一种基于氯化石蜡的油基钻井液及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种基于氯化石蜡的油基钻井液及其制备方法和应用，利用氯化石蜡作为基础油，添加一定配比的无机盐水溶液、复合乳化剂、复合降粘剂和其他添加剂制成，本发明的油基钻井液对人体无毒性，不可燃烧，更为安全环保，并可减少乳化剂的用量，氯化石蜡自身的成本也比较低，可大幅的降低油基钻井液的生产成本，并且制得的油基钻井液密度高、润滑性好、流变性好、乳液稳定性好，可广泛应用于水平井、定向井、超深井、易塌井段和水敏性复杂地层等钻探作业中。

说明书

技术领域

本发明涉及油基钻井液技术领域，更具体地，涉及一种基于氯化石蜡的油基钻井液及其制备方法和应用。

背景技术

钻井液是油气钻井过程中使用的循环流体，按分散介质的不同一般可分为水基钻井液、油基钻井液和气体型钻井液。其中油基钻井液是以油为分散介质，乳化剂、降滤失剂、加重剂、有机土等添加剂和水为分散相的悬浮混合体系，具有抗高温、抗盐侵、润滑性好、有利于井壁稳定性和对油气层损害程度低等优点，目前在钻探高温深井、大斜度定向井、水平井和各种高难度、复杂地层中有重要应用。

目前油基钻井液的基础油主要为矿物油，如柴油、白油，但这些基础油存在明显缺点，主要表现为以下两方面：(1)环保性差，柴油中芳烃含量较高，不仅毒性较大而且干扰荧光录井，矿物油闪点较低易燃烧，使用安全性较差。(2)成本高，由于基础油成本较高，目前为了降低成本一般采用油包水型油基钻井液，但基础油体积分数仍在60％以上；为了形成稳定的油包水乳液，体系中还需加入大量乳化剂，进一步增加了成本；若利用生物柴油为基础油虽较为环保，但成本很高。有少量关于氯化石蜡在钻井液中应用的报道，但都是将氯化石蜡作为润滑剂，用于提高水基钻井液的润滑性能，起到解卡、提速的作用，如专利CN103642467B公开了钻井液用低荧光防卡润滑剂及其制备方法，其中17.3％的氯化石蜡为水基钻井液用润滑剂的合成原料之一；刘建军等在论文《钻井液用低荧光高效极压润滑剂BDLU-100L的性能研究》中将定量氯化石蜡加入白油中制备得到水基钻井液用润滑剂(见《油田化学》，2016(33):2)。但以上技术仅将少量含氯化石蜡的油相加入水基钻井液形成水包油乳液，制备润滑剂，并不能改变传统水基钻井液的缺陷，也不能称之为油基钻井液。中国专利CN106634888A公开了一种适合页岩气长水平段用高水相油基钻井液，利用0号柴油、5号白油或气质油作为基础油，还通过添加高效乳化剂、纳米封堵剂等助剂，制得油水比例低、润滑性较好的油基钻井液，但所使用的基础油成本较高，且由于使用了有毒性、易燃烧的基础油，存在环保安全性能不够好的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有油基钻井液不够安全环保的缺陷和不足，提供一种基于氯化石蜡的油基钻井液，具有无毒，环保的特点，不可燃烧，安全性能好，并且还具有密度高、润滑性好、流变性好的特点，另外基础油成本较低。

本发明的另一目的是提供一种基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法。

本发明的又一目的是提供一种基于氯化石蜡的油基钻井液的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，包括基液和添加剂，所述基液包括按照体积份计算的氯化石蜡60～90份和无机盐水溶液10～40份；其中氯化石蜡的氯元素的质量含量为5％～70％；所述添加剂按体积重量比加入，添加剂包括复合乳化剂0.5～3％，复合降粘剂2～8％。

氯化石蜡又称作氯代烷烃，由烷烃、酯类等与氯气经氯化取代反应制得，主要为C

优选地，所述基液包括按照体积份计算的氯化石蜡70～85份和无机盐水溶液15～30份。

优选地，所述氯化石蜡的氯元素的质量含量为39％～60％。

优选地，所述添加剂包括按体积重量比加入的复合乳化剂1.5～3％和复合降粘剂3～5％。

优选地，所述无机盐水溶液的质量浓度为15％～35％。

优选地，所述复合乳化剂为失水山梨醇脂肪酸酯类非离子型表面活性剂、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯类非离子型表面活性剂、高级脂肪酸盐类表面活性剂、纳米材料中的一种或几种。

