CN1302085C - 一种多功能钻井液添加剂及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能钻井液添加剂，以100重量份计，组分为：石蜡10-30份，白油10-30份，非离子型表面活性剂5-15份，阳离子型表面活性剂0.02-5份，余量为水。本发明还公开了该钻井液添加剂的制备方法，即按将石蜡和白油混合为油相；将非离子表面活性剂和阳离子表面活性剂混合为混合表面活性剂；将油相和混合表面活性剂加入反应器中，加热；将预热好的水加入反应器，加入量至体系出现不透明粘稠凝胶相为止，2000-3000rpm搅拌，反应过程中保持乳化温度；把余量水加入反应器，停止加热，以1000rpm搅拌，使乳状液冷却到室温，即得到石蜡微小乳状液。本发明的石蜡微小乳状液在钻井工业中能够明显起到抑制页岩膨胀和粘土分散，稳定井壁，保护油层以及润滑的作用。

Description

一种多功能钻井液添加剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一种用于石油钻井工程的钻井液添加剂及其制备方法与应用。

背景技术

在石油钻井工程中，钻井液是必不可少的。它能起到携带和悬浮岩屑，稳定井壁和平衡地层压力，冷却和润滑钻头、钻具，传递水动力等作用，钻井液性能的好坏直接影响钻井的井身质量和钻井速度。为此，必须向钻井液中添加多种处理剂来改善和稳定钻井液性能，并随时调节和维护钻井液，使钻井液的性能符合地层和钻井工艺的要求。

钻井液可分为油基钻井液，水基钻井液，气体型钻井液和合成基钻井液，其中，水基钻井液一直居于主导地位。水基钻井液中粘土颗粒带有大量负电，这对于钻井液本身来说是非常稳定的，但是对于和体系接触的地层与井壁而言就是一种不稳定因素了。因为凡是能使粘土分散的因素也必然导致地层和井壁中粘土土矿物的水化膨胀和分散。为了解决这一矛盾，近年来出现了MMH(铝、镁混合金属氢氧化物)正电胶添加剂和黑色有机正电胶添加剂。但MMH正电胶具有对泥岩的抑制性不够强，钻井液终切力过高，滤失量偏大，可配伍的处理剂少，流变性能不易控制等缺点。黑色有机正电胶保护油气层的性能比MMH正电胶有了大幅度提高，但由于本身有荧光，影响录井，且存在环境污染的问题，在很大程度上限制了其进一步的发展和应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种多功能钻井液添加剂及其制备方法与应用，利用本发明的添加剂能够同时很好的抑制粘土分散和稳定井壁，具有较强的润滑作用，且制备方法操作简单，制备的乳状液粒径细小，粒度分布窄，稳定性好，且能节约热能。

本发明涉及的多功能钻井液添加剂，以100重量份计，由下述组分组成：

石蜡10-30份，白油10-30份，非离子型表面活性剂5-15份，阳离子型表面活性剂0.02-5份，余量为水。

其中，所述非离子表面活性剂为聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂或多元醇酯类非离子表面活性剂或其组合，阳离子表面活性剂为季铵盐类阳离子表面活性剂。

上述聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂选吐温系列表面活性剂之一；所述多元醇酯类非离子表面活性剂选司盘系列表面活性剂之一；所述季铵盐类阳离子表面活性剂选碳链长度12-16的烷基三甲基溴化铵或选碳链长度12-16的烷基三甲基氯化铵。

上述吐温系列表面活性剂优选吐温20、吐温40、吐温60、吐温80、吐温100之一；上述司盘系列表面活性剂优选司盘20、司盘40、司盘60、司盘80、司盘100之一。

上述添加剂为乳状液，平均粒径是120nm～400nm。

本发明所述的多功能钻井液添加剂的制备方法，由如下步骤组成：

(1)以重量比计，将石蜡∶白油按1∶3～3∶1的比例混合，作为油相；

(2)以重量比计，将非离子表面活性剂∶阳离子表面活性剂按20∶1～3∶2的比例混合，制成混合表面活性剂；

(3)以重量比计，将上述油相∶混合表面活性剂按6∶1～2∶1的比例共同加入反应器中，得乳状液，加热至70℃～90℃；

(4)以重量比计，将组分中涉及的水另行加热至60℃～80℃；

(5)将上述加热后的水加入步骤(3)的反应器中，加入量至上述体系出现不透明粘稠凝胶相为止；

(6)以2000～3000rpm搅拌步骤(3)的体系10～15min，保持温度为70℃～90℃；

(7)把步骤(5)剩余的水加入上述反应器中，停止加热，再以1000～1500rpm，继续搅拌步骤(6)的乳状液10～15min，待液体温度降至室温时，停止搅拌，即得到石蜡微小乳状液。

