CN106147729A - 一种油基钻井液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种油基钻井液及其制备方法。该油基钻井液，按重量份计，包括如下组分：基油85~95份，沥青组合物 2~6份，有机土 1~5份，乳化剂 2~4份，润湿剂 1~3份，碱度调节剂 0.5~2份以及加重剂。本发明油基钻井液具有润滑性好、抗高温和性能稳定等特点，能够在较宽温度范围的钻井作业条件下持续发挥作用。

Description

一种油基钻井液及其制备方法
技术领域
本发明属于石油钻井技术领域，具体涉及一种油基钻井液及其制备方法。
背景技术
早在20世纪60年代，国外就对油基钻井液十分重视，70年代针对深井、超深井钻井的需要先后研制了一系列高温油基钻井液，与水基钻井液相比，油基钻井液抗污染能力强，润滑性好，抑制性强，有利于保持井壁稳定，能最大限度地保护油气层；同时油基钻井液性能稳定，易于维护，抗温能力强，热稳定性好。油基钻井液优良的抑制性及抗温性，使其在钻复杂井，特别是在钻高温深井和水敏性地层中优势更明显， 能够更有效地保护水敏性油气层，提高油气产量。
沥青类产品是作为重要油基钻井液处理剂之一， 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、CN102876344 A、CN102876344 A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。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种油基钻井液及其制备方法。本发明油基钻井液具有润滑性好、抗高温和性能稳定等特点，能够在较宽温度范围的钻井作业条件下持续发挥作用。
本发明的油基钻井液，按重量份计，包括如下组分：基油85~95份，沥青组合物 2~6份，有机土 1~5份，乳化剂 2~4份，润湿剂 1~3份，碱度调节剂 0.5~2份以及加重剂。
本发明中，所述的基油可以是白油、柴油、生物柴油、植物油等中的一种或几种，优选白油。
本发明中，所述的沥青组合物，以高软化点沥青为核相，外层包裹高软化点煤沥青，该沥青组合物按质量百分比计，包括如下组分：高软化点沥青20%～50%，高软化点煤沥青50%～80%；其中高软化点沥青与高软化点煤沥青的软化点差为15~40℃。
所述的高软化点沥青的软化点为140～260℃，优选为150～240℃；高软化点沥青为固体粉状，平均粒径≤100μm，优选平均粒径≤60μm。所述的高软化点沥青可以采用市售产品，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。所述的高软化点煤沥青的软化点为100~180℃，优选120~150℃。
所述的沥青组合物的制备方法，包括如下内容：将熔融的煤沥青加入到氧化反应器中，通入空气进行吹气氧化反应，反应结束后，将氧化物料喷洒到高软化点沥青粉表面形成包裹，冷却得到沥青组合物，将沥青组合物加入到粉碎设备中进行混合粉碎，即制备出沥青组合物颗粒。
其中，所述的氧化反应器为间歇式氧化釜或连续式氧化塔。氧化反应条件为：气体流量为0.05～1m3·kg-1·h-1，优选0.1～0.8m3·kg-1·h-1，更优选0.4~0.6 m3·kg-1·h-1。氧化温度为220～300℃，优选为240~280℃，氧化时间为5～20小时，优选8～15小时。优选在吹气氧化过程中加入促进剂，促进剂为双氧水、氯酸钾、高锰酸钾或氯化铁中的一种或几种，促进剂加入量为占煤沥青质量的0.1wt%～1.0wt%。所述的煤沥青为经中温或高温蒸馏后的煤沥青，软化点为50～95℃。所述的喷洒过程可以采用带有一定压力的连接有雾化喷嘴的喷洒设备，压力及喷嘴大小根据实际情况进行调整，确保能够将氧化物料喷出即可。
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20℃，沥青组合物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。
所述的沥青组合物颗粒的平均粒径为50～130μm，优选为60～100μm。
本发明中，所述的乳化剂为椰油脂肪酸二乙醇酰胺、壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、油酸聚氧乙烯醚，硬脂酸聚氧乙烯醚，月桂酸聚氧乙烯醚、烷基醇酰胺聚氧乙烯醚类或脂肪醇聚氧乙烯醚类中的一种或几种。
本发明中，所述的润湿剂为油基钻井液中常用的烷基苯磺酸盐类、高级脂肪酰胺磺酸盐类、油酸、环烷酸酰胺中的一种或几种。
本发明中，所述的碱度调节剂为氧化钙、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或几种。
本发明中，加重剂组分将钻井液密度加重至达到1.5～2.5g/cm3；所述的加重剂为重晶石、铁矿粉、石灰石粉或方铅矿粉等中的一种或几种。
本发明的油基钻井液中，还可以根据实际需要加入其它类别的添加剂，如有机土增效剂、增粘提切剂，絮凝剂等。
