CN106634891A - 一种耐高温水基钻井液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温水基钻井液及其制备方法，包括基浆和改性高软化点沥青液，改性高软化点沥青液包括改性高软化点沥青颗粒、水、稳定分散剂和稳定剂，改性高软化点沥青颗粒粒径≤120μm，包括由基础沥青构成的核和由改性剂形成的壳，按质量份数计，核为7~9份，壳为1~3份；所述改性剂包括聚合硫和游离硫，改性剂中聚合硫和游离硫的重量比为3:7~7:3。本发明的钻井液中添加了高软化点沥青液，其中的沥青颗粒为在基础沥青外包覆一层高弹聚合硫和游离硫的混合物，不仅颗粒粒径小，具有一定的弹性变形能力，而且抗高温性能优良，能够在常温下稳定储存，从而提高了钻井液的提粘切性、体系的动切力和高温高压降滤失性。

Description

一种 耐高温水基钻井液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种钻井液及其制备方法，特别是含有改性高软化点沥青的钻井液，属于石油钻井开采技术领域。

背景技术

随着石油勘探与开发的发展，钻井深度不断加深，钻遇地层愈来愈复杂，定向井、水平井等特殊工艺井的数量逐渐增多。这使钻井工程对钻井液的使用性能，特别是抗高温能力提出了更高的要求。沥青类产品作为重要的钻井液处理剂，具有良好的防塌、润滑、降低滤失和高温稳定等综合效能。然而一般软化点沥青会因为过度软化甚至流淌而无法满足深井下的高温作业要求。

高软化点沥青是指软化点在100℃以上，尤其是在120℃以上的沥青。高软化点沥青因其出色的抗高温能力而有着比较广泛的应用。高软化点沥青可以用于深层油气田的钻井作业中，作为钻井液的重要组成部分，可以在高温条件下起到封堵、防塌，稳定井壁，降低滤失量的作用。

为了提高钻井液用沥青类产品的使用性能，国内外先后公开了很多方法对沥青进行改性。其中最主要的方法就对沥青进行磺化。如US3485745、CN99109453、CN201010250241等。这种方法虽然能够增加产品的水溶性，但是油溶率较低。沥青经磺化后主要生成了磺酸盐，产品的软化点几乎测不出来，只能在较低的温度条件下使用。而且其颗粒没有弹性、变形能力差，不能任意嵌入井内的孔道，特别是不规则形孔道，不能很好地起到封堵和降滤失的作用。同时，这种工艺较复杂，对环境容易造成污染。

钻井液以其连续相分为油基钻井液和水基钻井液。高软化点石油沥青主要以油溶性为主，所以在油基钻井液中分散性好，应用不成问题。但是在水基钻井液中，由于其水溶性很小，存在分散困难、不易稳定的问题。这也是制约高软化点沥青在水基钻井液中广泛应用的一个主要因素。

高软化点沥青在钻井液中使用时，要求以极小的颗粒分散到泥浆体系中，这样既可以保证沥青分散均匀，又可以避免聚结成大的块状物堵塞振动筛而造成无法使用等问题的发生。通常情况下，沥青颗粒的粒径要求在150μm以下，甚至120μm以下方具有良好的使用效果。

然而，沥青属于热敏性材料，在粉碎或超细粉碎时，会增加很大成本。即使能够得到细小的沥青颗粒，要想在水基钻井液中稳定分散也是很不容易的。如果不能稳定分散就无法在井下起到封堵和降滤失的作用。

发明内容

针对现有技术中的钻井液中使用的沥青产品软化点低，颗粒较大，在钻井液中分散性能不好，不能很好的满足钻井液的封堵、防塌，稳定井壁，降低滤失量的使用性能等问题，本发明提供一种可耐高温的水基钻井液，其包括一种含有改性高软化点沥青颗粒的沥青液，其沥青颗粒粒径小，可在水基钻井液中稳定分散，大大提高了钻井液的封堵、防塌，稳定井壁，降低滤失量等性能。

