CN113652213B - 一种抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂及钻井液 - Google Patents

一种抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂及钻井液 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂及钻井液，所述复合乳化剂的原料以重量份计包括，主乳化剂：2.0‑5.0份，辅乳化剂：1.0‑4.0份，乳液稳定剂：0.2‑2份。超高温高密度下，主乳化剂能够在钻井液体系的油水界面形成具有粘弹性的密堆积复合膜，能维持钻井液体系的乳化稳定性，加之辅乳化剂的作用，能够降低油水界面张力，与主乳化剂相互作用，协助主乳化剂提高钻井液体系的乳化稳定性，再加入乳液稳定剂，可以显著提高界面膜强度，提高油包水乳化钻井液乳化稳定性，从而提高其体系沉降稳定性及钻井液滤失等性能。

Description

一种抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂及钻井液
技术领域
本发明涉及石油钻井工程技术领域，具体为一种抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂及钻井液。
背景技术
随着地层勘探开发技术的逐步发展，以及油气田开发的进一步深入，钻井作业开始向更深更为复杂的地层进军，由此带来深井高温、地层高压、以及坍塌地层等一系列技术难题。针对以上地层开采难题，油包水乳化钻井液是一项重要的优良技术解决方案，其具有优良的抑制性、抗盐、润滑性好、抗污染性等一系列优良性能。
但长期以来，油包水乳化钻井液在高温条件下的乳化稳定性和沉降稳定性，高密度条件下的沉降稳定性和流变性能控制等一直是制约油包水乳化钻井液性能的技术难题。特别是同时具有超高温(220℃-240℃)和高密度(2.3g/cm3-2.45g/cm3)需求时，体系的乳化稳定性、沉降稳定性及滤失性能的控制之间存在着难以兼顾的问题，目前对超高温高密度油包水乳化钻井液研究还较少。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂及钻井液，能够在超高温(200-240℃)、高密度(2.1-2.45g/cm3)条件下具有优异的乳化稳定性、沉降稳定性和高温高压滤失性能。
本发明首先提供一种抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂，所述复合乳化剂的原料以重量份计包括，主乳化剂：2.0-5.0份，辅乳化剂：1.0-4.0份，乳液稳定剂：0.2-2份。
优选的，所述乳液稳定剂的重量份为0.6-2份。
更为优选的，所述乳液稳定剂的重量份为1-2份。
优选的，所述主乳化剂为高级脂肪酸及其酯类。
优选的，所述辅乳化剂为油酸类衍生物。
优选的，所述乳液稳定剂为PEG-30二聚羟基硬脂酸酯。
本发明还提供一种抗超高温油包水乳化钻井液，所述钻井液包含以下组分：
以体积比计，油相：水相＝(80-95):(20-5)；
以及以所述油相和水相的总体积计，
2.0-5.0g的主乳化剂；
1.0-4.0g的辅乳化剂；
0.2-2g的乳液稳定剂；
1-3g的有机土；
0-3g的有机提切剂；
0.5-4g的碱度调节剂；
2-5g的降滤失剂；
1-6g的超细颗粒；
以及根据所述钻井液密度确定的加重剂。
更为优选的，所述钻井液包含以下组分：
以体积比计，油相：水相＝80:20；
以及以所述油相和水相的总体积计，
4.0-5.0g的主乳化剂；
1.5-2.5g的辅乳化剂；
0.5-1g的乳液稳定剂；
