CN107987811A - 一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂及其制备方法,属于石油钻井液技术领域。该低成本乳化剂包括以下按质量百分数计的原料:氧化脂肪酸45~70%、马来酸化妥尔油脂肪酸15~40%、油酸5~30%、十八烷基苯磺酸钠1~5%;以上原料的总百分含量为100%。该制备方法是:将氧化脂肪酸、马来酸化妥尔油脂肪酸、油酸和十八烷基苯磺酸钠混合、60℃下搅拌反应1~2h,出料得低成本乳化剂。本发明的乳化剂具有成本低廉、破乳电压高、滤失量低等优点,能够使钻井液体系稳定,添加量少,使用方便有效,便于推广应用。本发明的制备方法工序简单,步骤简单,方便生产,大大降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井液技术领域,具体涉及一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂及其制备方法。
背景技术
钻井液是应用于石油钻探中孔内使用的循环冲洗介质。钻井液基于主要组分的不同分为水基钻井液和油基钻井液两大类,其中油基钻井液是一种以油(主要是柴油或矿物油)为载体,各种化学处理剂及水作为分散相的溶胶悬浮混合体系,其主要成分通常包括矿物油、柴油、加重材料、化学处理剂和氯化钙盐水等。相对于水基钻井液,油基钻井液具有较强的防塌抑制性、润滑性和良好的储层保护性能,尤其可满足强水敏及高温、超高温地层,或者需要钻大位移特殊井及海上水平井等特殊钻井需要。
油基钻井液呈现为乳液状,其抗温性能高低的关键在于高温下油基钻井液的乳液是否稳定,而乳化剂是决定乳状液稳定性的关键因素。钻井液乳化剂是一种用来促使两种互不相溶的液体形成均匀混合乳化液的处理剂,一般认为钻井液乳化剂的作用是:(1)在油/水界面形成具有一定强度和紧密程度的吸附界面膜,阻止液滴碰撞时发生聚并而使乳状液稳定;(2)降低油水界面张力,使得体系稳定;(3)增加外相粘度,增加液滴发生碰撞的阻力。在上述三个作用中,吸附膜的强度最为重要,因而被认为是乳状液能否保持稳定的决定性因素。
目前,在国际油价形势低迷的情况下,为降低钻井作业的成本,需要寻求低成本的钻井材料,并能够满足钻井作业的需求。乳化剂作为油基钻井液的核心组分同样也急切需求低成本的替代品。当前油基钻井液的的乳化剂以酰胺类为主,其成本较高,并且还需搭配辅乳一起使用,更增加了现场操作难度和成本;且大量的乳化剂的加入还有可能会使破乳电压变低,不利于钻井液体系的稳定。
综上所述,研发一种可以应用于油基钻井液的低成本乳化剂是非常必要的,也是当前研究的热点。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂,该乳化剂具有成本低廉、破乳电压高、滤失量低等优点,能够使钻井液体系稳定,添加量少,使用方便有效,便于推广和应用。
为解决上述问题,本发明所采用的技术方案如下:
一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂,其包括以下按质量百分数计的原料:氧化脂肪酸45~70%、马来酸化妥尔油脂肪酸15~40%、油酸5~30%、十八烷基苯磺酸钠1~5%;以上原料的总百分含量为100%。
作为本发明优选的实施方式,本发明的乳化剂包括以下按质量百分数计的原料:氧化脂肪酸50~65%、马来酸化妥尔油脂肪酸20~35%、油酸5~25%、十八烷基苯磺酸钠1~5%;以上原料的总百分含量为100%。
作为本发明优选的实施方式,所述氧化脂肪酸是脂肪酸经过加热通入空气或氧气反应得到的反应产物。
作为本发明优选的实施方式,所述脂肪酸选自动物油酸、豆油油酸、棕榈油油酸、亚油酸、亚麻油酸、妥尔油脂肪酸、粗妥尔油脂肪酸中的一种。
作为本发明优选的实施方式,所述马来酸化妥尔油脂肪酸是由粗妥尔油脂肪酸和马来酸酐按质量比2~4:1反应所得到的产物。
作为本发明优选的实施方式,所述油酸选自动物油酸、豆油油酸、棕榈油油酸中的一种。
