CN108467483A - 共聚物及其应用和油基钻井液稳定剂及其制备方法以及油基钻井液 - Google Patents

Abstract

本发明涉及油田化学技术领域，公开了一种共聚物及其应用和油基钻井液稳定剂及其制备方法以及油基钻井液，该共聚物包括由脂肪酸提供的结构单元、由脂肪酸聚合物提供的结构单元、由多胺化合物提供的结构单元以及由二酸和/或酸酐提供的结构单元。将含有该共聚物的油基钻井液稳定剂加入到油基钻井液中能够提高油基钻井液的乳液稳定性和沉降稳定性，同时具有较好的耐高温性能，从而达到安全钻井的目的。

Description

共聚物及其应用和油基钻井液稳定剂及其制备方法以及油基 钻井液

技术领域

本发明涉及油田化学技术领域，具体涉及一种共聚物及其应用和油基钻井液稳定剂及其制备方法以及油基钻井液。

背景技术

随着石油天然气勘探开发向着更深、更复杂的地层发展，钻井过程中面临的难题越来越多。油基钻井液由于其抗温性能、抑制性能、润滑性能、保护油气层等性能较水基钻井液优异，已经广泛用于深井超深井、水平井、大位移井和复杂地层条件下的钻探。油基钻井液是基于油包水乳液的一种钻井液，主要成分是：油相(柴油、矿物油等)、盐水、乳化剂、降滤失剂、有机土、加重材料。其中，油相、盐水和乳化剂在油基钻井液中形成油包水乳液，是油基钻井液的基础配方。

但是，乳液是一种热力学不稳定体系，容易失去稳定性，失稳的形式包括：沉降、絮凝、聚结等。所以，油基钻井液也是一种不稳定体系。油基钻井液自身的稳定形式包括两个方面：乳液稳定性和沉降稳定性。乳液稳定性是指油基钻井液乳液基液的稳定性；沉降稳定性是指油基钻井液悬浮自身加重材料的能力。

目前，为了提高油基钻井液的稳定性，通常情况下会加大油基钻井液乳化剂的加量、加大润湿剂改变加重材料的润湿性、钻井过程中也要不断加入乳化剂和润滑剂来补充高温消耗的处理剂。此外，油基钻井液中的成分有机土和氧化钙也有利于乳液稳定。

温度对油基钻井液稳定性的影响非常严重，温度会加速乳液的失稳、加速油基钻井液中加重材料的下沉。随着钻井深度的增加，井下温度越来越高，对油基钻井液研制过程中自身的稳定性提出了更高的要求。单独靠提高乳化剂、润湿剂加量，增加了工程难度和成本，不利于钻井液流变性能的调控。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的油基钻井液在高温条件下稳定性不佳的问题，提供一种共聚物及其应用和油基钻井液稳定剂及其制备方法以及油基钻井液。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种共聚物，其中，该共聚物包括由脂肪酸提供的结构单元、由脂肪酸聚合物提供的结构单元、由多胺化合物提供的结构单元以及由二酸和/或酸酐提供的结构单元。

本发明第二方面提供本发明的共聚物作为油基钻井液稳定剂的应用。

本发明第三方面提供一种油基钻井液稳定剂，其中，该油基钻井液稳定剂包括本发明的共聚物以及可选的不饱和脂肪酸。

本发明第四方面提供一种油基钻井液稳定剂的制备方法，其中，该制备方法包括：

(1)将脂肪酸和脂肪酸聚合物混合溶解；

(2)将步骤(1)得到的混合物与多胺化合物混合后在150-200℃下进行第一反应；

(3)将步骤(2)得到的反应产物冷却至20-35℃后与二酸和/或二酸酐混合，然后在150-200℃下进行第二反应；

以及可选地，将所述第二反应的反应产物冷却至50-70℃后与不饱和脂肪酸混合进行稀释。

本发明第五方面提供由本发明所述的制备方法得到的油基钻井液稳定剂。

本发明第六方面提供一种油基钻井液，该油基钻井液包括油相、盐水、乳化剂和加重材料，其中，该油基钻井液中还含有本发明所述的油基钻井液稳定剂。

含有本发明共聚物的油基钻井液稳定剂能够显著提升油基钻井液的乳液稳定性，提高破乳电压；有利于提高油基钻井液的沉降稳定性，提高悬浮重晶石和钻屑的能力，在水平井和大位移井钻井过程中有利于井眼清洁，防止岩屑床的产生；并且，该油基钻井液稳定剂合成温度较高，所以自身可以耐较高的温度；该油基钻井液稳定剂在油基钻井液基液中的加量小，对钻井液成本的影响较小，相比于乳化剂在油基钻井液基液中的加量(30-80g/L)，加量可以忽略不计。

