阅读说明：本技术 一种无黏土相合成基钻井液及其制备方法 (Clay-free phase synthetic base drilling fluid and preparation method thereof ) 是由 王磊磊 陈庭贵 郭剑梅 闫晓婷 张现斌 张坤 马红 郭立华 高宁 张鹏 赵颖 于 2019-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无黏土相合成基钻井液,包括以质量分数计的60％～95％的合成基础油和5％～40％盐水,二者质量分数总计为100％；以及以合成基础油和盐水总重量计的2％～6％的乳化剂、0.5％～1％的流型调节剂、2％～3％的氧化钙、2％～3％的降滤失剂和50％～500％的惰性加重材料；该无黏土相合成基钻井液通过将合成基础油、盐水、乳化剂、氧化钙、降滤失剂和惰性加重材料按照一定比例混合复配而成,除实现在钻井液体系中去除了有机土这一成分外,还具有增大钻井液的固相容限,提升高温和高密度条件下的流动性的特点,能够进一步获得更好的保护储层。(The invention discloses a clay-free phase synthetic base drilling fluid, which comprises 60-95% of synthetic base oil and 5-40% of brine by mass, wherein the mass percentages of the synthetic base oil and the brine are 100%; 2 to 6 percent of emulsifier, 0.5 to 1 percent of flow pattern regulator, 2 to 3 percent of calcium oxide, 2 to 3 percent of filtrate reducer and 50 to 500 percent of inert weighting material based on the total weight of the synthetic base oil and the salt water; the clay-free phase synthetic base drilling fluid is prepared by mixing and compounding synthetic base oil, saline water, an emulsifier, calcium oxide, a filtrate reducer and an inert weighting material according to a certain proportion, and has the characteristics of increasing the solid phase tolerance of the drilling fluid and improving the mobility under the conditions of high temperature and high density besides removing the component of organic soil in a drilling fluid system, so that a better reservoir protection layer can be further obtained.)

一种无黏土相合成基钻井液及其制备方法

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发技术领域，特别涉及一种无黏土相合成基钻井液及其制备方法。

背景技术

油基钻井液是以油为连续相，水为分散相，配合乳化剂、提切剂、封堵剂、降滤失剂、碱以及其他化学剂组成的钻井液体系。其与水基钻井液相比，具有良润滑、抗污染、抗高温、强抑制、保护油气层等优点，因此，被越来越广泛的用于深井超深井、复杂结构井、特殊地层井、大位移水平井等难度井中。

油基钻井液的悬浮问题一直是一个难点，目前在油基钻井液中常用有机土来改善流型，提高悬浮能力。但有机土会减小油基钻井液的固相容量，污染低渗透储层，且在高温下易增稠，导致泥浆性能发生恶化。因此，选用合适的流型调节剂来替代有机土，形成无黏土相油基钻井液，是目前发展的一个趋势。

当前，随着复杂井的日益增多和环保法规的日益严格，对钻井液的性能提出了更高的要求。合成基钻井液是在水基钻井液不能满足井下复杂情况的性能要求，传统矿物油基(柴油、白油)钻井液不能满足环境保护要求的情况下应运而生的。合成基钻井液在拥有传统的矿物油钻井液抗温优良、抑制性强及润滑性好等优点的基础上，同时又具备毒性低、可生物降解、无荧光等优点，在海洋深水和环境敏感地区被广泛使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种无有机土、配方简单、乳化稳定性强、触变性好、生物毒性低的无黏土相合成基钻井液。

本发明的另一目的是提供一种制备上述无黏土相合成基钻井液的方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种无黏土相合成基钻井液，包括以质量分数计的60％～95％的合成基础油和5％～40％盐水，二者质量分数总计为100％；以及以合成基础油和盐水总重量计的2％～6％的乳化剂、0.5％～1％的流型调节剂、2％～3％的氧化钙、2％～3％的降滤失剂和50％～500％的惰性加重材料；其中，

所述盐水为质量分数为20～25％的氯化钠溶液、氯化钙溶液、氯化钾溶液、甲酸钠溶液、甲酸钾溶液或甲酸铯溶液；

所述乳化剂由烷基葡萄糖酰胺、阴离子表面活性剂和非极性溶剂复配而成；其中，烷基葡萄糖酰胺由27～50重量份葡萄糖甲胺、29～43重量份一元脂肪酸或其脂肪酸酯、9～27份极性溶剂和0.12～0.16份醇钠制备得到，其分子结构式如式所示：

