高效乳化剂、低油水比低土相油基钻井液及其制备方法与流程

本发明涉及钻井液领域，具体涉及一种高效乳化剂、油基钻井液及其制备方法。

背景技术：

1、油基钻井液是指以基础油作为连续相，在一定条件下形成的表现出类似油类某些性质的钻井液。它以油、水、固相和油溶性化学处理剂为主体，加入各种处理剂来满足对钻井液性能的要求。与水基钻井液相比，油基钻井液抗温性能较好，抗盐、钙污染能力强，润滑性好，抗腐蚀性好，受外界因素影响小。

2、针对高温(260℃)高密度(2.10～2.16g/cm3)钻井液中易出现重晶石沉降的问题，哈里伯顿公司(《国内外钻井液技术进展及对钻井液的有关认识》)采用一种以密度4.8g/cm3的亚微米颗粒四氧化锰代替重晶石的高温高压无黏土油基钻井液已经得到成功应用，使用温度204℃，密度2.20g/cm3，该钻井液可以减小当量循环密度，降低钻井、下套管和固井过程中的滤失量，并且不会出现加重材料沉降的问题。

3、国内长城钻探公司(《新型全油基钻井液体系》、《高温高密度钻井液的研制与评价》)通过研制抗温150～200℃有机土，聚合物降滤失剂等主要处理剂，形成了抗温250℃、密度为2.6g/cm3的油基钻井液体系，具有抗水、抗盐、抗劣土污染能力强等优点。中国石油大学(华东)《超高温高密度油基钻井液研究与性能评价》合成了主乳化剂和辅乳化剂，选用抗高温增黏剂、流型调节剂、润湿剂和降滤失剂，构建了超高温高密度油基钻井液配方。抗温达220℃，密度最高可达2.8g/cm3，具有良好的流变稳定性和悬浮稳定性。文献《抗高温高密度低毒油包水钻井液技术》公开了一种抗高温高密度低毒油包水钻井液技术，该技术以3#白油为连续相，具有强的抑制性，且抗污染能力强，可解决复杂地层泥页岩吸水膨胀、润滑减阻效果不佳等技术难题。

4、《一种低油水比油基钻井液》(专利号：zl 201711246730x)介绍了一种低油水比钻井液体系，乳化剂加量相对较大，且未对有机膨润土加量进行描述。《一种40︰60的超低油水比的油基乳化钻井液》(专利号：zl 2015104796058)介绍了超低油水比的油基钻井液，油水比40:60，但仅限定了油水比40:60的情况，并且耐温仅为120℃，从给出的实例来看钻井液粘切较大，实施难度大，破乳电压未达到要求。《一种低油水比油基钻井液及其制备方法》(专利号：zl 2016102737967)介绍了一种低油水比钻井液体系，但该体系中仍以有机膨润土为基本结构剂，体系的流变性不易调整，对封堵剂等的固相颗粒加入有一定的影响，且该体系抗温仅为150℃。《一种无土相油基钻井液》(专利号：zl 2014100247413)介绍了一种无土相油基钻井液体系，该体系抗温仅为150℃。

5、上述现有技术中的油基钻井液仍以高油水比及以土相作为增粘提切结构材料，且油包水钻井液油水比大部分为80:20以上，有机膨润土加量在3％以上，有些体系甚至更高。现场应用过程中基于现场实际考虑，高油水比钻井液中需要加入大量的处理剂，有机土加量过高导致结构强度大而造成开泵泵压高、当量循环密度大诱发井漏等问题，同时高油水比条件下，钻屑含油量高，环保处理难度大。同时对体系抗低温性能未做描述，在国内部分地区冬季施工受限。综上，在高油水比及有机膨润土土相加量高的条件下，导致油基钻井液成本增加，且更易发生井下复杂。

6、目前已经存在低油水比钻井液体系的研究报道，但该体系下乳化剂加量较高，且有机膨润土加量高，易改变岩石表面及孔缝的亲水亲油性，对储层造成一定的伤害。因此，急需研究开发一种低有机膨润土加量、低乳化剂加量的低油水比低土相油基钻井液及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高效乳化剂、低油水比低土相油基钻井液及其制备方法。本发明的油基钻井液为低有机膨润土加量、低乳化剂加量的低油水比、低土相油基钻井液，保证油基钻井液基本性能的条件下降低含油量、乳化剂加量及有机土加量，改善油基钻井液的流变性能、乳化稳定性能、沉降稳定性能，同时适用于-25℃条件，降低了油基钻井液的单方成本。

2、为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明一方面提供一种高效乳化剂，所述乳化剂为单一乳化剂(不区分主、辅乳化剂)，由烯酸、有机胺、醇醚反应而成，具有较强的乳化膜强度，乳化效率高，乳化稳定性好，抗温能力强，同时具有加量小等特点。