本发明还提供了一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂的制备方法,其包括以下步骤:
A、氧化脂肪酸的制备:将脂肪酸边搅拌边加热至120~130℃,向反应物中按1~7L/h的速率通空气或氧气,反应8~12h,得氧化脂肪酸;
B、马来酸化妥尔油脂肪酸的制备:将粗妥尔油脂肪酸边搅拌边加热至130~150℃,按照粗妥尔油脂肪酸与马来酸酐的质量比4~2:1加入马来酸酐,然后将反应温度升至200~230℃,反应4~6h,得马来酸化妥尔油脂肪酸;
C、将上述步骤制得的氧化脂肪酸、马来酸化妥尔油脂肪酸与油酸和十八烷基苯磺酸钠按配方量在室温下混合反应1~2h,得到乳化剂。
具体地,所述步骤A中具体如下:将脂肪酸加入反应釜中,边搅拌边加热至120~130℃,按1~7L/h的气速通入空气或氧气,保温反应8~12h,反应过程中每隔2h测定物料的酸值,直至酸值<170mgKOH/g;将物料的温度冷却至60℃,出料得氧化脂肪酸。
具体地,所述步骤B中具体如下:将粗妥尔油脂肪酸加入反应釜中,边搅拌边加热至130~150℃;向反应釜投加马来酸酐,快速加热使反应釜温度升至230℃,保温反应4~6h,反应过程中每隔1h测定物料的酸值,直至酸值>220mgKOH/g;将物料温度冷却至80~90℃,加入有机溶剂,反应0.5~1h,出料得马来酸化妥尔油脂肪酸。
本发明还提供了一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂的生产系统,其包括反应釜、冷凝装置、加热装置、通气装置、半成品储罐和成品储罐;
所述反应釜的顶部上设置有固体投料口和液体投料口,所述液体投料口通过管道连接有液体原料储罐,所述反应釜内设置有搅拌桨,所述反应釜的内壁上设置有盘管,所述反应釜的底部设置有吹气管;所述冷凝装置通过管道与所述反应釜的顶部连通,所述加热装置与盘管连通,所述通气装置与吹气管连通;所述反应釜的出料口通过T型管道分别与所述半成品储罐和成品储罐连通。
相比现有技术,本发明的有益效果在于:
本发明所提供的应用于油基钻井液的低成本乳化剂为一体式乳化剂,相对于酰胺类乳化剂来说,大大降低了生产成本的同时,又具有破乳电压高、滤失量低等优点,能够提高钻井液体系的稳定性;相对于现有技术中由主乳化剂和辅乳化剂组成的乳化剂体系来说,本发明可以减少钻井液配置过程中乳化剂的添加次数和添加量,大大降低现场操作特别是钻井液体系维护的难度,使用方便有效,便于推广和应用。
本发明的制备方法工艺简单、对设备要求低,能够精确控制反应温度,节省能耗,大大降低了生产成本。
本发明的生产系统工艺连续、方法简单,自动化生产,工业可操作性强,布局合理,生产效率高,具有节能效果。
附图说明
图1为本发明所述的制备方法的工艺流程图;
图2为本发明所述的生产系统的结构示意图;
附图标号说明:1、反应釜;2、冷凝装置;21、冷凝水储罐;22、冷凝器;3、加热装置;4、通气装置;41、氮气源;42、空压机;5、半成品储罐;6、成品储罐;7、液体原料储罐;8、搅拌桨;9、防爆电机;10、盘管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂,其包括以下按质量百分数计的原料:氧化脂肪酸45~70%、马来酸化妥尔油脂肪酸15~40%、油酸5~30%、十八烷基苯磺酸钠1~5%;以上原料的总百分含量为100%。
上述配方中,氧化脂肪酸是脂肪酸经过加热通入空气或氧气反应得到的反应产物。该脂肪酸选自动物油酸、豆油油酸、棕榈油油酸、亚油酸、亚麻油酸、妥尔油脂肪酸、粗妥尔油脂肪酸中的一种。马来酸化妥尔油脂肪酸是由粗妥尔油脂肪酸和马来酸酐按质量比2~4:1反应所得到的产物。油酸选自动物油酸、豆油油酸、棕榈油油酸中的一种。
如图1所示,为本发明所述的一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂的制备方法,其包括以下步骤:
A、氧化脂肪酸的制备:将脂肪酸加入反应釜中,边搅拌边加热至120~130℃,按1~7L/h的气速通入空气或氧气,保温反应8~12h,反应过程中每隔2h测定物料的酸值,直至酸值<170mgKOH/g;将物料的温度冷却至60℃,出料得氧化脂肪酸;
