CN107163921A - 一种油基钻井液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种油基钻井液及其制备方法。以质量百分比计，所述油基钻井液包括如下组分：CaCl₂溶液10％‑30％，改性有机土2.0％‑4％，主乳化剂1.0％‑2.0％，辅乳化剂1.0％‑2.0％，改性橡胶封堵剂1.0％‑2.0％，树脂类降滤失剂1.0％‑2.0％，磺化沥青类降滤失剂1.0％‑2.0％，润湿剂1.0％‑2.0％，碱度调节剂1.0％‑1.5％，加重剂，余量为基础油，其中，所述CaCl₂溶液的质量分数为20％‑25％，溶剂为水；所述加重剂的用量用于调节所述油基钻井液的密度为0.95g/cm³‑2.00g/cm³；所述基础油包括经脱硫脱芳处理的原料油。

Description

一种油基钻井液及其制备方法

技术领域

本发明属于石油开采技术领域，涉及一种用于石油钻井工程的钻井液，特别涉及一种油基钻井液及其制备方法。

背景技术

在钻井技术不断发展的今天，泥页岩地层井壁失稳和油气层保护一直是全世界急需解决的重大技术难题。泥页岩地层不稳定，遇水易发生水化膨胀导致地层坍塌，这使得在钻井过程中水基钻井液的应用受到了制约，因此以油作为连续相的油基钻井液在复杂地层油气勘探开发过程中得到了极大推广应用。

性能良好的钻井液体系通常由基础油、有机土、乳化剂等主要成分组成，此外降滤失剂、润湿剂、抑制剂、增粘封堵剂、加重剂、碱度调节剂等处理剂的加入可使钻井液的性能大幅提高，更好的适应不同地层在钻井过程中的需求，更有效的对井壁坍塌现象进行预防处理。

但是随着环境保护意识的逐渐增强，常规油基钻井液污染环境、难于降解的缺点日益凸显。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种油基钻井液及其制备方法。该油基钻井液低毒环保，适用于各种复杂地层及海洋钻探。该制备方法简单、高效。

为了达到前述的发明目的，本发明提供一种油基钻井液，以质量百分比计，所述油基钻井液包括如下组分：CaCl₂溶液10％-30％，改性有机土2.0％-4％，主乳化剂1.0％-2.0％，辅乳化剂1.0％-2.0％，改性橡胶封堵剂1.0％-2.0％，树脂类降滤失剂1.0％-2.0％，磺化沥青类降滤失剂1.0％-2.0％，润湿剂1.0％-2.0％，碱度调节剂1.0％-1.5％，加重剂，余量为基础油，其中，

所述CaCl₂溶液的质量分数为20％-25％，溶剂为水；

所述加重剂的用量用于调节所述油基钻井液的密度为0.95g/cm³-2.00g/cm³；

所述基础油包括经脱硫脱芳处理的原料油。

上述油基钻井液将普通原料油中的重油部分进行脱硫脱芳处理后最终提炼出的新型矿物油作为油基钻井液用的基础油，由于极大地降低了芳香烃和硫的含量，因而更加低毒、环保，且该钻井液选用添加各种功能性处理剂达到适用于泥页岩地层钻探的各项指标，最终形成能有效防止井壁不稳定和油气层损害现象发生的新型钻井液体系，尤其适用在各种复杂地层及海洋钻探。

在上述油基钻井液中，优选地，所述改性有机土通过以下步骤制得：将有机溶剂与水混合，然后加入有机土溶解，随后加入长碳链季铵盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、辅助改性剂和pH调节剂，得到混合体系，并在60℃-80℃温度下，高速搅拌2h-3h，然后提纯、粉碎，筛分，得到所属改性有机土；其中，所述有机土、长碳链季铵盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和辅助改性剂的质量比为100：2-3：1.5-2：1-1.5；所述混合体系的pH值为8-10。该改性有机土在弱极性的基础油中具有很高的成胶率，成胶率达73％-77％。

