CN110564384B

CN110564384B - 一种油基钻井液用提粘剂及其制备方法

Info

Publication number: CN110564384B
Application number: CN201910928909.6A
Authority: CN
Inventors: 钱帆; 陈智; 万伟; 袁翊; 罗宇峰; 胡宗建; 李万强; 吴义; 张斌
Original assignee: Chongqing Weineng Drilling Aids Co ltd; Drilling Fluid Technology Service Co of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co Ltd
Current assignee: Chongqing Weineng Drilling Aids Co ltd; Drilling Fluid Technology Service Co of CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-09-28
Filing date: 2019-09-28
Publication date: 2021-07-20
Anticipated expiration: 2039-09-28
Also published as: CN110564384A

Abstract

本发明公开了一种油基钻井液用提粘剂及其制备方法，提粘剂包括以下质量份的组分：改性有机土2～5份，改性植物胶2～4份，热塑性弹性树脂1～3份，丙烯酸5～10份，羟甲基纤维素3～5份，季铵盐1～3份，乳化剂0.5～1.5份，基油3～6份，引发剂0.05～0.15份。其中，改性有机土优选经过活化改性的膨润土，改性植物胶优选羟丙基瓜尔胶，引发剂为硫酸铵与亚硫酸钠按1:2～4的质量比混合的混合物。本发明中的油基钻井液用提粘剂能够弥补水基钻井液增粘剂不适用于油基钻井液的不足，有利于降低油基钻井液体系的配制成本和提高油基钻井液整体的环保性能，对于油基钻井液性能提高和使用发挥重要作用。

Description

一种油基钻井液用提粘剂及其制备方法

技术领域

本发明属于钻井助剂技术领域，具体涉及一种油基钻井液用提粘剂及其制备方法。

背景技术

油基钻井液是一种以油作为连续相的钻井液，分为油包水型油基钻井液和全油基钻井液两种类型，其主要由基础油、有机土、乳化剂、润湿剂、增粘剂及加重剂等组成。油基钻井液具有良好的抑制性、抗温性和稳定性，能够较好地满足复杂地层钻井、取心作业以及欠平衡钻井、大长度水平井等特殊情况的需要，可为油气田的安全高效开发提供可靠的技术保障。

油基钻井液提粘剂是油基钻井液的重要组成成分，其主要作用是提高油基钻井液的粘度和切力，保证油基钻井液具有良好的悬浮、携岩及降失水性能。

目前，国内外对钻井液提粘剂的研究主要集中在水基钻井液增粘剂领域，已开发出了HV-CMC、PAC、HEC、GEL-30及生物聚合物XC等水基钻井液增粘剂，较好地满足了水基钻井液对增粘剂的需求。但在油基钻井液提粘剂的技术领域，目前的研究主要存在以下技术问题：其一、水基钻井液增粘剂不适用于油基钻井液。HV-CMC、PAC、生物聚合物XC等水基钻井液增粘剂，其在水中可有效伸展，充分溶解，从而提高钻井液的粘度和切力，但在油基钻井液中，特别是全油基钻井液中，由于全油基钻井液不含水，这些水基钻井液增粘剂聚合物分子无法伸展，因而无法起到增粘提切的作用。其二、缺少有效的油基钻井液增粘剂。油基钻井液的增粘，目前主要依靠有机土、油基钻井液降滤失剂聚合物等材料的附带增粘作用来实现，缺少有效的油基钻井液增粘剂，有时为达到要求的钻井液粘度和切力，会增大有机土、油基钻井液降滤失剂聚合物等材料的加量，导致油基钻井液配制成本增加。其三、油基钻井液的环保性有待改进。环保性能也是油基钻井液在使用过程中被关注的重要方面之一，目前的油基钻井液的环保性存在较大的改进空间，研发和使用环保型的油基钻井液材料，如环保型油基钻井液增粘剂，将有利于提高油基钻井液的环保性能。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种油基钻井液用提粘剂及其制备方法，本发明中的油基钻井液用提粘剂能够弥补水基钻井液增粘剂不适用于油基钻井液的不足，有利于降低油基钻井液体系的配制成本和提高油基钻井液整体的环保性能，对于油基钻井液性能提高和使用发挥重要作用。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种油基钻井液用提粘剂，本发明中的油基钻井液用提粘剂包括以下质量份的组分：改性有机土2～5份，改性植物胶2～4份，热塑性弹性树脂1～3份，丙烯酸5～10份，羟甲基纤维素3～5份，季铵盐1～3份，乳化剂0.5～1.5份，基油3～6份，引发剂0.05～0.15份。

