一种复合改性有机土及含有该组分的全矿物油基钻井液

摘要

本发明公开了一种复合改性有机土及含有该组分的全矿物油基钻井液，该复合改性有机土，包括钠基膨润土或钠化钙基膨润土、有机阳离子表面活性剂和非离子的烷氧基脂肪胺；其中，膨润土的阳离子交换容量为80～110毫克当量/100克；所述有机阳离子表面活性剂中的阳离子和烷氧基脂肪胺中的胺基总量为膨润土的阳离子交换容量的75%～125%。该复合改性有机土极易在矿物油中分散，能提高全矿物油基钻井液的在低剪切速率下的粘度。本发明提供的全矿物油基钻井液，包括矿物油、前述复合改性有机土、油性润湿反转剂、碱度控制剂、降滤失剂、水和加重材料。该钻井液在180℃高温时动塑比达到0.5以上，低剪切速率（5.1s

说明书

技术领域

本发明属于石油和天然气行业中钻井液领域，涉及一种复合改性有机土及 含有该组分的全矿物油基钻井液。

背景技术

长期以来，油基钻井液具有良好的抑制性、润滑性、抗温性等特点，在国 外广泛地应用。目前正在使用的基础油主要是低毒、环境友好的矿物油和合成 基础油。在这类基础油中芳烃含量较低，传统有机土难以在其中分散，不能有 效提高钻井液的粘度，难以悬浮钻屑和加重材料。

目前，应用于油基钻井液中的有机土主要是由蒙脱石含量高的钠基膨润土 或钠化钙基膨润土表面包覆阳离子表面活性剂制得的，其中阳离子表面活性剂 主要是十八烷基三甲基氯化铵、双十八烷基二甲基氯化铵、十八烷基苄基二甲 基氯化铵、牛脂基三甲基氯化铵等。这类有机土在芳烃含量高的柴油中能够有 效分散，形成触变性流体。但在低毒、环境友好的矿物油、尤其是在水分含量 低于10%的全矿物油基钻井液中难以分散。目前，应用于矿物油基钻井液中的 商品有机土中往往添加了丙烯酸酯类聚合物和丁苯聚合物，这类聚合物易溶于 油相，可增加油相粘度，但是这类聚合物在高温和高剪切条件下会产生热氧化 降解和机械降解。

强化钻井液携岩效率的重要技术措施是提高钻井液在低剪切速率下的粘 度，尤其是在大位移井、大斜度井和长水平段水平井中。目前，在全矿物油基 钻井液中，由于其水分含量低，通常低于10%，有的甚至低于5%，缺少被乳化 液滴，低剪切速率时钻井液粘度很低。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种复合改性有机土，特别适用于矿物油基钻井 液，该复合改性有机土的添加可提高矿物油基钻井液在低剪切速率下的粘度和 动切力。

本发明的另一个目的是提供一种全矿物油基钻井液，其在低剪切速率下即 具有较大粘度，且在180℃高温下具有良好的流变性。

为此，本发明的技术方案为：

一种复合改性有机土，包括钠基膨润土或钠化钙基膨润土、有机阳离子表 面活性剂和非离子的烷氧基脂肪胺；

其中，所述钠基膨润土或钠化钙基膨润土的阳离子交换容量为80～110毫克 当量/100克；

所述有机阳离子表面活性剂中的阳离子和所述烷氧基脂肪胺中的胺基总量 为所述钠基膨润土或钠化钙基膨润土的阳离子交换容量的75%～125%，优选 90%～110%，最优选95～100%。

所述有机阳离子表面活性剂是含有至少一个C₁₆～C₁₈烷基的季铵盐。

所述有机阳离子表面活性剂是二甲基双脂肪烷基季铵盐、苄基甲基双脂肪 烷基季铵盐或甲基三脂肪烷基季铵盐，优选二甲基双十八烷基氯化铵。

所述烷氧基脂肪胺的通式为：

其中，R=C₁₂～C₃₀的直链或支链、饱和或不饱和烃基，优选C₁₂～C₂₂的直链 或支链、饱和或不饱和烃基，更优选C₁₆～C₁₈的直链或支链、饱和或不饱和烃基， 最优选的R为C₁₆～C₁₈烃基；R₁=R₂=-(CR₃R₄-CR₅R₆O)_yH，其中R₃、R₄、R₅和 R₆是H或-CH₃，优选地，R₃、R₄、R₅和R₆是H且y=2～15，最优为y=5～7.5。

所述烷氧基脂肪胺为含有C₁₆～C₁₈脂肪烃基的脂肪胺聚氧乙烯醚；优选烷氧 基脂肪胺为含有10～15个聚氧乙烯单元的十六胺聚氧乙烯醚、十八胺聚氧乙烯 醚，优选十八胺聚氧乙烯醚（10）、十八胺聚氧乙烯醚（12）或十八胺聚氧乙烯 醚（15）。