在上述油基钻井液中，优选地，所述有机土、长碳链季铵盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和辅助改性剂的质量比为100：3：2：1。

在上述油基钻井液中，优选地，所述长碳链季铵盐阳离子表面活性剂包括含有十六烷基季铵盐、十八烷基季铵盐、烷氧基季铵盐和脂肪烷基季铵盐中的一种或几种的组合。

在上述油基钻井液中，优选地，所述长碳链季铵盐阳离子表面活性剂包括双长链烷基季铵盐或三长链烷基季铵盐。

在上述油基钻井液中，优选地，

所述有机溶剂包括甲醇、乙醇和丙酮中的一种或几种的组合；

所述有机土包括钠蒙脱土；

所述非离子表面活性剂包括带有氧乙烯基和长链烷基的化合物，或为含氟的有机化合物；

所述辅助改性剂包括有机酸、醇、酮、酯或小分子有机酸、小分子有机盐、有机膦酸、有机膦酸盐、有机硫酸、有机硫酸盐、有机硫代膦酸有机硫代膦酸盐中的一种或几种的组合；

所述pH调节剂包括Na₂CO₃、盐酸、尿素、氨基磺酸和苯甲酰胺中的一种或几种的组合。

在上述油基钻井液中，优选地，所述改性有机土在所述基础油中的成胶率为73％-77％。

在上述油基钻井液中，优选地，所述改性有机土在所述基础油中的表观黏度为10.3mPa·s-11.8mPa·s，塑性黏度为8.8mPa·s-10.4mPa·s，切力为1.4Pa-1.5Pa。

在上述油基钻井液中，优选地，所述改性有机土的粒径小于74μm。

在上述油基钻井液中，所述改性有机土在150℃老化16h以后，在所述基础油中的成胶率达到老化前的94％以上；且表观黏度和塑性黏度变化较小，高温热滚后在所述基础油中分散后仍能形成相互聚结胶联的空间网状结构，具有较好的凝胶稳定性和抗温能力。

在上述油基钻井液中，优选地，所述基础油的芳烃含量小于0.5mg·kg^-1，硫含量小于2.7mg·kg^-1。更优选的，所述基础油96h的半数致死浓度LC50值大于1 000 000mg/L。

在上述油基钻井液中，优选地，所述基础油的运动黏度为2.5mm²·s^-1-3.0mm²·s^-1，闪点为129℃-134℃。

在上述油基钻井液中，所述基础油由于半数致死浓度高，闪点高，因此安全性高，且其由于黏度不高、脱硫脱芳后芳香烃含量少、硫含量低，因而其毒性低，环保性好，此外，该基础油的杂质含量低、密度小，易挥发、易降解，各项性能均可满足现场要求，是配制环保油基钻井液的优质基础油。

在上述油基钻井液中，优选地，所述主乳化剂包括脂肪酸酰胺MOEMUL；

所述辅乳化剂包括脂肪酸衍生物MOCOAT L；

所述橡胶树脂类降滤失剂包括MORLF；

所述磺化沥青类降滤失剂包括MOTEX；

所述润湿剂包括改性季铵盐MOWET；

所述碱度调节剂包括氧化钙；

所述加重剂包括重晶石。

在上述油基钻井液中，所述MOEMUL、MOCOAT L、MORLF、MOTEX和MOWET是从湖北汉科新技术股份有限公司购得的处理剂产品。

在上述油基钻井液中，所述主乳化剂符合Q/JHK 121-2014油基钻井液用主乳化剂脂肪酸酰胺MOEMUL标准要求；所述辅乳化剂符合Q/JHK 122-2014油基钻井液用辅乳化剂脂肪酸衍生物MOCOAT L标准要求；所述改性橡胶封堵剂符合Q/JHK1023-2013油基钻井液用封堵剂乳化改性橡胶MORLF标准要求；所述沥青类降滤失剂符合Q/JHK1024-2013油基钻井液用降滤失剂改性沥青树脂MOTEX；所述润湿剂符合Q/JHK 123-2014油基钻井液用润湿剂改性季铵盐MOWET标准要求；所述碱度调节剂符合HG/T 4205-2011工业氧化钙标准要求；所述加重剂符合GB-T5005-2010钻井液材料规范。上述各组分只有符合上述标准，才能使最终的油基钻井液达到稳定性高、抑制性强、润滑性好、储层损害小、抗高温、抗污染等特点，满足复杂地层安全高效的钻井需求。

