一種油基泥漿的乳化劑及其製備方法與流程
2023-07-21 00:15:41 5
本發明涉及一種乳化劑及其製備方法，尤其涉及一種油基泥漿的乳化劑及其製備方法，屬於油氣勘探技術領域。
背景技術：
流體系統運輸材料和化學物質，並且在油氣鑽井和生產中發揮著井下水力、動力工具的作用。壓裂液是一種為了壓裂巖石儲層，泵入井中攜帶支撐劑的液體。在目標深度高壓下注入壓裂液會在巖石儲層上創造裂縫，壓裂液中的支撐劑(例如沙或者其他微粒)會通過這些裂縫，以防止高壓注射停止以後裂縫閉合。裂縫被支撐劑支撐保持敞開狀態，儲層可以保持油氣鹽水的滲透性，可以使這些流體從井中泵出。鑽井液，也就是泥漿，在鑽井作業中起到潤滑和運輸物質的作用。泥漿返回到地表一般會到泥漿池，入井前會加一些冷卻劑和穩定劑。鑽井液將巖屑從井底帶到地表，冷卻鑽頭，提供靜液柱壓力這樣儲層流體就不會進入井內。鑽井液可以在鑽頭停止的情況下懸浮巖屑。在鑽頭處粉末狀的巖石可以懸浮在鑽井液中，循環出井眼。鑽井液有很多功能，包括井底工具的水力能和脈衝遙感測量工具的信息傳輸。會根據井筒的情況，防腐蝕能力和對儲層的傷害性來選擇合適的鑽井液。
鑽井液包括水基泥漿和油基泥漿。水基泥漿在開泵時可以自由的流動，停泵時，泥漿的切力主要是懸浮巖屑和阻止開泵，需要施加額外的泵壓破壞凝膠結構，重新達到自由流動狀態。水和粘土是基本成分，多種添加劑加入到鑽井液中，有調節粘度的冷卻劑和潤滑劑。油基泥漿含有石油產品的成分，例如柴油，作為流動相，它會在油基泥漿中增加潤滑性和降低粘度。此外，油基泥漿在更高溫度下不降解。通過分析油基泥漿的巖屑，會有額外的環境問題考慮。油和水是油基泥漿的基本構成部分，加入多種添加劑保持水的分散，在油基泥漿中水是汙染物。乳化劑，潤溼劑和膠凝劑用於控制油基泥漿的穩定性，粘度，冷卻性。油基泥漿的穩定性是指防止泥漿分為2層，油層和水層。
隨著鑽進到更深的深度，井下情況也會更加極端。鑽井液必須能承受更多的井下複雜情況。油基泥漿要承受在更深井深下的高溫高壓情況。水基泥漿不適合在高溫高壓的更極端的井下情況下使用。更深的井對油基泥漿的要求也會增多，需要更穩定的油基泥漿。
現有的油基泥漿通過添加各種助劑來控制穩定性，粘度，冷卻性和潤滑性。
US5593953由Malchow Jr在1997年1月14號註冊，認為油基泥漿需要一種乳化劑來乳化鹽水或者受汙染的水來降低粘度。這種助劑被視為一種摩阻改善劑，這種化學式由US8969261提供，是由Talingting Pabalan在2015年3月3號註冊，公布的是改變溶液粘度的化合物配方。這種化合物可以加入到多種溶液裡面，不僅僅是加入鑽井液中去影響鑽井液的流變性能。
然而，之前提到的技術沒有涉及到相同的物質成分，之前類似的成分也沒有用到相同的鑽井液中。沒有高密度高溫情況下鑽井液用的乳化劑的資料被公開，尤其是含氮乳化劑在高溫高密度情況下保持穩定。
US6620770，由Kirsner在2003年9月16日申請，公開了一種含聚醯胺和氮的油基泥漿乳化劑。聚醯胺是一種乳化油基泥漿的助劑，這裡的乳化劑加入鑽井液之前起作用。這種乳化劑與高密度高溫情況不相關。而且，之前的例子告訴我們在高溫高密度情況下不使用含氮的乳化劑。US2011/0166047，由Patel公布了一個不含氮的乳化劑。但是，該乳化劑的乳化性不夠強，使用過程中要不斷的補加。
綜上所述，目前尚不存在一種可以用於高溫環境的且性能良好的乳化劑。
技術實現要素：