更优选地，所述复合乳化剂为质量比为1:1～2:0.5～1:0.1～0.5失水山梨醇脂肪酸酯类非离子型表面活性剂、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯类非离子型表面活性剂、高级脂肪酸盐类表面活性剂与纳米材料的混合物。

本发明所述失水山梨醇脂肪酸酯类非离子型表面活性剂包括但不限于Span20、Span40、Span60、Span80中的一种或几种。

本发明所述聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯类非离子型表面活性剂包括但不限于Tween20、Tween40、Tween60、Tween80中的一种或几种。

本发明所述高级脂肪酸盐类表面活性剂包括但不限于脂肪酸或聚酰胺脂肪酸的钠盐或钙盐；纳米材料为疏水性纳米二氧化硅，粒径为10～100nm。

优选地，所述复合乳化剂的HLB值为2～6。

本发明通过加入复合乳化剂，可在较低的乳化剂用量下形成稳定的油包水乳液，其中纳米材料有助于形成Pickering乳液，可显著提高乳液的高温稳定性，并降低钻井液滤失量。

优选地，所述复合降粘剂为油溶性降粘剂与碳原子数为C3～C6的低碳醇的混合物。

更优选地，所述复合降粘剂为质量比为1:1～5的油溶性降粘剂与低碳醇的混合物。

优选地，所述油溶性降粘剂为含有极性基团的低分子量油溶性聚合物。

更优选地，所述油溶性降粘剂为乙烯丙烯酸酯共聚物或乙烯醋酸乙烯酯马来酸酐共聚物。

优选地，所述低碳醇为碳原子数为3～6的正构醇或异构醇。

更优选地，所述低碳醇为正戊醇、正己醇、正丁醇、异戊醇、异丁醇中一种或几种。

优选地，所述添加剂还包括降滤失剂、有机土、碱度调节剂和加重剂。

优选地，所述添加剂包括按体积重量比加入的降滤失剂2～4％。

优选地，所述添加剂包括按体积重量比加入的有机土0.5～2.5％。

优选地，所述添加剂包括按体积重量比加入的碱度调节剂0.5～3％。

优选地，所述加重剂根据需要改变加量，调节钻井液密度为1.2～2.5g/cm

本发明所述降滤失剂包括但不限于氧化沥青粉、磺化沥青粉、有机褐煤粉、橡胶粉、腐殖酸酰胺中的一种或多种。

优选地，所述降滤失剂为氧化沥青粉和有机褐煤粉，其质量比为1～3:1。

本发明所述有机土包括但不限于季铵盐类阳离子表面活性剂进行改性的膨润土。

本发明所述碱度调节剂包括但不限于氧化钙、氢氧化钙、氧化镁中的一种或多种。

本发明所述加重剂包括但不限于石灰石、重晶石、赤铁矿中的一种或几种。

本发明保护上述的油基钻井液的制备方法，包括如下步骤：

将氯化石蜡、复合降粘剂、复合乳化剂混合均匀制得油相溶液，加入无机盐水溶液后混合均匀制得钻井液基液，再加入所需降滤失剂、有机土、碱度调节剂、加重剂后混合均匀制得油基钻井液。

本发明还保护上述的油基钻井液在钻探作业中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用氯化石蜡作为基础油，与一定配比的无机盐水溶液、复合乳化剂、复合降粘剂和其他添加剂共同制得油基钻井液，氯化石蜡对人体无毒性，不可燃烧，油基钻井液更为安全环保，氯化石蜡具有一定的乳化能力，可降低油基钻井液中乳化剂的用量，氯化石蜡自身的成本也比较低，可大幅度降低油基钻井液的生产成本，还可通过调节氯化石蜡的含氯量，增加产品密度，制得的油基钻井液密度高、润滑性好、流变性好，较低的滤失量和较高的电稳定性，可广泛应用于水平井、定向井、超深井、易塌井段和水敏性复杂地层等钻探作业中。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。

