CN113136181B - 一种生物合成基钻井液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物合成基钻井液及其制备方法，生物合成基钻井液的原料包括：生物柴油、氯化钙溶液、有机土、主乳化剂、辅乳化剂、降滤失剂、润湿剂、石灰、流型调节剂、重晶石粉；按重量份计算，所述生物柴油80份‑90份、氯化钙溶液20份‑10份；所述主乳化剂为聚酰胺脂HYOZ，所述辅乳化剂为酰胺基胺HYOF，所述流型调节剂为聚酰胺HYON。本发明提供的生物合成基钻井液，可以克服常规油基钻井液产生的油基岩屑、废弃油基钻井液难以降解、生物毒性强、含有芳烃物质等对环境污染严重问题。

Description

一种生物合成基钻井液及其制备方法
技术领域
本发明涉及油气勘探和开发技术领域，具体涉及一种生物合成基钻井液及其制备方法。
背景技术
钻井液是指油气钻井过程中满足钻井工作需要的各种循环流体的总称，其在钻井过程中必不可少，被喻为钻井的血液。钻井液需要具有携带和悬浮钻屑、稳定井壁及控制地层压力、冷却和润滑钻头钻具、传递水动力、获取地下信息等功能，因此需要向其中对应添加具有各种功能的钻井液处理剂。按连续相可分为水基钻井液、油基钻井液、合成基钻井液等。
随着人们环保意识的增强，世界各国对钻井液的排放环境要求日益严格，油基钻井液的使用相应受到了越来越严格的限制。问题产生的主要原因在于作为油基钻井液的石油产品，如柴油或矿物油能在海洋环境下放置多年而不降解，并且柴油中含有较多的芳烃，会对海洋环境带来不利影响。目前，在一些地区页岩气开发的井位中，多使用油基钻井液体系，但该钻井液体系主要以柴油或白油为基液，一旦发生井底裂缝性漏失或地面钻井液流失，将会对地下和地上环境产生严重环境污染。生物合成基钻井液是将酯、醚、聚a-烯烃、缩醛、线性a-烯烃、内烯烃、线性烷基苯和线性石蜡等合成材料应用于钻井液而得名，这类钻井液的最大特点是，它既有油基钻井液的特点(有时称“假”或“仿”油基钻井液)，又符合环境保护的要求，对提高钻速也有好处，是近年来国外发展较快的一类钻井液。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服油基钻井液产生的油基岩屑、废弃油基钻井液难以降解、生物毒性强、含有芳烃物质等对环境污染严重问题，本发明提供了解决上述问题的一种生物合成基钻井液及其制备方法，提供的钻井液性能与油基钻井液体系相似，但不含芳香烃、低毒、可生物降解，更易被环境接受，对环境污染小的生物合成基钻井液。
本发明通过下述技术方案实现：
一种生物合成基钻井液，原料包括：生物柴油、氯化钙溶液、有机土、主乳化剂、辅乳化剂、降滤失剂、润湿剂、石灰、流型调节剂、重晶石粉；按重量份计算，所述生物柴油80份-90份、氯化钙溶液20份-10份；所述主乳化剂为聚酰胺脂HYOZ，所述辅乳化剂为酰胺基胺HYOF，所述流型调节剂为聚酰胺HYON。
进一步优化设计，生物柴油，作为生物合成基钻井液连续相；技术要求：满足国标GB25199-2017《B5柴油》中的附录C：BD100生物柴油。主乳化剂为聚酰胺脂(HYOZ)，技术要求：满足企标Q/WNZJ-029-2018《油基钻井液用主乳化剂聚酰胺脂(HYOZ)》。辅乳化剂为酰胺基胺(HYOF)，技术要求：满足企标Q/WNZJ-030-2019《油基钻井液用辅乳化剂酰胺基胺(HYOF)》。流型调节剂为聚酰胺(HYON)，技术要求：满足企标Q/71189990-5·61-2015《油基钻井液用流型调节剂聚酰胺(HYON)》。
此外，重晶石粉，优选技术要求：满足企标Q/SY 17008-2019《钻井液用加重剂重晶石粉》。
进一步优选，按重量份计算，原料包括：生物柴油80份-90份、氯化钙溶液20份-10份、有机土1份-1.5份、主乳化剂3份-4份、辅乳化剂2份-3份、降滤失剂3份-5份、润湿剂0.5份-1份、石灰2份-3份、流型调节剂0.5份-1份。此外，重晶石粉根据最终的钻井液密度需要加入，优选重晶石粉地加入量为20份-250份。