為了解決上述技術問題，本發明的目的在於提供一種高密度、高溫情況下使用的油基泥漿的乳化劑。
為了實現上述技術目的，本發明提供了一種油基泥漿的乳化劑，以該油基泥漿的乳化劑的總質量為100％計，該油基泥漿的乳化劑的組成包括：10wt％-50wt％的油醇，10wt％-50wt％的化合物A，5wt％-30wt％的化合物B，5wt％-40wt％的化合物C，5wt％-40wt％的化合物D，5wt％-40wt％的化合物E，5wt％-40wt％的化合物F，1wt％-10wt％的甘油和小於5wt％的脂肪油，其中，該油基泥漿的乳化劑各組成的總百分含量為100％；
化合物A為1，3-二羥基-異丙基(E)-12-羥基十八烷-9-烯酸酯；
化合物B為(9E,9'E)-N,N'-(脲二基雙(乙基-2,1-二基))雙12-羥基十八烷-9-烯醯胺；
化合物C為(E)-12-羥基-N,N-雙(2-((E)-12-羥基十八烷-9-烯醯基)乙基)十八烷-9-烯醯胺；
化合物D為(Z)-4-(雙(2-((E)-12-羥基十八烷-9-烯醯基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸；
化合物E為1,3-二羥基異丙-2-基(Z)-4-(雙(2-((E)-12-羥基十八烷-9-烯醯基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸脂；
化合物F為N1,N1,N4,N4-四(2-((E)-12-羥基十八烷-9-稀醯胺基)乙基)馬來酸醯胺。
在本發明提供的油基泥漿的乳化劑中，優選地，該油基泥漿的乳化劑的組成包括20wt％-30wt％的油醇，10wt％-30wt％的化合物A，10wt％-20wt％的化合物B。
在本發明提供的油基泥漿的乳化劑中，優選地，該油基泥漿的乳化劑的組成包括5wt％-10wt％的化合物C，5wt％-10wt％的化合物D，5wt％-10wt％的化合物E，5wt％-20wt％的化合物F。
本發明還提供了一種油基泥漿，油基泥漿包括基油、提粘劑、加重劑，降濾失劑和乳化劑；
其中，乳化劑為本發明的上述油基泥漿的乳化劑。
在本發明提供的油基泥漿中，優選地，以該油基泥漿的總質量為100％計，採用的油基泥漿的原料組成包括：50wt％-95wt％的基油，1wt％-5wt％的提粘劑，20wt％-70wt％的加重劑，5wt％-10wt％的降濾失劑，0.3wt％-3wt％的乳化劑，油基泥漿的原料組成的總百分比之和為100％。
根據本發明的具體實施方式，採用的基油、提粘劑、加重劑、降濾失劑選用本領域常規的試劑即可。
本發明的油基泥漿中的提粘劑可以在泥漿中懸浮巖屑；降濾失劑可以控制泥漿向地層中的失水；加重劑可以控制密度。其他組分，如能控制表面張力的潤溼劑也要加入泥漿中。
本發明提供的上述油基泥漿的乳化劑用於乳化高溫高密度的油基泥漿。
本發明的上述油基泥漿的乳化劑可以用於密度為2.0-2.8g/cm3的油基泥漿中。
在本發明中，油基泥漿的乳化劑中的化合物A-F具有如下結構式：
化合物A：1，3-二羥基-異丙基(E)-12-羥基十八烷-9-烯酸酯；
化合物B：(9E,9'E)-N,N'-(脲二基雙(乙基-2,1-二基))雙12-羥基十八烷-9-烯醯胺；
化合物C：(E)-12-羥基-N,N-雙(2-((E)-12-羥基十八烷-9-烯醯基)乙基)十八烷-9-烯醯胺；