1.5-2.5g的有机土；
0.5-1g的有机提切剂；
2g的碱度调节剂；
5g的降滤失剂；
3-3.5g的超细颗粒；
以及根据所述钻井液密度确定的加重剂。
优选的，所述油相为柴油或者白油；水相为质量分数为20-25％的氯化钙水溶液。
优选的，所述有机土为抗高温有机土(抗200℃以上温度)。
优选的，所述碱度调节剂为氧化钙。
优选的，所述降滤失剂为改性褐煤树脂。
优选的，所述超细颗粒为超细碳酸钙。
优选的，所述有机提切剂为聚苯磺酸酯类油溶性高分子聚合物。
优选的，所述加重剂为重晶石。
优选的，所述油包水乳化钻井液的密度为2.1-2.45g/cm3、能够耐200-240℃的超高温。
本发明还提供一种所述抗超高温油包水乳化钻井液的制备方法，包括以下步骤：
S1、向油相中依次加入有机土，主乳化剂、辅乳化剂、乳液稳定剂，提切剂和酸碱调节剂，搅拌混合，得到混合料A；
S2、在搅拌条件下向混合料A中加入水相，得到混料B；
S3、在搅拌条件下向混合料B中依次加入降滤失剂、超细颗粒和加重剂，所得混合液体即为油包水乳化钻井液。
优选的，所述S1中每一种组分加入后都要搅拌5min再加下一种，所述搅拌速率为11000r/min。
优选的，所述S2中搅拌时间不低于10min，搅拌速率为11000r/min。
优选的，所述S3中每一种组分加入后都要搅拌5min再加下一种，搅拌速率11000r/min。
本发明还提供一种所述抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂在钻井液中的应用。
本发明的有益效果是：
1、本发明的抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂包括主乳化剂、辅乳化剂以及乳液稳定剂，在超高温高密度条件下，主乳化剂能够在钻井液体系的油水界面形成具有粘弹性的密堆积复合膜，能维持钻井液体系的乳化稳定性，加之辅乳化剂的作用，能够降低油水界面张力，与主乳化剂相互作用，协助主乳化剂提高钻井液体系的乳化稳定性，再加入乳液稳定剂，即使在超高温高密度条件下，也可以显著提高界面膜强度，提高油包水乳化钻井液乳化稳定性，从而提高其体系沉降稳定性及钻井液滤失性能。
2、本发明添加的乳液稳定剂为PEG-30二聚羟基硬脂酸酯(P135)，是一种A-B-A型嵌段共聚物，其中PEG30亲水基团与两个长链羟基硬脂酸酯亲油包水乳化团容易吸附在油水界面形成一个特殊的不易转动的立体空间结构，与主乳辅乳共同作用，改善油水界面乳化剂排列，提高增强界面膜强度，提高乳液的破乳电压，进而提高油包水乳化钻井液体系的乳化稳定性，也提高了油包水乳化钻井液体系的沉降稳定性和高温高压滤失性能。
3、本发明的超高温油包水乳化钻井液，最高密度可达2.45g/cm3，抗温最高可达240℃，能够在超高温(200-240℃)、高密度(2.1-2.45g/cm3)条件下具有优异的乳化稳定性、沉降稳定性以及高温高压滤失小(5.2-9.8ml)的特点。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，本发明所有原料均为市售，各原料符合相应的行业标准要求即可。
本发明提供的抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂及油包水乳化钻井液，能够在超高温(200-240℃)、高密度(2.1-2.45g/cm3)条件下具有优异的乳化稳定性、沉降稳定性和高温高压滤失性能，为了实现上述目的，本发明首先提供一种抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂，所述复合乳化剂的原料以重量份计包括：主乳化剂：2.0-5.0份，辅乳化剂：1.0-4.0份，乳液稳定剂：0.2-2份。本发明的主乳化剂能够在钻井液体系的油水界面形成具有粘弹性的密堆积复合膜，能维持钻井液体系的乳化稳定性，加之辅乳化剂的作用，能够降低油水界面张力，与主乳化剂相互作用，协助主乳化剂提高钻井液体系的乳化稳定性；通过添加乳液稳定剂加强油包水乳化钻井液油水界面膜强度，提高油包水乳化钻井液乳化稳定性，从而提高其体系沉降稳定性及钻井液滤失等性能，解决了现有高温高密条件下油包水乳化钻井液乳化稳定性差、固相沉降及滤失量大的技术难题。
