高性能乳化剂组合物及钻井液及其应用的制作方法

本发明涉及高性能乳化剂及钻井液及其应用。

背景技术：

1、在油气资源勘探开发过程中，通过钻井技术，形成油气开采的必需的通道，是实现油气资源资源利用的第一阶段。因此，钻井技术对于油气资源高效开发具有决定性意义。在石油钻井工程中，钻井液能够携带岩屑、润滑钻具、冷却钻头等重要作用，被誉为“钻井工程的血液”。

2、油基/合成基钻井液是一类重要的钻井液类型，与水基钻井液相比，具有更好的抑制性、润滑性、高温稳定性、抗污染性、储层保护等优势，在泥页岩、巨厚盐膏层、页岩储层、高温深层钻井过程中应用越来越广泛，是我国当前深层油气资源、页岩油气资源等领域非常具有发展潜力的技术领域。

3、油包水乳状液的稳定性是油基钻井液(油包水钻井液)的基础，是油基钻井液的关键核心。在深井超深井和页岩气长水平井钻井过程中，油包水乳状液的稳定性关系到钻井施工的成功与否。

4、常用乳化剂包括司盘80、脂肪酸、马来化脂肪基聚酰胺、环烷酸酰胺、十二烷基苯磺酸钙、松香酸钠等。木萨拉特·哈利玛·穆罕默德采用氨基酰胺用作乳化剂，并基于层状双氢氧化物作为流变改进剂，制备了油基钻井液；李午辰等基于二聚酸和长链烷基单胺制备了油基乳化剂，并提供了一种油基钻井液；王显光等发明了由松香酸、白油、碱和烷基磺酸盐组成的抗高温油基钻井液用的乳化剂，抗温200℃；李志平等发明了一种以腰果酚和环氧氯丙烷反应得到缩水甘油醚，再与二甲胺生成叔胺,经与1,3-丙磺酸内酯经反应得到乳化剂基料，具有较强的抗ca2+、mg2+等二价离子的能力，防止在高温条件下的矿化。王建华等以妥尔油酸、顺丁烯二酸酐、第一催化剂以及溶剂加热反应，得到妥尔油酸-顺酐加合物；在妥尔油酸-顺酐加合物中加入第二催化剂，加热至反应所需的温度后加入羟乙基乙二胺，继续加热反应一段时间，得到所述的高效油基钻井液乳化剂。柳云涛首先制备类妥尔油脂肪酸酰胺，并继续进行催化酯化反应制备了油基钻井液用乳化剂。乔弟巴苏·拉马萨米等利用废弃植物油制备一种烷基酯类乳化剂，用于油基钻井液的配制。用上述乳化剂配制的油基/合成基钻井液，塑性粘度较高、高温稳定性较低、抗盐水污染能力较差，不能更好地满足复杂地质条件深井超深井安全高效钻井的需求。

5、随着深井超深井和页岩油页岩气等非常规油气井的开发，对油基/合成基钻井液的需求也越来越多。这些井的井下温度和压力较高，并且存在高压盐水层等复杂问题，不仅要求钻井液在高温下具有良好的稳定性，而且还要具有良好的流变性、抗污染能力等要求，亟需一种高性能的乳化剂及相应的油基/合成基钻井液。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种适用于油基/合成基钻井液的高性能乳化剂，具有稳定的化学结构，能有效提高超深井油基/合成基钻井液的乳化稳定性、抗温稳定性和抗污染性能，并能显著改善钻井液的流变性，以至少部分地解决现有技术的钻井液在高温高压、巨厚盐膏层、高矿化度复合盐水层条件下存在的技术缺陷。

2、作为本发明的一个方面，涉及一种高性能乳化剂组合物，以双脂肪基咪唑啉酰胺、n-羟乙基化的脂肪基咪唑啉、马来化脂肪酸为有效组分，以油(环保型溶剂油)和/或醇醚作为溶剂。

3、在至少一个实施例中，所述的双脂肪基咪唑啉酰胺是通过富含不饱和键的(油酸、亚油酸、亚麻酸、棕榈酸和松香酸等的天然)植物脂肪酸与多乙撑基多胺经酰胺化、高温条件下环化形成。优选为富含油酸、亚油酸和松香酸的妥尔油脂肪酸(上海立森化工有限公司，下同)与二乙烯三胺(南京古田化工)经酰胺化、高温条件下反应制备双脂肪基咪唑啉酰胺，其中，脂肪酸与二乙烯三胺的摩尔比大于2:1。

4、在至少一个实施例中，所述的n-羟乙基化的脂肪基咪唑啉是通过富含不饱和键的(油酸、亚油酸、亚麻酸、棕榈酸和松香酸等)天然植物脂肪酸与羟乙基乙二胺经酰胺化、催化条件下环化形成n-羟乙基脂肪基咪唑啉；或植物脂肪酸与乙二胺经酰胺化、催化条件下环化形成脂肪基咪唑啉，并进一步与环氧乙烷进行反应，在脂肪基咪唑啉的氮原子上生成羟乙基或端羟乙基聚氧乙烯的基团，形成n-羟乙基化脂肪基咪唑啉。优选为富含油酸、亚油酸和松香酸的妥尔油脂肪酸与羟乙基乙二胺(国药集团)经酰胺化、高温条件下环化形成的n-羟乙基脂肪基咪唑啉。

