CN106350040A - 一种抗高温油包水生物柴油钻井液及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抗高温油包水生物柴油钻井液及其制备方法，以所述钻井液的总重量为基准，该钻井液包括以下组分：60-90wt％的油相、10-40wt％的水相、1.0-3.5wt％的主乳化剂、0.5-1.5wt％的辅乳化剂、1-3wt％的亲油胶体、1-3wt％的降滤失剂、1-3wt％的氧化钙，所述油相为生物柴油；所述水相为氯化钙溶液；所述主乳化剂为由有机酸、有机酸酰胺组成的混合液；所述辅乳化剂为十二烷基苯磺酸钠；所述亲油胶体为有机土；所述的降滤失剂为氧化沥青。本发明的生物柴油基钻井液粘切较高、携盐能力强、具有流变性好、悬浮稳定性好、易生物降解等特点。该钻井液破乳电压达到600V以上，体系润滑性能较好，具有良好的抑制性能，滚动回收率达到85％以上。

Description

一种抗高温油包水生物柴油钻井液及制备方法
技术领域
本发明涉及钻井液领域，进一步地说，是涉及一种环保可生物降解的油基钻井液，主要用于高温深井、大斜度定向井、水平井、大位移井及各种复杂地层的钻探井。
背景技术
油基钻井液是指以油作为连续相的钻井液。与水基钻井液相比较，油基钻井液具有抗高温、抗盐钙侵、润滑性好、有利于井壁稳定和对油气层损害程度较小等多种优点。传统油基钻井液体系大多采用柴油或矿物白油作为基础油，普遍存在环境污染严重的问题，配制成本高，并且难处理以及处理成本高，且不易生物降解。近年来随着环保法规对钻井行业的监管日益严格，生物柴油基钻井液应运而生。
生物柴油是清洁的可再生能源，它以大豆和油菜籽等油料作物、油棕和黄连木等油料林木果实、工程微藻等油料水生植物以及动物油脂、废餐饮油等为原料制成的液体燃料，是优质的石油柴油代用品。生物柴油含硫量低，芳香族烷烃易生物降解；由于闪点高，安全性能好；生物柴油的可再生性，符合可持续发展战略的要求。随着国内生物柴油技术的不断发展，使得生物柴油具有较低的成本，可大幅度的降低油基钻井液的成本。以生物柴油为基油的油基钻井液不仅具有良好的环保性能，抗温性能好，而且较常规的油基钻井液有明显的成本优势，在油气钻井领域具有广阔的应用前景
经文献检索，国外已有采用无毒、已生物降解的植物油代替矿物油和柴油配制钻井液的报道。文献SPE52739报道了G.Sachez等人对棕榈树油、矿物油和柴油基油基钻井液进行了毒性及生物降解实验，结果表明矿物油和棕榈树油基泥浆的毒性很低，而柴油基钻井液表现出较高的毒性。在厌氧条件下，棕榈树油基钻井液是唯一的可生物降解的(降解率>70％)，对环境影响小。文章对于油基钻井液的流变性没有涉及。文献SPE140720报道了Adewale Dosunmu等人采用棕榈油和花生油作为基础油配制油基钻井液，油水比在75:25～90:10，密度1.2g/cm3，结果表明棕榈油及其配制的泥浆热滚前有较高的粘度和渐进的凝胶特性，120度老化16h后，泥浆粘度更高并超出了粘度计读数范围；花生油对环境无害，易于生物降解，热稳定性好，但是成本较高，因此该体系的钻井液成本也较高。文献SPE167551和SPE152865报道了Fadairo等人研究了非食用植物油基泥浆，并对麻风树油和油菜籽油的流变性能进行了研究，该体系毒性低，生物降解性能好，但盐度和温度对钻井液的流变性影响很大，需要改善泥浆的流变性。
近年来，随着海洋和环保要求比较高的陆地地区的不断勘探，人们对环保型油基钻井液的呼声越来越高，国内科研院所和石油公司逐步开始了对生物柴油基钻井液技术的研究。
