CN110804426A - 一种合成基钻井液及其制备方法 - Google Patents

一种合成基钻井液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种合成基钻井液，60％～95％的合成基础油和5％～40％盐水，二者质量分数总计为100％；以及以合成基础油和盐水总重量计的2％～6％的乳化剂、0％～3％的氧化钙、1％～3％的有机土、2％～3％的降滤失剂和50％～500％的惰性加重材料；所述的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制备而成。该钻井液具有良好的环保特性，无毒、可降解，尤其适合海洋以及陆地环境敏感地区的勘探开发。

Description

一种合成基钻井液及其制备方法
技术领域
本发明涉及石油天然气勘探技术领域，特别涉及一种合成基钻井液及其制备方法。
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。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼具乳化稳定性强、生物毒性低的、制备简单的合成基钻井液。
本发明的另一目的是提供一种制备上述合成基钻井液的制备方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种合成基钻井液，包括以质量分数计的60％～95％的合成基础油和5％～40％盐水，二者质量分数总计为100％；以及以合成基础油和盐水总重量计的2％～6％的乳化剂、0％～3％的氧化钙、1％～3％的有机土、2％～3％的降滤失剂和50％～500％的惰性加重材料；其中，
所述盐水为质量分数为20％～25％的氯化钠溶液、氯化钙溶液、氯化钾溶液、甲酸钠溶液、甲酸钾溶液或甲酸铯溶液；
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 BDA0002275470330000021
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。
在该合成基钻井液的配方组分中，乳化剂以烷基葡萄糖酰胺为主要成分，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，淀粉和油脂是其制备过程中所用的主要原料，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具有大量的羟基，亲水性强，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，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，所述合成基础油在40℃下所测得的运动粘度为2～6mm2/s，具体可以采用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。该合成基础油均通过化学合成或精炼加工的方法制备而成，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Sarapar147型气制油。此外，需要说明的是，乳化剂配方中的合成基础油和钻井液配方中的合成基础油可以采用同一种合成基础油，也可以采用不同种的合成基础油。
优选，所述的有机土为蒙脱石的季铵化物或海泡石的季铵化物。
优选，所述的惰性加重材料为石灰石、重晶石、赤铁矿中的至少一种。
优选，所述的降滤失剂为褐煤树脂和氧化沥青中的至少一种。
优选，所述的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碳数为12～14的甘油脂肪酸酯硫酸盐，如甘油月桂酸单酯硫酸钠。
优选，所述的极性溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、丙二醇中至少一种。
优选，所述醇钠为甲醇钠或乙醇钠。
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。更优选，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。
一种合成基钻井液的制备方法，步骤如下：将葡萄糖甲胺和脂肪酸、或葡萄糖甲胺和脂肪酸酯加入至极性溶剂中，在醇钠催化作用下，升温至120～130℃，回流反应2～5h，生成烷基葡萄糖酰胺溶液，而后趁热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；接着按比例称量合成基础油、盐水、乳化剂、氧化钙、有机土、降滤失剂和惰性加重材料，并混合搅拌均匀，即得到溶液密度为1.2～2.8g/cm3的合成基钻井液。
优选，在上述步骤S1中，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，本发明使用的乳化剂以烷基葡萄糖酰胺为主要成分，烷基葡萄糖酰胺分子链上具有的葡萄糖单元，一方面给分子链上引入了大量的羟基，使亲水能力增强，增强了乳化剂的乳化和润湿能力，使乳化剂兼具润湿和乳化效果，实现一剂多效，简化了钻井液配方；另一方面葡萄糖单元本身所具有的的环保特性，使得产品具有低毒性和易降解的特点，与环保的合成基础油配合使用，可克服传统矿物油基钻井液因基础油和处理剂而导致的环保问题；此外，该合成基钻井液制备方法简单、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1～6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(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，其为由60重量份的合成酯类合成基础油、40重量份20wt.％的甲酸钠水溶液、6重量份的乳化剂、2重量份的氧化钙、1重量份的季铵化海泡石、2重量份的褐煤树脂、以及50重量份的石灰石粉混合配制而成的溶液密度为1.2g/cm3的钻井液。
上述各组分除乳化剂外，其余各组分均购买自市售产品。具体地，乳化剂的具体制备方法为：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)，而后再向三口烧瓶内加入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；接着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，其为由80重量份的聚α-烯烃类合成基础油、20重量份20wt.％的氯化钠水溶液、4重量份的乳化剂、2.5重量份的氧化钙、2重量份的季铵化蒙脱石、2.5重量份的氧化沥青、以及140重量份的重晶石粉混合配制而成的溶液密度为1.70g/cm3的钻井液。