进一步优选，所述氯化钙溶液为质量体积浓度是26％的氯化钙溶液。氯化钙溶液作为生物合成基钻井液分散相，优选氯化钙技术要求：满足国标GB/T 26520-2011《工业氯化钙》。
进一步优选，所述有机土为改性膨润土。有机土为油基钻井液用有机土，提高钻井液的粘度、静切力，从而提高钻井液的悬浮能力；优选技术要求：满足企标Q/SY 1817-2015《油基钻井液用有机土技术规范》。
进一步优选，所述降滤失剂为改性树脂沥青YH-150。降滤失剂为改性树脂沥青(YH-150)，优选技术要求：满足企标Q/91510107743641730E·5-2019《油基钻井液用降滤失剂改性树脂沥青(YH-150)》。
进一步优选，所述润湿剂为醇醚HYOR。润湿剂为醇醚(HYOR)，优选技术要求：满足企标Q/WNZJ-033-2015《油基钻井液用润湿剂醇醚(HYOR)》。
进一步优选，所述石灰为氧化钙。石灰为氧化钙(CaO)，优选技术要求：满足行标HG/T4205-2011《工业氧化钙》。
进一步优选，生物合成基钻井液的密度为1.2g/cm3-2.5g/cm3。
一种生物合成基钻井液的制备方法，在容器中加入生物柴油，再依次加入有机土、主乳化剂、辅乳化剂、石灰、氯化钙溶液、降滤失剂、润湿剂、流型调节剂搅拌；乳化后按计量加入重晶石粉，经搅拌，得到生物合成基钻井液。
进一步优选，包括以下步骤：
在所述生物柴油中加入有机土，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入主乳化剂，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入辅乳化剂，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入石灰，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入氯化钙溶液，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟，得到生物合成基钻井液；
在所述生物柴油中加入降滤失剂，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入润湿剂，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入流型调节剂，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在钻井液中加入重晶石粉，并在每分钟11000转高速下持续搅拌1小时以上，使得钻井液的密度达到设定密度。
本发明具有如下的优点和有益效果：
生物合成基钻井液是在拥有传统的矿物油基钻井液抑制性强、润滑性好等优点的基础上，同时又具备对环境危害小的优点而产生的一种新型钻井液体系。本发明主要以人工合成或改性的有机物(生物柴油)为连续相，以CaCl2盐水为分散相，再加上乳化剂、有机土、石灰等组分所组成的生物合成基油包水乳化钻井液，再根据性能要求加降滤失剂、流性调节剂和重晶石等。该生物合成基钻井液性能与油基钻井液体系性能相似，但不含芳香烃、低毒、可生物降解，因此，更易被环境接受，是未来解决高效钻井和环境压力的有效途径之一。
本发明优化设计了组分、配比以及制备方法，本发明提供的生物合成基钻井液，可以克服常规油基钻井液产生的油基岩屑、废弃油基钻井液难以降解、生物毒性强、含有芳烃物质等对环境污染严重问题，具体优势如下所示：
1、本发明生物合成基钻井液具有较好的抗温性能，在150℃范围内，生物合成基钻井液都具有较好的流变性能，能够将滤失量控制在较低值，破乳电压值较高，油包水乳状液体系稳定，能够满足现场钻井施工需求。