当油基钻井液用提粘剂中各组分按如下配比进行配合时，效果最好：改性有机土4份，改性植物胶3份，热塑性弹性树脂2份，丙烯酸8份，羟甲基纤维素4份，季铵盐2份，乳化剂1份，基油3份，引发剂0.1份。

本发明中的油基钻井液用提粘剂包含改性有机土，改性有机土层是一种具有微孔网络结构、比表面积大的多孔活性物质，其有利于吸附质分子的扩散，表现出较强的化学活性和物理吸附性能。提粘剂中的丙烯酸作为插层剂在改性有机土中原位插层，插入改性有机土中的丙烯酸在引发剂的作用下发生聚合反应，生成水溶性高聚物，改性有机土被原位插层共聚成为丙烯酸/改性有机土复合增稠剂；同时丙烯酸在发生聚合反应时将改性植物胶、热塑性弹性树脂以及羟甲基纤维素等封装在改性有机土内部，在钻井过程中，各组分相互协同作用，可显著提高油基钻井液的粘度和切力，保证油基钻井液具有良好的悬浮、携岩及降失水性能。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，改性有机土为经过活化改性的膨润土。

进一步，膨润土的活化改性包括以下步骤：

S1：将膨润土与去离子水按1:3～5g/mL的料液比混合，并用15～20KHz的频率超声分散0.5～1h，得膨润土悬液；

S2：将膨润土悬液升温至40～45℃，然后在搅拌条件下以2～4mL/min的速度向膨润土悬液中滴加浓度为8～12％的硫酸或盐酸溶液，所滴加的硫酸或盐酸溶液与膨润土悬液的体积比为0.5～1:1；酸溶液滴加完毕后继续保温搅拌2～4h，得膨润土活化液；

S3：在室温条件下向膨润土活化液中滴加硅油乳液，硅油乳液滴加量为膨润土固含量的2～4％；硅油乳液滴加完毕后继续搅拌0.5～1h，然后进行干燥、粉碎处理，得活化改性的膨润土。

本发明中的膨润土先经过酸化改性，可使膨润土层间的Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺等阳离子转变为可溶性的盐类溶出，削弱了层间的键能，使层间距增大，形成具有微孔网络结构、比表面积大的多孔活性物质，也可除去分布于膨润土节后通道中的杂质，增大其孔容积，有利于吸附质的扩散，使改性后的膨润土具有较强的化学活性和物理吸附性。

本发明还对改性后的膨润土的分散性进行了改良，可有效提高有机土在溶剂中的分散程度以及分散体系胶体稳定性，适用于改善有机土在常用溶剂中的分散性，可明显缩短有机土在溶剂中分散所需时间，降低能耗，减少成本，同时添加剂安全环保，效果明显，在油基钻井液等体系中与其他处理剂配伍性较好，且适用对象较为广泛。

进一步，改性植物胶为羟丙基瓜尔胶。

受到其本身的反应活性、空间位阻等方面的影响，羟丙基瓜尔胶中的羟丙基连接在半乳糖上的C6羟基上。羟丙基基团属亲水性基团，羟丙基支链的存在提高了瓜尔胶的分枝化程度，使胶粉更易溶解，具有更好的增黏能力。