本发明的技术目的通过以下技术方案实现：

一种耐高温水基钻井液，以质量份数计，所述钻井液包括如下组分：

基浆 85~97份

改性高软化点沥青液 3~15份

所述改性高软化点沥青液按质量份数计，包括以下组分：

改性高软化点沥青颗粒 3~7份

水 3~7份

所述改性高软化点沥青颗粒粒径≤120μm，包括由基础沥青构成的核和由改性剂形成的壳，按质量份数计，核为7~9份，壳为1~3份；所述改性剂包括聚合硫和游离硫，改性剂中聚合硫和游离硫的重量比为3:7~7:3；

所述改性高软化点沥青液中还包括稳定分散剂和稳定剂，所述稳定分散剂为聚氧乙烯醚类，其加入量为基础沥青的0.1%~10%，所述稳定剂为醇类或黄原酸酯类，其加入量为聚合硫和游离硫总量的0.01~0.5%。

进一步地，所述的基浆是本领域常规的水基钻井液基浆，可以按照现有技术常规方法制备，基浆的组成及制备方法为本领域技术人员熟知，例如可按照以下制备过程进行：在水中加入无水碳酸钠，再加入钙膨润土，高速搅拌并养护一定时间后得到。

进一步地，所述基础沥青为软化点为100～200℃的沥青，选自氧化沥青、溶剂脱油沥青、天然沥青中的至少一种。

进一步地，所述稳定分散剂选自脂肪胺聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚和烷基酚聚氧乙烯醚中的至少一种；所述稳定剂选自异丙醇、4-氯1-丁醇、6-氯1-己醇、4-溴苯甲醇、二硫化二异丙基黄原酸酯和二硫化二正丁基黄原酸酯中的至少一种。

进一步地，所述改性剂是通过将硫磺加热至120~160℃，10~60分钟后，加热至500~600℃，同时通入惰性气体，保持压力0.5~2.0MPa，保持10~100分钟，形成硫蒸汽，再将硫蒸汽喷入至含稳定分散剂和稳定剂的淬冷液中急冷得到。

进一步地，所述钻井液中还包括性能调节剂，所述性能调节剂选自改性淀粉或水溶性纤维中的至少一种，其加入量按基浆和改性高软化点沥青液的总重量计，为二者总量的0.1%~5%。所述改性淀粉为磷酸酯淀粉、羧甲基淀粉或阳离子淀粉；所述水溶性纤维为羧甲基纤维素、聚乙烯醇纤维或羟乙基纤维素。

本发明的另一技术目的在于提供上述耐高温水基钻井液的制备方法，包括以下步骤：

①制备改性高软化点沥青液：将基础沥青加入至水中进行粉碎，加入稳定分散剂和稳定剂，得到沥青液；将硫磺加热至120~160℃，10~60分钟后，加热至500~600℃，同时通入惰性气体，保持压力0.5~2.0MPa，保持10~100分钟，形成硫蒸汽；将硫蒸汽喷入到沥青液中，两者的加入量按硫磺与基础沥青的质量比为1~3:7~9，形成的沥青颗粒悬浮于沥青液中，40~65℃条件下保持30~120分钟，得到改性高软化点沥青液；所述稳定分散剂为聚氧乙烯醚类，所述稳定剂为醇类或黄原酸酯类；

②将改性高软化点沥青液和基浆，或将改性高软化点沥青液、基浆和性能调节剂混合均匀，得到所述耐高温水基钻井液。

进一步地，所述稳定分散剂选自脂肪胺聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚和烷基酚聚氧乙烯醚中的至少一种，稳定分散剂的加入量为基础沥青的0.1~10%。所述稳定剂选自异丙醇、4-氯1-丁醇、6-氯1-己醇、4-溴苯甲醇、二硫化二异丙基黄原酸酯和二硫化二正丁基黄原酸酯中的至少一种，稳定剂的加入量为硫磺的0.01~0.5%。

