按照权利要求1所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的高软化点沥青I的软化点为150~280℃，高软化点沥青I为固体粉状，平均粒径≤80μm。

3.按照权利要求1所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的高软化点沥青II的软化点为160～300℃，高软化点沥青II为粉末状或颗粒状。

4.按照权利要求1所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的高软化点沥青颗粒的制备方法，包括如下内容：（1）将高软化点沥青II与相容剂混合得到母液，然后将高软化点沥青I与母液在反应器中混合均匀，从反应器底部通入压缩气体进行吹脱处理，相容剂呈气相经反应器上部出口排出，经冷却可循环使用，吹脱结束后，出料，冷却得到高软化点沥青混合物；（2）将步骤（1）得到的混合物、表面活性剂和无机微粉加入到粉碎设备中进行混合粉碎，即制备出高软化点沥青颗粒。

5.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的相容剂为馏程范围在100~300℃之间的任意馏分。

6.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的相容剂与高软化点沥青II混合的质量比为1:4~2:1。

7.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的压缩气体为空气、氮气或惰性气体中的一种或几种。

8.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的高软化点沥青II与相容剂混合温度为20~80℃，混合时间为5~60分钟。

9.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的反应器为带有搅拌功能的反应容器，反应器下部设有压缩气体入口，上部设有气体出口。

10.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的吹脱处理的条件为：吹脱温度120～300℃，吹脱时间为0.3～3小时，压缩气体入口压力为0.1~0.5MPa。

11.按照权利要求4或11所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的吹脱处理过程按照如下方式进行：在温度120~250℃，进行吹脱处理20~150分钟，然后升温至140~300℃，吹脱10~100分钟。

12.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的吹脱温度始终小于高软化点沥青I的软化点。

13.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的高软化点沥青I与无机微粉进行干混，其中沥青与无机微粉的质量比为10：1~100：1；所述的无机微粉为石墨、蒙脱土、膨润土或水滑石中的一种或几种，无机微粉的粒度小于100μm。

14.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的粉碎设备是高速剪切粉碎机、胶体磨、球磨粉碎机或打击搅拌式粉碎设备，粉碎时间为10～60s，粉碎温度为不大于30℃。

15.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：高软化点沥青优选在粉碎前进行低温脆化处理，低温脆化处理条件为：温度为0～-60℃，时间为2～48小时。

16.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的表面活性剂为十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、木质素磺酸钠或木质素磺酸钙等中的一种或几种，加入量占高软化点沥青颗粒重量的0.05%~5%。

17.按照权利要求4所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的无机微粉为石墨、蒙脱土、膨润土或水滑石中的一种或几种，无机微粉的粒度小于100μm，加入量占高软化点沥青颗粒重量的1%~10%。

18.按照权利要求1所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的高软化点沥青颗粒中加入磷酸酯淀粉、羧甲基淀粉、阳离子淀粉、羧甲基纤维素、聚乙烯醇纤维和水溶性PVA纤维中的一种或几种。

19.按照权利要求1所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的高软化点沥青颗粒的平均粒径为50～150μm。

20.按照权利要求1所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：所述的胶乳是天然胶乳、丁苯胶乳、丁腈胶乳、氯丁胶乳、聚苯乙烯胶乳或聚丁二烯胶乳中的一种或几种。

21.按照权利要求1所述的改性沥青组合物颗粒，其特征在于：改性沥青组合物颗粒中加入促进剂，以改性沥青组合物颗粒重量为基准，促进剂加入量为1wt%～10wt%，其中促进剂为硫酸盐、季铵盐或木质素磺酸盐中的一种或几种；其中硫酸盐为改性月桂醇基硫酸钠、仲醇基硫酸钠和混合脂肪醇硫酸钠等中的一种或几种；季铵盐为十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵等中的一种或几种；木质素磺酸盐为木质素磺酸钠或木质素磺酸钙。

22.一种权利要求1~21任一权利要求所述的改性沥青组合物颗粒的制备方法，包括如下内容：将胶乳均匀喷洒到高软化点沥青颗粒上，静置渗透一段时间，经真空冷冻干燥，得到改性沥青组合物颗粒。

23.按照权利要求22所述的方法，其特征在于：所述的胶乳是天然胶乳、丁苯胶乳、丁腈胶乳、氯丁胶乳、聚苯乙烯胶乳或聚丁二烯胶乳中的一种或几种，胶乳的固含量为20wt%～60wt%。

24.按照权利要求22所述的方法，其特征在于：高软化点沥青颗粒与胶乳的质量比为5：1～1：1。

25.按照权利要求22所述的方法，其特征在于：喷洒胶乳采用具有喷洒功能的设备，喷洒过程中对物料进行翻动或拌和，使胶乳均匀分散在沥青颗粒表面。

26.按照权利要求22所述的方法，其特征在于：所述的静置渗透时间为0.5~2小时，在常温下静置。

27.按照权利要求22所述的方法，其特征在于：真空冷冻干燥的条件为：干燥温度为-10～-50℃，冷冻时间5～24小时；真空冷冻干燥前需进行预冻，预冻温度为-30~-50℃，预冻时间为1~4小时。

28.按照权利要求22所述的方法，其特征在于：在制备过程中加入促进剂，促进剂需在真空冷冻干燥前加入。

29.一种权利要求1~21任一权利要求所述的改性沥青组合物颗粒在油田钻井中的应用。