化合物D：(Z)-4-(雙(2-((E)-12-羥基十八烷-9-烯醯基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸；
化合物E：1,3-二羥基異丙-2-基(Z)-4-(雙(2-((E)-12-羥基十八烷-9-烯醯基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸脂；
化合物F：N1,N1,N4,N4-四(2-((E)-12-羥基十八烷-9-稀醯胺基)乙基)馬來酸醯胺。
本發明的油基泥漿的乳化劑最高可以應用到密度為2.8g/cm3、溫度為大於250℃的高溫、高密度泥漿中。
本發明還提供了上述油基泥漿的乳化劑的製備方法，該油基泥漿的乳化劑的製備方法包括以下步驟：
在氮氣吹掃下加熱脂肪油到60℃-100℃，加入二亞乙基三胺；停止氮氣吹掃，保持溫度在80℃-120℃；
在130℃-170℃下反應1h-5h；
調節溫度至150℃-170℃反應1h-3h，冷卻至室溫；
加入馬來酸酐，在80℃-120℃反應0.5h-3h；
調節溫度至140℃-160℃反應0.5h-3h；
調節溫度至190℃-210℃反應0.1h-3h，加入油醇，得到油基泥漿的乳化劑。
在本發明的上述油基泥漿的乳化劑的製備方法中，油醇是用來提高油基泥漿的乳化劑的抗溫性和溶解性的，不參與反應，作為油基泥漿的乳化劑的組成成分。因此，油醇的加入量可以根據油基泥漿的乳化劑各組成的含量確定。
常規的含氮乳化劑包含的化合物是脂肪酸的衍生物，但是含氮化合物在高溫下降解以後可能會有毒，所以，對在高溫深井中使用的乳化劑改性中放棄了添加氮元素。而本發明的乳化劑顯示了脂肪酸衍生的含氮化合物的穩定性，在高溫下不會降解，也不會產生有害物質。
本發明的油基泥漿的乳化劑可以有效對油基泥漿進行降粘，可以使高溫、高密度反向乳化的油基泥漿穩定。應用本發明的油基泥漿的乳化劑的油基泥漿可以在井身更深(超過10000米)、溫度更高(超過250℃)、密度更高(密度為2.8g/cm3)的井中進行作業。
本發明的乳化劑可以在高溫、高密度，較少的乳化劑添加量下的深井油基泥漿中使用。
附圖說明
圖1為含有實施例1的乳化劑的鑽井液，泥漿密度2.0g/cm3，在老化前後的流變性能的比較曲線；
圖2為含有本實施例的乳化劑的鑽井液，泥漿密度2.0g/cm3，在老化前後的破乳電壓的比較曲線；
圖3為含有本實施例的乳化劑的鑽井液，泥漿密度2.2g/cm3，在老化前後的流變性能的比較曲線；
圖4為含有本實施例的乳化劑的鑽井液，泥漿密度2.2g/cm3，在老化前後的破乳電壓的比較曲線；
圖5為含有本實施例的乳化劑的鑽井液，泥漿密度2.4g/cm3，在老化前後的流變性能的比較曲線；
圖6為含有本實施例的乳化劑的鑽井液，泥漿密度2.4g/cm3，在老化前後的破乳電壓的比較曲線；
圖7為含有本實施例的乳化劑的鑽井液，泥漿密度2.2g/cm3，在老化前後的流變性能的比較曲線；
圖8為含有本實施例的乳化劑的鑽井液，泥漿密度2.2g/cm3，在老化前後的破乳電壓的比較曲線。
具體實施方式
為了對本發明的技術特徵、目的和有益效果有更加清楚的理解，現對本發明的技術方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發明的可實施範圍的限定。
實施例1