具体的，本发明所述主乳化剂为高级脂肪酸及其酯类；所述辅乳化剂为油酸类衍生物；所述乳液稳定剂为PEG-30二聚羟基硬脂酸酯。
本发明所加入的乳液稳定剂PEG-30二聚羟基硬脂酸酯(P135)是一种A-B-A型嵌段共聚物，其中PEG30亲水基团与两个长链羟基硬脂酸酯亲油包水乳化团容易吸附在油水界面形成一个特殊的不易转动的立体空间结构，可以规整排列在油水界面，显著提高界面膜强度，形成稳定的油包水乳液。在本体系中，通过加入少量的P135，与主乳化剂和辅乳化剂共同作用，调整油水界面表面活性剂排列方式，可以明显提高乳液的破乳电压，进而提高油包水乳化钻井液体系的乳化稳定性，也提高了油包水乳化钻井液体系的沉降稳定性，复合乳化剂提高乳化稳定性后，体系的滤失性能也就会明显改善。
本发明还提供一种抗超高温油包水乳化钻井液，所述钻井液包含以下组分：
以体积比计，油相：水相＝(80-95):(20-5)；
以及基于所述油相和水相的总体积计，
2.0-5.0g的主乳化剂；
1.0-4.0g的辅乳化剂；
0.5-2g的乳液稳定剂；
1-3g的有机土；
0-3g的有机提切剂；
0.5-4g的碱度调节剂；
2-5g的降滤失剂；
1-6g的超细颗粒；
以及根据所述钻井液密度确定的加重剂。
进一步的，所述抗超高温钻井液包含以下组分：
以体积比计，油相：水相＝80:20；
以及以所述油相和水相的总体积计，
4.0-5.0g的主乳化剂；
1.5-2.5g的辅乳化剂；
0.5-1g的乳液稳定剂；
1.5-2.5g的有机土；
0.5-1g的有机提切剂；
2g的碱度调节剂；
5g的降滤失剂；
3-3.5g的超细颗粒；
以及根据所述钻井液密度确定的加重剂。
按照本发明，所述油相为柴油或者白油，水相为质量分数为20-25％的氯化钙水溶液；
本发明所述有机土为抗高温有机土，能够耐200℃以上温度，可以为有机蒙脱土，是用插层剂改性后的，在本发明的体系中，有机土在所述配比下进行适量添加能够有易于在油相中分散，增加体系的粘度，降低钻井液的滤失量，和酸碱调节剂配合有利于增加乳化稳定性。
本发明所述有机提切剂为聚苯磺酸酯类油溶性高分子聚合物，其中极性基团通过静电引力或氢键与其他基团相互作用，形成比表面积大的网络结构，分子中的长链通过缔合作用形成三维网络结构，以提高体系的切力和粘度。
本发明所述降滤失剂为改性褐煤树脂，能够协助体系中的其他固体颗粒形成薄的滤饼，避免钻井液中的水向地层中转移。
本发明所述超细颗粒为超细碳酸钙(碳酸钙粉体平均粒径6.5μm<d≤48μm的碳酸钙)，能够很好地分撒在钻井液中，在本发明所述的浓度下，有利于形成致密泥饼，降低滤失量，阻止钻井液的侵入，还能降低地层渗透率，提高地层承压能力。
本发明所述加重剂为重晶石，对高密度钻井液而言，加重剂在钻井液中占有的体积分数很大，加重剂的种类、密度、颗粒大小、纯度的不同均会明显影响钻井液体系的高温稳定性及密度可调性。本发明的加重剂能够提高体系的密度、提高体系的电稳定性以满足钻井作业的要求，并且，加重剂与所述有机土配合能在钻井过程中的正压力作用下形成级配合理、充填有效的滤饼，降低滤失量。
本发明还提供一种所述抗超高温油包水乳化钻井液的制备方法，具体的，包括以下步骤：