附图说明

图1是本发明实施例1的油基钻井液稳定剂对乳液稳定性的测试结果；

图2是本发明实施例1的油基钻井液稳定剂对沉降稳定性的测试结果。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本发明一方面提供一种共聚物，其特征在于，该共聚物包括由脂肪酸提供的结构单元、由脂肪酸聚合物提供的结构单元、由多胺化合物提供的结构单元以及由二酸和/或酸酐提供的结构单元。

本发明中，优选地，来自脂肪酸的结构单元、来自脂肪酸聚合物的结构单元、来自多胺化合物的结构单元与来自二酸和/或酸酐的结构单元的摩尔比为1：1-3：0.1-0.5：0.03-0.1，优选为1：2-2.5：0.2-0.4：0.03-0.05。

本发明中，为了进一步提高油基钻井液稳定剂的性能效果，所述脂肪酸为十二酸、十四酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸中的至少一种；所述脂肪酸聚合物为二聚脂肪酸和/或三聚脂肪酸；所述多胺为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯二胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺中的至少一种；所述二酸为乙二酸、丙二酸和己二酸中的至少一种，所述酸酐为乙二酸酐、马来酸酐和丁二酸酐中的至少一种。

本发明第二方面提供本发明的共聚物作为油基钻井液稳定剂的应用。

本发明第三方面提供一种油基钻井液稳定剂，其中，该油基钻井液稳定剂包括本发明的共聚物以及可选的不饱和脂肪酸。当油基钻井液稳定剂包括本发明的共聚物和不饱和脂肪酸时，所述不饱和脂肪酸与所述共聚物的含量的体积相同。

本发明第四方面提供一种油基钻井液稳定剂的制备方法，其中，该制备方法包括：

(1)将脂肪酸和脂肪酸聚合物混合溶解；

(2)将步骤(1)得到的混合物与多胺化合物混合后在150-200℃下进行第一反应；

(3)将步骤(2)得到的反应产物冷却至20-35℃后与二酸和/或二酸酐混合，然后在150-200℃下进行第二反应；

以及可选地，将所述第二反应的反应产物冷却至50-70℃后与不饱和脂肪酸混合进行稀释。

本发明中，优选地，脂肪酸、脂肪酸聚合物、多胺化合物、二酸和/或二酸酐的用量的摩尔比为1：1-3：0.1-0.5:：0.03-0.1，优选为1：2-2.5：0.2-0.4：0.03-0.05。

本发明中，为了进一步提高得到的油基钻井液稳定剂的性能效果，优选地，所述脂肪酸为十二酸、十四酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸中的至少一种；所述脂肪酸聚合物为二聚脂肪酸和/或三聚脂肪酸；所述多胺为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯二胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺中的至少一种；所述二酸为乙二酸、丙二酸和己二酸中的至少一种，所述酸酐为乙二酸酐、马来酸酐和丁二酸酐中的至少一种。

本发明中，优选地，所述第一反应的时间为4-8h，所述第二反应的时间为2-4h。

本发明中，步骤(2)中的反应温度可以通过常规的方法控制，例如，在油浴中进行。

本发明中，为了进一步促进第一反应的进行，优选地，该制备方法还包括：步骤(2)中，在所述第一反应过程中除去反应生成的水。除去水的方式为本领域的常规方法，在此不再赘述。

本发明中，步骤(3)中，优选通过缓慢升温的方式将体系温度升至第二反应的温度，进一步优选地，步骤(3)中，将步骤(2)得到的反应产物与二酸和/或二酸酐混合后，以10-20℃/min的速率升温至150-200℃。

本发明中，所述不饱和脂肪酸可以为本领域的常规选择，只要能够将第二反应的产物稀释即可，例如，所述不饱和脂肪酸可以为油酸、亚油酸和亚麻酸中的至少一种。

本发明第五方面提供了由本发明所述的制备方法得到的油基钻井液稳定剂。

本发明第六方面提供了一种油基钻井液，该油基钻井液包括油相、盐水、乳化剂和加重材料，其中，该油基钻井液中还含有本发明所述的油基钻井液稳定剂。

本发明中，少量的油基钻井液稳定剂既可以达到提高油基钻井液的乳液稳定性和沉降稳定性的效果，优选地，在所述油基钻井液中，以油相和盐水的总体积为基准，所述油基钻井液稳定剂的浓度为1.5-2.5g/L，优选为2g/L。