2、本发明生物合成基钻井液具有较强的抗污染效果，能够有效的抵抗地层水、岩屑、各种电解质的污染，在污染较严重对生物合成基钻井液流变性及稳定性造成明显影响时，可以通过较简单的办法进行处理、维护。
3、本发明生物合成基钻井液具有较好的页岩抑制性，在生物合成基钻井液中，页岩回收率达到97.0％。
本发明尤其适用于深井、超深井、高温井、水平井、页岩气井等工况，具有良好的应用前景。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种密度1.60g/cm3、油水比80:20的生物合成基钻井液，由以下重量百分比的原材料制备而成：生物柴油320mL，有机土6.0g，主乳化剂14.0g，辅乳化剂8.0g，石灰10.0g，质量浓度为26％的氯化钙水溶液80mL，降滤失剂16.0g，润湿剂2.0g，流型调节剂3.2g，重晶石粉400g。
其制备方法具体如下所示：
(1)将生物柴油加入高搅杯中，加入有机土，以11000r/min高速搅拌20min；
(2)在高速搅拌的同时，继续加入主乳化剂，以11000r/min高速搅拌20min；
(3)在高速搅拌的同时，继续加入辅乳化剂，以11000r/min高速搅拌20min；
(4)在高速搅拌的同时，继续加入碱度调节剂石灰，以11000r/min高速搅拌20min；
(5)在高速搅拌的同时，继续加入氯化钙水溶液，以11000r/min高速搅拌20min；
(6)在高速搅拌的同时，继续加入降滤失剂，以11000r/min高速搅拌20min；
(7)在高速搅拌的同时，继续加入润湿剂，以11000r/min高速搅拌20min；
(8)在高速搅拌的同时，继续加入流型调节剂，以11000r/min高速搅拌20min；
(9)最后加入重晶石粉，以11000r/min高速搅拌30min，配制成密度1.60g/cm3的生物合成基钻井液。
实施例2
本实施例提供了一种密度2.30g/cm3、油水比90:10的生物合成基钻井液：它由以下重量百分比的原材料制备而成：生物柴油360ml，有机土6.0g，主乳化剂16.0g，辅乳化剂8.0g，石灰8.0g，质量浓度为26％的氯化钙水溶液40ml，降滤失剂16.0g，润湿剂2.0g，流型调节剂2.0g，重晶石粉1000g。
其制备方法同实施例1所述的制备方法。
实施例1、实施例2所述原材料均为市场上销售产品，购置时严格按行业标准或企标检验，合格者才能使用。具体见表1
表1生物合成基钻井液原料明细表
Figure BDA0003010073430000041
Figure BDA0003010073430000051
1.主乳化剂乳化效果对比评价
在240ml合成基钻井液基础液(生物柴油)中加入2％的主乳化剂，高速搅拌10min，加入2.5％有机土高速搅10min，加入1％CaO，高速搅拌20min，再缓慢加入60ml水溶液(含26％CaCl2)，高速搅拌30min，配制成低密度的合成基钻井液，在120℃条件下滚动老化16h，在120℃条件下测量高温高压滤失量，并在50℃测量合成基钻井液的破乳电压和流变参数，以此评价不同乳化剂的乳化效果，测量结果见表2。
表2不同主乳化剂乳化效果对比
Figure BDA0003010073430000052
从上表2可以看出，通过对比几种乳化剂形成的乳状液，本次研究的主乳化剂(HYOZ)破乳电压较高664V，滤失量较低4.7ml，效果优于目前油田常用的油基钻井液用主乳化剂。
2.辅乳化剂的乳化效果对比评价
按照评价主乳化剂的方法和加量，对辅乳化剂的乳化效果进行室内评价，通过评价所形成的乳状液的流变参数和高温高压滤失量、电稳定性，判定乳状液的稳定性和现场适用性，测量结果见表3。
表3辅助乳化剂单独形成乳状液效果评价
Figure BDA0003010073430000053