本发明还提供上述油基钻井液的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一：将原油进行脱硫脱芳处理，得到基础油；

步骤二：将CaCl₂溶液、改性有机土、主乳化剂、辅乳化剂、改性橡胶封堵剂、树脂类降滤失剂、磺化沥青类降滤失剂、润湿剂、碱度调节剂、加重剂和所述基础油混合，得到所述油基钻井液。

上述制备方法中，在步骤一中，所述脱硫脱芳处理的步骤包括一级加氢催化裂化和二级催化氧化的步骤，具体为：通过一级加氢催化裂化将原油中的有机硫化物转化为H₂S，并将原油中大部分烯烃转化为烷烃；再通过二级催化氧化去除原油中较多的硫醇，进一步降低硫含量。原油中的芳香烃通过一级加氢催化裂化转化为环烷烃，遵循“逐环加氢原则”，其选择非酸性载体，在低温、高压条件下能有效地提高芳香烃加氢反应的转化率。在上述步骤二中，所述高速搅拌的搅拌转速为3000rpm/min-5000rpm/min。

与现有技术相比，本发明提供的油基钻井液，具有以下优点：

(1)本发明提供的油基钻井液所采用的基础油芳香烃和硫的含量低，因此，所述油基钻井液的毒性低，污染小，安全环保，且其各项性能均可满足现场配制钻井液的要求，尤其适用于致密砂岩储层的钻井液；

(2)本发明提供的油基钻井液所采用的改性有机土采用新型的改性工艺，具有疏水亲油性强、不易吸水的优点，因而其层片间较为疏松，片层剥离明显，在油基钻井液中能表现出优良的成胶性能，质量好，且适用于更广泛的油基钻井液；

(3)本发明提供的油基钻井液具有稳定性高、抑制性强、润滑性好、储层损害小、抗高温、抗污染等特点，并且还有很低的生物毒性，能满足复杂地层安全高效的钻井需求，且能起到良好的环境保护作用。

(4)本发明提供的油基钻井液的制备方法简单易行，成本低，适合经济高效的大规模生产。

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。

本发明提供的油基钻井液中采用的各种型号的钻井液用处理剂的代号为行业通用代号或者厂家代号，不同生产厂家生产的不同处理剂如果符合行业标准要求均可实现本发明的技术方案。

实施例1

本实施例提供一种低毒环保型油基钻井液的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一：通过一级加氢催化裂化将原油中的有机硫化物转化为H₂S，并将原油中大部分烯烃转化为烷烃；再通过二级催化氧化去除原油中较多的硫醇，进一步降低硫含量，制得脱硫脱芳的新型基础油，其性能参数如表1所示；

步骤二：将乙醇与水按质量比为1：10混合，以更好地分散溶解蒙脱土和有机改性剂，然后加入钠蒙脱土溶解，随后将十八烷三甲基氯化铵和十六烷基三甲基氯化铵按1:1的质量比混合制得长碳链季铵盐阳离子表面活性剂，并将该长碳链季铵盐阳离子表面活性剂取代高度分散的蒙脱土层间的金属离子，使亲水的钠蒙脱土转变为亲油的蒙脱土，再加入非离子表面活性剂OP10、辅助改性剂乙酸钠和pH调节剂Na₂CO₃或HCl，得到混合体系，该混合体系的pH值为6-9，随后在60-80℃温度，5000-8000rpm/min的高速搅拌下搅拌至体系均匀，充分反应6h，然后静置分层、洗涤、过滤，真空干燥后，粉碎至通过74μm标准筛，制得新型改性的蒙脱土；