进一步，季铵盐为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。

进一步，引发剂为过硫酸铵与亚硫酸钠按1:2～4的质量比混合的混合物。

过硫酸铵与亚硫酸钠组成氧化-还原引发体系，能在较低温度下产生自由基，引发乙烯基单体水溶液发生自由基加成共聚合，生成水溶性高聚物，可提升丙烯酸的聚合程度。

本发明中的油基钻井液用提粘剂通过如下步骤制得：

(1)将丙烯酸和乳化剂溶于去离子水中，以4000～5000rmp的转速搅拌20～30min，得到乳化液；

(2)将改性有机土、改性植物胶、热塑性弹性树脂、羟甲基纤维素和季铵盐加入到乳化液中，以2000～3000W的功率分散1～2h，然后将混合溶液的温度升至75～78℃，再加入引发剂，反应4～6h后加入基油，搅拌均匀即得油基钻井液用提粘剂。

本发明的有益效果是：本发明的油基钻井液用提粘剂在油基钻井液中表现良好的增粘和提切效果。在油相中，本发明的提粘剂中的聚合物分子可有效伸展，充分溶解，从而起到增粘提切的作用。另外，本发明的油基钻井液用提粘剂降低了油基钻井液配制成本。采用本发明的提粘剂，克服了油基钻井液依靠增大有机土、油基钻井液降滤失剂聚合物等材料加料量而提高油基钻井液粘度和切力的不足。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一：制备改性有机土

本发明中所用有机土可以为膨润土、蒙脱土、凹凸棒土等。其中，膨润土具有良好的膨胀性、吸附性、阳离子交换性和较大的内、外比表面积，同时能与许多客体物质进行层间复合或插入反应，因而广泛应用于化工、石油、食品、交通、医药、造纸、能源、军工、环保等行业，被称作“万能材料”。活化改性法是对膨润土进行活化，常用的有酸化法、焙烧法、盐活化法、微波活化法、还原法、氧化法等。本发明中采用酸化法对膨润土进行改性，同时对改性后的膨润土的分散性进行可改良，具体包括如下步骤：

S1：将膨润土与去离子水按1:3～5g/mL的料液比混合，并将混合物放入超声振荡仪中进行超声振荡，超声过程中将频率控制在15～20KHz的范围内，超声时间0.5～1h，使膨润土完全分散悬浮于去离子水中，得膨润土悬液；

S2：将膨润土悬液转移至带有搅拌机构的反应釜中，并将膨润土悬液加热至40～45℃，然后以100～150rmp的转速对膨润土悬液进行搅拌，并在搅拌过程中以2～4mL/min的速度向膨润土悬液中滴加浓度为8～12％的硫酸或盐酸溶液，所滴加的硫酸或盐酸溶液与膨润土悬液的体积比为0.5～1:1；酸溶液滴加完毕后继续保温搅拌2～4h，得膨润土活化液；

S3：待膨润土活化液冷却至室温后，向膨润土活化液中滴加硅油乳液，硅油乳液滴加量为膨润土固含量的2～4％；硅油乳液滴加完毕后继续搅拌0.5～1h，然后进行干燥、粉碎处理，得活化改性的膨润土。

实施例二：制备改性植物胶

瓜尔胶(GUM)来自草本植物瓜尔豆的内胚乳，是一种天然的绿色产品，具有特殊的物化性能，可用作增稠剂、稳定剂、乳化剂、分散悬浮剂、保水剂及凝胶剂，其应用涉及油田、造纸、医药、生活日用品、食品、纺织、水处理、采矿炸药等领域。瓜尔胶是线状半乳甘露聚糖，属于非离子型高分子。尽管瓜尔胶具有很好的水溶性和增稠性，但原粉还存在如下缺点：不能快速溶胀和水合，溶解速度慢；水不溶物含量高等。这些缺点使瓜尔胶的应用受到极大限制，因此需要对其进行化学改性。本发明中采用羟丙基改性法对瓜尔胶进行改性，具体的为：