从上表3可看出：不同的乳化剂配制成的乳状液电稳定性差异较大，以酰胺基胺(HYOF)作为辅乳配制成的乳状液具有较高的电稳定性，破乳电压达到440V，相对于其他四个辅助乳化剂具有较好的流变性能和较低的滤失量。
3.主乳化剂(HYOZ)与不同辅乳化剂复配的乳化效果对比评价
在240ml合成基钻井液基础液(生物柴油)中加入2％的主乳化剂，高速搅拌10min，再加入2％辅助乳化剂，高速搅拌10min，加入2.5％有机土高速搅10min，加入1％CaO，高速搅拌20min，再缓慢加入60ml水溶液(含26％CaCl2)，高速搅拌30min，配制成低密度的合成基钻井液，测量数据见表4。
表4不同辅助乳化剂乳化效果对比
Figure BDA0003010073430000061
从上表4可以看出：酰胺基胺(HYOF)辅乳化剂与主乳化剂聚酰胺酯(HYOZ)复配使用，形成的合成基钻井液不仅具有较高的电稳定性，破乳电压值高达1642V，滤失量也得到了有效的控制，所得到的合成基钻井液的表观粘度、塑性粘度和动切力均保持较好，这样可以使油包水乳化钻井液稳定，也不会产生沉淀，能有效的保证安全、高效的钻井。
实施例3
本实施例中对以上实施例1和实施例2制备的一种生物合成基钻井液的化学性能进行检测评价：
1、抗高温效果评价
将配制好的生物合成基钻井液在不同的温度下滚动、恒温老化16h，冷却至50℃测量其流变性及电稳定性，以此评价生物合成基钻井液的抗温效果，测量结果见表5。
表5生物合成基钻井液常温常压下的流变参数
Figure BDA0003010073430000062
Figure BDA0003010073430000071
从上表5可看出：密度为2.30g/cm3和1.60g/cm3的生物合成基钻井液具有较好的抗温效果，在温度小于160℃时，生物合成基钻井液的高温高压滤失量控制在3.0ml以内，能够有效的控制钻井液滤失量，电稳定性能保持在1000V以上，说明此配方配制的生物合成基钻井液抗温达160℃。当温度上升到180℃，体系的滤失量开始升高，达到7.4ml，电稳定性下降到684V，粘切也开始下降，说明体系中的乳化剂等处理剂在高温下开始分解，乳状液开始呈现不稳定。
2、长时间热滚老化性能评价
生物合成基钻井液在不同的温度条件下进行长时间热滚老化，模拟现场钻井液使用的长时间抗温效果。在50℃、100℃、120℃、150℃、180℃温度下对密度为2.30g/cm3和1.60g/cm3的生物合成基钻井液进行72h抗温效果评价，结果见表6。
表6生物合成基钻井液长时间热滚老化性能评价
Figure BDA0003010073430000072
从上表6可看出：在150℃范围内，经72h长时间热滚老化后，破乳电压值都保持在1000V以上，钻井液流变性和滤失量没有发生较大的变化。说明此配方配制的生物合成基钻井液抗温达150℃。
3、抗污染效果评价
(1)地层水对生物合成基钻井液流变性能的影响
将生物合成基钻井液加入不同量的地层水(地层水来至生产井返排出的地层水)，高速搅拌30min后，在150℃温度下滚动老化16h后，在50℃下测定钻井液各项性能的变化，试验结果见表7：
表7生物合成基钻井液受地层水污染后的流变参数
Figure BDA0003010073430000081
由上表7可以看出：油水比越低，乳状液粘度越大，随着水量的增加，生物合成基钻井液的高温高压滤失量和电稳定性都会受到较大的影响。生物合成基钻井液中地层水进入的比例小于5％时，对生物合成基钻井液的流变性、滤失量、电稳定性影响较小；随着水量的继续增加，生物合成基钻井液粘度增加幅度变大，当达到20％时，2.30g/cm3密度生物合成基钻井液电稳定性降低到604V，1.60g/cm3密度生物合成基钻井液电稳定性降低到659V，开始表现出一定的不稳定性。
处理办法：用基础油加入到受到地层水污染的生物合成基钻井液中，高速搅拌条件下补充占生物合成基钻井液总量0.1％～0.5％的乳化剂，所得到的生物合成基钻井液的破乳电压值和高温高压滤失量恢复到未被污染时的值，可看出该生物合成基钻井液具有性能可调，以控制的优点。