其中，n为5～17中任一整数，且n为奇数；极性溶剂为C₁～C₄的小分子一元醇或二元醇；阴离子表面活性剂为1～3重量份硫酸酯盐型阴离子表面活性剂；非极性溶剂为7～9重量份合成基础油，合成基础油为在40℃下运动粘度为2～6mm²/s的合成基础油；

在形成该乳化剂配方组分中，上述烷基葡萄糖酰胺属于非离子型表面活性剂，其毒性小且可生物降解，而作为用于制备烷基葡萄糖酰胺的原料：淀粉和油脂，在自然界中大量存在，属于可再生资源，具有原料以获取、成本低的特点；同时该烷基葡萄糖酰胺分子链中的葡萄糖链段上由于具有大量的羟基，使其具有强亲水性，与一定长度的脂肪族疏水链段形成酰胺分子链后，具有很强的表面活性，在较低的浓度下即可实现乳化的稳定性，因此，将其作为乳化剂用于合成基钻井液当中，在起到乳化作用的同时，还可以避免传统乳化剂环保性差的缺点。引入非极性溶剂的目是为了提高产品的流动性，便于现场加料施工；加入阴离子表面活性剂以适度拆散烷基葡萄糖酰胺因多羟基而形成的分子间缔合，增加产品的流动性，同时与烷基葡萄糖酰胺形成非离子/阴离子复合表面活性剂，达到协同增效的目的。

所述流型调节剂为由碳链长度为6～18的二元脂肪酸及其甲酯与葡萄糖甲胺反应生成的具有两条葡萄糖链段的烷基葡萄糖酰胺，或由碳链长度为10～18的多元脂肪酸及其甲酯与葡萄糖甲胺反应生成的具有多条葡萄糖链段的烷基葡萄糖酰胺；所述葡萄糖甲胺的氨基与所述脂肪酸的羧基的摩尔比为1:1.2～1.6；所述葡萄糖甲胺的氨基与所述脂肪酸甲酯的酯基的摩尔比为1:1.2～1.6。

在形成该流型调节剂通过以具有一定链长的二元脂肪酸/酯或多元脂肪酸/酯为反应中心，接上两个及以上的葡萄糖甲胺，形成以葡萄糖和脂肪链为主要结构的多羟基、多酰胺基的产物，其作为合成基钻井液的流型调节剂，不仅具有低毒和易降解的环保特性，而且其分子链上有大量的羟基和酰胺基的极性基团，使其在油包水乳液中易缔合形成弱凝胶形态，低流速状态下可有效增粘，悬浮固相颗粒；而在泵送等外力作用下，凝胶态容易被破坏，钻井液恢复良好的流动性，有利于提高机械钻速和提升对井壁的冲刷能力；另外，其结构上具有的既亲水又亲油的特性，使其同样具有表面活性强，能够提高钻井液的乳化稳定性的特点。

优选，所述合成基础油为气制油类合成基础油、聚α-烯烃类合成基础油、合成酯类合成基础油、内烯烃类合成基础油或聚醚类合成基础油。这些合成基础油均通过化学合成或精炼加工的方法制备而成，通过去除了芳香烃等有毒有害物质，具有环保、流动性好、无荧光、低凝固点等性质。上述各类合成基础油均可购自市售产品，如气制油可采用壳牌公司生产的Saraline185V型气制油或Sarapar147型气制油。

优选，所述醇钠为甲醇钠或乙醇钠。

优选，所述降滤失剂为褐煤树脂、氧化沥青中的至少一种。

优选，所述惰性加重材料为石灰石、重晶石、赤铁矿中的至少一种。

优选，所述硫酸酯盐型阴离子表面活性剂为脂肪醇硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐、甘油脂肪酸酯硫酸盐或硫酸化蓖麻酸钠。其中，所述脂肪醇硫酸盐具体采用碳数为12～16的脂肪醇硫酸盐，如十二烷基硫酸钠；所述脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐的化学结构式为：RO(CH₂CH₂O)_n-SO₃Na，其中，n＝2或3，R为碳数为12～15的烷基；所述甘油脂肪酸单酯硫酸盐具体采用脂肪酸碳数为12～14的甘油脂肪酸单酯硫酸盐，如甘油月桂酸单酯硫酸钠。

