CN110804425A - 一种合成基钻井液用乳化剂及其制备方法 - Google Patents

一种合成基钻井液用乳化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种合成基钻井液用乳化剂及其制备方法，该乳化剂由烷基葡萄糖酰胺、阴离子表面活性剂、极性溶剂和非极性溶剂组成。其制备方法如下：将葡萄糖甲胺和脂肪酸或脂肪酸酯加至极性溶剂中，在醇钠催化剂的作用下，回流反应2‑5小时，生成烷基葡萄糖酰胺溶液，而后加入非极性溶剂和阴离子表面活性剂，搅拌均匀后得到产品。其中烷基葡萄糖酰胺的分子结构式如式Ⅰ所示。该方法工艺简单，产率较高，所得的乳化剂具有无毒、易生物降解、乳化能力强的特点。

Description

一种合成基钻井液用乳化剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及油田化学品技术领域，特别涉及一种合成基钻井液用乳化剂及其制备方法。
背景技术
油基钻井液是以油为连续相，水为分散相，配合乳化剂、提切剂、封堵剂、降滤失剂、碱以及其他化学剂组成的钻井液体系。其与水基钻井液相比，具有良润滑、抗污染、抗高温、强抑制、保护油气层等优点，因此，被越来越广泛的用于深井超深井、复杂结构井、特殊地层井、大位移水平井等难度井中。
但随着复杂井的日益增多和环保法规的日益严格，对钻井液的性能提出了更高的要求。合成基钻井液是在水基钻井液不能满足井下复杂情况的性能要求，传统矿物油基(柴油、白油)钻井液不能满足环境保护要求的情况下应运而生的。合成基钻井液在拥有传统的矿物油钻井液抗温优良、抑制性强及润滑性好等优点的基础上，同时又具备毒性低、可生物降解、无荧光等优点，在海洋深水和环境敏感地区被广泛使用。
乳化剂是油基钻井液体系中最关键的处理剂，它能够降低油和水之间的界面张力，在油水界面处形成具有一定强度的吸附膜，使水相能够在油相中形成均匀的小液滴，提高整个油包水体系的稳定性。目前，用于油基钻井液的乳化剂主要包括司盘、吐温、环烷酸酰胺等非离子类表面活性剂和硬脂酸钙、油酸钙、环烷酸铁等阴离子类表面活性剂以及高分子聚酰胺、聚醚类表面活性剂，上述乳化剂的合理复配具有较好的乳化效果，但存在具有毒性和不易降解等缺点，不适宜继续用作合成基钻井液的乳化剂。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼具无毒、易生物降解，且乳化能力强等特点的合成基钻井液用乳化剂。
本发明的另一目的是提供一种制备上述合成基钻井液用乳化剂的制备方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种合成基钻井液用乳化剂，由烷基葡萄糖酰胺、阴离子表面活性剂和非极性溶剂复配而成；其中，
烷基葡萄糖酰胺由27～50重量份葡萄糖甲胺、29～43重量份脂肪酸或脂肪酸酯、9～27重量份极性溶剂和0.12～0.16重量份醇钠制备得到，其分子结构式如下所示：
其中，n为5～17中任一整数，且n为奇数；极性溶剂为C1～C4的小分子一元醇或二元醇；
阴离子表面活性剂为1～3重量份硫酸酯盐型阴离子表面活性剂；
非极性溶剂为7～9重量份合成基础油，合成基础油采用在40℃下运动粘度为2～6mm2/s的合成基础油。
在该合成基钻井液用乳化剂的配方组分中，上述烷基葡萄糖酰胺属于非离子型表面活性剂，其毒性小且可生物降解，而作为用于制备烷基葡萄糖酰胺的原料：淀粉和油脂，在自然界中大量存在，属于可再生资源，具有原料以获取、成本低的特点；同时该烷基葡萄糖酰胺分子链中的葡萄糖链段上由于具有大量的羟基，使其具有强亲水性，与一定长度的脂肪族疏水链段形成酰胺分子链后，具有很强的表面活性，在较低的浓度下即可实现乳化的稳定性，因此，将其作为乳化剂用于合成基钻井液当中，在起到乳化作用的同时，还可以避免传统乳化剂环保性差的缺点。引入非极性溶剂的目是为了提高产品的流动性，便于现场加料施工；加入阴离子表面活性剂以适度拆散烷基葡萄糖酰胺因多羟基而形成的分子间缔合，增加产品的流动性，同时与烷基葡萄糖酰胺形成非离子/阴离子复合表面活性剂，达到协同增效的目的。
优选，所述脂肪酸为碳链长度为6～18的饱和脂肪酸，所述脂肪酸酯为碳链长度为6～18的饱和脂肪酸的甲酯。
优选，所述脂肪酸为己酸、辛酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸或硬脂酸；所述脂肪酸酯为己酸甲酯、辛酸甲酯、癸酸甲酯、月桂酸甲酯、肉豆蔻酸甲酯、棕榈酸甲酯或硬脂酸甲酯。
优选，所述硫酸酯盐型阴离子表面活性剂为脂肪醇硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、甘油脂肪酸单酯硫酸盐或硫酸化蓖麻酸钠。
其中，所述脂肪醇硫酸盐具体采用碳数为12～16的脂肪醇硫酸盐，如十二烷基硫酸钠；所述脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐的化学结构式为：RO(CH2CH2O)n-SO3Na，其中，n＝2或3，R为碳数为12～15的烷基；所述甘油脂肪酸单酯硫酸盐具体采用脂肪酸碳数为12～14的甘油脂肪酸单酯硫酸盐，如甘油月桂酸单酯硫酸钠。