本发明中，所述油相、盐水、乳化剂和加重材料都可以是本领域的常规选择，在此不再赘述。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1

(1)将油酸和二聚脂肪酸(购自上海志浦化工有限公司公司，牌号为DMA-1080)混合，使二聚脂肪酸充分溶解；

(2)将步骤(1)得到的混合物与四乙烯五胺混合，在170℃油浴条件下反应6h，反应过程中除去反应生成的水分；

(3)待上述反应结束后，将体系冷却至20℃，加入己二酸，以10℃/min的速率升温至170℃，反应4h。

(4)待反应结束后，将反应产物冷却至60℃，加入和产物相同体积的油酸进行稀释。

其中，油酸、二聚脂肪酸、四乙烯五胺和己二酸的摩尔比为1：2.5：0.3：0.05。得到稳定剂A1。

实施例2

(1)将亚麻酸和二聚脂肪酸(购自上海志浦化工有限公司公司，牌号为DMA-1080)混合，使二聚脂肪酸充分溶解；

(2)将步骤(1)得到的混合物与三乙烯二胺混合，在150℃油浴条件下反应8h，反应过程中除去反应生成的水分；

(3)待上述反应结束后，将体系冷却至30℃，加入马来酸酐，以15℃/min的速率升温至150℃，反应3h。

(4)待反应结束后，将反应产物冷却至60℃，加入和产物相同体积的油酸进行稀释。

其中，油酸、二聚脂肪酸、三乙烯二胺和马来酸酐的摩尔比为1：2：0.2：0.03。得到稳定剂A2。

实施例3

(1)将十四酸和三聚脂肪酸(购自福建中德能源有限公司，牌号为ZD-40)混合，使三聚脂肪酸充分溶解；

(2)将步骤(1)得到的混合物与乙二胺混合，在200℃油浴条件下反应4h，反应过程中除去反应生成的水分；

(3)待上述反应结束后，将体系冷却至35℃，加入乙二酸，以20℃/min的速率升温至200℃，反应2h。

(4)待反应结束后，将反应产物冷却至60℃，加入和产物相同体积的油酸进行稀释。

其中，十四酸、三聚脂肪酸、乙二胺和乙二酸的摩尔比为1：2.3：0.4：0.04。得到稳定剂A3。

实施例4

按照实施例1的方法制备稳定剂，不同的是，油酸、二聚脂肪酸A、四乙烯五胺和己二酸的摩尔比为1：1：0.5：0.1。得到稳定剂A4。

实施例5

按照实施例1的方法制备稳定剂，不同的是，步骤(3)中，以5℃/min的速率升温至170℃。得到稳定剂A5。

测试例

(1)稳定剂对油包水乳液的乳液稳定性测试

在样品瓶中将0.45g的Span80溶于12ml的纯白油(购自阿尔法公司，牌号为J62592)中，然后在样品瓶中加入不同加量的稳定剂A1，搅拌并溶解，最后分别加入3ml的蒸馏水，得到稳定剂A1的浓度分别为0g/L、1g/L、2g/L、4g/L、6g/L、8g/L和10g/L的乳液。值得一提的是，稳定剂的浓度是基于油相体积和水相体积之和，不是乳液的体积。

对于每一个样品瓶，使用高剪切速率搅拌仪(购自深圳市三利化学品有限公司公司，牌号为FJ200-S)进行搅拌，搅拌速度为5000r/min，将配制好的样品瓶静止在室温下24小时后，观察每个样品的分层情况。实验如结果图1所示，图1中，从左到右稳定剂A1的浓度分别依次为0g/L、1g/L、2g/L、4g/L、6g/L、8g/L和10g/L。

(2)稳定剂对油包水乳液的沉降稳定性测试

零剪切速率粘度与乳液体系沉降速率具有良好的相关性，沉降稳定性越好，零剪切速率粘度越大。采用哈克流变仪(购自Thermo Scientific公司，牌号为MARS III)测定不同加量稳定剂(基于油相体积和水相体积之和，稳定剂的浓度分别为0g/L、1g/L、2g/L、3g/L、4g/L和5g/L)对零剪切速率粘度的影响。测试在20.0℃条件下进行。使用频率扫描方法测试零剪切速率粘度，零剪切速率粘度定为0.001Hz条件下的复合粘度。对于零剪切速率测试，0.1Pa的恒定应力处于所有研究的乳液样品的线性粘弹性区域内。分别加入稳定剂A1-A5的不同浓度的乳液的零剪切速率粘度如表1所示；稳定剂A1的不同浓度的乳液的零剪切速率粘度曲线图如图2所示。