实施例和对比例中所用原料说明：

氯化石蜡：正构烷烃为原料，氯含量分别为39％，42％，52％，牌号分别为氯化石蜡-39#，氯化石蜡-42#，氯化石蜡-52#；由广州江盐化工有限公司生产；

降滤失剂(牌号：HFLO)：购买于四川泓华油气田工程科技有限公司；

重晶石粉(II级)：购买于四川泓华油气田工程科技有限公司；

复合降粘剂(牌号：JNA-1)：乙烯醋酸乙烯酯共聚物:异戊醇＝1:2，由广州江盐化工有限公司生产；

复合乳化剂(牌号：EMA-1)：Span60:Tween60:硬脂酸钙:50nm疏水二氧化硅＝1:1:1:0.2，由广州江盐化工有限公司生产；

有机土(牌号：HFGEL-120)：购买于浙江丰虹新材料股份有限公司；

其余原料：购买于国药集团化学试剂有限公司。

实施例1

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，包括基液和添加剂，基液总量400mL，基液包括按照体积份计算的氯化石蜡-52#80份，无机盐水溶液(25％氯化钙溶液)20份；添加剂按体积重量比加入，添加剂为：5％复合降粘剂(乙烯醋酸乙烯酯共聚物:异戊醇＝1:2)，1.5％复合乳化剂(Span60:Tween60:硬脂酸钙:50nm疏水二氧化硅＝1:1:1:0.2)，1％有机土，2.5％降滤失剂(氧化沥青:有机褐煤＝1:2)，2％碱度调节剂(氧化钙)。

上述油基钻井液的制备方法，包括如下步骤：

在高速搅拌条件下，在氯化石蜡中加入复合降粘剂搅拌30min，随后加入复合乳化剂使其充分溶解，配制得到油相溶液；在高速搅拌条件下，将氯化钙溶液缓慢加入油相溶液中，继续搅拌30min混合均匀得到乳液；在高速搅拌条件下，依次将有机土、降滤失剂、碱度调节剂、加重剂加入乳液中制得油基钻井液，每种添加剂加入后均需搅拌30min方可加入下一种添加剂，配制好的油基钻井液密闭静置24h方可进行性能测定；所用搅拌器为GJ-3S数显高速搅拌机及配套不锈钢高搅杯，所述高速搅拌的转速为10000r/min，搅拌时间为30min以上，以保证物料混合均匀。

实施例2

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，在实施例1配方基础上，改变基油种类、盐水浓度、基液体积比、添加剂种类和用量而成，具体配方为：包括基液和添加剂，基液总量400mL，基液包括按照体积份计算的氯化石蜡-42#75份，无机盐水溶液(30％氯化钙溶液)25份；添加剂按体积重量比加入，添加剂为：6％复合降粘剂(乙烯丙烯酸酯共聚物:正戊醇＝1:4)，1.0％复合乳化剂(Span20:Tween80:油酸钠:20nm疏水二氧化硅＝1:1:1:0.2)，1.5％有机土，2.0％降滤失剂(磺化沥青:腐殖酸酰胺＝2:1)，1.5％碱度调节剂(氧化钙)。

上述基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法与实施例1相同。

实施例3

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，在实施例2配方基础上，改变基油为氯化石蜡-52#而成，具体配方为：包括基液和添加剂，按基液总量400mL，基液包括按照体积份计算的基油氯化石蜡-52#75份：30％氯化钙溶液25份；添加剂按体积重量比加入，添加剂为：6％复合降粘剂(乙烯丙烯酸酯共聚物:正戊醇＝1:4)，1.0％复合乳化剂(Span20:Tween80:油酸钠:20nm疏水二氧化硅＝1:1:1:0.2)，1.5％有机土，2.0％降滤失剂(磺化沥青:腐殖酸酰胺＝2:1)，1.5％碱度调节剂(氧化钙)。

上述基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法与实施例1相同。

实施例4

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，在实施例2配方基础上，改变基油为氯化石蜡-39#而成，具体配方为：包括基液和添加剂，按基液总量400mL，基液包括按照体积份计算的氯化石蜡-39#75份，盐水(30％氯化钙溶液)25份；添加剂按体积重量比加入，添加剂为：6％复合降粘剂(乙烯丙烯酸酯共聚物:正戊醇＝1:4)，1.0％复合乳化剂(Span20:Tween80:油酸钠:20nm疏水二氧化硅＝1:1:1:0.2)，1.5％有机土，2.0％降滤失剂(磺化沥青:腐殖酸酰胺＝2:1)，1.5％碱度调节剂(氧化钙)。