进一步地，步骤①中将沥青粉碎可采用高速剪切乳化机、胶体磨或研磨机中的一种，粉碎时间20~60分钟，粉碎至平均粒径≤120mm。

进一步地，所述硫磺选择工业优级硫磺粉（纯度99.5%以上）。

进一步地，步骤②在所述混合可以采用普通机械搅拌、高剪切、胶体磨或超声分散等技术手段，混合时间根据物料体系的均匀程度，一般为5~30分钟。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）在本发明的制备方法中，在制备改性高软化点沥青液时，基础沥青在水中粉碎可以避免因放热造成的颗粒重新粘结，沥青液可以作为淬冷液，沥青颗粒可以提供核相，有利于硫的聚合。在制备沥青液的过程中加入稳定剂，可以提高高弹聚合硫的收率和稳定性。同时可以使高弹硫聚合物在沥青外部形成一层包覆层，经过后续冷却、稳定处理后，形成有机的整体，提高改性沥青颗粒的使用性能。

（2）本发明方法中，在硫磺聚合反应过程中引入惰性气体（如N₂），一是为了在高温下起到保护作用，另一方面是为了给聚合后的硫雾化提供足够的动力；此外，还可以通过压力的调整，来调变最终颗粒的粒径大小，从而满足不同的使用要求。

（3）一般来说，硫熔融反应后，高弹聚合硫的转化率为40~60%，本方法中并不需要对其进行萃取、提纯等处理，因为这部分没有转化的硫虽然不能与高软化点沥青形成有机的整体，但是它是很好的分散剂与隔离剂，有利于沥青颗粒稳定分散，所以本发明方法得到的改性高软化点沥青无需外加其它助剂，即可以常温长期储存，简化了生产工艺。

（4）本发明的水基钻井液中加入了改性高软化点沥青液，不仅解决了沥青常温粉碎的难题，而且通过改性剂、稳定分散剂、性能调节剂等各种添加剂的协同作用，可以使高软化点沥青颗粒稳定均匀分散在水基钻井液中。本发明的方法工艺简单、操作方便、成本较低，制得的高软化点沥青液中的沥青颗粒为在基础沥青外包覆一层高弹聚合硫和游离硫的混合物，不仅颗粒粒径小，具有一定的弹性变形能力，能够在常温下稳定储存，而且抗高温性能优良，从而提高了钻井液的提粘切性、体系的动切力和高温高压降滤失性，本发明钻井液可在油田的深井、超深井钻井作业中使用。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明实施例中采用的基浆制备过程如下：每1000mL水中加入2.75g无水碳酸钠，再加入60g钙膨润土，高速搅拌20min于室温下养护24h，得6%淡水基浆。

实施例1

取400g软化点为123.4℃的氧化沥青加入到360g冷水中用高剪切乳化机进行粉碎30分钟，然后加入20g十八胺聚氧乙烯醚和0.1g异丙醇继续混合10分钟，使沥青颗粒均匀分散在水中；将100g硫磺粉置于融硫釜中加热至135℃，保持20分钟，进入到反应釜中，反应釜温度控制在540℃，同时通入N₂，保持压力1.0 MPa 。在此条件下保持30分钟。然后打开反应釜底部的放料阀门，将含有聚合硫的蒸汽快速喷入到上述制备好的含沥青的冷水中进行急冷，在50℃条件下保持40分钟，进行充分的固化和稳定，得到改性高软化点沥青液（沥青平均粒径115mm，测定改性沥青颗粒的）。