针对目前油基钻井液存在的配制成本高、易污染环境、有一定的安全隐患等缺点，文献SPE155578报道了生物柴油和白油的流变性及抑制性的对比，结果表明生物柴油流变性好于白油，并且生物柴油具有更好的抵抗高温和页岩膨胀。通过实验得出的生物柴油钻井液配方流变性能较好，塑性粘度较小，但切力相对较大，180℃老化16h后API失水10ml，基本满足油田要求，文章中没有涉及钻井液密度。文献《生物柴油钻井液研究与应用》及专利CN201110301489.2以生物柴油作为基油，研制出了一套具有良好的抗高温(180℃)和抗水侵(10％淡水或10％饱和盐水)、钙侵(3％Ca2+)、劣土侵(10％钠膨润土)能力的全油基钻井液，没有涉及钻井液的密度。同时研制出了油水比为8：2的油包水钻井液配方，该体系密度达1.92g/cm3仍具有良好的流变性能和乳化稳定性，油包水钻井液没有涉及温度。专利CN201210061613.7以地沟油和甲醇或乙醇经过化学方法加工而成的生物柴油为基油，研制出油包水型生物柴油基钻井液，该油基钻井液环保性好，成本低。但是所用基液密度和动力粘度较高，在一定程度上影响了体系的流变性，另外文献中提供的钻井液的配方中破乳电压都低于800V，体系的电稳定性不高。文献《生物柴油钻井液的研究》研制了一种密度为1.3g/cm3抗150℃的全油基钻井液，并评价了其抗污染能力。专利CN201310261750.X公开了一种油包水生物柴油钻井液，油水比为70:30～90:10，测定温度为120℃，密度1.0～1.3g/cm3，并研究了该体系的抑制性、生物降解性。
虽然国内外已经有了关于生物柴油应用于钻井液方面的研究，但是文献很少，生物柴油钻井液的研制目前还处于初级阶段，与传统的油基钻井液相比仍存在较大的差距，目前生物柴油钻井液可选择的配套处理剂很少，而且抗高温生物柴油基钻井液很少见。
发明内容
为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种抗高温油包水生物柴油钻井液及制备方法。本发明的钻井液能够完全满足油基钻井液的性能指标，抗高温，生物降解性高，具有优良的环保特性、安全性能好、成本低的特点。
本发明的目的之一是提供一种抗高温油包水生物柴油钻井液。以所述钻井液的总重量为基准，该钻井液包括以下组分：
优选地，以所述钻井液的总重量为基准，该钻井液包括以下组分：
其中，所述的油相为生物柴油，所述生物柴油是以动植物油脂为原料，用甲醇或乙醇在催化剂作用下经酯交换生成的柴油，化学成分为脂肪酸甲酯或乙酯，其特性为：20℃密度≤0.89kg/m3，闪点≥130℃，硫含量≤0.05％；无荧光、无芳香烃、易生物降解。
所述的水相为氯化钙溶液。水相中溶质的浓度优选为10-30wt％。
所述的主乳化剂为由有机酸、有机酸酰胺组成的混合液，可以在油水界面上形成高强度的复合膜，从而保证在高温下乳状液稳定性好。
所述辅乳化剂为十二烷基苯磺酸钠，HLB值为10.75，作用为调节复合乳化剂的HLB值在3～6之间，进一步增强油水界面膜的强度，增强乳状液的稳定性和抗温能力。
所述主乳化剂和辅乳化剂的重量比优选为1:1-2:1，共同作为乳化剂。其中，所述主乳化剂优选为：油酸和油酸酰胺、妥尔油和妥尔油酸酰胺、或松香酸和松香酸酰胺组成的混合液，其HLB值为1～5。
所述的亲油胶体为有机土。
所述的降滤失剂为氧化沥青。
基浆密度通常为0.95g/cm3，当所需密度高于此密度时优选加入重晶石至所需密度。因此，所述重晶石的加入量根据所需的钻井液的密度确定。
当钻井液的密度高于1.2g/cm3时，优选加入润湿剂，所述润湿剂为琥珀酸二辛酯磺酸盐，以所述钻井液的总重量为基准，所述润湿剂的用量优选为0.5-1.5wt％。
本发明的目的之二是提供一种抗高温油包水生物柴油钻井液的制备方法。该方法包括：
(1)将生物柴油、主乳化剂和辅乳化剂加入到反应器中；
(2)在高速搅拌条件下，加入亲油胶体，然后加入水相，使其充分乳化；加入降滤失剂和氧化钙，制得所述高温生物柴油油包水钻井液。
优选地，步骤(2)中加入每种组分后高速搅拌10-60min再加入另一种组分。
本发明中，所述高速搅拌的速度越高，乳化效果越好。通常，在实验室配制油基钻井液用的搅拌速度为10000-12000转/min。
根据本发明一种具体实施方式，所述制备方法包括：
将生物柴油、主乳化剂和辅乳化剂加入到反应器中，高速搅拌20分钟；在高速搅拌的情况下加入亲油胶体高速搅拌20分钟，然后加入盐水(含氯化钙25％的水溶液)高速搅拌20分钟，使其充分乳化；继续加入降滤失剂高速搅拌20分钟，加入石灰高速搅拌20分钟；再加入润湿剂高速搅拌20分钟，最后根据需要加入加重剂，制得所述高温生物柴油油包水钻井液。
