CN110105931A

CN110105931A - 一种基于改性蓖麻油的油基钻井液及其制备方法

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Publication number: CN110105931A
Application number: CN201910372816.XA
Authority: CN
Inventors: 张妍
Original assignee: Binzhou University
Current assignee: Binzhou University
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2019-08-09

Abstract

一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，包括以下质量百分数的各组分：改性蓖麻油75～82％、有机土4.0～4.8％、纳米二氧化硅1.3～2.9％、纳米碳酸钙2.7～3.8％、超细碳酸钙1.3～2.9％、异十三醇聚氧乙烯醚1.3～2.9％、氯化钙水溶液1.3～1.9％、提切剂1.1～1.2％和润湿剂4.1～4.8％。本发明通过对蓖麻油改性，使钻井液抗温性提高至180℃以上，可用于高温深井环境；同时，体系的降滤失和封堵能力大幅度提高，且有良好的环境接受性。

Description

一种基于改性蓖麻油的油基钻井液及其制备方法

技术领域

本发明属于石油钻井领域，具体涉及一种基于改性蓖麻油的油基钻井液及其制备方法。

背景技术

在石油勘探与开发过程中，会钻遇不同的储层，如果在钻遇复杂的泥页岩地层时采用水基钻井液，则有可能导致泥页岩地层水化膨胀，从而引发复杂事故；如果钻遇盐膏层地层，则有可能导致膏盐溶解到水基钻井液中，从而引起钻井液性能发生恶化。因此，为了减少复杂地层出现的问题，人们常用油基钻井液来打井，但目前，常用的油基钻井液的基油有原油、白油、柴油等，但这些基油对环境都有较高的污染。随后，人们研制出毒性较低的合成基钻井液，虽然毒性有一定改善，但其降解速度不高，对环境存在一定污染。最近，人们开始研究采用植物油作为基油来开发毒性较低的油基钻井液，张洁等在2014年提出了植物油全油基钻井液(钻井液与完井液,2014,31(6):24-27)，所采用的植物基油主要成分为脂肪酸甘油酯，与20％氯化钙配成95:5的基液，配以乳化剂、有机土、降滤失剂和氧化钙，形成植物油全油基钻井液体系，该体系抗温150℃，具有一定的抗水侵、抗土侵、抗盐侵等性能。刘振东等人采用生物柴油为基液，加入氯化钙溶液、乳化剂、润湿剂、有机土、氧化钙、封堵剂以及提切剂，形成一种油基钻井液(CN201611203335.9)，这种钻井液的封堵能力较强，但抗温性较差，在井底高温长时间循环后，会出现降解、发酵的情况，钻井液性能会出现恶化，并对作业人员健康产生一定的影响。

蓖麻油是世界主要油料之一，而我国蓖麻油籽产量世界第二。它是一种绿色天然、环保、可生物降解、来源丰富、价格低廉的资源，主要用途为医学、涂料、生物柴油、皮革加工等非食用油领域。其主要成分为甘油三蓖麻油脂，是一种亲油性植物类油相，其种子含油量达到50％，种仁含油量更高。蓖麻油主要以蓖麻酸为主，其含量超过90％，同时还含有少量的亚麻酸、油酸、棕榈酸和硬脂酸等不饱和及饱和脂肪酸。蓖麻油羟值(160～180)较高，一般通过在12位碳原子上的羟基进行相关改性反应，可以获得系列产品，一般蓖麻油的改性方法包括环氧化、氢化、酸化和酯化等反应进行。蓖麻油性能稳定，密度在0.995～0.970g/cm³之间，是一种不挥发、无刺激、不干性油脂。

但到目前为止，尚无关于将蓖麻油用于油基钻井液的报道，目前的植物油基钻井液大多数以生物柴油为基液，其生物柴油主要以废弃食用油为基础提炼出来的，其化学成分相对复杂，其抗温性较差，在高温条件下会发生降解和发酵，使得钻井液性能下降甚至失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种改性蓖麻油及基于改性蓖麻油的油基钻井液配方，在提供优异钻井液性能的同时，可减少常规油基钻井液对环境的污染。

