CN114605973A

CN114605973A - 一种高密度、高动塑比的油基钻井液

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Publication number: CN114605973A
Application number: CN202011444670.4A
Authority: CN
Inventors: 郭鹏; 杨朝光; 郭金爱; 郑志军; 史佩谦; 卢国林
Original assignee: Sinopec Oilfield Service Corp; Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co Ltd; Drilling Engineering Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co Ltd
Current assignee: Sinopec Oilfield Service Corp; Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co Ltd; Drilling Engineering Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co Ltd
Priority date: 2020-12-08
Filing date: 2020-12-08
Publication date: 2022-06-10

Abstract

本发明提供了一种高密度、高动塑比的油基钻井液，包含以下质量份数的组分：主乳化剂1～6份，辅乳化剂4～8份，碱度调节剂1～3.5份，有机膨润土0.5～3份，降滤失剂2～5份，流型调节剂0～3份，重晶石100～300份，氯化钙水溶液5～25份，油75～95份；所述主乳化剂为有机酸和有机胺反应制备的长链脂肪酸酰胺类表面活性剂，所述有机酸为长链脂肪酸或含苯环结构的烷基磺酸类有机酸，所述有机胺为多乙烯多胺；所述辅乳化剂由2,6二氨基吡啶、二元酸、二元胺和脂肪酸经共聚反应制备而得。由实验可知，所述油基钻井液密度最高可达2.6g/cm³；相同密度条件下，流型更好，动塑比更高，能达到0.16以上，利于应用。

Description

一种高密度、高动塑比的油基钻井液

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，尤其涉及一种高密度、高动塑比的油基钻井液。

背景技术

随着国内外对非常规气藏的大规模开发，油基钻井液的应用越来越广泛。油基钻井液是以油作为连续相，并添加乳化剂、亲油胶体、降滤失剂或盐水等配制而成的。与传统的水基钻井液相比，油基钻井液因其良好的抑制性能、润滑性能、流变性能在页岩气钻探中得以广泛应用。

随着世界能源需求的不断增长和浅层油气资源的渐次枯竭，未来油气勘探的重心将逐步转向深部地层或超深地层，深井和超深井钻探已经成为今后钻探工业发展的一个重要方向，确保深井和超深井顺利开发的一项关键技术就是高温高密度油基钻井液技术。在我国新疆准格尔南缘区块，在深井段通常采用高密度油基钻井液(密度ρ不低于2.2g/cm³)，并对钻井液的流变性能要求较高。传统的高密度油基钻井液普遍存在动切力偏低、流变性难以调控的问题，因此，高密度油基钻井液的流变性调控技术成为制约其快速、安全钻进的关键技术。在西南页岩气水平井的开发中，携砂问题成为安全快速施工的关键，要求钻井液既有较高的切力、能够充分携砂清洁井眼，又能保持较低粘度、防止高密度油基钻井液憋漏地层。

传统的高密度油基钻井液的低速率切力较低而塑性粘度(简记为PV)和静切力均较高，在提切的同时伴随着粘度的大幅度上升，在高密度油基钻井液中这一现象尤为明显，导致动塑比(动切力与塑性粘度的比值)均较低，一般不足0.1，使高温沉降稳定性不足以满足需要，这是高密度油基钻井液一个亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高密度、高动塑比的油基钻井液，本发明提供的油基钻井液具有高密度、高动塑比等特性，利于用于深井钻探等方向。

本发明提供一种高密度、高动塑比的油基钻井液，包含以下质量份数的组分：

主乳化剂1～6份，辅乳化剂4～8份，碱度调节剂1～3.5份，有机膨润土0.5～3份，降滤失剂2～5份，流型调节剂0～3份，重晶石100～300份，氯化钙水溶液5～25份，油75～95份；

所述主乳化剂为有机酸和有机胺反应制备的长链脂肪酸酰胺类表面活性剂，所述有机酸为长链脂肪酸或含苯环结构的烷基磺酸类有机酸，所述有机胺为多乙烯多胺；

所述辅乳化剂由2,6二氨基吡啶、二元酸、二元胺和脂肪酸经共聚反应制备而得，所述2,6二氨基吡啶、二元酸、二元胺和脂肪酸的摩尔比为1:2:2:1；所述二元酸为碳原子数10以内的直链二酸，所述二元胺为碳原子数10以内的直链二胺，所述脂肪酸中碳原子数为12～15。

优选地，制备所述主乳化剂的有机酸为油酸、硬脂酸、月桂酸、癸酸、棕榈酸、松香酸、十二烷基苯磺酸、对甲苯磺酸、山嵛酸和亚麻酸中的一种或几种；所述有机胺为二乙烯三胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺中的一种或几种；所述有机酸和有机胺的质量比为(80～90):(10～20)。