本實施例提供了一種油基泥漿的乳化劑，以該油基泥漿的乳化劑的總質量為100％計，該油基泥漿的乳化劑的組成包括：20wt％的油醇、24wt％的化合物A、13wt％的化合物B、10wt％的化合物C、10wt％的化合物D、10wt％的化合物E、10wt％的化合物F和1wt％-10wt％的甘油和小於5wt％的脂肪油；
化合物A為1，3-二羥基-異丙基(E)-12-羥基十八烷-9-烯酸酯；
化合物B為(9E,9'E)-N,N'-(脲二基雙(乙基-2,1-二基))雙12-羥基十八烷-9-烯醯胺；
化合物C為(E)-12-羥基-N,N-雙(2-((E)-12-羥基十八烷-9-烯醯基)乙基)十八烷-9-烯醯胺；
化合物D為(Z)-4-(雙(2-((E)-12-羥基十八烷-9-烯醯基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸；
化合物E為1,3-二羥基異丙-2-基(Z)-4-(雙(2-((E)-12-羥基十八烷-9-烯醯基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸脂；
化合物F為N1,N1,N4,N4-四(2-((E)-12-羥基十八烷-9-稀醯胺基)乙基)馬來酸醯胺。
其中，油基泥漿的原料組成包括：50％-95wt％的油，1wt％-5wt％的提粘劑，20wt％-70wt％的加重劑，5wt％-10wt％的降濾失劑，0.3wt％-3wt％的乳化劑，油基泥漿的各原料組成的質量百分比之和為100％。
上述油基泥漿的乳化劑按照以下步驟進行製備：
在氮氣吹掃下加熱脂肪油到70℃，加入二亞乙基三胺；停止氮氣吹掃，保持溫度在110℃；
在150℃下反應1h-5h；
調節溫度至165℃反應1h-3h，冷卻至室溫；
加入馬來酸酐，在90℃反應0.5h-3h；其中，脂肪油：三亞乙基三胺：馬來酸酐的質量比為1-1.5:1:0.3-0.5；
調節溫度至155℃反應0.5h-3h；
調節溫度至200℃反應0.1h-3h，加入油醇，得到油基泥漿的乳化劑。
乳化劑通過增加動力學穩定性使泥漿穩定，乳化劑可以提粘來保持分散相在泥漿中的懸浮，因此，可以通過測量含鑽井液的流變性和電穩定性來描述泥漿的性能。本實施例中的油基泥漿的乳化劑的流變性和電穩定性的測量結果表明本實施例的油基泥漿的乳化劑可以承受更高密度和更高的溫度。
表1
表1顯示了添加有本實施例的油基泥漿的乳化劑的泥漿在225℃和235℃下的流變性和電穩定性。流變性和電穩定性是在150華氏度下對熱滾前後的油基泥漿樣品進行測試，表1中油基泥漿的比重是2.0g/cm3。
流變性的結果在圖1中顯示，電穩定性的結果在圖2中顯示。鑽井液的性能在熱滾前後穩定。圖1和圖2顯示油基泥漿保持均勻穩定在暴露在高溫中時，加有本實施例的乳化劑的油基泥漿，在高溫下，性能變化很小，提供了一定的彈性變化。
表2
以之前乳化劑的總質量為100wt％計，之前乳化劑的原料組成為40wt％-50wt％的化合物G，25wt％-60wt％的化合物H，10wt％-30wt％的化合物I，其中，之前乳化劑的各原料組成的質量百分比之和為100％；
化合物G：(E)-N-(2-(2-((E)-十七-8-烯-1-基)-4,5-二氫-1H-咪唑-5-基)乙基)十八-9-烯醯胺；
結構式為：
化合物H：(9E，9'E)-N，N'-(氮烷二基雙(乙烷-2,1-二基))雙(十八碳-9-烯醯胺)；
結構式為：