上述基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法与实施例1相同。

实施例5

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，在实施例2配方基础上，改变基液体积比、添加剂种类和用量而成，具体配方为：包括基液和添加剂，按基液总量400mL，基液包括按照体积份计算的氯化石蜡-52#85份，盐水(25％氯化钙溶液)15份；添加剂按体积重量比加入，添加剂为：4％复合降粘剂(乙烯丙烯酸酯共聚物:正戊醇＝1:4)，1.0％复合乳化剂(Span20:Tween80:硬脂酸钙:20nm疏水二氧化硅＝1:2:1:0.4)，1.5％有机土，2.0％降滤失剂(磺化沥青:腐殖酸酰胺＝2:1)，2.5％碱度调节剂(氧化钙)。

上述基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法与实施例1相同。

实施例6

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，在实施例2配方基础上，改变盐水浓度、基液体积比、添加剂种类和用量而成，具体配方为：包括基液和添加剂，按基液总量400mL，基液包括按照体积份计算的氯化石蜡-52#70份，盐水(20％氯化钙溶液)30份，添加剂为：3％复合降粘剂(乙烯醋酸乙烯酯共聚物:异戊醇＝1:5)，2.8％复合乳化剂(Span40:Tween60:聚酰胺脂肪酸钠:100nm疏水二氧化硅＝1:2:0.5:0.4)，2.5％有机土，2.5％降滤失剂(氧化沥青:腐殖酸酰胺＝1:1)，2.0％碱度调节剂(氢氧化钙)。

上述基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法与实施例1相同。

实施例7

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，在实施例2配方基础上，改变添加剂种类和用量而成，具体配方为：包括基液和添加剂，按基液总量400mL，基液包括按照体积份计算的氯化石蜡-52#80份，盐水25％氯化钙溶液20份，添加剂为：2％复合降粘剂(乙烯丙烯酸酯共聚物:异戊醇＝1:4)，1.5％复合乳化剂(Span40:Tween60:聚酰胺脂肪酸钠:100nm疏水二氧化硅＝1:2:0.5:0.4)，2.5％有机土，2.0％降滤失剂(氧化沥青:有机褐煤＝1:1)，2.0％碱度调节剂(氧化钙)。

上述基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法与实施例1相同。

实施例8

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，在实施例2配方基础上，改变基液体积比、添加剂种类和用量而成，具体配方为：包括基液和添加剂，按基液总量400mL，基液包括按照体积份计算的氯化石蜡-52#75份，盐水(25％氯化钙溶液)25份，添加剂为：4％复合降粘剂(乙烯丙烯酸酯共聚物:异戊醇＝1:4)，0.8％复合乳化剂(Span40:Tween60:聚酰胺脂肪酸钠:100nm疏水二氧化硅＝1:2:0.5:0.4)，2.5％有机土，3.0％降滤失剂(氧化沥青:有机褐煤＝1:1)，2.0％碱度调节剂(氧化钙)。

上述基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法与实施例1相同。

实施例9

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，在实施例1配方基础上，改变钻井液密度、添加剂种类和用量而成，具体配方为：按基液总量400mL，包括基液和添加剂，基液包括按照体积份计算的氯化石蜡-52#80份，盐水(25％氯化钙溶液)20份，添加剂为：8％复合降粘剂(乙烯丙烯酸酯共聚物:正戊醇＝1:4)，1.5％复合乳化剂(Span20:Tween80:硬脂酸钙:20nm疏水二氧化硅＝1:2:1:0.4)，1.5％有机土(有机土)，2.0％降滤失剂(磺化沥青:腐殖酸酰胺＝2:1)，2.5％碱度调节剂(氧化钙)，重晶石加重至1.8g/cm

上述基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法与实施例1相同。

实施例10

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，在实施例1配方基础上，改变钻井液密度而成，具体配方为：包括基液和添加剂，按基液总量400mL，基液包括按照体积份计算的氯化石蜡-52#80份，盐水(25％氯化钙溶液)20份，添加剂为：8％复合降粘剂(乙烯丙烯酸酯共聚物:正戊醇＝1:2)，1.5％复合乳化剂(Span20:Tween80:硬脂酸钙:20nm疏水二氧化硅＝1:2:1:0.4)，1.5％有机土，2.0％降滤失剂(磺化沥青:腐殖酸酰胺＝2:1)，2.5％碱度调节剂(氧化钙)，重晶石加重至2.0g/cm