上述各组分除乳化剂外，其余各组分均购买自市售产品；乳化剂的具体制备方法为：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)，而后再向三口烧瓶内加入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；接着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3
一种合成基钻井液，其为由80重量份的气制油类合成基础油、20重量份25wt.％的氯化钙水溶液、3重量份的乳化剂、3重量份的氧化钙、3重量份的季铵化蒙脱石、3重量份的氧化沥青、以及250重量份的重晶石粉混合配制而成的溶液密度为2.1g/cm3的钻井液。
上述各组分除乳化剂外，其余各组分均购买自市售产品；乳化剂的具体制备方法为：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)，而后再向三口烧瓶内加入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；接着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4
一种合成基钻井液，其为由80重量份的气制油类合成基础油、20重量份25wt.％的氯化钾水溶液、3重量份的乳化剂、3重量份的氧化钙、3重量份的季铵化蒙脱石、2重量份的氧化沥青、1重量份的褐煤树脂、以及250重量份的重晶石粉混合配制而成的溶液密度为2.1g/cm3的钻井液；
上述各组分除乳化剂外，其余各组分均购买自市售产品；乳化剂的具体制备方法为：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)，而后再向三口烧瓶内加入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；接着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5
一种合成基钻井液，其为由95重量份的合成酯类合成基础油、5重量份20wt.％的甲酸钠水溶液、2重量份的乳化剂、1重量份的季铵化海泡石、2重量份的褐煤树脂、200重量份的重晶石粉以及150重量份的赤铁矿粉混合配制而成的溶液密度为2.5g/cm3的钻井液；
上述各组分除乳化剂外，其余各组分均购买自市售产品；乳化剂的具体制备方法为：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)，而后再向三口烧瓶内加入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；接着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6
一种合成基钻井液，其为由95重量份的合成酯类合成基础油、5重量份20wt.％的甲酸钾水溶液、3重量份的乳化剂、3重量份的氧化钙、2重量份的季铵化蒙脱石、2重量份的氧化沥青、1重量份的褐煤树脂、以及500重量份的赤铁矿粉混合配制而成的溶液密度为2.8g/cm3的钻井液。
上述组分中，除乳化剂外，其余各组分均购买自市售产品。乳化剂的具体制备方法为：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)，而后再向三口烧瓶内加入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；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7
一种合成基钻井液，其为由95重量份的合成酯类合成基础油、5重量份20wt.％的甲酸钾水溶液、2重量份的乳化剂、2重量份的氧化钙、1重量份的季铵化蒙脱石、2重量份的氧化沥青、1重量份的褐煤树脂、以及500重量份的赤铁矿粉混合配制而成的溶液密度为2.8g/cm3的钻井液。
上述组分中，除乳化剂外，其余各组分均购买自市售产品。乳化剂的具体制备方法为：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1:1.21)，而后再向三口烧瓶内加入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；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。
性能测试：
对实施例1～7制备的合成基钻井液依次进行流变性能、乳化稳定性、降滤失性能和生物毒性评价测试；其中，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：
在表1中，PV为塑性黏度，YP为动切力，其用于表征钻井液的粘度；
Figure BDA0002275470330000082
和
Figure BDA0002275470330000083
分别表示OFITE-900旋转粘度计在6r/min和3r/min下的读数，其用于表征钻井液的悬浮能力；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，其用于表征封堵剂应用于油基钻井液的封堵效果和降滤失性能；EC50为半数效应浓度，其用于表征钻井液的生物毒性。
从表1所示的评价结果可以看出，实施例1～7制备的合成基钻井液具有良好的热稳定性，老化前后可保持体系的流变以及乳化稳定性，并具有较低的高温高压滤失量；所有钻井液配方的破乳电压均＞600V，显示乳化剂所具有的良好乳化效果，且随着油水比的增大，钻井液的破乳电压逐渐提高；随钻井液密度增大，所配制的合成基钻井液粘度和破乳电压逐渐增大，高温高压滤失量逐渐降低；
具体地，实施例1制备的合成基钻井液为低油水比(60:40)、低密度(1.20g/cm3)的钻井液，其破乳电压依然＞600V，可满足现场钻井的要求，显示了乳化剂的良好效果。
实施例2制备的合成基钻井液采用聚α-烯烃类为基础油，以辛酸为原料制备的葡萄糖酰胺乳化剂，显示了较低的粘度，具有良好的流动性。
实施例3和实施例4制备的合成基钻井液为高密度钻井液，其流变性能好；该两个实施例相对于其它实施例，均为以月桂酸或月桂酸甲酯为原料制备的葡萄糖酰胺在气制油中配制形成的乳化剂，在以气制油为基油配置的钻井液中体现出优异的乳化性能。
实施例5～7制备的合成基钻井液密度均在2.5g/cm3及以上，属超高密度钻井液，由于钻井液中重晶石等固相较多，易形成结构力，因此其粘度急剧增大，密度为2.8g/cm3的钻井液需采用赤铁矿粉为加重材料。
由于所用的基础油和乳化剂等材料均为无毒产品，因此实施例1～7制备的合成基钻井液体系经过生物相容性实验测试结果中，具有较高的EC50值，均大于30000ppm，符合环保法规的“无毒”的指标。