本发明所述的复合改性有机土可通过湿法或干法制备，只需将阳离子表面 活性剂和烷氧基脂肪胺全部或绝大部分包覆在钠基膨润土或钠化钙基膨润土的 表面即可。

本发明制得的复合改性有机土极易在矿物油中分散，能提高全矿物油基钻 井液的在低剪切速率下的粘度。

一种含本发明所述复合改性有机土的全矿物油基钻井液，包括矿物油、所 述复合改性有机土、油性润湿反转剂、碱度控制剂、降滤失剂、水和加重材料； 以矿物油体积为基准，所述复合改性有机土的含量为5～50g/L；所述油性润湿反 转剂的含量为20～30g/L；所述碱度控制剂的含量为20～30g/L；所述降滤失剂含 量为20～40g/L；水的含量为30～50g/L；所述加重材料在每升所述全矿物油基钻 井液中的含量为425～2000g。

其中，所述矿物油为工业5#白油；所述复合改性有机土含量为30～45g/L。

所述油性润湿反转剂为BZ-OWA油性润湿反转剂，其主要作用是将加重材 料和地层岩屑表面由亲水性表面转变为亲油性表面；选用由渤海钻探泥浆技术 服务公司生产的产品名称为BZ-OWA的油性润湿反转剂。

所述降滤失剂为氧化沥青类、亲有机改性腐植酸酰胺或苯乙烯聚合物类油 基钻井液降滤失剂，本发明优先选用氧化沥青类油基钻井液降滤失剂，产品为 渤海钻探泥浆技术服务公司生产的BZ-OFL-II的降滤失剂。

所述加重材料为以任意比混合的石灰石粉和重晶石。

所述加重材料在使用时，优先利用石灰石粉将所述全矿物油基钻井液密度 调节为1.1g/cm³，然后用重晶石粉加重钻井液密度到1.3～1.8g/cm³。

该钻井液（1.3g/cm³）在180℃高温时动塑比达到0.5以上，低剪切速率（5.1s^-1） 时粘度高达1169.5mPa·s，具有良好的流变性。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

以下采用湿法制备，将2～7%的钠基膨润土或钠化钙基膨润土分散到去离子 水中，用离心法去除膨润土分散液中砂质杂质，然后将二甲基双十八烷基氯化 铵和十八胺聚氧乙烯醚（15）溶于乙醇中，优选地在21℃～100℃范围内保持一 段时间，反应温度更优选地在40℃～85℃内，使有机表面活性剂和钠基膨润土或 钠化钙基膨润土充分反应。反应完成后对复合改性有机土进行过滤、洗涤、干 燥和研磨。本发明中复合改性有机土制备工艺与传统工艺相比，无特别之处。

实施例1～3

按照上述工艺，制备了三种复合改性有机土，具体比例见表1。

表1复合改性有机土

利用上述复合改性有机土制备全矿物油基钻井液，具体配方见表2，测试其 在高温老化前后的流变性和高温高压滤失量，测试结果见表3。

表2全矿物油基钻井液

组分 配方-1 配方-2 配方-3 5#白油,mL 400 400 400 BZ-OWA，g 8 8 8 OC-1，g 18 — — OC-2，g — 18 — OC-3，g — — 18 氢氧化钙，g 10 10 10 BZ-GLS-II，g 16 16 16 水，g 20 20 20 石灰石粉，g 170 170 170 重晶石，g 150 150 150

表3表2中全矿物油基钻井液的性能

注：①流变参数测试温度为50℃；

②老化条件为150℃×16h；

③高温高压滤失FL_HTHP条件为150℃，压差为3.5MPa；

④其中Φ₆₀₀、Φ₃₀₀、Φ₂₀₀、Φ₁₀₀、Φ₆、Φ₃分别代表600转/分、300转/分、200转/ 分、100转/分、6转/分、3转/分的读数。

由以上结果可知，本发明制得的全矿油基钻井液，老化前后的表观粘度 （AV）、塑性粘度（PV）和动切力（YP）变化较小，并且，低剪切速率流变性 较高（6转/分和3/分转时的读数），初切（Gel_10s）和终切（Gel_10min）差值较小， 钻井液流变性抗温性能良好；在老化后的高温高压滤失量（FL_HTHP）低于5.0mL， 最低至2.8mL。本发明制得的复合改性有机土能使该全矿物油基钻井液具良好的 悬浮性和明显的“快速的弱凝胶”性质。

将上述配方-3老化后的全矿油基钻井液用高温高压流变仪Fann50SL测试 剪切速率为1022s^-1、511s^-1、340s^-1、170s^-1、10.2s^-1和5.1s^-1的流变性，用塑 性流体流变模式（宾汉模式）计算50℃、65℃、100℃、120℃、150℃和180℃ 时的表观粘度（AV）、塑性粘度（PV）、动切力（YP）和动塑比（YP/PV），结 果见表4。

表4配方-3钻井液不同温度条件下的流变性

注：LSRV-低剪切速率粘度。

随着温度升高，按照配方-3配制的全矿物油基钻井液流变参数均降低，动 塑比上升，由0.16（50℃）升高至0.53（180℃），表明全矿物油基钻井液的剪 切稀释性随温度升高得到大大地改善，在180℃高温下低剪切速率（5.1s^-1）保 持在1169.5mPa·s，表明该体系具有较高的低剪切速率粘度。上述结果表明，在 高温180℃时全矿物油基钻井液在低剪切速率时具有较高粘度。