4、根据本发明的高效乳化剂，优选地，所述烯酸、有机胺和醇醚的质量比为(55～58)：(13～18)：(17～19)，更优选为55:18:19。

5、根据本发明的高效乳化剂，优选地，所述烯酸为c20-四烯酸。

6、根据本发明的高效乳化剂，优选地，所述有机胺为乙烯胺和羟丙基二胺；更优选地，所述乙烯胺和羟丙基二胺的质量比为(10～8)：(8～10)。

7、根据本发明的高效乳化剂，优选地，所述醇醚为二乙二醇醚。

8、根据本发明的高效乳化剂，优选地，所述高效乳化剂通过以下步骤制备：

9、将所述烯酸加热至第一温度后加入所述有机胺，继续升温至第二温度进行反应；

10、反应完成后降温至第三温度，再加入三氧化硫进行反应；待反应完成，加入所述醇醚继续反应，反应结束后降至常温，得到所述高效乳化剂。

11、在以上制备过程中，优选地，所述第一温度为65～70℃。

12、在以上制备过程中，优选地，所述第二温度为160～170℃。

13、在以上制备过程中，优选地，所述第三温度为70～90℃。

14、在一优选方案中，所述高效乳化剂通过以下步骤制备：

15、在转速为90～100r/min搅拌条件下，在反应釜内加入55～58质量份c20-四烯酸，并升温至65～70℃后缓慢加入10～8质量份乙烯胺和8～10质量份羟丙基二胺后，升温至160～170℃，反应6h～7h；反应完成后降温至70～90℃，再加入8～10质量份三氧化硫，反应2h～2.5h；待反应完成，加入17～19质量份二乙二醇醚，搅拌50min～70min，然后降温至常温，得到高效乳化剂。

16、具体描述如下：

17、将c20-四烯酸边搅拌边升温至65～70℃，按照c20-四烯酸、乙烯胺及羟丙基二胺的质量比加入乙烯胺、羟丙基二胺，升温至160～170℃，反应6h～7h，经酰胺化反应得到烯酸酰胺中间产物；

18、将烯酸酰胺中间产物降温至70～90℃，按烯酸酰胺中间产物与三氧化硫质量比73～76：8～10加入三氧化硫，反应2h～2.5h，经磺化反应得到烯酸酰胺及烯酸磺酰胺中间产物；

19、将烯酸酰胺及烯酸磺酰胺中间产物按质量比81～83：17～19加入二乙二醇醚，搅拌50min-70min，然后降温至常温，得到高效乳化剂。

20、烯酸、有机胺、醇醚经酰胺化反应及磺化反应后形成多个烯酸酰胺基团及磺酰胺基团，使其亲水基团的半径更大，在油水界面的吸附力更强，具有更好的乳化稳定性、润湿性及高温稳定性；同时乳化剂分子在钻井液中形成氢键，通过缔合作用，有利于提高其高温稳定性。因此，该高效乳化剂可在低油水比条件下形成稳定的乳化液体系，乳化效率更高，同时加量较市面乳化剂低，经济性更好。

21、本发明另一方面提供一种低油水比低土相油基钻井液，该钻井液由柴油作为基础油，以低加量的高效乳化剂及小于2％加量的有机膨润土为主要成分，配制油水比(70:30)～(85:15)的油包水乳化钻井液。该油基钻井液具有油水比低，有机膨润土加量低，粘切适中，抗盐、钙污染能力强，抗低温能力强、防塌抑制性好，成本低等特点。

22、根据本发明的油基钻井液，其包括油相、水相、高效乳化剂、润湿剂、有机膨润土、提切剂、褐煤降滤失剂、沥青、生石灰以及加重剂；

23、所述油基钻井液的油水比为(70:30)～(85:15)；基于所述油相和水相的总体积为100％计，有机膨润土的加量为1.2wt％～2.0wt％。

24、根据本发明的油基钻井液，所述钻井液的油水比优选为(70:30)～(80:20)，更优选为(70:30)～(75:25)。所述有机膨润土的加量优选为1.2wt％～1.5wt％。

25、根据本发明的油基钻井液，优选地，基于所述油相和水相的总体积为100％计，所述油基钻井液中包括：

26、

27、加重剂，其加量按照所述油基钻井液的密度要求确定。

28、更优选地，基于所述油相和水相的总体积为100％计，所述油基钻井液中包括：

29、

30、

31、加重剂，其加量按照所述油基钻井液的密度要求确定。

32、本发明中“v％”是指体积百分数。例如，油相和水相的总体积为100ml，则“油相70.0v％～85.0v％”是指油相为70ml～85ml。本发明中“wt％”是指重量体积百分数。例如，油相和水相的总体积为100ml，则“有机膨润土1.2wt％～2.0wt％”是指有机膨润土为1.2g～2.0g。