上述基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法与实施例1相同。

实施例11

一种基于氯化石蜡的油基钻井液，在实施例11配方基础上，改变钻井液密度而成，具体配方为：包括基液和添加剂，按基液总量400mL，基液包括按照体积份计算的氯化石蜡-52#80份，盐水(25％氯化钙溶液)20份，添加剂为：8％复合降粘剂(乙烯丙烯酸酯共聚物:正戊醇＝1:2)，1.5％复合乳化剂(Span20:Tween80:硬脂酸钙:20nm疏水二氧化硅＝1:2:1:0.4)，1.5％有机土，2.0％降滤失剂(磺化沥青:腐殖酸酰胺＝2:1)，2.5％碱度调节剂(氧化钙)，重晶石加重至2.2g/cm

上述基于氯化石蜡的油基钻井液的制备方法与实施例1相同。

对比例1

本对比例的油基钻井液的组分和制备方法同实施例1，区别在于，将氯化石蜡替换为0#柴油，去除复合降粘剂、加重剂制成。

对比例2

本对比例的油基钻井液的组分和制备方法同实施例1，区别在于，将氯化石蜡替换为5#白油，去除复合降粘剂、加重剂制成。

性能测试

1、测试方法

本发明所述油基钻井液测试方法按照国家标准GB16783.2-2012“石油天然气工业钻井液现场测试第2部分：油基钻井液”，以及石油天然气行业标准SY/T6094-94“钻井液用润滑剂评价程序”所述程序对油基钻井液性能进行测定，具体如下：

(1)用YM-1液体密度计测定油基钻井液密度；

(2)用ZNN-D6B电动六速旋转粘度计测定油基钻井液流变性；

(3)用DWY-2电稳定性测定仪在50℃测定油基钻井液电稳定性；

(4)用SD4四联失水仪测定油基钻井液API滤失量；

(5)用GGS71-A高温高压失水仪在120℃，3.5MPa测定油基钻井液高温高压滤失量；

(6)用PHS-25型pH计测定油基钻井液pH值；

(7)用EP-2A极压润滑仪测定油基钻井液润滑系数；

(8)使用XGRL-5滚子加热炉和配套不锈钢老化罐在120℃热滚16h进行滚后测试。

2、测试结果

表1不同基油的性能指标

由表1可知，相比于柴油和白油，加入降粘剂后的氯化石蜡粘度显著降低，相对于0#柴油、5#白油仅略高一些，但密度显著增大，从倾点和热稳定性可知，高温稳定，低温稳定性更好，由于闪点高、不可燃烧、芳烃含量低、无毒性，用作油基钻井液的安全性和环保性十分突出。

表2不同基油种类对油基钻井液性能的影响

由表2可知，实施例1的以氯化石蜡为基油的油基钻井液相比于不含加重剂的对比例1和2的柴油和白油配制的油基钻井液，密度明显增大，表明以氯化石蜡为基油可以增加油基钻井液的密度，表观粘度和塑性粘度略高，但是不影响油基钻井液在实际工作中的性能，而油基钻井液的动切力、动塑比、电稳定性、滤失量、抗温性能、润滑性能更优，说明在同等配方条件下其性能更好；同时氯化石蜡作为基油在成本和环保性方面相比传统的柴油和白油也更具优势。

表3不同氯化石蜡的氯含量对油基钻井液性能的影响

由表3可知，在不改变其他添加剂的条件下，随着氯化石蜡的氯含量增大，油基钻井液密度和粘度也随着增大；且以不同含氯量的氯化石蜡作为基础油的油基钻井液，都具有较好的流变性、较低的滤失量和较高的电稳定性。

表4不同添加剂种类与用量对油基钻井液性能的影响

由表4可知，改变复合降粘剂和复合乳化剂的种类和用量，对油基钻井液性能影响不大，油基钻井液均能维持较好的性能。

表5不同加重剂用量对油基钻井液性能的影响

由表5可知，随着加重剂的密度增大，油基钻井液的流变性和降滤失性能也随着降低，但是降幅不大，主要是因为体系中还加入了氯化石蜡，因此加重剂的用量不是很多，虽然性能有所降低但影响不大，相对于常规油基钻井液，整体性能仍然具有优势。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。