将28g高软化点沥青液置于400mL配制好的钻井液基浆中，加入占钻井液质量3.5%的羧甲基淀粉，高速剪切15分钟，得到耐高温水基钻井液。

实施例2

取425g软化点为138.5℃的溶剂脱油沥青加入到450g冷水中用高剪切乳化机进行粉碎35分钟，然后加入25.5g脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-7）和0.35g二硫化二异丙基黄原酸酯继续混合20分钟，使沥青颗粒均匀分散在水中；将75g硫磺粉置于融硫釜中加热至140℃，保持25分钟，进入到反应釜中，反应釜温度控制在550℃，同时通入N₂，保持压力0.8 MPa。在此条件下保持30分钟。然后打开反应釜底部的放料阀门，将含有聚合硫的蒸汽快速喷入到上述制备好的含沥青的冷水中进行急冷，在55℃条件下保持50分钟，进行充分的固化和稳定，得到改性高软化点沥青液（沥青平均粒径100mm）。

将24g高软化点沥青液置于400mL配制好的钻井液基浆中，加入占钻井液质量2.5%的羟乙基纤维素，高速剪切20分钟，得到耐高温水基钻井液。

实施例3

取350g软化点为143.6℃的天然沥青加入到400g冷水中用高剪切乳化机进行粉碎40分钟，然后加入17.5g十二胺聚氧乙烯醚和0.2g的4-氯1-丁醇继续混合25分钟，使沥青颗粒均匀分散在水中；将150g硫磺粉置于融硫釜中加热至130℃，保持45分钟，进入到反应釜中，反应釜温度控制在580℃，同时通入N₂，保持压力0.6 MPa 。在此条件下保持40分钟。然后打开反应釜底部的放料阀门，将含有聚合硫的蒸汽快速喷入到上述制备好的含沥青的冷水中进行急冷，在60℃条件下保持40分钟，进行充分的固化和稳定，得到改性高软化点沥青液（沥青平均粒径90mm）。

将20g高软化点沥青液置于400mL配制好的钻井液基浆中，加入占钻井液质量2.0%的磷酸酯淀粉，高速剪切10分钟，得到耐高温水基钻井液。

实施例4

取375g软化点为151.8℃的溶剂脱油沥青加入到325g冷水中用高剪切乳化机进行粉碎45分钟，然后加入32g烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10）和0.3g的二硫化二正丁基黄原酸酯继续混合30分钟，使沥青颗粒均匀分散在水中；将125g硫磺粉置于融硫釜中加热至150℃，保持55分钟，进入到反应釜中，反应釜温度控制在560℃，同时通入N₂，保持压力1.0 MPa 。在此条件下保持40分钟。然后打开反应釜底部的放料阀门，将含有聚合硫的蒸汽快速喷入到上述制备好的含沥青的冷水中进行急冷，在50℃条件下保持30分钟，进行充分的固化和稳定，得到改性高软化点沥青液（沥青平均粒径75mm）。

将18g高软化点沥青液置于400mL配制好的钻井液基浆中，加入占钻井液质量4.5%的阳离子淀粉，高速剪切20分钟，得到抗高温水基钻井液。

对实施例1~4中制备过程中得到的改性高软化点沥青液进行脱水和抽真空干燥处理。将所得固体用振动筛进行筛分，得到高软化点沥青颗粒。对高软化点沥青颗粒进行粒径、软化点和晒后通过率测定，其结果如表1所示。

表1. 各实施例中高软化点沥青颗粒的性质

沥青颗粒的粒径采用显微镜观察，并用显微镜自带标尺测定。软化点的测试方法根据GB/T4507方法进行。筛后通过率指：颗粒物常温堆放30天后，用与刚制备时相同孔径的标准筛进行筛分，通过筛孔的颗粒质量占总质量的百分数。该指标主要考察颗粒物经过贮存后的稳定性，即粒径变化情况。

对实施例1~4制备的水基钻井液各项性能进行测定，结果如表2所示。

表2. 各实施例中水基钻井液的性质

粘度及高温高压滤失量按GB/T 16783方法进行。

Claims (10)

