CN106833563B - 一种可排放海水基钻井液及其制备方法 - Google Patents

一种可排放海水基钻井液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可排放海水基钻井液及其制备方法。以重量份数计，该钻井液的原料组成包括：海水100份、粘土1‑5份、碳酸钠0.1‑0.4份、降滤失剂1‑5份、提粘切剂0.1‑1份、抑制剂0.5‑4份、润滑剂1‑5份和封堵剂1‑5份；其中，所述降滤失剂、提粘切剂、抑制剂、润滑剂和封堵剂的EC50均大于3.0×104mg/L。该海水基钻井液的制备方法包括以下步骤：将粘土和碳酸钠加入海水中，预水化处理，得到混合液；向混合液中依次加入提粘切剂、降滤失剂、抑制剂、润滑剂和封堵剂，得到可排放海水基钻井液。本发明提供的可排放海水基钻井液无毒或低毒、可生物降解，具有良好的抗温性、抑制性、润滑性、抗盐膏污染能力。

Description

一种可排放海水基钻井液及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可排放海水基钻井液及其制备方法，属于钻井技术领域。
背景技术
我国海洋油气资源丰富，海洋石油将成为未来油气生产的重要接替地区。目前，我国海上钻井液体系主要沿用陆地钻井液体系，存在的主要问题有：(1)海水配浆，海水矿化度高，含盐量在3.5％左右，耐海水抗钙镁离子的处理剂不成熟；(2)部分钻井液处理剂如：无机盐、沥青类防塌剂、磺化褐煤、铁铬盐稀释剂、矿物油润滑剂等存在重金属离子含量超标、生物毒性高、不易降解等问题，不能达到海上排放标准。(3)常用的聚合物钻井液体系、聚磺钻井液体系、油基钻井液体系等存在环境污染严重、生物降解困难、后期处理难度大、费用高等不足。
近年来，各国对海洋环境保护也日益重视，世界各国政府及各国地方政府对钻探施工的废物排放都制订了严格的法律法规。例如：美国环保署规定糠虾试验液LC50(50％致死量)值必须大于30000mg/L时，废弃钻井液才允许向海洋排放。中国国家海洋局2008年发布国家标准《中国海洋石油勘探开发污染物排放浓度限值》，对废弃钻井液排放做了明确规定：油基钻井液和合成钻井液、钻屑不得排放入海，水基钻井液和钻屑满足排放标准并经所在海域主管部门批准后方可排海，一级海域水基钻井液和钻屑的排放标准：96h静水生物毒性LC50≥30000mg/L、Hg含量≤1mg/L、Cd含量≤3mg/L。这些严格的法律法规给海上钻井液施工及排放带来了严峻的挑战。
因此，针对以上技术问题和保护海洋生态环境需求，开发一种可排放海水基钻井液技术是必然要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种可排放海水基钻井液。该钻井液以海水作为配浆水，制备原料的EC50均大于3.0×104mg/L，具有无毒环保的性质，可以显著降低陆上基地与海洋平台件水源运送及钻井液废弃物回收处理成本。
为达到上述目的，本发明提供了一种可排放海水基钻井液，以重量份数计，该钻井液的原料组成包括：海水100份、粘土1-5份、碳酸钠0.1-0.4份、降滤失剂1-5份、提粘切剂0.1-1份、抑制剂0.5-4份、润滑剂1-5份和封堵剂1-5份；其中，所述降滤失剂、提粘切剂、抑制剂、润滑剂和封堵剂的EC50均大于3.0×104mg/L。
在上述可排放海水基钻井液中，优选地，所述粘土包括膨润土、凹凸棒土和海泡石土中的一种或几种的组合。
在上述可排放海水基钻井液中，优选地，所述降滤失剂的耐温温度在120℃以上，更优选为150℃；进一步优选地，所述降滤失剂为改性淀粉；更进一步优选地，所述降滤失剂为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的抗高温改性淀粉，其EC50为1.11×106mg/L。
在上述可排放海水基钻井液中，优选地，所述提粘切剂包括低粘聚阴离子纤维素、低粘羧甲基纤维素或羟乙基纤维素；更优选地，所述提粘切剂包括中国石油集团钻井工程技术研究院生产的低粘羧甲基纤维素，其EC50为1.36×105mg/L。提粘切剂类的产品通常分为高粘、中粘和低粘，其中，所述“低粘”是指：将提粘切剂产品溶于水中形成溶液，以所述溶液的质量为100％计，所述提粘切剂产品的质量百分含量为2％时，溶液的粘度为50-100mPa.s。