本发明的油基钻井液的制备方法，包括如下内容：按配比将乳化剂、润湿剂加入到基油中搅拌10~20分钟，然后加入有机土搅拌10~15分钟，再加入沥青组合物、碱度调节剂搅拌10~30分钟，最后加入加重剂把钻井液密度调节到需要值，得到油基钻井液。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明沥青组合物采用两种性质的沥青进行组合，沥青组合物外层为煤沥青，煤沥青脆性大，常温下易粉碎，与井壁泥页岩的粘附性好；本发明沥青组合物相比于直接机械混合的高低软化点沥青，高低软化点沥青之间结合更紧密，在温度变化时，能够更有效的配合，“外层-中间结合处-内核”结构能够更好的适应钻井过程中井温的连续变化；井温较低时，软化点偏低的外层煤沥青变软，起到封堵的效果，内部的高软化点沥青作为钻井液泥饼的填充粒子，可以改善泥饼质量；井温升高时，软化点偏低的外层煤沥青先软化甚至流淌吸附到粘土颗粒上，起分散和护胶作用，有利于形成致密的泥饼，内部的高软化点沥青在接近软化点附近软化变形，起到封堵的效果。同时，沥青组合物外层的煤沥青部分溶解在油基钻井液的油相中起到提粘切及润滑作用，又能在钻井液中保持一定的颗粒状态，同时，沥青油溶物含量的多少可以调节颗粒的大小，更好地起到封堵、防塌和降滤失效果，提高了钻井液的携岩能力。本发明沥青组合物可以根据实际的需要对沥青组合物的内部和外层的沥青进行软化点的调变，在应用于油基钻井液时，无需再加润滑剂和提切剂等添加剂，简化了钻井液配制的步骤，节约了成本，可以在较宽的钻井深度范围内持续发挥作用。
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。
实施例 1
将高锰酸钾加入到熔融的煤沥青（软化点为60℃）中混合均匀，然后转入到氧化釜中，进行吹气氧化，反应结束后，将氧化物料趁热喷洒至高软化点沥青粉表面（软化点为150℃，平均粒径为70μm），然后冷却至室温，得到沥青组合物，氧化条件及产品性质见表1；其中高锰酸钾：煤沥青：高软化点沥青粉的质量比为1:175:50。
将经低温脆化的沥青组合物（低温脆化条件：温度-25℃，时间8小时）加入到高速粉碎机中，混合时间5s，粉碎时间25s，得到沥青组合物颗粒，记为A1，其平均粒径为100μm。
将椰油脂肪酸二乙醇酰胺、十二烷基苯磺酸钠加入到5#白油中搅拌15分钟，然后加入有机土搅拌15分钟，再加入A1、CaO搅拌20分钟，最后加入重晶石把钻井液密度调节到需要值，得到钻井液1。
其中基油：乳化剂：润湿剂：有机土：沥青组合物：CaO的质量为90：2：1：2：3：0.5。
实施例 2
将熔融的煤沥青（软化点为70℃）中，混合均匀，然后转入到氧化釜中，进行吹气氧化，反应结束后，将氧化物料趁热喷洒至高软化点沥青粉表面（软化点为185℃，平均粒径为50μm），然后冷却至室温，得到沥青组合物，氧化条件及产品性质见表1；其中煤沥青与高软化点沥青粉的质量比为3:1。
将经低温脆化的沥青组合物（低温脆化条件：温度-10℃，时间5小时）加入到高速粉碎机中，混合时间5s，粉碎时间20s，得到沥青组合物颗粒，记为A2，其平均粒径为80μm。
将辛基酚聚氧乙烯醚、油酸加入到3#白油中搅拌20分钟，然后加入有机土搅拌15分钟，再加入A2、CaO搅拌30分钟，最后加入重晶石把钻井液密度调节到需要值，得到钻井液2。
其中基油：乳化剂：润湿剂：有机土：沥青组合物：CaO的质量为92：1.5：2：2：1：0.5。
实施例 3
将熔融的煤沥青（软化点为90℃）加入到氧化釜中，进行吹气氧化，反应结束后，将氧化物料趁热喷洒至高软化点沥青粉表面（软化点为200℃，平均粒径为30μm），然后冷却至室温，得到沥青组合物，氧化条件及产品性质见表1；其中煤沥青与高软化点沥青粉的质量比为3:2。
将沥青组合物加入到高速粉碎机中，混合时间5s，粉碎时间30s，得到沥青组合物颗粒，记为A3，其平均粒径为50μm。
将脂肪醇聚氧乙烯醚、环烷酸酰胺加入到0#柴油中搅拌10分钟，然后加入有机土搅拌10分钟，再加入沥青组合物、CaO搅拌15分钟，最后加入重晶石把钻井液密度调节到需要值，得到钻井液3。
其中基油：乳化剂：润湿剂：有机土：沥青组合物：CaO的质量为85：3：2：1：3：1。
对比例 1
将经低温脆化处理的煤沥青粉（软化点为120℃，平均粒径为80μm）加入到高速粉碎机中，混合时间5s，得到沥青组合物颗粒，记为A4。
将椰油脂肪酸二乙醇酰胺、十二烷基苯磺酸钠加入到基油中搅拌15分钟，然后加入有机土搅拌15分钟，再加入沥青组合物、CaO搅拌20分钟，最后加入重晶石把钻井液密度调节到需要值，得到钻井液1。
其中基油：乳化剂：润湿剂：有机土：沥青组合物：CaO的质量为90：2：1：2：3：0.5。
对比例 2
将经低温脆化处理的高软化点沥青粉（软化点为185℃，平均粒径为60μm）加入到高速粉碎机中，混合时间5s，得到沥青组合物颗粒，记为A5。
将辛基酚聚氧乙烯醚、油酸加入到基油中搅拌20分钟，然后加入有机土搅拌15分钟，再加入沥青组合物、CaO搅拌30分钟，最后加入重晶石把钻井液密度调节到需要值，得到钻井液1。
其中基油：乳化剂：润湿剂：有机土：沥青组合物：CaO的质量为92：1.5：2：2：1：0.5。
对比例 3