1.一种耐高温水基钻井液，其特征在于：以质量份数计，所述钻井液包括如下组分：

基浆 85~97份

改性高软化点沥青液 3~15份

所述改性高软化点沥青液按质量份数计，包括以下组分：

改性高软化点沥青颗粒 3~7份

水 3~7份

所述改性高软化点沥青颗粒粒径≤120μm，包括由基础沥青构成的核和由改性剂形成的壳，按质量份数计，核为7~9份，壳为1~3份；所述改性剂包括聚合硫和游离硫，改性剂中聚合硫和游离硫的重量比为3:7~7:3；

所述改性高软化点沥青液中还包括稳定分散剂和稳定剂，所述稳定分散剂为聚氧乙烯醚类，其加入量为基础沥青的0.1%~10%，所述稳定剂为醇类或黄原酸酯类，其加入量为聚合硫和游离硫总量的0.01~0.5%。

2.根据权利要求1所述的耐高温水基钻井液，其特征在于：所述基础沥青为软化点为100~200℃的沥青，选自氧化沥青、溶剂脱油沥青、天然沥青中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的耐高温水基钻井液，其特征在于：所述稳定分散剂选自脂肪胺聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚和烷基酚聚氧乙烯醚中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的耐高温水基钻井液，其特征在于：所述稳定剂选自异丙醇、4-氯1-丁醇、6-氯1-己醇、4-溴苯甲醇、二硫化二异丙基黄原酸酯和二硫化二正丁基黄原酸酯中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的耐高温水基钻井液，其特征在于：所述改性剂是通过将硫磺加热至120~160℃，10~60分钟后，加热至500~600℃，同时通入惰性气体，保持压力0.5~2.0MPa，保持10~100分钟，形成硫蒸汽，再将硫蒸汽喷入至含稳定分散剂和稳定剂的淬冷液中急冷得到。

6.根据权利要求1所述的耐高温水基钻井液，其特征在于：所述钻井液中还包括性能调节剂，所述性能调节剂选自改性淀粉或水溶性纤维中的至少一种，其加入量按基浆和改性高软化点沥青液的总重量计，为二者总量的0.1%~5%。

7.根据权利要求6所述的耐高温水基钻井液，其特征在于：所述改性淀粉为磷酸酯淀粉、羧甲基淀粉或阳离子淀粉；所述水溶性纤维为羧甲基纤维素、聚乙烯醇纤维或羟乙基纤维素。

8.权利要求1~7任意一项所述的耐高温水基钻井液的制备方法，包括以下步骤：

①制备改性高软化点沥青液：将基础沥青加入至水中进行粉碎，加入稳定分散剂和稳定剂，得到沥青液；将硫磺加热至120~160℃，10~60分钟后，加热至500~600℃，同时通入惰性气体，保持压力0.5~2.0MPa，保持10~100分钟，形成硫蒸汽；将硫蒸汽喷入到沥青液中，两者的加入量按硫磺与基础沥青的质量比为1~3:7~9，形成的沥青颗粒悬浮于沥青液中，40~65℃条件下保持30~120分钟，得到改性高软化点沥青液；所述稳定分散剂为聚氧乙烯醚类，所述稳定剂为醇类或黄原酸酯类；

②将改性高软化点沥青液和基浆，或将改性高软化点沥青液、基浆和性能调节剂混合均匀，得到所述耐高温水基钻井液。

9.根据权利要求8所述的耐高温水基钻井液的制备方法，其特征在于：所述稳定分散剂选自脂肪胺聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚和烷基酚聚氧乙烯醚中的至少一种，稳定分散剂的加入量为基础沥青的0.1~10%。

10.根据权利要求8所述的耐高温水基钻井液的制备方法，其特征在于：所述稳定剂选自异丙醇、4-氯1-丁醇、6-氯1-己醇、4-溴苯甲醇、二硫化二异丙基黄原酸酯和二硫化二正丁基黄原酸酯中的至少一种，稳定剂的加入量为硫磺的0.01-0.5%。