CN115558476A - 一种南极用耐-55℃钻井液及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种南极用耐‑55℃钻井液及其制备方法与应用，属于钻井技术领域。该南极用耐‑55℃钻井液包括以下质量份的组分：钻井液基液70‑90份、钻井液密度调节剂10‑30份、乳化剂1‑3份、提切剂2‑5份。本发明的钻井液主要是采用了耐超低温钻井液基液与密度调节剂，通过添加耐低温乳化剂和提切剂，形成了一种南极冰下岩层超低温钻井液体系，能够在南极冰下岩层钻井过程中保持井壁稳定，实现高效携屑，满足温度‑55℃的冰下岩层钻进的需要。
Description
技术领域
本发明属于极地钻井技术领域，具体涉及一种南极用耐-55℃钻井液及其制备方法与应用。
背景技术
南极大陆资源丰富，已发现的矿种达220种之多。南极钻井过程中，必须通过钻井液来维持井壁稳定，但常规钻井液无法适用于南极恶劣低温地表环境（平均-55℃）和复杂冰下地质环境。中国专利文献CN103146366A公开了一类双组份极地用酯基超低温钻井液，该发明以环保型耐低温的椰子油庚基酯衍生物(ESTISOLTM)为原料，配制钻井液；其中基液的组成为椰子油庚基酯140，基重液为椰子油庚基酯165或椰子油庚基酯F2887；将基液与基重液复配后得到双组份极地用酯基超低温钻井液，但该钻井液耐低温能力不强，仅研究了-30℃下性能，而且该钻井液只针对南极冰层，无法适用于南极冰下岩层。中国专利文献CN103396772A公开了一类双组份极地用丁酸戊酯复合型超低温钻井液，该发明以丁酸戊酯为原料，与丁酸乙酯或丙酸丙酯按一定比例复配后得到一类双组份极地用丁酸戊酯复合型超低温钻井液，但该钻井液并不适用于南极冰下岩层且存在刺激性问题。中国专利文献CN103396773A公开了一类双组份极地用低分子单酯超低温钻井液，该发明以丁酸丁酯和丁酸戊酯为原料，按一定比例复配后得到双组份极地用低分子单酯酯基超低温钻井液，但该钻井液也并不适用与南极冰下岩层。
目前极地所用的几种钻井液存在着耐低温能力不足、无法有效携屑、刺激性大等问题。因此，亟需研制一种能够耐温-55℃、有效携岩的适用于南极冰下岩层钻井的超低温钻井液体系。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种南极用耐-55℃钻井液及其制备方法与应用。本发明的钻井液体系主要是采用了超低温钻井液基液与密度调节剂，通过添加耐低温乳化剂和提切剂，形成了一种南极冰下岩层超低温钻井液体系，能够满足温度-55℃的冰下岩层钻进的需要，可以克服在超低温下常规钻井液无法适用，南极冰层钻井液无法有效携屑等问题。
本发明的技术方案如下：
一种南极用耐-55℃钻井液，包括以下质量份的组分：钻井液基液70-90份、钻井液密度调节剂10-30份、乳化剂1-3份、提切剂2-5份。
根据本发明优选的，所述钻井液基液为低聚合度聚α-烯烃，所述α-烯烃为己烯或辛烯，聚合度为2-3；其制备方法为现有技术，可参照中国专利文献CN114836180A制备。
根据本发明优选的，所述钻井液密度调节剂为二氯溴乙酸甲酯；所述钻井液密度调节剂按照下述方法制备得到：
（1）将二氯乙酸、催化剂I和带水剂加入装有分水器的反应器中，加热至反应温度后，滴加甲醇，进行反应；反应完成后，冷却至室温，经蒸馏，得到中间体二氯乙酸甲酯；
（2）将中间体二氯乙酸甲酯、溴化剂和催化剂II加入溶剂中，加热进行反应；反应完成后，经分离纯化，得到钻井液密度调节剂。
优选的，步骤（1）中所述催化剂I为氯化铁；所述催化剂I与二氯乙酸的质量比为1-3:100。
优选的，步骤（1）中所述带水剂为环己烷或甲苯，进一步优选为环己烷；所述带水剂与二氯乙酸的质量比为2-4:5。