其中，钠蒙脱土、长碳链季铵盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和辅助改性剂的质量比为100：3：2：1；该新型改性的蒙脱土在步骤一制得的新型基础油中的主要性能参数如表2所示；

步骤三：按质量百分比，将质量分数为25％的CaCl₂水溶液、3.0％步骤二制得的新型改性的蒙脱土、2.0％脂肪酸酰胺MOEMUL、2.0％脂肪酸衍生物MOCOAT L、2.0％改性橡胶树脂封堵剂MORLF、1.0％磺化沥青类降滤失剂MOTEX、1.5％改性季铵盐MOWET、1.0％CaO、重晶石和步骤一制得的新型基础油混合，得到低毒环保型油基钻井液，该低毒环保型油基钻井液中的油水比为90:10，且重晶石调整该低毒环保型油基钻井液的密度为1.25g/cm³。

本实施例所采用的不同处理剂均符合行业标准要求。

对本实施例制备的新型基础油和新型改性的蒙脱土进行性能测试：

(a)根据《GB/T 19147-2013车用柴油》和《API Publ.4481-1989钻井液生物鉴定标准程序》对本实施例制得的新型基础油进行性能测试，其测试结果如表1所示。

表1

从表1可以看出，本实施例制得的新型基础油96h的LC50(半数致死浓度)值大于1000 000mg/L，闪点为129℃，因此，具有较高的安全性，且该新型基础油的运动黏度不高、芳香烃含量少、硫含量低，因而其毒性低，环保性好；此外，经检测，该新型基础油的密度小，杂质含量低，易挥发和易降解，且各项性能均可满足现场要求，是配制环保油基钻井液的优质基础油。

(2)根据《Q/SY 1817-2015油基钻井液用有机土技术规范》和《GB/T 16783.2-2012石油天然气工业：钻井液现场测试：第2部分：油基钻井液》对本实施例制得的新型改性的蒙脱土进行性能测试，本次测试所采用的热滚温度为150℃，热滚时间为16h，热滚后冷却至室温，再高速搅拌5min，然后测试上述新型改性的蒙脱土的基本性能测试，热滚前后的测试结果如表2所示。

表2

从表2可以看出，本实施例制得的新型改性的蒙脱土在极性很弱的新型基础油中的成胶率较高，热滚前达到77％，热滚后还能达到73％，且热滚前后其黏度、切力等性能均符合要求，这说明，本实施例制得的新型改性的蒙脱土的主要性能在高温老化前后变化不大，高温并没有破坏其分散形成相互聚结胶联的空间网状结构，该新型改性的蒙脱土具有较好的凝胶稳定性和抗温能力。

本实施例还提供上述低毒环保型油基钻井液用于致密砂岩储层的抑制性对比实验，抗温、抗污染实验以及油气层保护效果评价实验，进一步说明本实施例提供的钻井液的优良性能，具体试验如下：

(1)基本性能试验：

根据《GB/T 16783.2—2012石油天然气工业：钻井液现场测试：第2部分：油基钻井液》和《API Publ.4481-1989钻井液生物鉴定标准程序》测试上述低毒环保型油基钻井液的基本性能，本次测试所采用的热滚温度为150℃，热滚时间为16h，高速搅拌时间为5min，测量高温高压滤失量时，高温温度为150℃，高压压强为3.45MPa，基本性能测试结果如表3所示。

表3

从表3可以看出，本实施例制得的低毒环保型油基钻井液具有较理想的流变性能和高温稳定性，破乳电压高，完全可以保持稳定的乳液状态。API及高温高压滤失量较小，表明可以该低毒环保型油基钻井液能在吸附和沉积后形成致密的滤饼，不但可以解决泥页岩井壁稳定和储层保护的技术难题，并且符合一般复杂高温深井、水平井的设计要求。