(3)稳定剂在油基钻井液体系中的抗温性能测试

按照表2中钻井液的组分配制油基钻井液使用的基础油为茂名石化生产的5#白油。根据最新的国标《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》来测定油基钻井液性能。然后，将配制的油基钻井液在150℃老化16h后，再次参照上述标准测定油基钻井液的性能。结果如表2所示。

由图1可以看出，本发明的稳定剂对乳液有积极的作用：对于没有加稳定剂的乳液，24小时放置之后出现非常严重的沉降现象，而加入稳定剂后，沉降现象明显减弱；并且，在稳定浓度为2g/L的时候，乳液取得最佳的稳定性，当浓度大于2g/L时，乳液的稳定性依次降低。

表1

结合图2和表1可以看出，含有本发明稳定剂的乳液具有较好的沉降稳定性。

表2

从表2可以看出，含有本发明的稳定剂的油基钻井液具有较高的破乳电压和较小的滤失量，表明其乳液稳定性和滤失稳定性较好。并且，高温老化16小时后，依然具有较高的破乳电压和较小的滤失量，表明本发明的稳定剂具有较好的抗温性能。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种共聚物，其特征在于，该共聚物包括由脂肪酸提供的结构单元、由脂肪酸聚合物提供的结构单元、由多胺化合物提供的结构单元以及由二酸和/或酸酐提供的结构单元。

2.根据权利要求1所述的共聚物，其中，由脂肪酸提供的结构单元、由脂肪酸聚合物提供的结构单元、由多胺化合物提供的结构单元以及由二酸和/或酸酐提供的结构单元的摩尔比为1：1-3：0.1-0.5：0.03-0.1，优选为1：2-2.5：0.2-0.4：0.03-0.05；

优选地，所述脂肪酸为十二酸、十四酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸中的至少一种；所述脂肪酸聚合物为二聚脂肪酸和/或三聚脂肪酸；所述多胺为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯二胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺中的至少一种；所述二酸为乙二酸、丙二酸和己二酸中的至少一种，所述酸酐为乙二酸酐、马来酸酐和丁二酸酐中的至少一种。

3.权利要求1或2所述的共聚物作为油基钻井液稳定剂的应用。

4.一种油基钻井液稳定剂，其特征在于，该油基钻井液稳定剂包括权利要求1或2所述的共聚物以及可选的不饱和脂肪酸。

5.一种油基钻井液稳定剂的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：

(1)将脂肪酸和脂肪酸聚合物混合溶解；

(2)将步骤(1)得到的混合物与多胺化合物混合后在150-200℃下进行第一反应；

(3)将步骤(2)得到的反应产物冷却至20-35℃后与二酸和/或二酸酐混合，然后在150-200℃下进行第二反应；

以及可选地，将所述第二反应的反应产物冷却至50-70℃后与不饱和脂肪酸混合进行稀释。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，脂肪酸、脂肪酸聚合物、多胺化合物、二酸和/或二酸酐的用量的摩尔比为1：1-3：0.1-0.5:：0.03-0.1，优选为1：2-2.5：0.2-0.4：0.03-0.05；

优选地，所述脂肪酸为十二酸、十四酸、硬脂酸、油酸、亚油酸和亚麻酸中的至少一种；所述脂肪酸聚合物为二聚脂肪酸和/或三聚脂肪酸；所述多胺为乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯二胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺中的至少一种；所述二酸为乙二酸、丙二酸和己二酸中的至少一种，所述酸酐为乙二酸酐、马来酸酐和丁二酸酐中的至少一种。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其中，所述第一反应的时间为4-8h，所述第二反应的时间为2-4h；

优选地，该制备方法还包括：步骤(2)中，在所述第一反应过程中除去反应生成的水。

8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其中，步骤(3)中，将步骤(2)得到的反应产物与二酸和/或二酸酐混合后，以10-20℃/min的速率升温至150-200℃。

9.由权利要求5-8中任意一项所述的制备方法得到的油基钻井液稳定剂。

10.一种油基钻井液，该油基钻井液包括油相、盐水、乳化剂和加重材料，其特征在于，该油基钻井液中还含有权利要求9所述的油基钻井液稳定剂；

优选地，在所述油基钻井液中，以油相和盐水的总体积为基准，所述油基钻井液稳定剂的浓度为1.5-2.5g/L，优选为2g/L。