其中，步骤(1)所述石蜡∶白油的比例优选是2∶3～2∶1；步骤(2)所述非离子表面活性剂∶阳离子表面活性剂的比例优选是9∶1～2∶1；步骤(3)所述油相∶混合表面活性剂的比例优选是5∶1～3∶1。

上述，步骤(1)所述石蜡∶白油的比例最优选是1∶1；步骤(2)所述非离子表面活性剂∶阳离子表面活性剂的比例最优选是4～5∶1；步骤(3)所述油相∶混合表面活性剂的比例最优选是4∶1。

其中，步骤(6)所述乳化温度优选为80-85℃。

本发明所述的多功能钻井液添加剂在制备钻井工业用页岩抑制剂、润滑剂、油层保护剂中的应用。

利用本发明的方法制备的多功能钻井液添加剂，外观为乳白色或半透明，粒度分布窄，多分散因子小于0.2，平均粒径在120-400nm，水分散性为一级，具有较好的钻井液性能，加之石蜡微小乳状液粒径细小而均匀，由具有很好的稳定性。

其稳定性特点如下：

①储存稳定性：放置半年外观无变化，无明显分层和絮凝现象；

②机械稳定性：3000rpm条件下，离心30分钟至1小时，乳液不分层；

③温度稳定性：-17℃冷冻一周，取出能够自然解冻，乳液性质无明显变化。

本发明的方法制备的石蜡微小乳状液在钻井工业中是一种优良的多功能添加剂。在钻井液中加入少量(2-3％重量百分比)的上述产品即能够明显起到抑制页岩膨胀和粘土分散，稳定井壁，保护油层以及润滑的作用。与MMH正电胶相比，石蜡微小乳状液具有更好的润滑及保护油层效果，且在使用过程中性能温和；与黑色有机正电胶相比，石蜡微小乳状液本身为白色，无荧光，不影响录井，且无毒性和环境污染；既具有MMH正电胶合黑色有机正电胶的优点，又克服了它们的不足之处，属于环境友好的钻井液添加剂，具有广阔的应用前景。

本发明涉及的制备多功能钻井液添加剂的方法操作简单，容易实现，且能节约热能，降低成本，符合环保及各项工业要求。

附图说明

图1线性膨胀实验：纯水、3％的石蜡微小乳状液与不同浓度的KCl溶液的8小时膨胀高度曲线对比。

图2页岩回收实验：纯水、不同浓度的石蜡微小乳状液与7％的KCl溶液的页岩回收率结果对比。

图3润滑实验：石蜡微小乳状液与矿物油的润滑性能对比。

具体实施方式

实施例1：

多功能钻井液添加剂是乳状液，平均粒径在220-400nm，组分如下，均为重量份，总量为100份：

石蜡15份，白油15份，非离子型表面活性剂吐温80 2份，非离子型表面活性剂司盘80 2份，阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵1份，水65份。

制备方法：

按将石蜡15份和白油15份混合为油相；将非离子表面活性剂吐温80 2份、司盘80 2份和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵1份的混合体系为混合表面活性剂；将油相和混合表面活性剂加入反应器中，加热到80℃；将水加热到70℃；将预热好的水加入反应器，加入量至体系出现不透明粘稠凝胶相为止(即乳状液由W/O型转变为O/W型)，2000-3000rpm搅拌10min，反应过程中保持乳化温度为80℃；把余量水加入反应器，停止加热，同时降低搅拌速度至1000rpm，继续搅拌10min，使乳状液冷却到室温，停止搅拌，得到石蜡微小乳状液。

按照如前所述制备方法制备石蜡微小乳状液(简写为WME)，分别考察其机械稳定性和储存稳定性，结果如表1所示。

机械稳定性：TGL-16G型离心机3000rpm转速下离心30min，静置观察是否分层。

有关稳定性的实验数据如下：

油剂比(w/w)	6∶1
		乳液外观	乳白色不透明
机械稳定性	离心后不分层
		储存稳定性	放置半月开始分层
初始平均粒径/nm	300-400

本发明涉及的多功能钻井液添加剂抑制粘土膨胀的能力的实验如下：

采用线性膨胀和页岩回收考察石蜡微小乳状液作为钻井液添加剂抑制粘土膨胀的能力。

1、线性膨胀：称取10.00g处理过的钙质蒙脱土，在压片机上用10Mpa压力维持5min制得样品片，再用所配20mL溶液浸泡并在NP-01页岩膨胀仪上测定浸泡过程中的线性膨胀高度，仪器自动记录膨胀高度随时间的变化，测定时间为8小时。粘土的膨胀量越小，样品抑制粘土膨胀的能力越强。结果如图1所示。

2、页岩回收：将页岩粉碎后，过10-20目筛。称取约20g过筛后的页岩(m₁)，置于盛有所配溶液的耐压老化罐中，密封后放置于6H-III滚子炉烘箱中，在70℃下热滚16小时。待自然冷却后，将老化罐中的页岩过40目筛。再将所得筛上的页岩干燥、称重(m₂)。

