生物合成基礎油、頁巖氣鑽井用生物合成基環保鑽井液及其製備方法和應用與流程

2023-11-08 03:36:41

本發明涉及石油開採技術領域，特別是涉及一種生物合成基礎油、頁巖氣鑽井用生物合成基環保鑽井液及其製備方法和應用。

背景技術：

隨著油氣資源需求的日益增加，我國加快了對頁巖氣的開發和利用。但頁巖氣區塊非常規油氣大位移井、水平井、定向井對鑽井液性能要求較高，主要表現在裸眼井段井壁穩定問題突出，要求鑽井液有較強的抑制性；造斜段和水平段計劃用旋轉導向工具，對鑽井液封堵防塌要求高；水平段較長，對潤滑性要求更高。

目前頁巖氣區塊的鑽井液大部分都採用柴油基鑽井液和高性能水基鑽井液，但柴油基鑽井液對環境破壞較大，且產生的鑽屑難以處理，而高性能水基鑽井液的抗溫性、抑制性和潤滑性等性能很難滿足現場施工要求，容易發生劃眼、卡鑽和下套管困難等複雜事故。

採用生物柴油作為基礎油的鑽井液可以很好地解決環境破壞的問題，然而目前鑽井液中採用的生物柴油容易氧化降解和緩慢水解，穩定性不強，限制了其在石油鑽井領域的使用。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種生物合成基礎油、頁巖氣鑽井用生物合成基環保鑽井液及其製備方法和應用，以本發明申請的生物合成基礎油製備的頁巖氣鑽井用生物合成基環保鑽井液穩定性能好，可以有效保護油氣儲層和環境。

本發明的目的是通過如下技術方案實現的：

第一方面，本發明實施例提供一種生物合成基礎油，所述的生物合成基礎油的有效組分為聚脂肪酸甲酯，所述的聚脂肪酸甲酯的結構式為：

這裡n為正整數。

進一步的，所述的生物合成基礎油的中有效組分的質量百分含量≥95％。

第二方面，本發明實施例提供一種生物合成基礎油的製備方法，包括如下步驟：

(1)將不飽和脂肪酸甲酯進行自身內酯化反應得到中間產物；所述的中間產物的分子式為：

(2)將不飽和脂肪酸甲酯、高氯酸和所述的中間產物按照質量比為15-20:1:10-15進行聚合反應，所述聚合反應完成後除去其中的輕組分，即得所述的生物合成基礎油，所述的生物合成基礎油的有效組分為聚脂肪酸甲酯，所述的聚脂肪酸甲酯的結構式為：

這裡n為正整數。

進一步的，所述的酯化反應溫度為70-80℃，酯化反應時間為3-5h。

進一步的，所述的聚合反應溫度160-180℃，聚合反應壓力8-12MPa，聚合反應時間為4-8h。

進一步的，所述的不飽和脂肪酸甲酯是以廢棄植物油為原料製備的。

進一步的，所述的酯化反應以濃度為65％-75％的濃硫酸為催化劑。

第三方面，本發明實施例提供一種頁巖氣鑽井用生物合成基環保鑽井液，以體積百分含量計，所述的頁巖氣鑽井用生物合成基環保鑽井液體系包括如下組分：

有機土：0.5-2％；

主乳化劑：1-3％，所述主乳化劑由以下組分組成：乳化劑A：烷基醇聚氧乙烯醚類非離子表面活性劑；乳化劑B：磺酸鹽；乳化劑C：硬脂酸鹽和/或硬脂酸聚氧乙烯酯；乳化劑A：乳化劑B：乳化劑C的質量比為1.5-2.5：0.8-1.2：1；