为了达到本发明的目的，本发明的技术方案如下：

一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，按质量百分比计算如下组分含量：改性蓖麻油75～82％、有机土4.0～4.8％、纳米二氧化硅1.3～2.9％、纳米碳酸钙2.7～3.8％、超细碳酸钙1.3～2.9％、异十三醇聚氧乙烯醚1.3～2.9％、氯化钙水溶液1.3～1.9％、提切剂1.1～1.2％和润湿剂4.1～4.8％。

进一步的，所述有机土为有机膨润土，通过离子交换技术插入季铵盐表面活性剂而制成。

进一步的，所述有机土为潍坊华潍膨润土集团股份有限公司生产的HW-160型有机土。

进一步的，所述纳米二氧化硅选自型号为SP30、SP50、SP30T、SP30S和SP30F的纳米二氧化硅的一种或任意组合，其中数字30、50分别表示粒径为30nm和50nm，T、S和F分别表示涂料专用、树脂专用和纺织专用。

进一步的，所述纳米碳酸钙粒径在80～100nm之间，比表面积30～50m²/g，吸油值60g/100g CaCO₃，无团聚现象；所述超细碳酸钙为600目、800目、1250目、2000目、2500目超细碳酸钙的一种或任意组合。

进一步的，所述异十三醇聚氧乙烯醚，其结构式通式为RO-(CH₂CH₂O)_n-H；R＝iso-C₁₃H₂₇；n＝3，5，6，6.5，7，8，10，12，15或20。

优选n＝5，6，7，8中的一种。

进一步的，所述的提切剂为三羟甲基丙烷油酸酯、三羟甲基丙烷油酸酯、新戊二醇二油酸酯、癸二酸异辛酯的一种或任意组合。

进一步的，所述的润湿剂为油酸正丁酯硫酸酯钠、大豆卵磷脂、甲基萘磺酸钠、乙基萘磺酸钠中的一种或任意组合。

基于改性蓖麻油的油基钻井液的制备方法，包括以下步骤：

1)在2000mL三口烧瓶中加入600～800mL改性蓖麻油，将温度提高至60～80℃，加入30～50g有机土，以300rpm转速搅拌，反应30～50min；

2)在上述反应器中依次加入10～30g纳米二氧化硅、20～40g纳米碳酸钙和10～30g超细碳酸钙，继续反应20～30min；

3)在上述反应器中缓慢加入10～30g异十三醇聚氧乙烯醚，待完全溶解后，加入10～20g10wt％的氯化钙水溶液，充分反应30～50min，直至体系白色乳液均匀分散；

4)在上述反应器中依次加入8～12g提切剂和30～50g润湿剂，充分反应30～50min，即得到基于改性蓖麻油的油基钻井液产品。

进一步的，所述改性蓖麻油由以下步骤制得：

1)在装有回流冷凝管的1000mL三口烧瓶中加入蓖麻油300～500g,放置在油浴锅中，将温度升高至90～120℃，以300～500rpm转速搅拌，边搅拌边加入小分子醇10～20g，反应20～30min；