页岩回收率＝(m₂/m₁)×100％。页岩回收率越高，样品抑制页岩分散的能力越强。结果如图2所示。

本发明的多功能钻井液添加剂的润滑性能实验如下：

先制得一定浓度的基浆，陈化16小时后，按一定的配比加入乳液，高搅后陈化16小时，用GNF-1型高温高压粘附仪，在一定的温度下进行测定。粘附系数f越小，润滑性越好。结果见图3。

f＝M×0.845×10^-2      f为粘附系数，M为扭矩(Nm)

实施例2：

如实施例1所述，所不同的是：

多功能钻井液添加剂是乳状液，平均粒径在150-300nm，组分如下，均为重量份，总量为100份：

石蜡20份，白油20份，非离子型表面活性剂吐温20 4.5份、司盘80 4.5份，阳离子型表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵1份，水50份。

有关稳定性的实验数据如下：

油剂比(w/w)	4∶1
		乳液外观	乳白色微泛蓝光
机械稳定性	离心后不分层
		储存稳定性	放置半年未分层
初始平均粒径/nm	150-220

实施例3：

如实施例1，2所述，所不同的是：

多功能钻井液添加剂是乳状液，平均粒径在120-400nm，组分如下，均为重量份，总量为100份：

石蜡20份，白油10份，非离子型表面活性剂吐温80 3.5份、司盘60 4.5份，阳离子型表面活性剂十四烷基三甲基溴化铵2份，水60份。

有关稳定性的实验数据如下：

油剂比(w/w)	3∶1
		乳液外观	乳白色微泛蓝光
机械稳定性	离心后不分层
		储存稳定性	放置半年未分层
初始平均粒径/nm	约100

Claims (8)

1.一种多功能钻井液添加剂，以100重量份计，由下述组分组成：

石蜡10-30份，白油10-30份，非离子型表面活性剂5-15份，阳离子型表面活性剂0.02-5份，余量为水；

其中，上述非离子表面活性剂为聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂或多元醇酯类非离子表面活性剂或其组合，阳离子表面活性剂为季铵盐类阳离子表面活性剂；

上述多功能钻井液添加剂为O/W型石蜡微小乳状液，其制备方法由如下步骤组成：

(1)以重量比计，将石蜡∶白油按1∶3～3∶1的比例混合，作为油相；

(2)以重量比计，将非离子表面活性剂∶阳离子表面活性剂按20∶1～3∶2的比例混合，制成混合表面活性剂；

(3)以重量比计，将上述油相∶混合表面活性剂按6∶1～2∶1的比例共同加入反应器中，得乳状液，加热至70℃～90℃；

(4)以重量比计，将组分中涉及的水另行加热至60℃～80℃；

(5)将上述加热后的水加入步骤(3)的反应器中，加入量至上述体系出现不透明粘稠凝胶相为止；

(6)以2000～3000rpm搅拌步骤(3)的体系10～15min，保持温度为70℃～90℃；

(7)把步骤(5)剩余的水加入上述反应器中，停止加热，再以1000～1500rpm，继续搅拌步骤(6)的乳状液10～15min，待液体温度降至室温时，停止搅拌，即得到石蜡微小乳状液。

2.如权利要求1所述的多功能钻井液添加剂，其特征在于，所述聚氧乙烯醚类非离子表面活性剂选吐温系列表面活性剂之一；所述多元醇酯类非离子表面活性剂选司盘系列表面活性剂之一；所述季铵盐类阳离子表面活性剂选碳链长度12-16的烷基三甲基溴化铵或烷基三甲基氯化铵。

3.如权利要求2所述的多功能钻井液添加剂，其特征在于，所述吐温系列表面活性剂是吐温20、吐温40、吐温60、吐温80、吐温100之一；所述司盘系列表面活性剂是司盘20、司盘40、司盘60、司盘80、司盘100之一。

4.如权利要求1所述的多功能钻井液添加剂，其特征在于，所述添加剂为乳状液，平均粒径是120nm～400nm。

5.如权利要求1所述的多功能钻井液添加剂，其特征是，步骤(1)所述石蜡∶白油的比例是2∶3～2∶1；步骤(2)所述非离子表面活性剂∶阳离子表面活性剂的比例是9∶1～2∶1；步骤(3)所述油相∶混合表面活性剂的比例是5∶1～3∶1。

6.如权利要求5所述的多功能钻井液添加剂，其特征是，步骤(1)所述石蜡∶白油的比例是1∶1；步骤(2)所述非离子表面活性剂∶阳离子表面活性剂的比例是4～5∶1；步骤(3)所述油相∶混合表面活性剂的比例是4∶1。

7.如权利要求1所述的多功能钻井液添加剂，其特征是，步骤(6)所述乳化温度为80-85℃。

8.权利要求1所述的多功能钻井液添加剂在制备钻井工业用页岩抑制剂、润滑剂、油层保护剂中的应用。

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