(2)抗污染性试验

钻井液在钻遇不同地层时不可避免地会遇到钻屑及高矿化度地层水侵入的情况，因此，根据《GB/T 16783.2—2012石油天然气工业：钻井液现场测试：第2部分：油基钻井液》进行抗水污染和抗劣质土污染能力评价测试；本次测试所采用的浸入土符合《GB/T 5005—2010钻井级膨润土》的性能要求，所采用的侵入水为矿化度6 000mg/L的模拟地层水。本次测试所采用的热滚温度为150℃，热滚时间为16h，高速搅拌时间为5min，测量高温高压滤失量时，高温温度为150℃，高压压强为3.45MPa，测试结果如表4所示。

表4

从表4可以看出，随着侵入水量的增加，本实施例制得的低毒环保型油基钻井液的黏度、切力明显增大，API及高温高压滤失量与破乳电压也同时降低，当侵入水量达20％时，破乳电压也能达到747V，仍保持稳定的乳化体系，据此表明，本实施例制得的低毒环保型油基钻井液中的油水比可以适量降低，至少可以减小油水比至70:30。此外，随着侵入土量的增加，本实施例制得的低毒环保型油基钻井液的黏度和切力明显提高，API及高温高压滤失量稍有上升，当侵入土量为10％时，高温高压滤失量只有9.2mL，但还是在合理的范围内，该低毒环保型油基钻井液整体性能没有遭到破坏。

本次抗污染性试验的结果表明，本实施例制得的低毒环保型油基钻井液具有良好的抗污染性能，可以抗20％以内的污染水或10％以内的劣质土的侵入污染，该低毒环保型油基钻井液可以满足深井复杂地层钻井的技术需要。

(3)抑制性试验

在钻遇泥页岩等地层时，钻井液滤液易侵入到地层中而发生泥页岩膨胀、分散甚至井壁坍塌等井下故障，因此，本次测试选取了本实施例制得的低毒环保型油基钻井液根据《SY/T 5613—2000泥页岩理化性能试验方法》和《Q/SY 1088-2012钻井液用液体润滑剂技术规范》进行了岩屑滚动回收率和线性膨胀率的对比试验，评价其对泥页岩的抑制性能，本次测试所采用的滚动温度为150℃，膨胀时间为16h，其试验结果如表5所示。

表5

由表5可知，本实施例制得的低毒环保型油基钻井液的岩屑滚动回收率很高，二次岩屑滚动回收率达到了99.17％；16h线性膨胀率试验结果也同样反映该低毒环保型油基钻井液对泥页岩水化分散有较强的抑制作用，可保持地层稳定，防止井壁坍塌等井下故障。且该低毒环保型油基钻井液的摩擦系数很小，说明其润滑性能好，可以降低钻井过程中的摩擦阻力，能有效解决定向井、水平井钻井过程中摩阻过大的问题。

(4)储层保护性试验

油基钻井液本身具有低滤失、强抑制、抗高温、性能稳定、滤液为油相而避免水锁损害等诸多有利于储层保护的特点，但是乳化剂、润湿剂的使用不可避免地发生岩石乳化堵塞和润湿性反转等储层损害，有机土、降滤失剂微粒容易侵入孔喉和渗流通道，造成储层固相堵塞的损害。因此，本次测试根据《SY/T 6540—2002钻井液完井液损害油层室内评价方法》使用JHMD-Ⅱ型高温高压动态损害评价系统，通过测定人造岩心的渗透率恢复率来评价本实施例制得的低毒环保型油基钻井液的储层保护性，本次测试温度为120℃，所采用的饱和盐水为模拟地层水矿化度6 000mg/L，测试结果如表6所示。

表6

由表6可知，本实施例制得的低毒环保型油基钻井液虽然在不同程度上损害了岩心的渗透率，对低渗透率岩心的损害也较大，但是渗透率恢复率全部达到了88.5％以上，说明该低毒环保型油基钻井液体系的各组分配伍性好，且具有理想的滤失和封堵性能，其能够在岩心上形成高质量滤饼阻止对储层的损害，具有很好的储层保护性能。

综上所述，实施例1提供的低毒环保型油基钻井液体系具有体系稳定性高、抑制性强、润滑性好、储层损害小、抗高温、抗污染等优点，并且生物毒性低，能满足复杂地层安全高效的钻井需求，为复杂钻井施工提供了借鉴，且能起到良好的环境保护作用。