本发明使用易生物降解的生物柴油和抗高温的乳化剂为主要组分，配制1.2～2.0g/cm3的油包水型钻井液，其中，所述生物柴油可以为市售普通生物柴油。该生物柴油基钻井液抗温180℃，密度可控1.2～2.0g/cm3，粘切较高、携盐能力强、具有流变性好、悬浮稳定性好、易生物降解等特点。本发明的钻井液破乳电压达到600V以上，体系润滑性能较好，具有良好的抑制性能，滚动回收率达到85％以上。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例1
密度为1.20g/cm3油基钻井液组分配比如下(以所述钻井液总重量为基准，以下比例为重量比)，生物柴油：75％；有机土：2.5％；乳化剂：2.5％(主乳化剂为油酸和油酸酰胺的混合液，HLB值为5.0，辅乳化剂为十二烷基苯磺酸钠，二者比例为1.5:1)；润湿剂琥珀酸二辛酯磺酸盐：0.5％；降滤失剂氧化沥青：2％；CaCl2水溶液(浓度为25wt％)：25％；CaO：2.5％；重晶石加重至1.20g/cm3。
按上述组分配比在300ml生物柴油中加入乳化剂和润湿剂，高搅20min后依次加入有机土、降滤失剂、石灰，搅拌均匀后加入水相，使体系充分乳化，然后根据需要加入重晶石，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的生物柴油基油包水钻井液放入高温老化罐，在100℃、120℃、150℃、180℃下滚动16小时，冷却到50℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的油基钻井液性能如表1。
表1密度为1.20g/cm3的油基钻井液体系性能
表1的实验数据表明，本发明所形成的油包水型生物柴油基钻井液在100℃～180℃老化后具有良好的乳化稳定性，ES值在600V～1300V。塑性粘度适中，切力较高，常压滤失量和高温滤失量合格。并且润滑系数较低，说明润滑性能较好。
实施例2
密度为1.50g/cm3油基钻井液组分配比如下(以所述钻井液总重量为基准，以下比例为重量比)，生物柴油：75％；有机土：2.5％；乳化剂：2.5％(主乳化剂为妥尔油和妥尔油酸酰胺的混合液，HLB值为3.0，辅乳化剂为十二烷基苯磺酸钠，二者比例为1.5:1)；润湿剂琥珀酸二辛酯磺酸盐：0.75％；降滤失剂氧化沥青：2％；CaCl2水溶液(浓度为25wt％)：25％；CaO：2.5％；重晶石加重至1.50g/cm3。钻井液的制备方法如实施例1。150℃老化后该组分配比的油基钻井液性能如表2。
实施例3
密度为1.8g/cm3油基钻井液组分配比如下(以所述钻井液总重量为基准，以下比例为重量比)，生物柴油：75％；有机土：2％；乳化剂：3.0％(主乳化剂为松香酸和松香酸酰胺的混合液，HLB值为2.5，辅乳化剂为十二烷基苯磺酸钠，二者比例为1.5:1)；润湿剂琥珀酸二辛酯磺酸盐：1.0％；降滤失剂氧化沥青：2％；CaCl2水溶液(浓度为25wt％)：25％；CaO：2.5％；重晶石加重至1.80g/cm3。钻井液的制备方法如实施例1。150℃老化后该组分配比的油基钻井液性能如表2。
实施例4
密度为2.0g/cm3油基钻井液组分配比如下(以所述钻井液总重量为基准，以下比例为重量比)，生物柴油：85％；有机土：1.5％；乳化剂：3.0％(主乳化剂为油酸和油酸酰胺的混合液，HLB值为2.0，辅乳化剂为十二烷基苯磺酸钠，二者比例为1:1)；润湿剂琥珀酸二辛酯磺酸盐：1.5％；降滤失剂氧化沥青：2％；CaCl2水溶液(浓度为25wt％)：25％；CaO：2.5％；重晶石加重至2.0g/cm3。钻井液的制备方法如实施例1。150℃老化后该组分配比的油基钻井液性能如表2。
表2不同密度的油基钻井液体系性能
表2实验数据表明，该生物柴油基钻井液在不同的密度下150℃老化后具有较好的流变性能和较高的动切力，钻井液体系不同密度加重后增稠幅度不大，作业性能合格。
实施例5