33、根据本发明的油基钻井液，优选地，所述油相为0#柴油。

34、根据本发明的油基钻井液，优选地，所述水相为盐溶液，所述盐溶液中溶质优选为氯化钙和/或氯化钾。更优选地，所述盐溶液的浓度为20wt％～40wt％，更优选为25wt％。

35、根据本发明的油基钻井液，所述有机膨润土为季铵盐、烷基聚氧乙烯醚钠膨润土反应制得的产品，所述生石灰的主要成分是氧化钙。

36、根据本发明的油基钻井液，优选地，所述提切剂为树脂类提切记，例如改性树脂hsy-4(湖北汉科新技术股份有限公司)。

37、根据本发明的油基钻井液，优选地，所述降滤失剂包括有机褐煤降滤失剂和氧化沥青。更优选地，所述有机褐煤降滤失剂和氧化沥青的质量比为1:1。

38、根据本发明的油基钻井液，优选地，所述润湿剂为烷基醇酰胺衍生物润湿剂，例如润湿剂gw-wet(中国石油集团长城钻探工程有限公司)。

39、根据本发明的油基钻井液，优选地，所述加重剂为重晶石，其加量按照所述油基钻井液的密度要求确定，例如添加重晶石至油基钻井液的密度为1.6～2.0g/cm3。

40、本发明再一方面提供一种油基钻井液的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

41、s1、将油相和高效乳化剂混合，得到混合物ⅰ；

42、s2、将所述混合物ⅰ、水相和生石灰混合，得到混合物ⅱ；

43、s3、将所述混合物ⅱ、有机膨润土和提切剂搅拌混合，得到混合物ⅲ；

44、s4、将所述混合物ⅲ、润湿剂、降滤失剂和加重剂搅拌混合，得到所述油基钻井液。

45、在以上制备方法中，油相与水相互不相容，需要加入表面活性剂进行处理后再混合，高效乳化剂为表面活性剂，因此，首先将油相和高效乳化剂混合，再加入水相和生石灰可得到相对比较稳定的油包水乳状液体系。待形成稳定的油包水乳状液体系后再加入有机膨润土、提切剂形成具有一定结构的稳定乳状液体系，在此体系基础上加入的润湿剂为表面活性剂，以及加入降滤失剂以及加重剂等固相颗粒，通过搅拌使得油包水乳状液均匀分散形成稳定的具有一定功用的油基钻井液。

46、根据本发明的制备方法，s3中，有机膨润土和提切剂的加入不分先后顺序。例如，在本发明的一些实施例中，先将混合物ⅱ与提切剂进行搅拌混合处理，然后再加入有机膨润土进行搅拌处理。

47、根据本发明的制备方法，上述各步骤中所述搅拌混合均为高速搅拌混合。优选地，所述搅拌混合的时间为20min～30min；所述搅拌混合的转速为8000r/min～12000r/min。

48、本发明的制备方法通过采用高速搅拌混合处理将互不相溶的油水两相在高效乳化剂的作用下形成稳定的油包水乳状液，搅拌的转速越高，越有利于将水相分散成更小的液滴，形成的乳状液的稳定性也越高；同时高速搅拌也利于有机膨润土、提切剂、降滤失剂、加重剂等固相颗粒在乳状液中的均匀分散，从而形成更加稳定的油基钻井液体系。

49、低油水比钻井液通常需要加入大量的乳化剂及有机膨润土才能维持稳定的油包水乳状液。本发明的发明人研究发现，本发明的低油水比、低土相油基钻井液配方即使在低乳化剂、低有机膨润土加量的条件下，仍可形成稳定的油包水乳状液体系，且流变性能更优，破乳电压高，成本更低。

50、本发明的有益效果包括：

51、1)本发明提供的高效乳化剂具有乳化效率高、乳化稳定性好、抗温能力强、加量小等特点。

52、2)由于本发明所使用的高效乳化剂具有更好的乳化效果，使低油水比条件下乳化液更稳定，破乳电压更高，可以在市售一般乳化剂使用的油水比例基础上降低油水比，最终实现本发明的油基钻井液油水比低、有机膨润土加量低、乳化剂加量低，固相含量低，流变性能好，乳化稳定性好，悬浮稳定性好等有益效果。

53、3)本发明提供的油基钻井液破乳电压达到800v以上，高于行业标准sy/t6615-2005油包水型钻井液乳化剂对破乳电压的要求(≥400v)，高温高压失水在3ml以下，体系封堵、润滑性好。

54、4)本发明提供的油基钻井液有机膨润土加量低，体系固相含量低，结构强度相对较小，更容易进行调整，同时可加入高比例的封堵剂，防塌性能更优；

55、5)本发明提供的油基钻井液抗温可达180℃，密度最高为2.0g/cm3，适用范围更广。

56、6)本发明提供的油基钻井液可满足冬季-25℃的施工要求。

57、7)本发明提供的油基钻井液可适用于大斜度定向井、非常规油气水平井、复杂地层钻井及特殊工艺井。