Claims (9)

1.一种合成基钻井液，其特征在于，包括以质量分数计的60％～95％的合成基础油和5％～40％盐水，二者质量分数总计为100％；以及以合成基础油和盐水总重量计的2％～6％的乳化剂、0％～3％的氧化钙、1％～3％的有机土、2％～3％的降滤失剂和50％～500％的惰性加重材料；
所述盐水为质量分数为20％～25％的氯化钠溶液、氯化钙溶液、氯化钾溶液、甲酸钠溶液、甲酸钾溶液或甲酸铯溶液；
所述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；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 FDA0002275470320000011
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所述合成基钻井液，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的合成基钻井液，其特征在于，所述有机土为蒙脱石的季铵化物或海泡石的季铵化物。
4.根据权利要求1所述的合成基钻井液，其特征在于，所述惰性加重材料为石灰石、重晶石、赤铁矿中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的合成基钻井液，其特征在于，所述降滤失剂为褐煤树脂、氧化沥青中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的合成基钻井液，其特征在于，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、甘油脂肪酸酯硫酸盐或硫酸化蓖麻酸钠。
7.根据权利要求1所述的合成基钻井液，其特征在于，所述极性溶剂为乙醇、丙醇、丁醇、丙二醇中至少一种。
8.根据权利要求1所述的合成基钻井液，其特征在于，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。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述的合成基钻井液的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：将葡萄糖甲胺和脂肪酸、或葡萄糖甲胺和脂肪酸酯加入至极性溶剂中，在醇钠催化剂的作用下，升温至120～130℃，回流反应2～5h，生成烷基葡萄糖酰胺溶液，而后趁热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；接着，按比例称量合成基础油、盐水、乳化剂、氧化钙、有机土、降滤失剂和惰性加重材料，并混合搅拌均匀，即得到溶液密度为1.2～2.8g/cm3的合成基钻井液。
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