5、在至少一个实施例中，所述的马来化脂肪酸是通过富含不饱和键的(油酸、亚油酸、亚麻酸、棕榈酸和松香酸等)植物脂肪酸与马来酸酐(顺丁烯二酸酐)，在高温条件下发生双烯合成及烯反应，而生成的马来酸酐改性天然不饱和脂肪酸。优选为富含油酸、亚油酸和松香酸的妥尔油脂肪酸与马来酸酐(国药集团)在高温条件下制备而成的马来化妥尔油脂肪酸。

6、所述的环保型溶剂油是烷烃、环烷烃为主要组分的脱芳烃溶剂油，优选为环保溶剂油d120(洛阳新岭石油化工有限公司)；

7、所述的醇醚类溶剂是多元醇醚类极性有机溶剂，优选为二丙二醇单甲醚(山东科建化工有限公司)。

8、所述的高性能乳化剂组合物中，双脂肪基咪唑啉酰胺60～80质量份，n-羟乙基化脂肪基咪唑啉10～15质量份；马来化脂肪酸5～30质量份。优选地，双脂肪基咪唑啉酰胺75～80质量份，n-羟乙基化脂肪基咪唑啉10～15质量份，马来化脂肪酸10～15质量份。

9、所述的高性能乳化剂组合物中，环保溶剂油与醇醚类极性溶剂的体积比例为40/60～60/40，进一步优选为55/45。

10、所述的高性能乳化剂组合物中，有效组分与溶剂的体积比例为70/30～90/10，进一步优选为85/15。

11、作为本发明的另一个方面，涉及一种钻井液，为油基或合成基钻井液，包括上述的高性能乳化剂组合物。进一步的，还包括基础油、水相(通常为氯化钙溶液，分散到油相中形成油包水乳状液)、亲有机改性黏土矿物、流型调节剂、聚合物增稠剂、碱度调节剂、活度控制剂、亲有机改性腐殖酸降滤失剂和加重材料等。

12、油基/合成基钻井液中，所述高性能乳化剂组合物的加入量与钻井液中基础油与水相的总体积的比值为50～80g/l。基础油与水相体积比可以为85/15～95/5，以基础油和水相总体积1l计，亲有机改性粘土矿物25～50g，流型调节剂10～20g，聚合物增稠剂为5～15g，碱度调节剂30～50g，亲有机改性褐煤降滤失剂30～70g，在上述组成基础上，用按一定比例复合的重晶石、微锰等加重材料加重至所需密度。

13、所述的基础油为柴油、矿物油和人工合成的超低芳烃含量的环保型基础油，本发明一些实施例中所用的基础油为0#柴油、轻质白油和人工合成的环保型溶剂油escaid 110(埃克森美孚化工公司生产)。

14、在本发明的一些实施方式中，所述的亲有机改性粘土矿物为亲有机改性的汉克托石(bt38)；所述流型调节剂为多聚酰胺基脂肪酸(mod)；所述的碱度调节剂为氢氧化钙或氧化钙；所述的聚合物增稠剂为的聚烯烃嵌段聚合物(prm)；所述的亲有机改性褐煤类降滤失剂(olg)，加重材料为重晶石(钻井液密度加重至2.4g/cm3)，微锰(钻井液密度由2.4g/cm3加重至2.6～2.8g/cm3)。

15、作为本发明的又一个方面，涉及上述钻井液在深层油气资源和非常规油气井的开发中的应用。

16、本发明提供的高性能乳化剂组合物乳化剂组合物的主成分从常规脂肪酸聚酰胺为主转型到脂肪基咪唑啉酰胺和n-羟乙基化脂肪基咪唑啉为主，在分子结构上，将亲水基团以链状为主的组成改变为以五元杂环为主的组成，乳化剂分子在油/水界面上的吸附基团由链状分布为主改变为以五元杂环基团的环面状吸附，在逆乳状液的液滴上更容易达到全面覆盖，构筑的界面膜的斥力得到增加，能够在高温环境中降低乳化液滴之间聚结絮凝的趋势，提高乳化稳定性；同时，在逆乳化钻井液中，乳化剂组合物在加重材料颗粒的固相表面吸附能力得到提升，表面亲油润湿性能也相对提升，有利于降低加重材料的表面摩擦和高温下聚并的趋势，改善高固相含量条件下油基/合成基钻井液的流变性和固相颗粒表面油性润湿翻转的稳定性。

17、本发明提供的乳化剂组合物及油基/合成基钻井液，抗温能力可达200℃，密度高达2.4～2.8g/cm3，抗盐水污染可到50％以上，钻井液流变性、致密封堵性能优良。在相同条件下，与常规脂肪基聚酰胺类乳化剂相比，使用浓度降低30％以上，乳化稳定性到同一水平，同时，悬浮能力保持一致，塑性粘度降低40％，流变性得到大幅度改善，可以显著提高水力效率、降低循环压耗、提高机械钻速。