优选，所述极性溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、丙二醇中至少一种。
优选，所述合成基础油为气制油类合成基础油、聚α-烯烃类合成基础油、合成酯类合成基础油、内烯烃类合成基础油或聚醚类合成基础油。这些合成基础油均通过化学合成或精炼加工的方法制备而成，通过去除了芳香烃等有毒有害物质，具有环保、流动性好、无荧光、低凝固点等性质。上述各类合成基础油均可购自市售产品，如气制油可采用壳牌公司生产的Saraline185V型气制油或Sarapar 147型气制油。
优选，所述醇钠为甲醇钠或乙醇钠。
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，步骤如下：将葡萄糖甲胺和脂肪酸的混合物、或葡萄糖甲胺和脂肪酸酯的混合物加至极性溶剂中，混合均匀后加入醇钠催化剂，升温至120～130℃，回流反应2～5h，生成烷基葡萄糖酰胺溶液，而后加入非极性溶剂和阴离子表面活性剂，搅拌均匀后即得到乳化剂产品。
优选，葡萄糖甲胺与所述脂肪酸的投料摩尔比为1:0.8～1.22；葡萄糖甲胺与所述脂肪酸酯的投料摩尔比为1:1.02～1.10。
与现有技术相比，该合成基钻井液用乳化剂采用烷基葡萄糖酰胺作为合成基钻井液用乳化剂的主要成分，兼具增强了产品的乳化能力和环保、低毒、易降解的特性，更适宜与环保的合成基础油配合使用，形成合成基钻井液，通过辅以少量阴离子表面活性剂增强乳化剂产品在基础油中的分散性，同时与烷基葡萄糖酰胺形成非离子/阴离子复合表面活性剂，达到协同增效的目的；并通过引入非极性溶剂提高产品的流动性，便于现场加料施工；此外，该合成基钻井液用乳化剂的制备方法简单、产率较高，适用于工业生产使用，具有极好的推广应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。在下述实施例1～13以及对比例中，各组分均购自市售产品；其中，各组分的加入份数具体指重量份；气制油类合成基础油、聚α-烯烃类合成基础油、合成酯类合成基础油、内烯烃类合成基础油或聚醚类合成基础油均选用运动粘度(在40℃)为2～6mm2/s的市售合成基础油。
实施例1
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入47份葡萄糖甲胺和34份己酸(二者摩尔比为1:1.22)，而后再向不锈钢反应釜内加入9份乙醇和0.16份甲醇钠，油浴加热至130℃并回流反应5h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入3份十二烷基硫酸钠和9份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
实施例2
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入50份葡萄糖甲胺和31份己酸(二者摩尔比为1:1.04)，而后再向不锈钢反应釜内加入9份乙醇和0.16份甲醇钠，油浴加热至130℃并回流反应5h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入3份十二烷基硫酸钠和9份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
对比例
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入50份葡萄糖甲胺和31份己酸(二者摩尔比为1:1.04)，而后再向不锈钢反应釜内加入9份乙醇和0.16份甲醇钠，油浴加热至130℃并回流反应5h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入9份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后得到乳化剂。
该对比例与实施例2相比较，不同之处在于未加入阴离子表面活性剂：十二烷基硫酸钠乳化剂；该点不同导致了对比例制备的乳化剂产品为蜡状固体，即无流动性，不便于现场加料；可见，阴离子表面活性剂的加入能够有效增加产品的流动性。
实施例3
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入48份葡萄糖甲胺和33份己酸甲酯(二者摩尔比为1:1.03)，而后再向不锈钢反应釜内加入12份乙醇和0.16份甲醇钠，油浴加热至130℃并回流反应5h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入2份硫酸化蓖麻酸钠和8份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
实施例4
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入40份葡萄糖甲胺和30份辛酸(二者摩尔比为1:1.02)，而后再向不锈钢反应釜内加入12份丙醇和0.14份乙醇钠，油浴加热至130℃并回流反应4h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入2份脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和8份聚α-烯烃类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