在上述可排放海水基钻井液中，优选地，所述抑制剂包括聚胺、聚醚胺和含有羟基的脂肪酰胺中的一种或两种的组合；其中，本发明提供的技术方案对含有羟基的脂肪酰胺中羟基的个数并无特别限定；更优选地，所述抑制剂包括中国石油集团钻井工程技术研究院生产的聚胺和/或含有羟基的脂肪酰胺。
在上述可排放海水基钻井液中，润滑剂具有低毒环保的性质，优选地，所述润滑剂的EC50大于5.0×104mg/L。
在上述可排放海水基钻井液中，优选地，所述封堵剂包括碳酸钙；更优选地，所述碳酸钙为1000-2000目的粉体。
在上述可排放海水基钻井液中，优选地，所述海水基钻井液的原料组成还包括絮凝剂，所述絮凝剂的重量份数不超过2份。
在上述可排放海水基钻井液中，优选地，所述絮凝剂包括聚丙烯酰胺，更优选地，所述絮凝剂为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的部分水解聚丙烯酰胺，其EC50为2.01×105mg/L。
在上述可排放海水基钻井液中，优选地，所述海水基钻井液的原料组成还包括加重材料，所述加重材料的重量份数不超过200份；更进一步优选地，所述加重材料包括重晶石粉；进一步优选地，所述重晶石微粉的D90小于10μm重晶石粉中的一种或两种。
本发明提供的可排放海水基钻井液的pH值为8-10，优选为9。
本发明还提供了上述可排放海水基钻井液的制备方法，其包括以下步骤：
将粘土和碳酸钠加入海水中，预水化处理，得到混合液；
向混合液中依次加入提粘切剂、降滤失剂、抑制剂、润滑剂和封堵剂，得到海水基钻井液。
在上述制备方法中，优选地，该方法还包括向第一混合溶液中加入絮凝剂的步骤，所述絮凝剂的加入顺序为在提粘切剂之后，降滤失剂之前。
在上述制备方法中，优选地，将粘土和碳酸钠加入海水中，所述碳酸钠能够对粘土进行离子交换。
在上述制备方法中，优选地，该方法包括向海水基钻井液中加入pH调节剂，以控制海水基钻井液的pH值为8-10的步骤；更优选地，所述pH调节剂包括氢氧化钠、氢氧化钾和碳酸钠中的一种或几种的组合。
在上述制备方法中，优选地，向混合液中依次加入处理剂时，当一种处理剂充分溶解或分散后，再加入下一种处理剂，直至全部加完。
在上述制备方法中，优选地，将粘土和碳酸钠加入海水中后搅拌20-60min，然后预水化处理24h。
在上述制备方法中，优选地，该方法还包括向制备得到的可排放海水基钻井液中加入加重材料的步骤。
在上述制备方法中，优选地，所述润滑剂的制备方法包括以下步骤：
在氮气保护下，将植物油酸、醇胺和缩合剂加入反应容器中，在第一预设温度下反应，得到中间产物；该中间产物为含醇羟基的酰胺缩合物；其中，所述第一预设温度为20-100℃，反应时间为2-24h；
向所述中间产物中加入抗氧抗腐蚀剂，在第二预设温度下反应，得到润滑剂；其中，所述第二预设温度为30-70℃，反应时间为0.5-1.5h。
在上述制备方法中，优选地，所述第二预设温度为55℃，反应时间为1h。
在上述制备方法中，优选地，所述植物油酸、醇胺和缩合剂的摩尔比为(1-1.3):(0.3-1):(0.5-1)；更优选地，所述抗氧抗腐蚀剂的质量为所述中间产物含醇羟基的酰胺缩合物质量的0.5-5％。
在上述制备方法中，优选地，所述醇胺包括氨基乙基乙醇胺、二乙醇胺、异丙醇胺、N-乙基乙醇胺、N-(2-氨基乙基)乙醇胺、N-苄基乙醇胺、N-苯基乙醇胺和羟苯乙醇胺中的一种或几种的组合。
在上述制备方法中，优选地，所述缩合剂包括N,N′-羰基二咪唑或碳二亚胺。
在上述制备方法中，优选地，所述抗氧抗腐蚀剂包括二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代氨基甲酸锌、二烷基二硫代氨基甲酸镍、二烷基二硫代磷酸钼、二烷基二硫代氨基甲酸钼和二烷基二硫代磷酸镍中的一种或几种的组合。
在上述制备方法中，优选地，所述植物油酸包括花生油酸、大豆油酸、椰子油酸、蓖麻油酸、棕榈油酸中的一种或几种的组合。