S1、向油相中依次加入有机土，主乳化剂、辅乳化剂、乳液稳定剂，提切剂和酸碱调节剂，高速搅拌使其充分分散，每一种组分加入后都要搅拌5min再加下一种，所述高速搅拌速率为11000r/min；
S2、在高速搅拌条件下继续加入水相，使体系充分乳化，所述高速搅拌时间不低于10min，所述高速搅拌速率为11000r/min；
S3、依次加入降滤失剂、超细颗粒和加重剂，每一种组分加入后都要搅拌5min再加下一种，搅拌速率11000r/min，所得混合液体即为油包水乳化钻井液。
本发明还提供一种所述抗超高温复合乳化剂在油包水乳化钻井液中的应用。
上述为本发明的详细阐述，下面为本发明实施例，实施例中的原料均源自四川泓华油气田工程科技有限公司。
以下实施例中，主乳化剂为高级脂肪酸及其酯类，主要成分为妥尔油脂肪酸、单硬脂酸甘油酯；辅乳化剂为油酸类衍生物，主要成分为油酸、油酸酯混合物；有机提切剂为聚苯磺酸酯类油溶性高分子聚合物，主要成分为聚苯磺酸酯。
实施例1 复合乳化剂的效果评价
油相(0#柴油)和水相(20Wt％氯化钙水溶液)的体积比为8:2，以质量百分数计，加入1.5％的主乳化剂和1％的辅乳化剂时，乳液稳定剂(PEG-30二聚羟基硬脂酸酯)的加入量分别为0％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1％、1.5％、2％的效果见表1。
表1
乳液稳定剂加量(Wt％) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2
破乳电压(V) 213 302 388 468 495 508 515 519
实施例2 复合乳化剂的效果评价
油相(0#柴油)和水相(20Wt％氯化钙水溶液)的体积比为9:1，以质量百分数计，加入2％的主乳化剂和1％的辅乳化剂时，乳液稳定剂(PEG-30二聚羟基硬脂酸酯)的加入量分别为0％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1％、1.5％、2％的效果见表2。
表2
Figure BDA0003265945830000081
Figure BDA0003265945830000091
实施例3 复合乳化剂的效果评价
油相(0#柴油)和水相(20Wt％氯化钙水溶液)的体积比为7:3，以质量百分数计，加入5％的主乳化剂和4％的辅乳化剂时，乳液稳定剂(PEG-30二聚羟基硬脂酸酯)的加入量分别为0％、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1％、1.5％、2％的效果见表3。
表3
乳液稳定剂加量(Wt％) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2
破乳电压(V) 197 289 376 462 489 503 511 526
由表1-表3可以看出，通过加入少量的P135，与主乳化剂和辅乳化剂共同作用，调整油水界面表面活性剂排列方式，可以明显提高乳液的破乳电压，进而提高油包水乳化钻井液体系的乳化稳定性，也提高了油包水乳化钻井液体系的沉降稳定性。
实施例4 抗超高温油包水乳化钻井液的制备
一种抗超高温油包水乳化钻井液，所述钻井液的具体组分为：
油相(0#柴油)：水相(20Wt％氯化钙水溶液)＝80:20，以100ml油包水的体积为基础，其他处理剂加量为有机土(有机蒙脱土)3g，主乳化剂3.5g，辅乳化剂1.5g，乳液稳定剂(PEG-30二聚羟基硬脂酸酯)0.3g，有机提切剂0.5g，酸碱调节剂(氧化钙)2g，降滤失剂(改性褐煤树脂)4g，超细颗粒(超细碳酸钙)3g，加重剂(重晶石)227g。
本实施例的油包水乳化钻井液是按照以下方法制备得到的：