优选的，步骤（1）中所述二氯乙酸与甲醇的质量比为1:1-1.5。
优选的，步骤（1）中所述反应温度为100-150℃，进一步优选为110-130℃。
优选的，步骤（1）中所述甲醇的滴加时间为5-10min。
优选的，步骤（1）中，甲醇滴加完毕后，反应至无水分出时，停止反应。
优选的，步骤（1）中所述蒸馏过程中，常压下收集141-145℃的馏分即为中间体二氯乙酸甲酯。
优选的，步骤（2）中所述溴化剂为三溴化铁或溴化铜，进一步优选为溴化铜；所述溴化剂与中间体二氯乙酸甲酯的质量比为4-5:5。
优选的，步骤（2）中所述催化剂II为三溴化磷或氧化铜，进一步优选为三溴化磷；所述催化剂II与中间体二氯乙酸甲酯的质量比为1-2:5。
优选的，步骤（2）中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或石油醚；所述溶剂的体积与中间体二氯乙酸甲酯的质量之比为2-3mL:1g。
优选的，步骤（2）中所述反应的温度为55-65℃，反应的时间为60-70h。
优选的，步骤（2）中分离纯化步骤为：常压下蒸馏，收集159-162℃的馏分。
根据本发明优选的，所述乳化剂为脂肪醇聚氧乙烯醚。
根据本发明优选的，所述提切剂是由双链烷基季铵盐和己内酰胺改性的有机土；其制备方法为现有技术，可参照中国专利文献CN115159536A制备。
根据本发明，上述南极用耐-55℃钻井液的制备方法，包括步骤如下：
将钻井液基液置于搅拌器浆杯中，边搅拌边加入钻井液密度调节剂，搅拌10-15min；再加入乳化剂，搅拌10-15min；再加入提切剂，搅拌20-30min，即可制得。
根据本发明，上述南极用耐-55℃钻井液的应用，应用于南极冰下岩层钻井。
本发明的技术特点及有益效果如下：
1、本发明的钻井液中加入了特定种类的密度调节剂二氯溴乙酸甲酯，相比于三氯氟甲烷、三氯三氟甲烷和二氯氟甲烷等常用密度调节剂，本发明的超低温密度调节剂不造成臭氧破坏，不易挥发，使用量小，可以满足极地-55℃的超低温下使用；本发明以低聚合度聚α-烯烃为基液，在超低温下拥有良好的密度和粘度性能，并且安全环保，无刺激性，再加入特定的有机土提切剂，在较低加量下可显著提高钻井液动切力，同时使钻井液的塑性粘度增幅不明显，最后加入特定的乳化剂，本发明各个组分协同作用，使得本发明的超低温钻井液体系在温度低至-55℃下具有优良的超低温流变性：塑性粘度≤14 mPa.s，动切力≥1Pa，能够有效携带岩屑。
2、本发明的超低温钻井液体系制备方法简单，可以在极地-55℃的超低温下使用，所得钻井液体系能够有效携带岩屑，保持井壁稳定，填补了南极地区冰下岩层低温钻井液体系的空白，为南极冰下岩层钻井提供了技术支撑，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为制备例制备得到的钻井液密度调节剂的1CNMR图。
图2为制备例制备得到的钻井液密度调节剂的1HNMR图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所用到的试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中所用钻井液基液按照中国专利文献CN114836180A实施例5制备得到。
实施例中所用提切剂按照中国专利文献CN115159536A实施例3制备得到。
实施例中所用乳化剂为脂肪醇聚氧乙烯醚。
实施例中所用钻井液密度调节剂按照制备例制备得到。
制备例
一种钻井液密度调节剂的制备方法，包括步骤：