在上述制备方法中，钻井液的制备原料的颜色尽可能为浅色，以利于环保色度的处理。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的海水基钻井液颜色较浅，利于后续环保色度的处理；
(2)本发明提供的可排放海水基钻井液，其原料组成无毒或低毒、可生物降解，具有较高的海洋环境可接受性，大幅降低了钻井液废弃物回收处理成本；
(3)本发明提供的可排放海水基钻井液，具有良好的抗温性、抑制性、润滑性、抗盐膏污染能力，既满足海洋的排放标准，又满足各种复杂地质条件的钻井需求；
(4)本发明提供的可排放海水基钻井液在使用时可以直接用海水配浆，极大的方便了海上钻井液的配制，可以显著降低陆上基地与海洋平台间水源运送，降低生产成本、提高工作效率。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种可排放海水基钻井液，其制备方法如下所述：
(1)制备低毒环保型润滑剂
在氮气保护下，将植物油酸(大豆油酸)、二乙醇胺和N,N′-羰基二咪唑按照摩尔比为1:0.9:0.8的比例加入反应容器中，在48℃条件下反应12h，得到中间产物(中间产物为含醇羟基的酰胺缩合物)；
然后向其中加入抗氧抗腐蚀剂(二烷基二硫代氨基甲酸镍)，抗氧抗腐蚀剂的质量为上述中间产物质量的1.2％，在50℃条件下搅拌2h，得到钻井液用低毒环保型润滑剂，该润滑剂的EC50大于5.0×104mg/L。
(2)配制不加重的可排放海水基钻井液，以重量份数计，按以下步骤配制：
将3份怀安膨润土和0.1份碳酸钠加入100份海水中，预水化处理24h，得到第一混合液；
向第一混合液中依次加入絮凝剂0.5份、抗高温改性淀粉2份、低粘羧甲基纤维素0.2份、聚胺1份、含有羟基的脂肪酰胺1份、低毒环保型润滑剂1份和1500目碳酸钙粉体2份，得到第二混合液；
向第二混合液中加入pH调节剂(该pH调节剂为碳酸钠)，将pH调节到8-10，得到可排放海水基钻井液。
上述原料混合时进行高速搅拌，搅拌速度为11000r/min。
实施例2
本实施例提供了一种可排放海水基钻井液，其制备方法如下所述：
(1)制备低毒环保型润滑剂
在氮气保护下，将植物油酸(大豆油酸)、二乙醇胺和N,N′-羰基二咪唑按照摩尔比为1.1:0.5:1的比例加入反应容器中，在室温下搅拌反应3h，然后升温至50℃，反应6h后进行过滤，得到中间产物含醇羟基的酰胺缩合物；
然后向其中加入抗氧抗腐蚀剂(二烷基二硫代磷酸锌)，抗氧抗腐蚀剂的质量为中间产物质量的0.9％，在55℃条件下搅拌1h，得到钻井液用低毒环保型润滑剂，该润滑剂的EC50大于5.0×104mg/L。
(2)配制密度为1.2g/cm3的可排放海水基钻井液，以重量份数计，按以下步骤配制：
将4份凹凸棒土和0.2份碳酸钠加入100份海水中，预水化处理24h，得到第一混合液；
向第一混合液中依次加入抗高温改性淀粉2份、低粘羧甲基纤维素0.2份、聚胺2份、低毒环保型润滑剂1.5份、1500目碳酸钙粉体3份和重晶石28份，得到第二混合液；
向第二混合液中加入碳酸钠，将pH调节到8-10，得到可排放海水基钻井液。
上述原料混合时进行高速搅拌，搅拌速度为11000r/min。
实施例3
本实施例提供了一种可排放海水基钻井液，其制备方法如下所述：
(1)制备低毒环保型润滑剂
在氮气保护下，将植物油酸(大豆油酸)、复合醇胺(该复合醇胺为N-乙基乙醇胺和异丙醇胺的混合物，两者的质量比为40:60)和N,N′-羰基二咪唑按照摩尔比为1:0.6:0.8的比例加入反应容器中，在45℃下搅拌反应14h后进行过滤，得到中间产物(含醇羟基的酰胺缩合物)；
然后向其中加入抗氧抗腐蚀剂(二烷基二硫代氨基甲酸锌)，抗氧抗腐蚀剂的质量为中间产物质量的1.0％，在55℃条件下搅拌1h，得到钻井液用低毒环保型润滑剂，该润滑剂的EC50大于5.0×104mg/L。
(2)配制密度为1.6g/cm3的可排放海水基钻井液，以重量份数计，按以下步骤配制：
将4份怀安膨润土和0.2份碳酸钠加入100份海水中，预水化处理24h，得到第一混合液；
向第一混合液中依次加入絮凝剂0.6份、抗高温改性淀粉3份、低粘羧甲基纤维素0.4份、聚胺2份、含有羟基的脂肪酰胺1份、低毒环保型润滑剂2份、1500目碳酸钙粉体3份和重晶石97份，得到第二混合液；其中，含有羟基的脂肪酰胺为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的含有羟基的脂肪酰胺ZJ-11；