2)在上述反应器中缓慢加入苯磺酸衍生物20～30g，溶解完全后，将体系pH调节至6.8～7.0，反应30～50min；

3)在上述反应器中，继续加入50～80g马来酸酐、5～8g亚硫酸氢钠和3～5g1,3-丙基磺酸内酯，待其完全溶解后，继续反应80～100min；

4)在上述反应器中，继续加入10～30g两性表面活性剂，继续反应30～50min；

5)将上述反应器温度降低至40～60℃，用0.5mol/L NaOH溶液将体系pH调节至5.0～6.0，自然冷却至室温，即得到改性蓖麻油产品。

进一步的，所述的蓖麻油为蓖麻油脂肪酸中含90％蓖麻酸，主要产于山东潍坊；所述的小分子醇为甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇中的一种或任意组合；所述的苯磺酸衍生物为对甲苯磺酸钠、二甲苯磺酸钠、邻二甲苯磺酸钠、1-己基-2,3-二甲基咪唑对甲基苯磺酸钠中的一种或任意组合；所述的两性表面活性剂为十二烷基二甲基甜菜碱、十二烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十二烷基二甲基磺乙基甜菜碱中的一种或任意组合。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明以形成性能优良的基于改性蓖麻油的油基钻井液产品为目标，通过对蓖麻油先进行磺化，随后在此基础上，通过马来酸酐与1,3-丙基磺酸内酯接枝反应，在其表面形成聚合物链团，提高了蓖麻油的水分散性、抗温性和抗盐性以及和其和常规油基钻井液处理剂的配伍性，再配合使用有机土、乳化剂、降滤失剂和封堵剂，得到了性能优良的油基钻井液配方，具体表现在：

(1)蓖麻油经过改性后，其抗温性能提高至180℃以上，使钻井液体系可用于高温深井环境；(2)通过与多种纳米颗粒和微米颗粒相结合，使体系的降滤失能力大幅度提高，在易坍塌地层的封堵能力也显著改善；(3)本发明的环境接受性要比常规油基钻井液强，毒性较低；(4)本发明复配物质与反应物质种类较少且易于取得，容易进行推广。

而目前利用蓖麻油制备生物柴油时，通常是在高温条件下，在低碳醇及催化剂存在条件下反应生成脂肪酸酯，这种方法形成的生物柴油主要用于替代柴油燃料，其抗温性和抗盐性较差，不能用于油基钻井液。基于此，本发明对蓖麻油的改性方法进行了调整和优化，使之更加适合配制油基钻井液的要求。

具体实施方式

实施例一：

1、改性蓖麻油的制备：1)在装有回流冷凝管的1000mL三口烧瓶中加入蓖麻油300g,放置在油浴锅中，将温度升高至90℃，以300rpm转速搅拌，边搅拌边加入甲醇20g，反应20min；2)在上述反应器中缓慢加入对甲苯磺酸钠20g，溶解完全后，将体系pH调节至6.8～7.0，反应30min；3)在上述反应器中，继续加入50g马来酸酐、5g亚硫酸氢钠和3g1,3-丙基磺酸内酯，待其完全溶解后，继续反应80min；4)在上述反应器中，继续加入10g十二烷基二甲基甜菜碱，继续反应30min；5)将上述反应器温度降低至40℃，用0.5mol/L NaOH溶液将体系pH调节至5.0～6.0，自然冷却至室温，即得到改性蓖麻油产品。

2、基于改性蓖麻油的油基钻井液制备：1)在2000mL三口烧瓶中加入600mL前面制得的改性蓖麻油，将温度提高至60℃，加入30g HW-160型有机土，以300rpm转速搅拌，反应30min；2)在上述反应器中依次加入10g SP30纳米二氧化硅、20g纳米碳酸钙和10～30g 600目超细碳酸钙，继续反应20min；3)在上述反应器中缓慢加入10g异十三醇聚氧乙烯醚RO-(CH₂CH₂O)₅-H，待完全溶解后，加入10g10wt％的氯化钙水溶液，充分反应30min，直至体系白色乳液均匀分散；4)在上述反应器中依次加入8g三羟甲基丙烷油酸和30g油酸正丁酯硫酸酯钠，充分反应30min，即得到基于改性蓖麻油的油基钻井液产品。