优选地，制备所述辅乳化剂的共聚反应温度为140～150℃，所述辅乳化剂的HLB值为1.5～2.5。

优选地，所述氯化钙水溶液中氯化钙和水的质量比为(20～35):(65～80)。

优选地，所述碱度调节剂为氧化钙和氢氧化钙中的一种或几种。

优选地，所述降滤失剂为氧化沥青和腐殖酸酰胺树脂中的一种或几种。

优选地，所述油为白油和柴油中的一种或几种。

优选地，所述流型调节剂为长链烃基酰胺基叔胺和季铵化试剂反应制备的甜菜碱型两性表面活性剂。

优选地，所述长链烃基酰胺基叔胺为辛基酰胺基丙基二甲胺、癸基酰胺基丙基二甲胺、月桂基酰胺基丙基二甲胺、十四烷基酰胺基丙基二甲胺、十六烷基酰胺基丙基胺、油酸酰胺基丙基二甲胺、硬脂酰胺基丙基二甲胺、椰油酰胺基丙基二甲胺或芥酸酰胺基二甲胺。

优选地，所述油基钻井液的密度在2.2g/cm³以上，动塑比在0.16以上。

本发明提供了一种具有高密度、高动塑比的油基钻井液，其包含主乳化剂、辅乳化剂、流型调节剂、碱度调节剂、有机膨润土、降滤失剂、氯化钙水溶液、重晶石和油组分。在特定乳化剂、有机膨润土、重晶石等组分共同作用下，本发明提供的油基钻井液在密度较高的前提下，还具有高动塑比、高动切力等特性。由实施例的实验结果可知，本发明提供的油基钻井液的密度最高能够达到2.6g/cm³；相同密度条件下，比传统钻井液流型更好，动塑比更高，均能达到0.16以上，最高可达0.18。此外，本发明提供的油基钻井液最高老化温度可达到180℃，抗温优异。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种高密度、高动塑比油基钻井液，包含以下质量含量的组分:主乳化剂1～6份，辅乳化剂4～8份，碱度调节剂1～3.5份，有机膨润土0.5～3.0份，降滤失剂2～5份，重晶石100～300份，氯化钙水溶液5～25份，氯化钙水溶液中氯化钙和水的质量比可为(20～35):(65～80)，油75～95份。

本发明通过在配方中主要使用自主研发的抗高温乳化剂，使高密度钻井液保持较低粘度下，具有较高的动塑比等性能，利于确保深井和超深井顺利开发。

在本发明中，所述的油基钻井液包含1～6份主乳化剂，优选为1.5～5.5份，更优选为2～5份。在本发明中，所述主乳化剂为长链脂肪酸酰胺类表面活性剂，由包含有机酸和有机胺的原料制备得到，其中所述有机酸为长链脂肪酸或含苯环结构的烷基磺酸类有机酸，所述有机胺为多乙烯多胺。在本发明中，所述有机酸和有机胺的质量比优选为(80～90):(10～20)，更优选为(82～88):(12～18)，最优选为(84～86):(14～16)。

在本发明中，所述主乳化剂的制备方法优选包括以下步骤：

以重量份计，将80～90份的有机酸和10～20份有机胺置于带有搅拌、温度计、分水器的四口烧瓶中，缓慢升温至120～180℃，搅拌状态下反应6～16h，直至没有水滴出后1～2h，降温至60～100℃将产物倒出，得到液体产品，即为油基钻井液用主乳化剂。

在本发明中，所述有机酸为含苯环结构的烷基磺酸类有机酸或者长链脂肪酸，所述的脂肪酸烷基链较长，其碳原子个数优选为5～30，更优选为10～20。在本发明中，所述有机酸优选为油酸、硬脂酸、月桂酸、癸酸、棕榈酸、松香酸、十二烷基苯磺酸、对甲苯磺酸、山嵛酸和亚麻酸中的一种或几种。在本发明中，所述有机胺优选为二乙烯三胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺中的一种或几种。

本发明实施例提供的高密度、高动塑比、低粘度的油基钻井液包含1～6份主乳化剂，以及4～8份辅乳化剂，所述主乳化剂优选为2～5份，所述辅乳化剂优选为4.5～7.5份，更优选为5～7份。在本发明中，所述辅乳化剂由包含2,6二氨基吡啶、二元酸、二元胺和脂肪酸的原料制备而得，所述2,6二氨基吡啶、二元酸、二元胺和脂肪酸的摩尔比为1:2:2:1；其中，所述二元酸为碳原子数10以内的直链二酸，具体是乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸，优选丁二酸、己二酸等。