B、马来酸化妥尔油脂肪酸的制备:将粗妥尔油脂肪酸加入反应釜中,边搅拌边加热至130~150℃;向反应釜投加马来酸酐,快速加热使反应釜温度升至230℃,保温反应4~6h,反应过程中每隔1h测定物料的酸值,直至酸值>220mgKOH/g;将物料温度冷却至80~90℃,加入有机溶剂,反应0.5~1h,出料得马来酸化妥尔油脂肪酸;
C、将上述步骤制得的氧化脂肪酸、马来酸化妥尔油脂肪酸与油酸和十八烷基苯磺酸钠按配方量在室温下混合反应1~2h,得到乳化剂。
如图2所述,为本发明所述的一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂的生产系统,其包括用于制备原料的反应釜1、为反应提供冷却介质的冷凝装置2、为反应提供加热介质的加热装置3、用于防止反应过程中物料沉淀的通气装置4、用于储存的半成品储罐5和成品储罐6。
具体地,反应釜1的顶部上设置有固体投料口和液体投料口,固体物料经固体投料口投入,液体投料口通过管道连接有液体原料储罐7,液体原料通过流量泵由液体原料储罐7经管道进入反应釜1内。反应釜1内设置有搅拌桨8,该搅拌桨8的桨叶为塑包钢式桨叶,能够防止搅拌桨8受到原料的腐蚀;搅拌桨8远离桨叶的一端伸出反应釜1的顶部并连接有用于驱动搅拌桨8旋转的防爆电机9。反应釜1的内壁上设置有与外界连通的盘管10,该盘管10由固定设置在反应釜1内壁上的挡水板固定;冷凝装置2通过管道与反应釜1的顶部连通,加热装置3与盘管10连通,将加热介质或冷却介质通过盘管10可实现对反应釜1内物料的温度调节。进一步地,为了便于精确掌握反应釜1内的实时温度,反应釜1内还设置有温控装置(图未示),该温控装置包括温度传感器和控制器,温度传感器设置在反应釜1内并与控制器信号连接,控制器分别与加热装置3和冷凝装置2连接且加热装置3与冷凝装置2受控制器控制。温度传感器将测得的实时温度发送至控制器中,控制器根据实时温度调节加热介质或冷凝介质的流量,使反应釜1内的温度达到反应所要求的反应温度。反应釜1的底部设置有用于向物料提供气体以防止物料沉淀的吹气管,吹气管上设置有多个开口向下且均匀布设的3mm吹气孔,吹气管的数量为三圈,每两圈相邻的吹气管相互连通,通气装置4与吹气管连通。
具体地,冷凝装置2包括冷凝水储罐21和与冷凝水储罐21底部连通的冷凝器22,冷凝器22通过管道与反应釜1的顶部连通。加热装置3包括导热油储罐,该导热油储罐通过带有流量泵和阀门的管道与盘管10连通。控制器分别与冷凝装置2的流量泵和加热装置3的流量泵电连接,以实现对冷凝介质或加热介质的流量控制。通气装置4包括氮气源41和空压机42,氮气源41分别通过管道与反应釜1和空压机42连通,在空压机42的作用下氮气被鼓入反应釜1的物料中。反应釜1的出料口通过T型管道与分别与半成品储罐5和成品储罐6连通,该T型管道上连接半成品储罐5和成品储罐6的分支上分别设置有流量泵。
下述实施例中所述方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得的工业级产品。
实施例1:低成本乳化剂的制备
一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂及其制备方法,以该乳化剂的总质量为100%计,该乳化剂的组成包括:氧化脂肪酸70%、马来酸化妥尔油脂肪酸15%、油酸13%、十八烷基苯磺酸钠2%。
上述组分按照以下步骤进行制备:
A、氧化脂肪酸的制备:向10m3反应釜中投加5t豆油油酸,开启搅拌,用导热油进行加热,将豆油油酸边搅拌边加热至130℃;由反应釜底部通气管通入氧气,保持气速4L/h,维持温度反应8~12h;反应过程中每隔2h取样测定物料的酸值,直至酸值<170mgKOH/g后,反应结束;开启冷却水进入盘管10,将物料冷却至60℃以下,出料得氧化脂肪酸。