輔乳化劑：1-3％；

氧化鈣：0.5-1％；

降濾失劑：1-3％；

加重劑：18-38％；

餘量為氯化鈣的水溶液和上述的生物合成基礎油；所述的氯化鈣的水溶液的濃度為25-35wt％；所述的生物合成基礎油與氯化鈣的水溶液的體積比為3-9：1。

進一步的，所述有機土為膨潤土經過季銨鹽類表面活性劑處理後形成的親油粘土。

進一步的，所述季銨鹽為十二烷基三甲基溴化銨和/或十二烷基二甲基苄基氯化銨。

進一步的，所述乳化劑B為石油磺酸鐵、烷基芳基磺酸鈉和烷基丁二酸酯磺酸鈉中的至少一種。

進一步的，所述的硬脂酸鹽為硬脂酸鋅。

進一步的，所述的輔乳化劑用HLB值為7～8的聚氧二烯二油酸酯和HLB值為7～9的聚氧丙烯硬脂酸酯按1：1-3的重量配比混合製得。

進一步的，所述降濾失劑為有機褐煤、氧化瀝青和乳化瀝青中的至少一種。

第四方面，本發明實施例提供一種頁巖氣鑽井用生物合成基環保鑽井液的製備方法，將上述的組分混勻後得到所述的頁巖氣鑽井用生物合成基環保鑽井液。

第五方面，本發明實施例提供一種頁巖氣鑽井用生物合成基環保鑽井液的應用，將上述的鑽井液用於頁巖氣鑽井中。

與現有技術相比，本發明方案至少具有如下有益效果：

本發明生物合成基礎油的製備方法通過內酯化反應和聚合反應，消除了生物柴油不飽和脂肪酸甲酯的不飽和雙鍵，最終形成聚脂肪酸甲酯。該產物具有一定低粘度指數、良好的生物降解性、良好的氧化安定性和優異的低溫性能等特性，傾點可達到-63℃，閃點可達到219℃，不含芳香烴，對環境友好。

本發明將此新型生物合成油替代柴油，配成生物合成基環保鑽井液，用於頁巖氣區塊鑽井，能滿足抗溫、抑制和潤滑等鑽井要求，較柴油基鑽井液還具有以下幾點優勢：

1、此新型生物合成油的運動粘度較柴油低，相同配方條件下，生物合成基環保鑽井液的粘度較柴油基鑽井液也會更低，表現出更優異的流變性，在鑽井過程中，能提高機械鑽速和鑽井效率。

2、此新型生物合成油不含芳香烴，鑽井產生的鑽屑可以直接排放，處理工藝簡單方便，減少了環境汙染和鑽屑處理費用。

3、此新型生物合成油的閃點比柴油高，傾點比柴油低，擴大了其應用範圍，在極端條件下也適用。

附圖說明

圖1為本發明生物合成基礎油、頁巖氣鑽井用生物合成基環保鑽井液及其製備方法中體系1和體系2頁巖膨脹高度對比圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明作進一步詳細描述，但不作為對本發明的限定。

本發明方案通過酯化和聚合反應，消除了生物柴油脂肪酸甲酯中的不飽和雙鍵，最終形成聚脂肪酸甲酯。該產物具有一定低粘度指數、良好的生物降解性、良好的氧化安定性和優異的低溫性能等特性，傾點可達到-63℃，閃點可達到219℃，不含芳香烴，對環境友好。具體各項參數見表1。

表1

實施例1

乳化劑A的製備過程為：月桂醇先與環氧乙烷發生取代反應，反應摩爾比為1～3:1，反應條件為：100℃～150℃溫度下反應2～5小時。反應產物進而加成聚合為醚，當加成上10～15個後，即得到乳化劑A。所製備的乳化劑A顯現出較佳的乳化能力、潤溼能力和生物降解能力。上述製備過程中的月桂醇也可替換為油醇、環己醇、硬脂醇。乳化劑B的製備過程為：石油磺酸鐵、烷基苯磺酸鈉、烷基丁二酸酯磺酸鈉三種原料按2:1:1重量比例，在60℃下高速攪拌混合均勻，即得到乳化劑B，製得的乳化劑B是良好的油溶性乳化劑、分散劑。乳化劑C為硬脂酸鋅，其具有很好的熱穩定性。

將上述得到的乳化劑A、乳化劑B和乳化劑C按表1中的質量比進行加合反應，反應時間為2～8小時，反應溫度為100～200℃，得到1#、2#、3#和4#主乳化劑。將主乳化劑分別加入到密度為1.8g/cm3油基鑽井液中，在150℃下熱滾16h，在65℃下對不同的主乳化劑進行性能評價，參數測試結果見表2。

表2

AV為表觀粘度，參照GB/T161782-1997,用六速旋轉粘度計ZNN-D6B測得。

PV為塑性粘度，參照GB/T161782-1997,用六速旋轉粘度計ZNN-D6B測得。

YP為動切力，參照GB/T161782-1997,用六速旋轉粘度計ZNN-D6B測得。

ES為破乳電壓，參照GB/T161782-1997,用電穩定儀DWY測得。

從表2可知，將三種乳化劑A、B和C按質量比2:1:1合成後，粘度效應最低，破乳電壓最高，形成了一種高效能的主乳化劑，能夠在油基鑽井液中能起到很好的乳化、潤溼、分散作用。