并且，所述二元胺为碳原子数10以内的直链二胺，具体是乙二胺、丙二胺、丁二胺、戊二胺、己二胺、庚二胺、辛二胺、壬二胺等，优选为乙二胺、己二胺、癸二胺。所述脂肪酸中碳原子数为12～15，即为十二酸、十三酸、十四酸、十五酸。脂肪酸即为一种酸原料，可为混合酸。具体地，所述辅乳化剂的HLB值可为1.5～2.5。

本发明实施例所用的辅乳化剂的结构和制备可参见申请号为201410602478.1的中国专利文献，该文献公开了一种油基钻井液用粉状乳化剂。所述辅乳化剂由2,6二氨基吡啶、二元酸、二元胺和脂肪酸按照摩尔比1：2：2：1的比例混合后，控制反应温度140℃～150℃，3次共聚反应时间皆为3～5h，常温下粉碎得到粉状乳化剂，具有以下结构式：

式1中，R₁是通式为NH₂—(CH₂)_a—NH₂的二元胺残基，a＝2，3，……10；

R₂是通式为COOH—(CH₂)_b—COOH的二元酸残基，b＝1，3，……8；

R₃是通式为CH₃(CH₂)_c—COOH脂肪酸的残基，c＝10，11，12，13。

以2～5份主乳化剂为基准，本发明实施例提供的高密度、高动塑比的油基钻井液包含1～3.5份碱度调节剂，优选为2～3份。在本发明中，所述碱度调节剂优选为氧化钙、氢氯化钙中的一种或几种。

以2～5份主乳化剂为基准，本发明实施例提供的高密度、高动塑比的油基钻井液包含0.5～3份有机膨润土，优选为1.5～2.5份。所述有机膨润土的相对密度一般为1.7～1.8g/cm³；采用本领域常用的市售产品即可。

以2～5份主乳化剂为基准，本发明实施例提供的高密度、高动塑比的油基钻井液包含2～5份降滤失剂，优选为2～4.5份，更优选为3～4份。在本发明中，所述降滤失剂优选为氧化沥青和腐殖酸酰胺树脂中的一种或几种。

以2～5份主乳化剂为基准，本发明实施例提供的高密度、高动塑比的油基钻井液包含100～300份重晶石，主要用于调节钻井液的密度；采用本领域熟知的市售产品即可。

以2～5份主乳化剂为基准，本发明实施例提供的高密度、高动塑比的油基钻井液包含5～25份氯化钙水溶液，优选为5～20份。在本发明中，氯化钙和水的质量比优选为(20～35):(65～80)，所述氯化钙水溶液的质量浓度优选为20～35％。

以2～5份主乳化剂为基准，本发明实施例提供的高密度、高动塑比的油基钻井液包含75～95份油，优选为78～95份，更优选为80～95份。在本发明中，所述油可为白油、柴油中的一种或几种；采用市售产品即可。

以2～5份主乳化剂为基准，本发明实施例提供的高密度、高动塑比的油基钻井液包含0～3份流型调节剂，更优选为0.5～3份，最优选为2～3份。本发明实施例优选包含0.5～3份的流型调节剂，以改善钻井液的流变性。作为优选，所述流型调节剂为长链烃基酰胺基叔胺和季铵化试剂反应制备的甜菜碱型两性表面活性剂，由包含长链烃基酰胺基叔胺和季铵化试剂的原料制备得到。

其中，所述长链烃基酰胺基叔胺优选为辛基酰胺基丙基二甲胺、癸基酰胺基丙基二甲胺、月桂基酰胺基丙基二甲胺、十四烷基酰胺基丙基二甲胺、十六烷基酰胺基丙基胺、油酸酰胺基丙基二甲胺、硬脂酰胺基丙基二甲胺、椰油酰胺基丙基二甲胺或芥酸酰胺基二甲胺。所述的季铵化试剂具有如下结构，X-R-Y-Na，X选自卤素；Y为COO^-或SO₃ ^-。

本发明实施例所用的流型调节剂的结构和制备可参见申请号为201610825833.0的中国专利文献，该文献公开了一种高密度油基钻井液用流型调节剂、其制备方法和应用。在本发明的实施例中，所述流型调节剂的制备方法优选包括以下步骤：