S1、向油相中依次加入有机土，主乳化剂、辅乳化剂、乳液稳定剂，提切剂和酸碱调节剂，高速搅拌使其充分分散，每一种组分加入后都要搅拌5min再加下一种，所述高速搅拌速率为11000r/min；
S2、在高速搅拌条件下继续加入水相，使体系充分乳化，所述高速搅拌时间不低于10min，所述高速搅拌速率为11000r/min；
S3、依次加入降滤失剂、超细颗粒和加重剂，每一种组分加入后都要搅拌5min再加下一种，搅拌速率11000r/min，所得混合液体即为油包水乳化钻井液。
所得抗超高温油包水乳化钻井液的性能见表4：
表4
Figure BDA0003265945830000101
实施例5 抗超高温油包水乳化钻井液的制备
一种抗超高温油包水乳化钻井液，所述钻井液的具体组分为：
油相(0#柴油)：水相(20Wt％氯化钙水溶液)＝80:20，以100ml油包水的体积为基础，其他处理剂加量为有机土(有机蒙脱土)2.5g，主乳化剂4g，辅乳化剂1.5g，乳液稳定剂(PEG-30二聚羟基硬脂酸酯)0.5g，有机提切剂1g，酸碱调节剂(氧化钙)2g，降滤失剂(改性褐煤树脂)5g，超细颗粒(超细碳酸钙)3g，加重剂(重晶石)227g。
本实施例的油包水乳化钻井液的制备方法同实施例1，所得油包水乳化钻井液的性能见表5：
表5
Figure BDA0003265945830000102
实施例6 抗超高温油包水乳化钻井液的制备
一种抗超高温油包水乳化钻井液，所述钻井液的具体组分为：
油相(0#柴油)：水相(20Wt％氯化钙水溶液)＝80:20，以100ml油包水的体积为基础，其他处理剂加量为有机土(有机蒙脱土)2g，主乳化剂4g，辅乳化剂2g，乳液稳定剂(PEG-30二聚羟基硬脂酸酯)0.5g，有机提切剂1g，酸碱调节剂(氧化钙)2g，降滤失剂(改性褐煤树脂)5g，超细颗粒(超细碳酸钙)3.5g，加重剂(重晶石)295g。
本实施例的油包水乳化钻井液的制备方法同实施例1，所得油包水乳化钻井液的性能见表6：
表6
Figure BDA0003265945830000111
实施例7 抗超高温油包水乳化钻井液的制备
一种抗超高温油包水乳化钻井液，所述钻井液的具体组分为：
油相(0#柴油)：水相(20Wt％氯化钙水溶液)＝80:20，以100ml油包水的体积为基础，其他处理剂加量为有机土(有机蒙脱土)2g，主乳化剂4.5g，辅乳化剂2g，乳液稳定剂(PEG-30二聚羟基硬脂酸酯)0.8g，有机提切剂1g，酸碱调节剂(氧化钙)2g，降滤失剂(改性褐煤树脂)5g，超细颗粒(超细碳酸钙)3.5g，加重剂(重晶石)295g。
本实施例的油包水乳化钻井液的制备方法同实施例1，所得油包水乳化钻井液的性能见表7：
表7
Figure BDA0003265945830000112
实施例8 抗超高温油包水乳化钻井液的制备
一种抗超高温油包水乳化钻井液，所述钻井液的具体组分为：
油相(0#柴油)：水相(20Wt％氯化钙水溶液)＝80:20，以100ml油包水的体积为基础，其他处理剂加量为有机土(有机蒙脱土)1.5g，主乳化剂5g，辅乳化剂2.5g，乳液稳定剂(PEG-30二聚羟基硬脂酸酯)1g，有机提切剂0.5g，酸碱调节剂(氧化钙)2g，降滤失剂(改性褐煤树脂)5g，超细颗粒(超细碳酸钙)3.5g，加重剂(重晶石)354g。
本实施例的油包水乳化钻井液的制备方法同实施例1，所得油包水乳化钻井液的性能见表8：
表8
Figure BDA0003265945830000121
实施例9 抗超高温油包水乳化钻井液的制备
一种抗超高温油包水乳化钻井液，所述钻井液的具体组分为：
油相(白油)：水相(25Wt％氯化钙水溶液)＝95:5，以100ml油包水的体积为基础，其他处理剂加量为有机土(有机蒙脱土)1g，主乳化剂2g，辅乳化剂1g，乳液稳定剂(PEG-30二聚羟基硬脂酸酯)0.2g，酸碱调节剂(氧化钙)0.5g，降滤失剂(改性褐煤树脂)2g，超细颗粒(超细碳酸钙)1g，加重剂(重晶石)354g。