实施例二：

1、改性蓖麻油的制备：1)在装有回流冷凝管的1000mL三口烧瓶中加入蓖麻油400g,放置在油浴锅中，将温度升高至100℃，以400rpm转速搅拌，边搅拌边加入乙二醇15g，反应25min；2)在上述反应器中缓慢加入邻二甲苯磺酸钠25g，溶解完全后，将体系pH调节至6.8～7.0，反应40min；3)在上述反应器中，继续加入70g马来酸酐、6g亚硫酸氢钠和4g1,3-丙基磺酸内酯，待其完全溶解后，继续反应90min；4)在上述反应器中，继续加入20g十二烷基二甲基磺丙基甜菜碱，继续反应40min；5)将上述反应器温度降低至50℃，用0.5mol/LNaOH溶液将体系pH调节至5.0～6.0，自然冷却至室温，即得到改性蓖麻油产品。

2、基于改性蓖麻油的油基钻井液制备：1)在2000mL三口烧瓶中加入700mL前面制得的改性蓖麻油，将温度提高至70℃，加入40g HW-160型有机土，以300rpm转速搅拌，反应40min；2)在上述反应器中依次加入20g SP30T纳米二氧化硅、30g纳米碳酸钙和10～30g1250目超细碳酸钙，继续反应25min；3)在上述反应器中缓慢加入20g异十三醇聚氧乙烯醚RO-(CH₂CH₂O)₇-H，待完全溶解后，加入15g10wt％的氯化钙水溶液，充分反应40min，直至体系白色乳液均匀分散；4)在上述反应器中依次加入10g新戊二醇二油酸和450g甲基萘磺酸钠，充分反应40min，即得到基于改性蓖麻油的油基钻井液产品。

实施例三：

1、改性蓖麻油的制备：1)在装有回流冷凝管的1000mL三口烧瓶中加入蓖麻油500g,放置在油浴锅中，将温度升高至120℃，以500rpm转速搅拌，边搅拌边加入丙三醇10g，反应30min；2)在上述反应器中缓慢加入1-己基-2,3-二甲基咪唑对甲基苯磺酸钠30g，溶解完全后，将体系pH调节至6.8～7.0，反应50min；3)在上述反应器中，继续加入80g马来酸酐、8g亚硫酸氢钠和5g1,3-丙基磺酸内酯，待其完全溶解后，继续反应90min；4)在上述反应器中，继续加入30g十二烷基二甲基磺乙基甜菜碱，继续反应50min；5)将上述反应器温度降低至60℃，用0.5mol/L NaOH溶液将体系pH调节至5.0～6.0，自然冷却至室温，即得到改性蓖麻油产品。

2、基于改性蓖麻油的油基钻井液制备：1)在2000mL三口烧瓶中加入800mL前面制得的改性蓖麻油，将温度提高至80℃，加入50g HW-160型有机土，以300rpm转速搅拌，反应50min；2)在上述反应器中依次加入30g SP30F纳米二氧化硅、40g纳米碳酸钙和30g 2500目超细碳酸钙，继续反应30min；3)在上述反应器中缓慢加入30g异十三醇聚氧乙烯醚RO-(CH₂CH₂O)₈-H，待完全溶解后，加入20g10wt％的氯化钙水溶液，充分反应50min，直至体系白色乳液均匀分散；4)在上述反应器中依次加入12g癸二酸异辛酯和50g乙基萘磺酸钠，充分反应50min，即得到基于改性蓖麻油的油基钻井液产品。

性能测试

分别将实施例1、实施例2和实施例3的油基钻井液放置到老化罐中，经过180℃、48h老化滚动后，取出冷却至室温，在高速搅拌器中以10000rpm搅拌15min，随后测试钻井液的性能，根据GB/T16783.2-2012标准检测钻井液表观粘度AV、塑性黏度PV、动切力YP和初中切Gel(G10”/G10’)，随后采用高温高压失水仪检测钻井液在180℃、3.5MPa条件下的高温高压滤失量FL_HTHP，结果如表1所示。