化合物I：(Z)-4-(雙(2-((9E，11E)-十八碳-9,11-二烯醯氨基)乙基)氨基)-4-氧代丁-2-烯酸；
結構式為：
表2表示添加本實施例的乳化劑的油基泥漿和採用之前乳化劑的泥漿在225℃下老化後的流變性和電穩定性。流變性和電穩定性是在150華氏度下對熱滾前後的油基泥漿樣品進行測試，流變性結果在圖3上顯示，電穩定性在圖4上表示。
添加本實施例的油基泥漿的乳化劑的泥漿在熱滾前後(溫度升高)性能保持穩定。圖3和圖4顯示泥漿在暴露到高溫中性能穩定。電穩定性是評價反向乳化液的乳化穩定性的方法。數值越高意味著乳化穩定性越強。圖3表示了添加本實施例的乳化劑的泥漿在熱滾前後有更好的電穩定性，這說明本實施例的乳化劑有更好的熱穩定性。此外，流變性也更穩定。添加本實施例的乳化劑的泥漿熱滾前後塑性粘度變化小於5％，採用之前乳化劑的泥漿變化接近30％。如圖1和圖2所示，結果顯示了含有本實施例的乳化劑的油基泥漿在更高溫度和不同的高密度下的穩定性。
表3
表3顯示了添加本實施例的乳化劑的油基泥漿在225℃和235℃時的流變性和熱穩定性。流變性是在150華氏度時對熱滾前後的樣品進行測試的，表3中使用了2.2g/cm3的密度的泥漿。
表4
表4顯示了加有本實施例的乳化劑的泥漿在225℃和235℃下的流變性和電穩定性。流變性和電穩定性測量的是150華氏度下熱滾前後的泥漿。表4使用的泥漿密度是2.4g/cm3使用赤鐵礦來增加密度。流變性的結果在圖5上顯示，電穩定性的結果在圖6上顯示。
高密度泥漿的性能在熱滾前後(溫度升高以後)保持穩定。圖5和圖6中顯示了在更高的溫度和更高的密度下泥漿性能保持穩定，性能變化非常小，添加了本實施例的乳化劑的泥漿在高溫高密度條件下性能變化有一定的彈性。
表5
表5顯示添加有本實施例的乳化劑的泥漿在245℃下老化的流變性和電穩定性。流變性和電穩定性測量的是150華氏度下熱滾前後的泥漿。表5使用的泥漿密度是2.2g/cm3。流變性的結果在圖7上顯示，電穩定性的結果在圖8上顯示。圖7和圖8的結果進一步證實了本實施例的油基泥漿的乳化劑在高溫下的穩定性，通過表3中很微小的變化可以看出。225℃，235℃和245℃的例子都顯示了熱滾前後隨溫度和密度的升高性能保持穩定。
通過圖1-圖8，可以看出本實施例的乳化劑是一種適用於高溫高密度油基泥漿的乳化劑。表1，3，4和圖1，圖2，圖5，圖6的數據顯示了添加本實施例的乳化劑的高密度泥漿的穩定性，隨著密度的增加，乳化劑必須為泥漿提供好的流變性和電穩定性，以便於完成要完成的井下作業。表3、表5和圖5-圖8顯示泥漿的密度範圍在2.0-2.8g/cm3，添加本實施例乳化劑的泥漿在高溫下的穩定性。隨著溫度上升，乳化劑能維持泥漿在15°-260°的流變性和電穩定性。本實施例的乳化劑的粘度和對分散相和巖屑的懸浮能力可以承受在更深的深度下的井下複雜情況。
表2和圖3和圖4顯示之前乳化劑在更深的井深應用失敗。添加之前的乳化劑不能在更高的溫度下維持泥漿的流變性和電穩定性。需要一種不同的乳化劑。作為對比，表2顯示了添加本實施例的乳化劑的泥漿的各種性能。之前乳化劑的常規加量是1wt％-10wt％。本實施例的乳化劑的添加量是0.3wt％-3wt％。本實施例的乳化劑可以在高溫、高密度，較少的乳化劑添加量下的深井油基泥漿中使用。
根據井下的情況和工作液選擇鑽井液助劑，隨著井深的增長，需要有穩定的高溫高密度泥漿。以上實施例說明，本發明的油基泥漿的乳化劑及其製備方法可以滿足井深增加的鑽井作業的要求。