实施例5
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入37份葡萄糖甲胺和33份辛酸甲酯(二者摩尔比为1:1.10)，而后再向不锈钢反应釜内加入15份丙醇和0.14份乙醇钠，油浴加热至120℃并回流反应4h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入2份硫酸化蓖麻酸钠和9份聚合成酯类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
实施例6
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入35份葡萄糖甲胺和35份癸酸(二者摩尔比为1:1.13)，而后再向不锈钢反应釜内加入15份丁醇和0.14份乙醇钠，油浴加热至120℃并回流反应4h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入2份硫酸化蓖麻酸钠和9份内烯烃类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
实施例7
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入35份葡萄糖甲胺和33份月桂酸(二者摩尔比为1:0.92)，而后再向不锈钢反应釜内加入15份乙醇和0.14份甲醇钠，油浴加热至120℃并回流反应4h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入1份十二烷基硫酸钠和7份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
实施例8
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入33份葡萄糖甲胺和37份月桂酸甲酯(二者摩尔比为1:1.02)，而后再向不锈钢反应釜内加入15份乙醇和0.14份甲醇钠，油浴加热至120℃并回流反应4h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入1份十二烷基硫酸钠和7份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
实施例9
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入31份葡萄糖甲胺和29份肉豆蔻酸(二者摩尔比为1:0.80)，而后再向不锈钢反应釜内加入27份丙二醇和0.12份甲醇钠，油浴加热至120℃并回流反应4h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入2份甘油月桂酸单酯硫酸钠和9份聚醚类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
实施例10
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入32份葡萄糖甲胺和43份棕榈酸(二者摩尔比为1:1.02)，而后再向不锈钢反应釜内加入17份乙醇和0.15份甲醇钠，油浴加热至120℃并回流反应2h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入1份十二烷基硫酸钠和7份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
实施例11
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入25份葡萄糖甲胺和38份棕榈酸甲酯(二者摩尔比为1:1.10)，而后再向不锈钢反应釜内加入27份乙醇和0.13份甲醇钠，油浴加热至120℃并回流反应2h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入2份十二烷基硫酸钠和8份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合。
实施例12
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入27份葡萄糖甲胺和43份硬脂酸(二者摩尔比为1:1.09)，而后再向不锈钢反应釜内加入27份乙醇和0.14份乙醇钠，油浴加热至120℃并回流反应2h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入2份甘油脂肪酸单酯硫酸钠和8份聚α烯烃类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
实施例13
一种合成基钻井液用乳化剂的制备方法，具体步骤如下：