B、马来酸化妥尔油脂肪酸的制备:向10m3反应釜中投加4t粗妥尔油脂肪酸,开启搅拌,用导热油进行加热,将粗妥尔油脂肪酸边搅拌边加热至130℃;再向反应釜中投加马来酸酐1t,快速加热使反应釜温度升至230℃;230℃下保温反应4-6h,反应过程中每隔1h取样测定物料的酸值,直至酸值>220mgKOH/g后,反应结束;开启冷却水将物料温度冷却至80~90℃,再加入二丙二醇甲醚1t,混合0.5~1h,出料得到马来酸化妥尔油脂肪酸。
C、将上述步骤制得的氧化脂肪酸、马来酸化妥尔油脂肪酸与豆油油酸(工业级)和十八烷基苯磺酸钠(50%,一级品)按照比例混合搅拌反应1~2h,得到乳化剂。
实施例2:低成本乳化剂的制备
一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂,以该乳化剂的质量百分数之和为100%计,该乳化剂的组成包括:氧化脂肪酸45%,马来酸化妥尔油脂肪酸30%,动物油酸20%,十八烷基苯磺酸钠5%。
本实施例中,氧化脂肪酸是由动物油酸经过加热通入空气反应得到的反应产物;马来酸化妥尔油脂肪酸是由粗妥尔油脂肪酸和马来酸酐按质量比3:1反应所得到的产物。
制备方法同实施例1。
实施例3:低成本乳化剂的制备
一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂,以该乳化剂的质量百分数之和为100%计,该乳化剂的组成包括:氧化脂肪酸50%,马来酸化妥尔油脂肪酸40%,棕榈油油酸5%,十八烷基苯磺酸钠5%。
本实施例中,氧化脂肪酸是由棕榈油油酸经过加热通入空气反应得到的反应产物;马来酸化妥尔油脂肪酸是由粗妥尔油脂肪酸和马来酸酐按质量比4:1反应所得到的产物。
制备方法同实施例1。
实施例4:低成本乳化剂应用于柴油基钻井液的效果验证
将以上实施例1所得的油基钻井液低成本乳化剂采用表1中的钻井液配方进行性能评价,主要通过将实施1制得的低成本乳化剂应用于柴油基钻井液中,测试柴油基在热滚实验前后的各项性能指标,包括热滚前流变性参数、破乳电压、热滚后流变性参数、破乳电压和高温高压滤失量等。
表1含有实施例1的低成本乳化剂的柴油基钻井液配方
由表1的性能参数可见,通过添加本发明的乳化剂可以使柴油基钻井液的乳液状体系更加稳定,使钻井液的动力学稳定性增加,并提高钻井液泥浆的粘度而保持钻井液中分散相的悬浮。因此,可以通过测定钻井液的流变性参数和破乳电压来确定柴油基钻井液和低成本乳化剂的性能,结果见表2。
表2含有实施例1的低成本乳化剂的柴油基钻井液热滚实验结果
从表2中能够看出,本发明实施例1所制得的基于油基钻井液的低成本乳化剂在应用于柴油基钻井液时,体系具有较高的破乳电压,抗温性能能够达到149℃,热滚前后流变性能变化不大,并且滤失量较低,由此能够说明本发明所提供的基于油基钻井液的低成本乳化剂和柴油基钻井液具有很好的配伍性。
实施例5:低成本乳化剂应用于白油基钻井液的效果验证
将以上实施例1所得的油基钻井液低成本乳化剂采用表3中的钻井液配方进行性能评价,主要通过将实施1制得的低成本乳化剂应用于白油基钻井液中,测试白油基在热滚实验前后的各项性能指标,包括热滚前流变性参数、破乳电压、热滚后流变性参数、破乳电压和高温高压滤失量等。
表3含有实施例1的低成本乳化剂的白油基钻井液配方
由表3的性能参数可见,通过添加本发明的低成本乳化剂可以使白油基钻井液的乳化体系更加稳定,并提高钻井液泥浆的粘度而保持钻井液中分散相的悬浮。因此,同样地可以通过测定钻井液的流变性参数和破乳电压来确定钻井液和低成本乳化剂的性能、以及该低成本乳化剂与白油基钻井液的配伍情况。结果见表4。
表4含有实施例1的低成本乳化剂的白油基钻井液热滚实验结果
表4表明,添加了本发明实施例1的低成本乳化剂的白油基钻井液在121℃(250F)和149℃(300F)下热滚前后的流变性参数比较稳定,破乳电压(ES)在热滚前后都保持了较高的数值,并且具有较低的滤失量,这说明了本发明的低成本乳化剂与白油基钻井液具有较好的配伍性,表现出较佳的乳化性能。