向第二混合液中加入碳酸钠，将pH调节到8-10，得到可排放海水基钻井液。
上述原料混合时进行高速搅拌，搅拌速度为11000r/min。
实施例4
本实施例提供了一种可排放海水基钻井液，其制备方法如下所述：
(1)制备低毒环保型润滑剂
按实施例2的方法制备低毒环保型润滑剂，把实施例2中的二乙醇胺换为复合醇胺(该复合醇胺为二乙醇胺和异丙醇胺的混合物，两者的质量比为55：45)，其余原料和条件不变。
(2)配制密度为2.0g/cm3的可排放海水基钻井液，以重量份数计，按以下步骤配制：
将4份海泡石土和0.2份碳酸钠加入100份海水中，预水化处理24h，得到第一混合液；
向第一混合液中依次加入絮凝剂0.6份、抗高温改性淀粉3份、低粘羧甲基纤维素0.5份、聚胺3份、低毒环保型润滑剂3份、1500目碳酸钙粉体3份、重晶石170份和微粉重晶石20份(微粉重晶石是指D90小于10μm的重晶石)，得到第二混合液；
向第二混合液中加入碳酸钠，将pH调节到8-10，得到可排放海水基钻井液。
上述原料混合时进行高速搅拌，搅拌速度为11000r/min。
对上述实施例提供的可排放海水基钻井液进行性能评价：
(1)流变性、API滤失量、高温高压滤失量的测定
表1不同钻井液流变性能和滤失量参数数据
根据《GB/T16783.1-2006石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》中的测定方法，评价实施例1-3提供的钻井液体系在150℃老化16h前后的流变性和API滤失量，以及在150℃、3.5MPa下的高温高压滤失量。其中测定的参数包括AV(表观粘度)、PV(塑性粘度)、YP(动切力)、ρ(钻井液密度)、FLAPI(API滤失量)、FLHTHP(高温高压滤失量)，测定结果见表1。
(2)抑制性的测定
表2不同钻井液抑制性能测试结果
海水 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
回收率/％ 18.2 86.1 90.8 92.5 94.1
将350mL测试对象高速搅拌20min，密封4h进行养护；
通过页岩滚动分散实验，评价实施例1-4提供的钻井液抑制泥页岩水化分散性能。实验所用泥页岩岩样为渤海湾沙河街组灰绿色泥岩，测试结果如表2所示。
由表2可知，上述实施例1-4提供的可排放海水基钻井液具有较高的岩屑滚动回收率，表明其具有优异的抑制泥页岩水化分散性能。
(3)润滑性的测定
利用钻井液极压润滑仪评价实施例1-4提供的钻井液在150℃老化后的润滑性，测试结果如表3所示。
表3不同钻井液润滑性能测试结果
海水 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
极压润滑系数 0.41 0.06 0.07 0.09 0.11
由表3可知，上述实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的极压润滑系数与海水相比均有大幅提高；当密度为2.0 2g/cm3时(实施例4)，润滑系数仅为0.11，表明其具有良好的钻井液润滑性能，能够满足现场施工要求。
(4)对实施例2提供的可排放海水基钻井液进行抗盐污染性能的测定
由于海上钻井过程中不可避免地遇到Ca2+、Mg2+等二价离子和Na+的污染，这些离子可能会与钻井液中的某些处理剂生成沉淀或生成胶状物，从而降低这些处理剂在钻井液中的作用。因此，在实施例2的钻井液体系中加入不同量的氯化钙、氯化钠，评价其抗盐污染性能，结果如表4所示。
由表4可知，随着氯化钙加量的增大，钻井液体系的表观粘度、塑性粘度和动切力增大，热滚后的这些参数均有一定减小，滤失量略有增大，但与基浆相比，流变性变化较小。随着氯化钠的增加，钻井液体系热滚后的表观粘度、塑性粘度和动切力均有减小，滤失量增大，但与基浆相比，流变性变化不大。表明该体系具有很好的抗盐污染的能力，能够满足海水钻井过程中出现的Ca+和Na+的污染。
表4抗污染性能试验