本实施例的油包水乳化钻井液的制备方法同实施例1。
实施例10 超高温油包水乳化钻井液的制备
一种抗超高温油包水乳化钻井液，所述钻井液的具体组分为：
油相(白油)：水相(25Wt％氯化钙水溶液)＝95:5，以100ml油包水的体积为基础，其他处理剂加量为有机土(有机蒙脱土)1g，主乳化剂2g，辅乳化剂4g，乳液稳定剂(PEG-30二聚羟基硬脂酸酯)2g，有机提切剂3g，酸碱调节剂(氧化钙)4g，降滤失剂(改性褐煤树脂)5g，超细颗粒(超细碳酸钙)6g，加重剂(重晶石)354g。
本实施例的油包水乳化钻井液的制备方法同实施例1。
由表4-表8可知，本申请的钻井液密度为2.1-2.45g/cm3，高温高压滤失量为5.2-9.8mL，AV 84-142mPa·s，PV 75-128mPa·s，YP 7-14Pa，破乳电压为762-885V，抗高温达到200-240℃。
AV:钻井液表观粘度，mPa·s；
PV:钻井液塑性粘度，mPa·s
YP:钻井液动切力，Pa；
G10ˊˊ/G10ˊ:钻井液静置10秒和10分钟的切力，Pa/Pa；
FLHTHP:钻井液高温(180℃*3.5MPa)高压滤夫量，ml；
ES:钻井液破乳电压，V。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂，其特征在于，所述复合乳化剂的原料以重量份计包括，主乳化剂：2.0-5.0份，辅乳化剂：1.0-4.0份，乳液稳定剂：0.6-2份；所述主乳化剂为高级脂肪酸及其酯类，主要成分为妥尔油脂肪酸、单硬脂酸甘油酯；辅乳化剂为油酸类衍生物，主要成分为油酸、油酸酯混合物；所述乳液稳定剂为PEG-30 二聚羟基硬脂酸酯。
2.一种抗超高温油包水乳化钻井液，其特征在于，所述钻井液包含以下组分：
以体积比计，油相：水相=（80-95）:（20-5）；
以及以所述油相和水相的总体积为100mL计，
2.0-5.0 g的主乳化剂；
1.0-4.0 g的辅乳化剂；
0.5-2 g的乳液稳定剂；
1-3 g的有机土；
0-3 g的有机提切剂；
0.5-4 g的碱度调节剂；
2-5 g的降滤失剂；
1-6 g的超细颗粒；
以及根据所述钻井液的密度确定的加重剂；
其中，所述主乳化剂为高级脂肪酸及其酯类，主要成分为妥尔油脂肪酸、单硬脂酸甘油酯；辅乳化剂为油酸类衍生物，主要成分为油酸、油酸酯混合物；所述乳液稳定剂为PEG-30二聚羟基硬脂酸酯。
3.根据权利要求2所述的抗超高温油包水乳化钻井液，其特征在于，所述降滤失剂为改性褐煤树脂。
4.根据权利要求2所述的抗超高温油包水乳化钻井液，其特征在于，所述有机提切剂为聚苯磺酸酯类油溶性高分子聚合物。
5.根据权利要求2所述的抗超高温油包水乳化钻井液，其特征在于，所述油包水乳化钻井液的密度为2.1-2.45 g/cm3，抗超高温的温度为220-240℃。
6.一种权利要求2-5任意一项所述的抗超高温油包水乳化钻井液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、向油相中依次加入有机土，主乳化剂、辅乳化剂、乳液稳定剂，提切剂和酸碱调节剂，搅拌混合，得到混合料A；
S2、在搅拌条件下向混合料A中加入水相，得到混料B；
S3、在搅拌条件下向混合料B中依次加入降滤失剂、超细颗粒和加重剂，所得混合液体即为油包水乳化钻井液。
7.一种权利要求1所述的抗超高温油包水乳化钻井液用复合乳化剂在钻井液中的应用。
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