优选，所述极性溶剂乙醇、丙醇、丁醇、丙二醇中至少一种。

优选，形成乳化剂的脂肪酸或脂肪酸酯为己酸、辛酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸或硬脂酸、己酸甲酯、辛酸甲酯、癸酸甲酯、月桂酸甲酯、肉豆蔻酸甲酯、棕榈酸甲酯或硬脂酸甲酯；所述二元脂肪酸为己二酸、乙二酸、十二烷二酸、十六烷二酸或十八烷二酸；所述多元脂肪酸为十碳三元脂肪酸或十八碳三元脂肪酸。

一种制备上述无黏土相合成基钻井液的制备方法，步骤如下：

S1、将葡萄糖甲胺与二元脂肪酸、葡萄糖甲胺与二元脂肪酸甲酯、葡萄糖甲胺与多元脂肪酸、或葡萄糖甲胺与多元脂肪酸甲酯加入至极性溶剂中，混合搅拌均匀后加入醇钠催化剂，升温至130～140℃，回流反应4～5小时，而后旋蒸除去混合液中的极性溶剂，并冷却得到蜡状固体，经干燥、粉碎后，即得到流型调节剂产品；其中，脂肪酸或其脂肪酸甲酯与葡萄糖甲胺的投料比例满足：所述葡萄糖甲胺的氨基与所述脂肪酸的羧基的摩尔比为1:1.2～1.6；所述葡萄糖甲胺的氨基与所述脂肪酸甲酯的酯基的摩尔比为1:1.2～1.6；极性溶剂的用量为葡萄糖甲胺与脂肪酸的总重量的1.9～2.8倍，或葡萄糖甲胺与脂肪酸甲酯的总重量的1.9～2.8倍；醇钠催化剂的加入量为葡萄糖甲胺与二元或多元脂肪酸的总重量的0.1％～0.21％，或葡萄糖甲胺与与二元或多元脂肪酸甲酯的总重量的0.1％～0.21％

S2、将葡萄糖甲胺和一元脂肪酸、或葡萄糖甲胺和一元脂肪酸酯加至极性溶剂中，混合均匀后加入醇钠催化剂，升温至120～130℃，回流反应2～5h，生成烷基葡萄糖酰胺溶液，而后趁热加入非极性溶剂和阴离子表面活性剂，搅拌均匀后即得到乳化剂产品；其中，葡萄糖甲胺与一元脂肪酸的投料摩尔比为1:0.8～1.22，葡萄糖甲胺与一元脂肪酸酯的投料摩尔比为1:0.91～1.13；

S3、将按比例称量的合成基础油、盐水、乳化剂、氧化钙、降滤失剂和惰性加重材料混合搅拌均匀，即得到溶液密度为1.2～2.8g/cm3的合成基钻井液。

与现有技术相比，该无黏土相合成基钻井液通过将合成基础油、盐水、乳化剂、氧化钙、降滤失剂和惰性加重材料按照一定比例混合复配而成，除实现在钻井液体系中去除了有机土这一成分外，还具有增大钻井液的固相容限，提升高温和高密度条件下的流动性的特点，能够进一步获得更好的保护储层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。在下述实施例1～7中，各组分均购自市售产品；其中，各组分的加入份数具体指重量份；气制油类合成基础油、聚α—烯烃类合成基础油、合成酯类合成基础油、内烯烃类合成基础油或聚醚类合成基础油均选用运动粘度为(40℃)为2～6mm²/s的市售合成基础油。

实施例1

一种无黏土相合成基钻井液，其制备方法如下：

S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中依次加入53份葡萄糖甲胺、24份己二酸和190份乙醇，混合搅拌均匀后加入0.08份乙醇钠，油浴加热升温至130℃，回流反应4小时，得到粘稠状液体；对粘稠状液体进行旋蒸除去乙醇，而后冷却后得到蜡状固体；对蜡状固体干燥、粉碎后，即得到流型调节剂；

S2、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入50份葡萄糖甲胺和31份己酸，而后再向不锈钢反应釜内加入9份乙醇和0.16份甲醇钠，油浴加热至130℃并回流反应5h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；接着在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入3份十二烷基硫酸钠和9份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂；