表1实施例的性能参数

从表1看出，本发明的油基钻井液在热滚前后，无论是粘度、切力还是滤失量，均变化不大，表明，该钻井液可以满足180℃井底温度的钻井施工。

Claims

1.一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，其特征在于，包括以下质量百分数的各组分：改性蓖麻油75～82％、有机土4.0～4.8％、纳米二氧化硅1.3～2.9％、纳米碳酸钙2.7～3.8％、超细碳酸钙1.3～2.9％、异十三醇聚氧乙烯醚1.3～2.9％、氯化钙水溶液1.3～1.9％、提切剂1.1～1.2％和润湿剂4.1～4.8％。

2.如权利要求1所述的一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，其特征在于，所述有机土为有机膨润土，通过离子交换技术插入季铵盐表面活性剂而制成。

3.如权利要求1所述的一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，其特征在于，所述纳米二氧化硅选自型号为SP30、SP50、SP30T、SP30S和SP30F的纳米二氧化硅的一种或任意组合，其中数字30、50分别表示粒径为30nm和50nm，T、S和F分别表示涂料专用、树脂专用和纺织专用。

4.如权利要求1所述的一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，其特征在于，所述纳米碳酸钙粒径在80～100nm之间，比表面积30～50m²/g，吸油值60g/100g CaCO₃，无团聚现象；所述超细碳酸钙为600目、800目、1250目、2000目、2500目超细碳酸钙的一种或任意组合。

5.如权利要求1所述的一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，其特征在于，所述异十三醇聚氧乙烯醚，其结构式通式为RO-(CH₂CH₂O)_n-H；R＝iso-C₁₃H₂₇；n＝3，5，6，6.5，7，8，10，12，15或20。

6.如权利要求1所述的一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，其特征在于，所述的提切剂为三羟甲基丙烷油酸酯、三羟甲基丙烷油酸酯、新戊二醇二油酸酯、癸二酸异辛酯的一种或任意组合。

7.如权利要求1所述的一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，其特征在于，所述的润湿剂为油酸正丁酯硫酸酯钠、大豆卵磷脂、甲基萘磺酸钠、乙基萘磺酸钠中的一种或任意组合。

8.基于改性蓖麻油的油基钻井液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)在上述反应容器中依次加入10～30g纳米二氧化硅、20～40g纳米碳酸钙和10～30g超细碳酸钙，继续反应20～30min；

3)在上述反应容器中缓慢加入10～30g异十三醇聚氧乙烯醚，待完全溶解后，加入10～20g10wt％的氯化钙水溶液，充分反应30～50min，直至体系白色乳液均匀分散；

4)在上述反应容器中依次加入8～12g提切剂和30～50g润湿剂，充分反应30～50min，即得到基于改性蓖麻油的油基钻井液产品。

9.如权利要求1所述的一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，其特征在于，所述改性蓖麻油由以下步骤制得：

2)在上述反应容器中缓慢加入苯磺酸衍生物20～30g，溶解完全后，将体系pH调节至6.8～7.0，反应30～50min；

3)在上述反应容器中，继续加入50～80g马来酸酐、5～8g亚硫酸氢钠和3～5g1,3-丙基磺酸内酯，待其完全溶解后，继续反应80～100min；

4)在上述反应容器中，继续加入10～30g两性表面活性剂，继续反应30～50min；

5)将上述反应容器温度降低至40～60℃，用0.5mol/L NaOH溶液将体系pH调节至5.0～6.0，自然冷却至室温，即得到改性蓖麻油产品。

10.如权利要求9所述的一种基于改性蓖麻油的油基钻井液，其特征在于，所述的蓖麻油为蓖麻油脂肪酸中含90％蓖麻酸的蓖麻油；所述的小分子醇为甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇中的一种或任意组合；所述的苯磺酸衍生物为对甲苯磺酸钠、二甲苯磺酸钠、邻二甲苯磺酸钠、1-己基-2,3-二甲基咪唑对甲基苯磺酸钠中的一种或任意组合；所述的两性表面活性剂为十二烷基二甲基甜菜碱、十二烷基二甲基磺丙基甜菜碱、十二烷基二甲基磺乙基甜菜碱中的一种或任意组合。