(2)岩屑对生物合成基钻井液的污染评价
用水化分散性很强的露头泥页岩做污染源，向不同密度的生物合成基钻井液中加入泥页岩充分搅拌20分钟，再在150℃下滚动老化16小时，冷却到50℃测定生物合成基钻井液老化后的性能，实验数据如表8。
表8泥页岩对生物合成基钻井液性能的影响
Figure BDA0003010073430000082
Figure BDA0003010073430000091
由上表8可以看出：岩屑污染后生物合成基钻井液粘度、静切力有所增加，动切力变化不大，说明对钻井液的流变性能影响不是很大；但滤失量增加较快，因此在钻井施工中要特别加强对钻屑的净化工作，使用和维修好固控设备，及时清除钻屑，保持钻井液性能的稳定，满足实际工程的要求。同时，为了让混入的岩屑由水润湿变成油润湿，应补充适量的润湿剂。
(3)石膏对生物合成基钻井液的污染评价
分别在密度2.30g/cm3、1.60g/cm3的生物合成基钻井液中加入2％、4％、6％的石膏，高速搅拌20min后，在150℃*16h条件下热滚老化，然后降温至50℃测受污染后的生物合成基钻井液的流变性及电稳定性，高温高压滤失量测量条件为150℃、3.5MPa，测量如下表9。
表9合成钻井液受石膏污染后的性能评价
Figure BDA0003010073430000092
从上表9可以看出：生物合成基钻井液在受到石膏污染后，流变性变化幅度较小，电稳定性变化幅度相对较大，主要是因乳化剂在电解质Ca2+作用下产生了部分盐析的结果。但从总体上看，生物合成基钻井液在石膏污染后流变性及高温高压滤失量变化较小，电稳定性虽降低，但大于600V，生物合成基钻井液能够满足现场安全钻井。
处理办法：对于受石膏污染较严重的生物合成基钻井液，通过加入0.5％～1.0％的乳化剂，高速搅拌均匀后，生物合成基钻井液的破乳电压值和滤失量恢复到原水平。
(4)NaCl对生物合成基钻井液的污染评价
分别在密度为2.30g/cm3、1.60g/cm3的生物合成基钻井液中加入2％、4％、6％的NaCl，高速搅拌20min后，在150℃*16h条件下热滚老化，然后降温至50℃测受污染后的生物合成基钻井液的流变性及电稳定性，高温高压滤失量测量条件为150℃、3.5MPa，测量数据见表10。
表10 NaCl对生物合成基钻井液的污染后的性能评价
Figure BDA0003010073430000101
由上表10可见：随着NaCl加量的增加，生物合成基钻井液流变性变化较小、高温高压滤失量略有增大、破乳电压有所降低，但仍然在600V以上，能很好地满足现场施工的要求，由此可看出，该生物合成基钻井液体系具有较好的抗NaCl污染的效果。
处理办法：对于NaCl污染较严重的生物合成基钻井液，通过加入0.5％～1.0％的乳化剂，高速搅拌均匀后，生物合成基钻井液的破乳电压值和滤失量恢复到原水平。
(5)重晶石对生物合成基钻井液的污染评价
分别在密度为2.30g/cm3、1.60g/cm3的生物合成基钻井液中加入重晶石，提升钻井液的密度高速搅拌30min后，在150℃*16h条件下热滚老化，然后降温至50℃测受污染后的生物合成基钻井液的流变性及电稳定性，高温高压滤失量测量条件为150℃、3.5MPa，测量数据见表11。
表11生物合成基钻井液受重晶石污染后的性能评价
Figure BDA0003010073430000102
由上表11可知：生物合成基钻井液加入重晶石后，钻井液体系的粘切增大，这主要是钻井液中固相增加导致钻井液摩察增大。高温高压滤失量略有减小，电稳定性也略有降低。因此，如果对生物合成基油包水钻井液进行加重，或是体系中固相含量增多时，应适当增加润湿剂和乳化剂，对新加入的亲水性的重晶石和固相组分进行即使润湿反转和乳化，确保钻井液体系各项指标的稳定。
4、生物合成基钻井液的抑制性评价