将长链烃基酰胺基叔胺和季铵化试剂在溶剂中进行反应，得到高密度油基钻井液用流型调节剂；

所述季铵化试剂结构式为X-R-Y-Na，X选自卤素；Y为COO^-或SO₃ ^-。

作为优选，所述长链烃基酰胺基叔胺为辛基酰胺基丙基二甲胺、癸基酰胺基丙基二甲胺、月桂基酰胺基丙基二甲胺、十四烷基酰胺基丙基二甲胺、十六烷基酰胺基丙基胺、油酸酰胺基丙基二甲胺、硬脂酰胺基丙基二甲胺、椰油酰胺基丙基二甲胺或芥酸酰胺基二甲胺，更优选为油酸酰胺基丙基二甲胺、硬脂酰胺基丙基二甲胺或芥酸酰胺基二甲胺。

在上述流型调节剂的制备方法中，所述溶剂优选为水或由有机溶剂和水形成的混合物。所述有机溶剂可为醇类有机溶剂；所述醇类有机溶剂与水的质量比优选为0.1～5:10。此外，所述反应的温度可为75～85℃。

本发明优选通过使用自主研发的抗高温乳化剂和流型调节剂，使配方钻井液保持较低粘度下，具有较高的动塑比性能，改善钻井液的流变性。

本发明对所述高密度、高动塑比的油基钻井液的制备方法没有特殊要求，直接将各组分混合后使用即可。

本发明实施例得到的油基钻井液为高密度钻井液，其密度大于等于2.2g/cm3，动塑比达到0.16以上，最高可达0.18。此外，本发明实施例得到的高密度、高动塑比的油基钻井液还具有良好的抗温性。

为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的高密度、高动塑比的油基钻井液进行具体地描述。但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。

实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市场购得的常规产品。

在下述实施例中，所述份如无特殊说明均为质量份。

实施例1

(1)以重量份计，将85份的十二烷基苯磺酸和15份三乙烯四胺置于带有搅拌、温度计、分水器的四口烧瓶中，缓慢升温至160℃，搅拌状态下反应16h，直至没有水滴出后1～2h，降温至80℃将产物倒出，得到液体产品，即为油基钻井液用主乳化剂。

(2)将2,6二氨基吡啶、丁二酸、丁二胺和脂肪酸按摩尔比为1:2:2:1进行混合，在140℃下反应5h，得到辅乳化剂。

(3)在装有温度计、冷凝管、搅拌器的500mL四口烧瓶中，加入辛基酰胺丙基二甲胺80份，和由20份乙醇和60份水组成的混合溶剂，在搅拌下升温至80℃；称取69份3-氯-2羟基丙磺酸钠溶于70份水中并置于滴液漏斗中，以2～3滴/秒速度滴加至上述四口烧瓶中，滴加完毕后，继续反应8h，得到淡黄色液体产物，即为高密度油基钻井液用流型调节剂。

(4)将240mL柴油、2份的所述主乳化剂、8份的所述辅乳化剂、2份的氧化钙、1份的有机膨润土、4份的氧化沥青、60mL 20％的氯化钙水溶液、200份的重晶石混合，得到ρ＝2.20g/cm³的高密度、高动塑比的油基钻井液。

实施例2

主乳化剂、辅乳化剂、流型调节剂制备方法同实施例1。

将240mL白油、3份的主乳化剂、7份的辅乳化剂、3份的氢氧化钙、1.5份的有机膨润土、4份的腐殖酸酰胺树脂、60mL 25％的氯化钙水溶液、215份的重晶石混合，得到ρ＝2.30g/cm³的高密度、高动塑比的油基钻井液。

实施例3

主乳化剂、辅乳化剂、流型调节剂制备方法同实施例1。

将240mL柴油、4份的主乳化剂、6份的辅乳化剂、2份的氧化钙、2份的有机膨润土、2份的氧化沥青、60mL 30％的氯化钙水溶液、200份的重晶石混合，得到ρ＝2.40g/cm³的高密度、高动塑比的油基钻井液。

实施例4

主乳化剂、辅乳化剂、流型调节剂制备方法同实施例1。

将285mL白油、5份的主乳化剂、5份的辅乳化剂、3份的氢氧化钙、2份的有机膨润土、3份的氧化沥青、15mL 35％的氯化钙水溶液、260份的重晶石混合，得到ρ＝2.50g/cm³的高密度、高动塑比的油基钻井液。

实施例5

主乳化剂、辅乳化剂、流型调节剂制备方法同实施例1。

将285mL柴油、5份的主乳化剂、5份的辅乳化剂、3份的氧化钙、2.5份的有机膨润土、5份的氧化沥青、15mL 20％的氯化钙水溶液、280份的重晶石混合，得到ρ＝2.60g/cm³的高密度、高动塑比的油基钻井液。