(5)生物毒性实验的测定
根据油田化学剂及钻井液的生物毒性容许值规定，如果生物毒性检验结果大于20000mg/L，视为无毒，符合二级海域生物毒性要求；如果生物毒性检验结果大于或等于30000mg/L，符合一级海域生物毒性要求。对实施例1-4提供的可排放海水基钻井液体系进行了发光杆菌生物毒性试验，结果如表5所示。
表5不同钻井液生物性能测试结果
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
EC<sub>50</sub>/mg.L<sup>-1</sup> 81400 70100 69700 72500
结果表明：实施例1-4提供的可排放海水基钻井液的EC50均远大于30000mg/L，没有毒性，符合一级海域和二级海域的生物毒性要求。

Claims (13)

1.一种可排放海水基钻井液，以重量份数计，该钻井液的原料组成包括：海水100份、粘土1-5份、碳酸钠0.1-0.4份、降滤失剂1-5份、提粘切剂0.1-1份、抑制剂0.5-4份、润滑剂1-5份和封堵剂1-5份；其中，所述降滤失剂、提粘切剂、抑制剂、润滑剂和封堵剂的EC50均大于3.0×104mg/L；
所述提粘切剂包括低粘聚阴离子纤维素、低粘羧甲基纤维素或羟乙基纤维素；
所述抑制剂包括聚胺、聚醚胺和含有羟基的脂肪酰胺中的一种或两种的组合；
所述润滑剂的制备方法包括以下步骤：
在氮气保护下，将植物油酸、醇胺和缩合剂加入反应容器中，在第一预设温度下反应，得到中间产物；该中间产物为含醇羟基的酰胺缩合物；其中，所述第一预设温度为20-100℃，反应时间为2-24h；所述缩合剂包括N,N′-羰基二咪唑或碳二亚胺；
向所述中间产物中加入抗氧抗腐蚀剂，在第二预设温度下反应，得到润滑剂；其中，所述第二预设温度为30-70℃，反应时间为0.5-1.5h；
所述醇胺包括二乙醇胺、异丙醇胺、N-乙基乙醇胺、N-(2-氨基乙基)乙醇胺、N-苄基乙醇胺、N-苯基乙醇胺和羟苯乙醇胺中的一种或几种的组合；
所述抗氧抗腐蚀剂包括二烷基二硫代磷酸锌、二烷基二硫代氨基甲酸锌、二烷基二硫代氨基甲酸镍、二烷基二硫代磷酸钼、二烷基二硫代氨基甲酸钼和二烷基二硫代磷酸镍中的一种或几种的组合；
所述抗氧抗腐蚀剂的质量为所述中间产物质量的0.5-5％；
所述植物油酸、醇胺和缩合剂的摩尔比为(1-1.3):(0.3-1):(0.5-1)。
2.根据权利要求1所述的海水基钻井液，其中，所述降滤失剂的耐温温度在120℃以上。
3.根据权利要求2所述的海水基钻井液，其中，所述降滤失剂的耐温温度为150℃。
4.根据权利要求2所述的海水基钻井液，其中，所述降滤失剂为改性淀粉。
5.根据权利要求1所述的海水基钻井液，其中，所述海水基钻井液的原料组成还包括絮凝剂，所述絮凝剂包括聚丙烯酰胺。
6.根据权利要求1所述的海水基钻井液，其中，所述海水基钻井液的原料组成还包括加重材料，所述加重材料包括重晶石。
7.根据权利要求6所述的海水基钻井液，其中，所述重晶石的D90小于10μm。
8.根据权利要求1所述的海水基钻井液，其中，所述海水基钻井液的pH值为8-10。
9.权利要求1-8任一项所述的可排放海水基钻井液的制备方法，其包括以下步骤：
将粘土和碳酸钠加入海水中，预水化处理，得到混合液；
向混合液中依次加入提粘切剂、降滤失剂、抑制剂、润滑剂和封堵剂，得到可排放海水基钻井液。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，该方法包括向海水基钻井液中加入pH调节剂，以控制海水基钻井液的pH值为8-10的步骤。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其中，所述pH调节剂包括氢氧化钠、氢氧化钾和碳酸钠中的一种或几种的组合。
12.根据权利要求9所述的制备方法，其中，该方法还包括向混合液中加入絮凝剂的步骤，所述絮凝剂的加入顺序为在提粘切剂之后，降滤失剂之前。
13.根据权利要求9所述的制备方法，其中，该方法还包括向海水基钻井液中加入加重材料的步骤。
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