S3、称量60重量份的合成酯类合成基础油、40重量份20wt.％的甲酸钠水溶液、0.5重量份的流型调节剂、6重量份的乳化剂、2重量份的氧化钙、2重量份的褐煤树脂、以及50重量份的石灰石粉混合配制而成的溶液密度为1.2g/cm3的钻井液。

实施例2

一种无黏土相合成基钻井液，其制备方法如下：

S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中依次加入43份葡萄糖甲胺、33份癸二酸二甲酯和150份乙醇，混合搅拌均匀后加入0.15份乙醇钠，油浴加热升温至130℃，回流反应5小时，得到粘稠状液体；对粘稠状液体进行旋蒸除去乙醇，而后冷却后得到蜡状固体；对蜡状固体干燥、粉碎后，即得到流型调节剂；

S2、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入40份葡萄糖甲胺和30份辛酸，而后再向不锈钢反应釜内加入12份丙醇和0.14份乙醇钠，油浴加热至130℃并回流反应4h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；接着，在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入2份脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和8份聚α-烯烃类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂；

S3、称量80重量份的聚α-烯烃类合成基础油、20重量份20wt.％的氯化钠水溶液、0.5重量份的流型调节剂、4重量份的乳化剂、2.5重量份的氧化钙、2.5重量份的氧化沥青、以及140重量份的重晶石粉混合配制而成的溶液密度为1.70g/cm³的钻井液。

实施例3

一种无黏土相合成基钻井液，其制备方法如下：

S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中依次加入33份葡萄糖甲胺、40份十六烷二酸二甲酯和200份丙二醇，混合搅拌均匀后加入0.15份乙醇钠，油浴加热升温至140℃，回流反应5小时，得到粘稠状液体；对粘稠状液体进行旋蒸除去丙二醇，而后冷却后得到蜡状固体；对蜡状固体干燥、粉碎后，即得到流型调节剂；

S2、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入35份葡萄糖甲胺和33份月桂酸，而后再向不锈钢反应釜内加入15份乙醇和0.14份甲醇钠，油浴加热至120℃并回流反应4h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；接着在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入1份十二烷基硫酸钠和7份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂；

S3、称量80重量份的气制油类合成基础油、20重量份25wt.％的氯化钙水溶液、0.7重量份的流型调节剂、3重量份的乳化剂、3重量份的氧化钙、3重量份的氧化沥青、以及250重量份的重晶石粉混合配制而成的溶液密度为2.1g/cm³的钻井液。

实施例4

一种无黏土相合成基钻井液，其制备方法如下：

S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中依次加入31份葡萄糖甲胺、40份十八烷二酸和200份丁醇，混合搅拌均匀后加入0.18份乙醇钠，油浴加热升温至140℃，回流反应5小时，得到粘稠状液体；对粘稠状液体进行旋蒸除去丁醇，而后冷却后得到蜡状固体；对蜡状固体干燥、粉碎后，即得到流型调节剂；

S2、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入33份葡萄糖甲胺和37份月桂酸甲酯，而后再向不锈钢反应釜内加入15份乙醇和0.14份甲醇钠，油浴加热至120℃并回流反应4h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；接着，在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入1份十二烷基硫酸钠和7份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂；

S3、称量80重量份的气制油类合成基础油、20重量份25wt.％的氯化钾水溶液、0.8重量份的流型调节剂、3重量份的乳化剂、3重量份的氧化钙、2重量份的氧化沥青、1重量份的褐煤树脂、以及250重量份的重晶石粉混合配制而成的溶液密度为2.1g/cm³的钻井液。

实施例5

一种无黏土相合成基钻井液，其制备方法如下：

S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中依次加入49份葡萄糖甲胺、31份十碳三元脂肪酸和200份丁醇，混合搅拌均匀后加入0.16份乙醇钠，油浴加热升温至140℃，回流反应5小时，得到粘稠状液体；对粘稠状液体进行旋蒸除去丁醇，而后冷却后得到蜡状固体；对蜡状固体干燥、粉碎后，即得到流型调节剂；

S2、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入31份葡萄糖甲胺和29份肉豆蔻酸，而后再向不锈钢反应釜内加入27份丙二醇和0.12份甲醇钠，油浴加热至120℃并回流反应4h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入2份甘油月桂酸单酯硫酸钠和9份聚醚类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂；