将软化点为200℃的沥青（平均粒径为70μm）与软化点为183℃的煤沥青（平均粒径为50μm）加入到高速粉碎机中，混合时间5s，得到沥青组合物颗粒，记为A6；其中软化点为155℃的沥青与软化点为120℃的煤沥青的质量比为2:3。
将脂肪醇聚氧乙烯醚、环烷酸酰胺加入到基油中搅拌10分钟，然后加入有机土搅拌10分钟，再加入沥青组合物、CaO搅拌15分钟，最后加入重晶石把钻井液密度调节到需要值，得到钻井液1。
其中基油：乳化剂：润湿剂：有机土：沥青组合物：CaO的质量为85：3：2：1：3：1。
表1 沥青组合物制备条件及产品性质。
表2油基钻井液性能。
注：热滚时间：时间为16小时，流变性测试温度为60℃，高温高压滤失量测定条件：180℃，3.5MPa；AV：表观粘度，PV：塑性粘度，YP：动切力。

Claims (17)

1.一种油基钻井液，其特征在于：按重量份计，包括如下组分：基油85~95份，沥青组合物 2~6份，有机土 1~5份，乳化剂 2~4份，润湿剂 1~3份，碱度调节剂 0.5~2份以及加重剂；
其中所述的沥青组合物，以高软化点沥青为核相，外层包裹高软化点煤沥青，该沥青组合物按质量百分比计，包括如下组分：高软化点沥青20%～50%，高软化点煤沥青50%～80%；其中高软化点沥青与高软化点煤沥青的软化点差为15~40℃。
2.按照权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述的基油为白油、柴油、生物柴油、植物油等中的一种或几种。
3.按照权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述的高软化点沥青的软化点为140～260℃；高软化点沥青为固体粉状，平均粒径≤100μm。
4.按照权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述的高软化点煤沥青的软化点为100~180℃。
5.按照权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述的沥青组合物的制备方法，包括如下内容：将熔融的煤沥青加入到氧化反应器中，通入空气进行吹气氧化反应，反应结束后，将氧化物料喷洒到高软化点沥青粉表面形成包裹，冷却得到沥青组合物，将沥青组合物加入到粉碎设备中进行混合粉碎，即制备出沥青组合物颗粒。
6.按照权利要求5所述的油基钻井液，其特征在于：氧化反应条件为：气体流量为0.05～1m3·kg-1·h-1，氧化温度为220～300℃，氧化时间为5～20小时。
7.按照权利要求5所述的油基钻井液，其特征在于：所述的煤沥青为经中温或高温蒸馏后的煤沥青，软化点为50～95℃。
8.按照权利要求5所述的油基钻井液，其特征在于：所述的喷洒过程采用带有一定压力的连接有雾化喷嘴的喷洒设备，压力及喷嘴大小根据实际情况进行调整，确保能够将氧化物料喷出即可。
9.按照权利要求5所述的油基钻井液，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20℃。
10.按照权利要求5所述的油基钻井液，其特征在于：沥青组合物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。
11.按照权利要求5所述的油基钻井液，其特征在于：所述的沥青组合物颗粒的平均粒径为50～130μm。
12.按照权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述的乳化剂为椰油脂肪酸二乙醇酰胺、壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、油酸聚氧乙烯醚，硬脂酸聚氧乙烯醚，月桂酸聚氧乙烯醚、烷基醇酰胺聚氧乙烯醚类或脂肪醇聚氧乙烯醚类中的一种或几种。
13.按照权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述的润湿剂为油基钻井液中常用的烷基苯磺酸盐类、高级脂肪酰胺磺酸盐类、油酸、环烷酸酰胺中的一种或几种。
14.按照权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述的碱度调节剂为氧化钙、氢氧化钠或氢氧化钾中的一种或几种。
15.按照权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：加重剂组分将钻井液密度加重至达到1.5～2.5g/cm3；所述的加重剂为重晶石、铁矿粉、石灰石粉或方铅矿粉中的一种或几种。
16.按照权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：油基钻井液中加入有机土增效剂、增粘提切剂或絮凝剂。
17.一种权利要求1所述的油基钻井液的制备方法，其特征在于包括如下内容：按配比将乳化剂、润湿剂加入到基油中搅拌10~20分钟，然后加入有机土搅拌10~15分钟，再加入沥青组合物、碱度调节剂搅拌10~30分钟，最后加入加重剂把钻井液密度调节到需要值，得到油基钻井液。
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