S1：将瓜尔胶干粉分散于异丙醇中，制成浓度为0.2～0.4g/mL的瓜尔胶溶液；

S2：然向瓜尔胶溶液中滴加质量浓度为30～40％的氢氧化钠溶液，所滴加的氢氧化钠溶液与瓜尔胶溶液的体积比为1:2～4；氢氧化钠溶液滴加完毕后，浸入温度为35～45℃的水浴中，并搅拌20min左右；

S3：将环丙烷加入到经过S2处理后的混合溶液中，所加入的环丙烷与瓜尔胶的摩尔比为2～3:1，控制温度为65～75℃，在此温度下反应3～5h；然后将将体系温度冷却至室温，再一次经过中和、调节pH值、过滤、洗涤、干燥，即得羟丙基瓜尔胶。

实施例三：制备油基钻井液用提粘剂

1.原料准备

改性有机土：可以采用经过活化改性后的膨润土、蒙脱土、凹凸棒土等，本发明中优选经过酸化改性以及分散性改良的膨润土(实施例一)；

改性植物胶：本发明优选实施例二中制备出的羟丙基瓜尔胶；

热塑性弹性树脂：可以从聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯(PC)、聚苯醚、聚砜、橡胶等中进行选择；

丙烯酸；

羟甲基纤维素；

季铵盐：本发明中的季铵盐优选甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。

乳化剂：本发明中乳化剂优选油包水W/O型乳化剂，如聚甘油-2二聚羟基硬脂酸酯(PGPH)、聚甘油-3二异硬脂酸酯(TGI)、聚甘油-3聚蓖麻醇酸酯等(PGPR)；

基油：可以为柴油、低毒矿物油或合成油；

引发剂：本发明中的引发剂应当能在较低的温度下产生自由基，并能引发乙烯基单体水溶液发生自由基加成聚合；基于此，本发明中的引发剂优选过硫酸铵与亚硫酸钠的组合物，该组合物中过硫酸铵与亚硫酸钠的质量比为1:2～4。

2.配制油基钻井液用提粘剂

(1)一种油基钻井液用提粘剂，其经过如下步骤制得：

S1：将8质量份的丙烯酸和0.1质量份的PGPH溶于去离子水中，以4500rmp的转速搅拌25min，得到乳化液；

S2：将4质量份的经过活化改性的膨润土、3质量份的羟丙基瓜尔胶、2质量份的PE、4质量份的羟甲基纤维素和2质量份的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵加入到乳化液中，以2500W的功率分散2h，然后将混合溶液的温度升至76℃，再加入0.1质量份的引发剂(过硫酸铵与亚硫酸钠按1:3的质量比混合的混合物)，反应5h后加入3质量份的柴油，搅拌均匀即得油基钻井液用提粘剂。

(2)一种油基钻井液用提粘剂，其经过如下步骤制得：

S1：将5质量份的丙烯酸和0.05质量份的TGI溶于去离子水中，以4000rmp的转速搅拌30min，得到乳化液；

S2：将3质量份的经过活化改性的膨润土、4质量份的羟丙基瓜尔胶、1质量份的PA、3质量份的羟甲基纤维素和1质量份的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵加入到乳化液中，以2000W的功率分散2h，然后将混合溶液的温度升至78℃，再加入0.05质量份的引发剂(过硫酸铵与亚硫酸钠按1:2的质量比混合的混合物)，反应4h后加入4质量份的合成油，搅拌均匀即得油基钻井液用提粘剂。

(3)一种油基钻井液用提粘剂，其经过如下步骤制得：

S1：将10质量份的丙烯酸和0.15质量份的PGPR溶于去离子水中，以5000rmp的转速搅拌20min，得到乳化液；

S2：将5质量份的经过活化改性的膨润土、2质量份的羟丙基瓜尔胶、3质量份的聚苯醚、5质量份的羟甲基纤维素和3质量份的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵加入到乳化液中，以3000W的功率分散1h，然后将混合溶液的温度升至75℃，再加入0.15质量份的引发剂(过硫酸铵与亚硫酸钠按1:4的质量比混合的混合物)，反应6h后加入3质量份的柴油，搅拌均匀即得油基钻井液用提粘剂。