生物合成基钻井液同油基钻井液一样，对页岩具有高效的抑制效果，选取露头岩屑分别在清水、钾-聚磺钻井液、生物合成基钻井液中进行页岩滚动回收率试验，该露头岩样的粘土矿物含量为30.64％，其中伊利石含量为27.0％，伊蒙混合层含量为73.0％，混层比为85.0％。在150℃下滚动16h后，测量钻井液中的页岩滚动回收率，结果见表12。
表12不同钻井液体系的页岩滚动回收率对比数据
钻井液类型 第一次滚动回收率，％
生物合成基钻井液 97.0
清水 32.5
钾-聚磺钻井液 78.2
由上表12数据可得：生物合成基钻井液具有强的抑制页岩分散的能力。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种生物合成基钻井液，原料包括：生物柴油、氯化钙溶液、有机土、主乳化剂、辅乳化剂、降滤失剂、润湿剂、石灰、流型调节剂、重晶石粉；其特征在于，
按重量份计算，原料包括：生物柴油80份-90份、氯化钙溶液20份-10份、有机土1份-1.5份、主乳化剂3份-4份、辅乳化剂2份-3份、降滤失剂3份-5份、润湿剂0.5份-1份、石灰2份-3份、流型调节剂0.5份-1份；
所述主乳化剂为聚酰胺酯HYOZ，所述辅乳化剂为酰胺基胺HYOF，所述流型调节剂为聚酰胺HYON；
所述降滤失剂为改性树脂沥青YH-150；
所述润湿剂为醇醚HYOR；
生物合成基钻井液的密度为1.2g/cm3-2.5g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种生物合成基钻井液，其特征在于，所述氯化钙溶液为质量体积浓度是26%的氯化钙溶液。
3.根据权利要求1所述的一种生物合成基钻井液，其特征在于，所述有机土为改性膨润土。
4.根据权利要求1所述的一种生物合成基钻井液，其特征在于，所述石灰为氧化钙。
5.权利要求1所述一种生物合成基钻井液的制备方法，其特征在于，在容器中加入生物柴油，再依次加入有机土、主乳化剂、辅乳化剂、石灰、氯化钙溶液、降滤失剂、润湿剂、流型调节剂搅拌；乳化后按计量加入重晶石粉，经搅拌，得到生物合成基钻井液；其中，按重量份计算，生物柴油80份-90份、氯化钙溶液20份-10份、有机土1份-1.5份、主乳化剂3份-4份、辅乳化剂2份-3份、降滤失剂3份-5份、润湿剂0.5份-1份、石灰2份-3份、流型调节剂0.5份-1份。
6.根据权利要求5所述的一种生物合成基钻井液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述生物柴油中加入有机土，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入主乳化剂，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入辅乳化剂，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入石灰，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入氯化钙溶液，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟，得到生物合成基钻井液；
在所述生物柴油中加入降滤失剂，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入润湿剂，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在所述生物柴油中加入流型调节剂，并在每分钟11000转高速下持续搅拌20-30分钟；
在钻井液中加入重晶石粉，并在每分钟11000转高速下持续搅拌1小时以上，使得钻井液的密度达到设定密度。
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