（1）将二氯乙酸置于三颈烧瓶中，加入氯化铁（氯化铁与二氯乙酸的质量比为2:100）和环己烷（环己烷与二氯乙酸的质量比为3:5），装上分水器并插入温度计，分水器上安装回流冷凝管，加热至120℃，滴加甲醇（二氯乙酸与甲醇的质量比为1:1.2），甲醇的滴加时间为10min，之后进行反应，反应过程中回流分水，至无水分出时，停止反应。待其自然冷却至室温后，放出分水器中水层，改为蒸馏装置，常压下加热蒸馏，收集141-145℃的馏分为中间体二氯乙酸甲酯。
（2）将中间体二氯乙酸甲酯、溴化铜和三溴化磷加入装有N,N-二甲基甲酰胺的三颈烧瓶中（溴化铜与中间体二氯乙酸甲酯的质量比为4.5:5，三溴化磷与中间体二氯乙酸甲酯的质量比为1.5:5，N,N-二甲基甲酰胺的体积与中间体的质量之比为3mL:1g），加热到60℃下搅拌反应65h，停止加热，常压下加热蒸馏，收集159-162℃的馏分即为钻井液密度调节剂，其密度为1939kg/m3。
本制备例制备得到的钻井液密度调节剂的1CNMR图和1HNMR图分别如图1、图2所示。图1中，159.89、159.55和159.20为羰基碳的吸收峰值；119.72、116.74和113.76是α-C的吸收峰值；54.38和54.19为甲基碳上的吸收峰值；77.23、76.86和76.54为溶剂氘代氯仿的碳上的吸收峰值。图2中3.99和3.94为甲基氢的峰。综合C谱和H谱分析，确定该产品为二氯溴乙酸甲酯。
其反应路线如下所示：
实施例1
一种南极用耐-55℃钻井液，包括以下质量份的组分：
钻井液基液87份、钻井液密度调节剂13份、乳化剂1份、提切剂2份。
上述南极用耐-55℃钻井液的制备方法，包括步骤：
将钻井液基液置于搅拌器浆杯中，边搅拌边加入钻井液密度调节剂，搅拌10min；再加入乳化剂，搅拌10min；再加入提切剂搅拌20min，得到南极用耐-55℃钻井液1。
实施例2
一种南极用耐-55℃钻井液，包括以下质量份的组分：
钻井液基液84份、钻井液密度调节剂16份、乳化剂2份、提切剂3份。
上述南极用耐-55℃钻井液的制备方法如实施例1所述，制得南极用耐-55℃钻井液2。
实施例3
一种南极用耐-55℃钻井液，包括以下质量份的组分：
钻井液基液80份、钻井液密度调节剂20份、乳化剂3份、提切剂5份。
上述南极用耐-55℃钻井液的制备方法如实施例1所述，制得南极用耐-55℃钻井液3。
对比例1
一种南极用钻井液，包括以下质量份的组分：
钻井液基液80份、钻井液密度调节剂20份、乳化剂3份。
上述南极用钻井液的制备方法如实施例1所述，制得南极用钻井液D1。
对比例2
一种南极用钻井液，包括以下质量份的组分：
钻井液基液80份、钻井液密度调节剂20份、提切剂5份。
上述南极用钻井液的制备方法如实施例1所述，制得南极用钻井液D2。
对比例3
一种南极用钻井液，包括以下质量份的组分：
钻井液基液80份、乳化剂3份、提切剂5份。
上述南极用钻井液的制备方法如实施例1所述，制得南极用钻井液D3。
对比例4
一种南极用钻井液如实施例3所述，所不同的是：将钻井液基液换为椰子油庚基酯140，制得南极用钻井液D4。
对比例5
一种南极用钻井液如实施例3所述，所不同的是：将乳化剂换为司盘80，制得南极用钻井液D5。
对比例6
一种南极用钻井液如实施例3所述，所不同的是：提切剂换为中国专利文献CN113429525A实施例1中制备的提切剂，制得南极用钻井液D6。
试验例1
对实施例和对比例中制得的钻井液测试其在-55℃下的性能，结果见表1。
表1钻井液在低温下的性能