S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入27份葡萄糖甲胺和43份硬脂酸甲酯(二者摩尔比为1:1.04)，而后再向不锈钢反应釜内加入27份乙醇和0.14份乙醇钠，油浴加热至120℃并回流反应2h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；
S2、在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入1份十二烷基硫酸钠和9份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂。
性能测试：
对实施例1～13制备的合成基钻井液用乳化剂应用于气制油钻井液体系中依次进行破乳电压和滤失量性能评价测试。其中，气制油钻井液基浆配方为：250mL气制油(Saraline185V)+3wt.％乳化剂+3wt.％Ca(OH)2+2wt.％有机土+1wt.％降滤失剂+28mL20wt.％d的CaCl2水溶液+200wt.％重晶石。在以下实验中，实施例1～13制备的乳化剂在气制油钻井液井浆中的加量均为2wt.％；老化条件为：150℃老化16小时。具体测试结果如下表1所示。
表1：
Figure BDA0002275182300000101
在表1中，ES为破乳电压，其用于表征油基钻井液的乳化稳定性；FLHTHP为在150℃下测试得到的高温高压滤失量，用于表征钻井液的滤失性能。
如表1所示，在钻井液体系中，实施例1～13所制得的乳化剂表现出的乳化效果各不相同，即具有随烷基葡萄糖酰胺的烷基链的增长，钻井液的破乳电压表现出先升高后降低的趋势，且实施例7和实施例8表现出最好的乳化稳定性。同时，随破乳电压增大，钻井液的乳化稳定性增强，其高温高压滤失量也体现出一定的下降趋势，表明在钻井液加入本申请的乳化剂后，钻井液中的乳化液滴能够起到封堵降滤失的效果，且液滴的稳定性越强，降滤失效果越好。
另外，对比例与实施例2相比，其不同之处在于对比例中为添加阴离子表面活性剂，根据上表1的测试结果，实施例2在加入阴离子表面活性剂后，其破乳电压要高于对比例(性能测试结果比对)，可见，烷基葡萄糖酰胺形成非离子/阴离子表面活性剂与烷基葡萄糖酰胺复配使用能够达到协同增效的目的，进一步提升乳化剂的乳化稳定性。
此外，由于实施例1～13制备的乳化剂经过生物相容性实验和生物降解实验测试，兼具无毒、易生物降解的特点。

Claims (9)

1.一种合成基钻井液用乳化剂，其特征在于，由烷基葡萄糖酰胺、阴离子表面活性剂和非极性溶剂复配而成；其中，
烷基葡萄糖酰胺由27～50重量份葡萄糖甲胺、29～43重量份脂肪酸或脂肪酸酯、9～27重量份极性溶剂和0.12～0.16重量份醇钠制备得到，其分子结构式如下所示：
Figure FDA0002275182290000011
其中，n为5～17中任一整数，且n为奇数；极性溶剂为C1～C4的小分子一元醇或二元醇；
阴离子表面活性剂为1～3重量份硫酸酯盐型阴离子表面活性剂；
非极性溶剂为7～9重量份合成基础油，合成基础油为在40℃下运动粘度为2～6mm2/s的合成基础油。
2.根据权利要求1所述的合成基钻井液用乳化剂，其特征在于，脂肪酸为碳链长度为6～18的饱和脂肪酸，所述脂肪酸酯为碳链长度为6～18的饱和脂肪酸的甲酯。
3.根据权利要求2所述的合成基钻井液用乳化剂，其特征在于，脂肪酸为己酸、辛酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸或硬脂酸；所述脂肪酸酯为己酸甲酯、辛酸甲酯、癸酸甲酯、月桂酸甲酯、肉豆蔻酸甲酯、棕榈酸甲酯或硬脂酸甲酯。
4.根据权利要求1所述的合成基钻井液用乳化剂，其特征在于，硫酸酯盐型阴离子表面活性剂为脂肪醇硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、甘油脂肪酸单酯硫酸盐或硫酸化蓖麻酸钠。
5.根据权利要求1所述的合成基钻井液用乳化剂，其特征在于，极性溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、丙二醇中至少一种。
6.根据权利要求1所述的合成基钻井液用乳化剂，其特征在于，合成基础油为气制油类合成基础油、聚α-烯烃类合成基础油、合成酯类合成基础油、内烯烃类合成基础油或聚醚类合成基础油。
7.根据权利要求1所述的合成基钻井液用乳化剂的制备方法，其特征在于，醇钠为甲醇钠或乙醇钠。
8.一种根据权利要求1任一项所述的合成基钻井液用乳化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：将葡萄糖甲胺和脂肪酸的混合物、或葡萄糖甲胺和脂肪酸酯的混合物加至极性溶剂中，混合均匀后加入醇钠催化剂，升温至120～130℃，回流反应2～5h，生成烷基葡萄糖酰胺溶液，而后加入非极性溶剂和阴离子表面活性剂，搅拌均匀后即得到乳化剂产品。
9.根据权利要求8所述的合成基钻井液用乳化剂的制备方法，其特征在于，葡萄糖甲胺与所述脂肪酸的投料摩尔比为1:0.8～1.22；葡萄糖甲胺与所述脂肪酸酯的投料摩尔比为1:1.02～1.10。
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