Claims (10)

1.一种油基钻井液，其特征在于：以质量百分比计，所述油基钻井液包括如下组分：CaCl₂溶液10％-30％，改性有机土2.0％-4％，主乳化剂1.0％-2.0％，辅乳化剂1.0％-2.0％，改性橡胶封堵剂1.0％-2.0％，树脂类降滤失剂1.0％-2.0％，磺化沥青类降滤失剂1.0％-2.0％，润湿剂1.0％-2.0％，碱度调节剂1.0％-1.5％，加重剂，余量为基础油，其中，

所述CaCl₂溶液的质量分数为20％-25％，溶剂为水；

所述加重剂的用量用于调节所述油基钻井液的密度为0.95g/cm³-2.00g/cm³；

所述基础油包括经脱硫脱芳处理的原料油。

2.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所属改性有机土通过以下步骤制得：将有机溶剂与水混合，然后加入有机土溶解，随后加入长碳链季铵盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂、辅助改性剂和pH调节剂，得到混合体系，并在60℃-80℃温度下，高速搅拌2h-3h，然后提纯、粉碎，筛分，得到所属改性有机土；其中，所述有机土、长碳链季铵盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和辅助改性剂的质量比为100：2-3：1.5-2：1-1.5；

所述混合体系的pH值为8-10；

优选地，所述有机土、长碳链季铵盐阳离子表面活性剂、非离子表面活性剂和辅助改性剂的质量比为100：3：2：1。

3.根据权利要求2所述的油基钻井液，其特征在于：所述长碳链季铵盐阳离子表面活性剂包括含有十六烷基季铵盐、十八烷基季铵盐、烷氧基季铵盐和脂肪烷基季铵盐中的一种或几种的组合。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述长碳链季铵盐阳离子表面活性剂包括双长链烷基季铵盐或三长链烷基季铵盐。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：

所述有机溶剂包括甲醇、乙醇和丙酮中的一种或几种的组合；

所述有机土包括钠蒙脱土；

所述非离子表面活性剂包括带有氧乙烯基和长链烷基的化合物，或为含氟的有机化合物；

所述辅助改性剂包括有机酸、醇、酮、酯或小分子有机酸、小分子有机盐、有机膦酸、有机膦酸盐、有机硫酸、有机硫酸盐、有机硫代膦酸有机硫代膦酸盐中的一种或几种的组合；

所述pH调节剂包括Na₂CO₃、盐酸、尿素、氨基磺酸和苯甲酰胺中的一种或几种的组合。

6.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述改性有机土在所述基础油中的成胶率为73％-77％。

7.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述改性有机土在所述基础油中的表观黏度为10.3mPa·s-11.8mPa·s，塑性黏度为8.8mPa·s-10.4mPa·s，切力为1.4Pa-1.5Pa；

优选地，所述改性有机土的粒径小于74μm。

8.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述基础油的芳烃含量小于0.5mg·kg^-1，硫含量小于2.7mg·kg^-1；

优选地，所述基础油的运动黏度为2.5mm²·s^-1-3.0mm²·s^-1，闪点为129℃-134℃。

9.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于：所述主乳化剂包括脂肪酸酰胺MOEMUL；

所述辅乳化剂包括脂肪酸衍生物MOCOAT L；

所述橡胶树脂类降滤失剂包括MORLF；

所述磺化沥青类降滤失剂包括MOTEX；

所述润湿剂包括改性季铵盐MOWET；

所述碱度调节剂包括氧化钙；

所述加重剂包括重晶石。

10.权利要求1-9任一项所述油基钻井液的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一：将原油进行脱硫脱芳处理，得到基础油；

步骤二：将CaCl₂溶液、改性有机土、主乳化剂、辅乳化剂、改性橡胶封堵剂、树脂类降滤失剂、磺化沥青类降滤失剂、润湿剂、碱度调节剂、加重剂和所述基础油搅拌混合，得到所述油基钻井液。