S3、称量95重量份的内烯烃类合成基础油、5重量份20wt.％的甲酸钠水溶液、1重量份的流型调节剂、2重量份的乳化剂、2重量份的褐煤树脂、200重量份的重晶石粉、以及150重量份的赤铁矿粉，混合配制而成的溶液密度为2.5g/cm³的钻井液。

实施例6

一种无黏土相合成基钻井液，其制备方法如下：

S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中依次加入43份葡萄糖甲胺、37份十四碳三元脂肪酸三甲酯和200份乙醇，混合搅拌均匀后加入0.16份甲醇钠，油浴加热升温至140℃，回流反应5小时，得到粘稠状液体；对粘稠状液体进行旋蒸除去乙醇，而后冷却后得到蜡状固体；对蜡状固体干燥、粉碎后，即得到流型调节剂；

S2、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入27份葡萄糖甲胺和43份硬脂酸(二者摩尔比为1:1.09)，而后再向不锈钢反应釜内加入27份乙醇和0.14份乙醇钠，油浴加热至120℃并回流反应2h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；接着，在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入2份甘油脂肪酸单酯硫酸钠和8份聚α烯烃类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂；

S3、称量95重量份的合成酯类合成基础油、5重量份20wt.％的甲酸钾水溶液、1重量份的流型调节剂、3重量份的乳化剂、3重量份的氧化钙、2重量份的氧化沥青、1重量份的褐煤树脂、以及500重量份的赤铁矿粉，混合配制而成的溶液密度为2.8g/cm³的钻井液。

实施例7

一种无黏土相合成基钻井液，其制备方法如下：

S1、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中依次加入43份葡萄糖甲胺、38份十八碳三元脂肪酸和200份乙醇，混合搅拌均匀后加入0.16份乙醇钠，油浴加热升温至140℃，回流反应5小时，得到粘稠状液体；对粘稠状液体进行旋蒸除去乙醇，而后冷却后得到蜡状固体；对蜡状固体干燥、粉碎后，即得到流型调节剂；

S2、在装有机械搅拌器和冷凝器的不锈钢反应釜中加入50份葡萄糖甲胺和31份己酸，而后再向不锈钢反应釜内加入9份乙醇和0.16份甲醇钠，油浴加热至130℃并回流反应5h，生成的粘稠状液体，即为烷基葡萄糖酰胺溶液；接着，在烷基葡萄糖酰胺溶液中趁热再加入3份十二烷基硫酸钠和9份气制油类合成基础油，边搅拌边冷却，搅拌均匀后所得产品即为该合成基钻井液用乳化剂；

S3、称量95重量份的聚醚类合成基础油、5重量份20wt.％的甲酸钾水溶液、1重量份的流型调节剂、2重量份的乳化剂、2重量份的氧化钙、2重量份的氧化沥青、1重量份的褐煤树脂、以及500重量份的赤铁矿粉混合配制而成的溶液密度为2.8g/cm³的钻井液。

性能测试：

对实施例1～7制备的无黏土相合成基钻井液依次进行流变性能、乳化稳定性、降滤失性能和生物毒性评价测试；其中，老化条件为150℃老化16小时。具体测试结果如下表1所示。

表1：

在表1中，PV为塑性黏度，YP为动切力，其用于表征钻井液的粘度；

和

分别表示OFITE-900旋转粘度计在6r/min和3r/min下的读数，其用于表征钻井液的悬浮能力；ES为破乳电压，其用于表征油基钻井液的乳化稳定性；FL_HTHP为在150℃下测试得到的高温高压滤失量，其用于表征封堵剂应用于油基钻井液的封堵效果和降滤失性能；EC₅₀为半数效应浓度，其用于表征钻井液的生物毒性。

从评价结果可以看出，所述的无黏土相合成基钻井液具有良好的热稳定性，老化前后可保持体系的流变性，尤其是可保持3转和6转的读数在较高的水平，具有“低粘高切”的特点，体现了良好的悬浮携砂和井眼清洁能力；所有钻井液配方的破乳电压均＞600V，显示乳化剂所具有的良好乳化效果；并具有较低的高温高压滤失量。同时，还具有较高的EC₅₀值，均大于30000ppm，符合环保法规的“无毒”的指标。