对比例1

将240mL柴油、4份的市售酰胺类主乳化剂、6份的市售酰胺类辅乳化剂、2份的氧化钙、2份的有机膨润土、2份的氧化沥青、60mL 30％的氯化钙水溶液、200份的重晶石混合，得到ρ＝2.40g/cm³的高密度油基钻井液。

实施例6

本发明分别对实施例1～5得到的高密度、高动塑比的油基钻井液，以及对比例1的普通高密度油基钻井液按照标准方法进行了性能检测，结果如表1所示。

表1实施例1～5得到的高密度、高动塑比的油基钻井液的性能指标

钻井液	ρ	T	AV	PV	YP	动塑比	Φ3	HTHP	ES
										对比例1	2.4	170	107	98	9	0.092	16	6.0	1026
实施例1	2.2	150	78	67	12	0.179	10	2.6	958
										实施例2	2.3	170	83	71	12	0.169	12	3.0	1034
实施例3	2.4	170	92	78	14	0.179	13	3.0	1156
										实施例4	2.5	170	97	82	15	0.183	13	3.2	1479
实施例5	2.6	180	104	89	15	0.168	14	3.6	1358

表1中，ρ：钻井液密度：g/cm³；T：钻井液老化温度，℃；AV：钻井液表观粘度，mPa·s；PV：钻井液塑性粘度，mPa.s；动塑比：无纲量；YP：钻井液动切力，Pa；Φ3：六速旋转粘度计3转读数，无量纲；HTHP：钻井液高温高压失水，mL；ES：钻井液破乳电压，V。

由表1可知，本发明实施例1～5得到的高密度、高动塑比的油基钻井液的密度均大于等于2.2g/cm³，属于高密度钻井液，且钻井液的比重最高能够达到2.6g/cm³。但钻井液的表观粘度均基本控制在100mPa·s以下，塑性粘度最低能够达到67mPa·s，动塑比均达到0.16以上，最高可达0.18。此外，本发明实施例1～5得到的高密度、高动塑比的油基钻井液还具有良好的抗温性，最高老化温度可达到180℃。

实施例3与对比例1在相同密度、相同温度下进行老化后所得性能，对比例1，动塑比小于0.1，高温高压失水大于5.0mL；明显实施例3具有更低的粘度、更高的动塑比，高温高压失水和破乳电压性能也更优于对比例。说明本发明形成的配方，具有更高的动塑比和更好性能。

本发明还对实施例4得到的高密度、高动塑比的油基钻井液的抗污染性能进行了性能检測，结果如表2所示。

表2实施例4得到的高密度、高动塑比油基钻井液的抗污染性能

注：性能参数单位同表1。

由表2可知，本发明得到的高密度、高动塑比的油基钻井液具有较好的基础性能和抗污染性能；其在受到外来污染后，其破乳电压依然保持较高水平，并且流变性保持稳定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。

Claims

1.一种高密度、高动塑比的油基钻井液，包含以下质量份数的组分：

2.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于，制备所述主乳化剂的有机酸为油酸、硬脂酸、月桂酸、癸酸、棕榈酸、松香酸、十二烷基苯磺酸、对甲苯磺酸、山嵛酸和亚麻酸中的一种或几种；所述有机胺为二乙烯三胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺中的一种或几种；所述有机酸和有机胺的质量比为(80～90):(10～20)。

3.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于，制备所述辅乳化剂的共聚反应温度为140～150℃，所述辅乳化剂的HLB值为1.5～2.5。

4.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于，所述氯化钙水溶液中氯化钙和水的质量比为(20～35):(65～80)。

5.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于，所述碱度调节剂为氧化钙和氢氧化钙中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于，所述降滤失剂为氧化沥青和腐殖酸酰胺树脂中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于，所述油为白油和柴油中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的油基钻井液，其特征在于，所述流型调节剂为长链烃基酰胺基叔胺和季铵化试剂反应制备的甜菜碱型两性表面活性剂。

9.根据权利要求8所述的油基钻井液，其特征在于，所述长链烃基酰胺基叔胺为辛基酰胺基丙基二甲胺、癸基酰胺基丙基二甲胺、月桂基酰胺基丙基二甲胺、十四烷基酰胺基丙基二甲胺、十六烷基酰胺基丙基胺、油酸酰胺基丙基二甲胺、硬脂酰胺基丙基二甲胺、椰油酰胺基丙基二甲胺或芥酸酰胺基二甲胺。

10.根据权利要求1-9任一项所述的油基钻井液，其特征在于，所述油基钻井液的密度在2.2g/cm³以上，动塑比在0.16以上。