通过表1的数据可以看出，在超低温实验中，实施例钻井液1-3表现出了良好的性能，能够满足南极冰下岩层钻井过程中密度和流变性要求。对比例钻井液D1中由于缺乏耐低温提切剂，无法有效提供切力；对比例钻井液D2中缺乏乳化剂，提切剂无法有效分散在钻井液中导致钻井液分层；对比例钻井液D3中缺乏密度调节剂，密度无法满足南极冰下岩层钻井液要求；对比例钻井液D4中的钻井液基液凝点高于-55℃，无法满足钻井液要求；对比例D5中乳化剂换为司盘80后，无法有效在超低温下起到分散有机土提切剂的作用，钻井液出现分层；对比例D6中提切剂换为中国专利文献CN113429525A实施例1中制备的提切剂，该提切剂无法有效适应南极低温钻井液体系，因此无法起到有效的提切作用。
综上，本发明的南极用耐-55℃超低温钻井液，能够满足南极冰下岩层钻井的需要。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种南极用耐-55℃钻井液，其特征在于，包括以下质量份的组分：钻井液基液70-90份、钻井液密度调节剂10-30份、乳化剂1-3份、提切剂2-5份；
所述钻井液基液为低聚合度聚α-烯烃，所述α-烯烃为己烯或辛烯，聚合度为2-3；所述钻井液密度调节剂为二氯溴乙酸甲酯；所述乳化剂为脂肪醇聚氧乙烯醚；所述提切剂是由双链烷基季铵盐和己内酰胺改性的有机土。
2.根据权利要求1所述南极用耐-55℃钻井液，其特征在于，所述钻井液密度调节剂按照下述方法制备得到：
（1）将二氯乙酸、催化剂I和带水剂加入装有分水器的反应器中，加热至反应温度后，滴加甲醇，进行反应；反应完成后，冷却至室温，经蒸馏，得到中间体二氯乙酸甲酯；
（2）将中间体二氯乙酸甲酯、溴化剂和催化剂II加入溶剂中，加热进行反应；反应完成后，经分离纯化，得到钻井液密度调节剂。
3.根据权利要求2所述南极用耐-55℃钻井液，其特征在于，步骤（1）中所述催化剂I为氯化铁；所述催化剂I与二氯乙酸的质量比为1-3:100；
所述带水剂为环己烷或甲苯；所述带水剂与二氯乙酸的质量比为2-4:5；
所述二氯乙酸与甲醇的质量比为1:1-1.5。
4.根据权利要求3所述南极用耐-55℃钻井液，其特征在于，步骤（1）中所述带水剂为环己烷。
5.根据权利要求2所述南极用耐-55℃钻井液，其特征在于，步骤（1）中所述反应温度为100-150℃；所述甲醇的滴加时间为5-10min；甲醇滴加完毕后，反应至无水分出时，停止反应；
所述蒸馏过程中，常压下收集141-145℃的馏分即为中间体二氯乙酸甲酯。
6.根据权利要求2所述南极用耐-55℃钻井液，其特征在于，步骤（2）中所述溴化剂为三溴化铁或溴化铜；所述溴化剂与中间体二氯乙酸甲酯的质量比为4-5:5；
所述催化剂II为三溴化磷或氧化铜；所述催化剂II与中间体二氯乙酸甲酯的质量比为1-2:5；
所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜或石油醚；所述溶剂的体积与中间体二氯乙酸甲酯的质量之比为2-3mL:1g。
7.根据权利要求6所述南极用耐-55℃钻井液，其特征在于，步骤（2）中所述溴化剂为溴化铜；所述催化剂II为三溴化磷。
8.根据权利要求2所述南极用耐-55℃钻井液，其特征在于，步骤（2）中所述反应的温度为55-65℃，反应的时间为60-70h；
分离纯化步骤为：常压下蒸馏，收集159-162℃的馏分。
9.权利要求1-8任一项所述南极用耐-55℃钻井液的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
将钻井液基液置于搅拌器浆杯中，边搅拌边加入钻井液密度调节剂，搅拌10-15min；再加入乳化剂，搅拌10-15min；再加入提切剂，搅拌20-30min，即可制得。
10.权利要求1-8任一项所述南极用耐-55℃钻井液的应用，其特征在于，应用于南极冰下岩层钻井。
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