结果分析

按照以下原料组成及方法制备油基钻井液。油基钻井液的原料组成包括：柴油300mL、有机土OCMA 3％、司盘802％、吐温200.6％、水100mL、CaO 2.0％、降滤失剂JS-13.0％、质量浓度26％的CaCl₂溶液100mL，其中，原料的百分含量是以所述油基钻井液的总重量为基准进行计算的。油基钻井液的制备方法包括以下步骤：在搅拌条件下，将上述的各原料在钻井液配制容器中混合，持续搅拌8h以上，然后封闭静置16h，得到所述油基钻井液。

取4份配制好的油基钻井液，每份400mL，其中1份为空白对照样，在搅拌条件下，向另外3份油基钻井液中分别加入0.5％的所配制的三种油基钻井液用提粘剂(以400mL油基钻井液的总重量为基准)，充分溶解后，分别制备得到油基钻井液1#(含有0.5％的第一种提粘剂)、油基钻井液2#(含有0.5％的第二种提粘剂)和油基钻井液3#(含有0.5％的第三种提粘剂)。

按GB/T16783.1-2006的规定在六速旋转粘度计上分别测定油基钻井液、油基钻井液1#、油基钻井液2#和油基钻井液3#的φ600、φ300、φ200、φ100、φ6、φ3的粘度，然后计算表观粘度、塑性粘度、动切力及10s、10min的静切力。并且采用中压滤失仪SD-6分别测定油基钻井液、油基钻井液1#、油基钻井液2#和油基钻井液3#的失水量(API.FL)，结果如表1所示。其中，表观粘度、塑性粘度、动切力和静切力的计算公式如下所述：

AV＝0.50×φ₆₀₀；

PV＝φ₆₀₀-φ₃₀₀；

YP＝0.51×(φ₃₀₀-PV)；

G_10S(或G_10min)＝R₃/2；

式中：AV-表观粘度，mPa·s；PV-塑性粘度，mPa·s；YP-动切力，Pa；φ600、φ300、φ3-600r/min，300r/min，3r/min时的稳定读值，mPa·s；G_10S、G_10min-10s、10min的静切力，Pa；R₃-静止10s或10min时的3r/min最大读值，mPa·s。

表1提粘性能评价结果

从表中可以看出，添加本发明中的提粘剂后，AV、PV和YP均有较大程度的提升，表明本发明中的提粘剂可以显著提高油基钻井液的粘度和切力，保证油基钻井液具有良好的悬浮、携岩及降失水性能。

虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims

1.一种油基钻井液用提粘剂，其特征在于：包括以下质量份的组分：改性有机土2～5份，改性植物胶2～4份，热塑性弹性树脂1～3份，丙烯酸5～10份，羟甲基纤维素3～5份，季铵盐1～3份，乳化剂0.5～1.5份，基油3～6份，引发剂0.05～0.15份；所述改性植物胶为羟丙基瓜尔胶；所述改性有机土为经过活化改性的膨润土，活化改性包括以下步骤：

S3：在室温条件下向膨润土活化液中滴加硅油乳液，硅油乳液滴加量为膨润土固含量的2～4％；硅油乳液滴加完毕后继续搅拌0.5～1h，然后进行干燥、粉碎处理，得活化改性的膨润土；

所述油基钻井液用提粘剂经过以下步骤制得：

2.根据权利要求1所述的油基钻井液用提粘剂，其特征在于，所述提粘剂包括以下质量份的组分：改性有机土4份，改性植物胶3份，热塑性弹性树脂2份，丙烯酸8份，羟甲基纤维素4份，季铵盐2份，乳化剂1份，基油3份，引发剂0.1份。

3.根据权利要求1所述的油基钻井液用提粘剂，其特征在于：所述季铵盐为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。

4.根据权利要求1所述的油基钻井液用提粘剂，其特征在于：所述引发剂为过硫酸铵与亚硫酸钠按1:2～4的质量比混合的混合物。