由实施例1、4、5可知,本发明所提供的低成本乳化剂应用于高温高密度钻井液中,表现出具有较高的破乳电压,其抗温性能能够达到149℃,钻井液在热滚前后流变性能稳定,并且具有较低的滤失量。且本发明所提供的乳化剂为一体化乳化剂,相对于现有技术来说,能够减少钻井液中乳化剂的添加次数和添加量,从而能够减少钻井成本,还能够降低现场操作特别是体系维护的困难系数,进而减少复杂情况的出现,使用方便有效,能够很好地满足高深井的钻探作业的需求。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式,不能以此来限定本发明保护的范围,本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂,其特征在于:包括以下按质量百分数计的原料:氧化脂肪酸45~70%、马来酸化妥尔油脂肪酸15~40%、油酸5~30%、十八烷基苯磺酸钠1~5%;以上原料的总百分含量为100%。
2.根据权利要求1所述的应用于油基钻井液的低成本乳化剂,其特征在于:包括以下按质量百分数计的原料:氧化脂肪酸50~65%、马来酸化妥尔油脂肪酸20~35%、油酸5~25%、十八烷基苯磺酸钠1~5%;以上原料的总百分含量为100%。
3.根据权利要求1或2所述的应用于油基钻井液的低成本乳化剂,其特征在于:所述氧化脂肪酸是脂肪酸经过加热通入空气或氧气反应得到的反应产物。
4.根据权利要求3所述的应用于油基钻井液的低成本乳化剂,其特征在于:所述脂肪酸选自动物油酸、豆油油酸、棕榈油油酸、亚油酸、亚麻油酸、妥尔油脂肪酸、粗妥尔油脂肪酸中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的应用于油基钻井液的低成本乳化剂,其特征在于:所述马来酸化妥尔油脂肪酸是由粗妥尔油脂肪酸和马来酸酐按质量比2~4:1反应所得到的产物。
6.根据权利要求1或2所述的应用于油基钻井液的低成本乳化剂,其特征在于:所述油酸选自动物油酸、豆油油酸、棕榈油油酸中的一种。
7.一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
A、氧化脂肪酸的制备:将脂肪酸边搅拌边加热至120~130℃,向反应物中按1~7L/h的速率通空气或氧气,反应8~12h,得氧化脂肪酸;
B、马来酸化妥尔油脂肪酸的制备:将粗妥尔油脂肪酸边搅拌边加热至130~150℃,按照粗妥尔油脂肪酸与马来酸酐的质量比4~2:1加入马来酸酐,然后将反应温度升至200~230℃,反应4~6h,得马来酸化妥尔油脂肪酸;
C、将上述步骤制得的氧化脂肪酸、马来酸化妥尔油脂肪酸与油酸和十八烷基苯磺酸钠按配方量在室温下混合反应1~2h,得到乳化剂。
8.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于:所述步骤A中具体如下:将脂肪酸加入反应釜中,边搅拌边加热至120~130℃,按1~7L/h的气速通入空气或氧气,保温反应8~12h,反应过程中每隔2h测定物料的酸值,直至酸值<170mgKOH/g;将物料的温度冷却至60℃,出料得氧化脂肪酸。
9.根据权利要求7所述的制备方法,其特征在于:所述步骤B中具体如下:将粗妥尔油脂肪酸加入反应釜中,边搅拌边加热至130~150℃;向反应釜投加马来酸酐,快速加热使反应釜温度升至230℃,保温反应4~6h,反应过程中每隔1h测定物料的酸值,直至酸值>220mgKOH/g;将物料温度冷却至80~90℃,加入有机溶剂,反应0.5~1h,出料得马来酸化妥尔油脂肪酸。
10.一种应用于油基钻井液的低成本乳化剂的生产系统,其特征在于:包括反应釜、冷凝装置、加热装置、通气装置、半成品储罐和成品储罐;
所述反应釜的顶部上设置有固体投料口和液体投料口,所述液体投料口通过管道连接有液体原料储罐,所述反应釜内设置有搅拌桨,所述反应釜的内壁上设置有盘管,所述反应釜的底部设置有吹气管;所述冷凝装置通过管道与所述反应釜的顶部连通,所述加热装置与盘管连通,所述通气装置与吹气管连通;所述反应釜的出料口通过T型管道分别与所述半成品储罐和成品储罐连通。
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