油水比为65:35，密度为1.50g/cm3油基钻井液组分配比如下(以所述钻井液总重量为基准，以下比例为重量比)，生物柴油：65％；有机土：1.0％；乳化剂：3.0％(主乳化剂为油酸和油酸酰胺的混合液，HLB值为1.0，辅乳化剂为十二烷基苯磺酸钠，二者比例为2:1)；润湿剂琥珀酸二辛酯磺酸盐：1.0％；降滤失剂氧化沥青：3.0％；CaCl2水溶液(浓度为25wt％)：35％；CaO：2.0％；重晶石加重至1.50g/cm3。钻井液的制备方法如实施例1。150℃老化后该组分配比的油基钻井液性能如表3。
实施例6
油水比为90:10，密度为1.50g/cm3油基钻井液组分配比如下(以所述钻井液总重量为基准，以下比例为重量比)，生物柴油：75％；有机土：3.5％；乳化剂：2.0％(主乳化剂为油酸和油酸酰胺的混合液，HLB值为3.0，辅乳化剂为十二烷基苯磺酸钠，二者比例为1.5:1)；润湿剂琥珀酸二辛酯磺酸盐：0.5％；降滤失剂氧化沥青：2％；CaCl2水溶液(浓度为25wt％)：10％；CaO：2.5％；重晶石加重至1.50g/cm3。钻井液的制备方法如实施例1。150℃老化后该组分配比的油基钻井液性能如表3。
表3不同油水比的油基钻井液体系性能
表3数据表明，不同油水比的生物柴油基钻井液体系150℃老化后具有良好的乳化稳定性和较好的流变性能，即使在油水比为65:35条件下破乳电压也较高，达到600V以上，可大大降低生物柴油钻井液成本。
实施例7
对实施例2制得的油基钻井液进行测试。
选用宣城区块小陈岭组、黄平区块九门冲组和彭水区块龙马溪组的页岩岩屑进行膨胀率、回收率实验。膨胀率实验用上述岩样制备：称取在105±2℃温度下烘干的上述页岩岩屑粉(过100目筛)10.0g，在压样机模具中以4MPa压力压制5min，制成柱状试样；在OFIT页岩膨胀仪上，分别测定其在蒸馏水和HPOBM中12h的膨胀率，结果见表13。回收率实验用6～10目上述页岩钻屑，在150℃下热滚16h后，用60目筛回收，结果见表4。
表4
表4数据表明，该生物柴油基钻井液体系在几种代表性的页岩中的滚动回收率均在85％以上，线性膨胀率均低于0.5％，这表明几种代表性页岩在生物柴油钻井液体系中均不易分散、膨胀，该生物柴油基钻井液体系具有良好的抑制性能，这对于抑制页岩的分散、确保井壁稳定具有重要的现实意义。

Claims (10)

1.一种抗高温油包水生物柴油钻井液，其特征在于，以所述钻井液的总重量为基准，该钻井液包括以下组分：
所述油相为生物柴油；
所述水相为氯化钙溶液；
所述主乳化剂为由有机酸、有机酸酰胺组成的混合液；
所述辅乳化剂为十二烷基苯磺酸钠；
所述亲油胶体为有机土；
所述的降滤失剂为氧化沥青。
2.如权利要求1所述的抗高温油包水生物柴油钻井液，其特征在于：
以所述钻井液的总重量为基准，该钻井液包括以下组分：
3.如权利要求1所述的抗高温油包水生物柴油钻井液，其特征在于：所述钻井液包括重晶石，所述重晶石的加入量根据所需的钻井液的密度确定。
4.如权利要求1所述的抗高温油包水生物柴油钻井液，其特征在于：所述钻井液包括润湿剂，所述润湿剂为琥珀酸二辛酯磺酸盐。
5.如权利要求4所述的抗高温油包水生物柴油钻井液，其特征在于：以所述钻井液的总重量为基准，所述润湿剂的含量为0.5-1.5wt％。
6.如权利要求1～5之一所述的抗高温油包水生物柴油钻井液，其特征在于：
所述主乳化剂与辅乳化剂的重量比为1:1-2:1。
7.如权利要求1～5之一所述的抗高温油包水生物柴油钻井液，其特征在于：所述主乳化剂是油酸和油酸酰胺、妥尔油和妥尔油酸酰胺、或松香酸和松香酸酰胺组成的混合液，其HLB值为1-5。
8.如权利要求1～5之一所述的抗高温油包水生物柴油钻井液，其特征在于：所述水相中溶质浓度为10-30wt％。
9.如权利要求1～8之一所述的抗高温油包水生物柴油钻井液的制备方法，其特征在于：
(1)将生物柴油、主乳化剂和辅乳化剂加入到反应器中；
(2)在高速搅拌条件下，加入亲油胶体，然后加入水相，使其充分乳化；加入降滤失剂和氧化钙，制得所述高温生物柴油油包水钻井液。
10.如权利要求9所述的抗高温油包水生物柴油钻井液的制备方法，其特征在于：步骤(2)中加入每种组分后高速搅拌10-60min再加入另一种组分。
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