實施例2

一種生物合成基礎油的製備方法，包括如下步驟：

1、將廢棄植物油，採用現有工藝製得不飽和脂肪酸甲酯半成品：將廢棄植物油和無水乙醇進行酯化反應，然後和酸發生中和反應，將產物進行蒸餾得到不飽和脂肪酸甲酯半成品；

2、稱取500g不飽和脂肪酸甲酯，加入高壓反應裝置中。

3、向高壓反應裝置中加入9g濃度為65％的濃硫酸，作為催化劑。

4、進行自身內酯化反應，反應溫度為80℃，反應時間為4h，過程中不斷開啟攪拌器。

5、反應結束後，繼續升溫至100℃，將反應產物水蒸氣排出，得到中間產物；中間產物的分子式為：

6、繼續向高壓反應裝置中加入2000g不飽和脂肪酸甲酯和100g濃度為65％的高氯酸。

7、進行聚合反應，反應溫度180℃，反應壓力10MPa，反應時間為6h。

8、反應結束後，將反應產物轉入蒸餾釜內，加熱升溫至300℃，蒸餾後輕組分由蒸餾釜進入輕組分接收罐內，期間不斷加熱，待溫度升至350℃時，關閉輕組分接收罐，打開重組分接收罐收集重組分後。輕組分為未反應完全的不飽和脂肪酸甲酯，所述重組分為聚脂肪酸甲酯，即新型生物合成油成品中的有效成分；其分子式為：

這裡n為正整數。

實施例3

生物合成基環保鑽井液體系製備及性能對比

以下百分比如未特殊說明均指體積百分比。

體系製備所用主乳化劑為實施例1中得到的4#主乳化劑，所用基油為實施例2中得到的新型生物合成油。

(1)1m3生物合成基環保鑽井液體系1配方為：

1.5％的有機土；1.2％的主乳化劑；2％的輔乳化劑；1.5％的氧化鈣；3％的降濾失劑；新型生物合成油和濃度為30wt％的氯化鈣鹽水，二者體積比為4:1；其餘為重晶石，加重至密度2.1g/cm3。

(2)1m3柴油基鑽井液體系2配方為：

1.5％的有機土；1.2％的主乳化劑；2％的輔乳化劑；1.5％的氧化鈣；3％的降濾失劑；柴油和濃度為30wt％的氯化鈣鹽水，二者體積比為4:1；其餘為重晶石，加重至密度2.1g/cm3。

上述兩個配方的有機土為是膨潤土經過十二烷基三甲基溴化銨處理後形成的親油粘土。輔乳化劑：選用HLB值為7.5的聚氧二烯二油酸酯和HLB值為8的聚氧丙烯硬脂酸酯按1:2比例混合均勻，即得到輔乳化劑，輔乳化劑能有效改變體系的潤溼性。此外，輔乳化劑必須和主乳化劑配套使用效果更佳。輔乳化劑的作用為在體系中形成密堆複合膜，增強乳化效果。降濾失劑為有機褐煤。

按照體系1-2的配方，將各個組分高速攪拌1h以上，混合均勻獲得生物合成基環保鑽井液體系1和柴油基油基鑽井液體系2，並分別在150℃下熱滾16h，進行性能參數測試，參數測試結果見表3。

表3

備註：流變性測試溫度為65℃±2℃，ES測試溫度為50℃±2℃，HTHP測試溫度為150℃±2℃。

G10〞/10ˊ參數為初切和終切，參照GB/T161782-1997，用六速旋轉粘度計ZNN-D6B測得。

HTHP參數為高溫高壓濾失量，參照GB/T161782-1997,用GGS42型高溫高壓濾失儀測得。

從表3可知，生物合成基環保鑽井液體系可抗150℃高溫，較柴油基鑽井液，粘度和切力較低，表現出更優異的流變性，有利於提高機械鑽速。

體系1和體系2抑制性評價

首先壓制人造巖心：將泥頁巖粉碎，過100目的篩；把過篩後的樣品放在(100±3)℃的恆溫乾燥箱中烘乾4小時，冷卻至室溫；稱取泥頁巖粉10g裝入與測試筒直徑大小一樣的圓筒內，將巖粉鋪平；裝上活塞，然後放在壓力機上逐漸均勻加壓直到壓力表上指示4MPa，穩壓5分鐘；卸去壓力，取下圓筒，將活塞緩慢從圓筒中取出，即得人造巖心。

將2塊人造巖心分別放入頁巖膨脹儀中，分別加入體系1和體系2鑽井液，測定24h頁巖的膨脹高度。測定結果見圖1。

從圖1可知，在生物合成環保鑽井液體系和柴油基鑽井液體系中，頁巖膨脹高度都較小，表現出較強的抑制性，能滿足頁巖氣區塊鑽井強抑制的需求。

體系1和體系2潤滑性評價

將體系1和體系2分別用極壓潤滑儀測定該體系的極壓潤滑係數。實驗結果見表4

表4

從表4可知，體系1和體系2的極壓潤滑性係數都差異較小，均小於0.20，說明本發明的生物合成基環保鑽井液體系具有很好的潤滑性。

以上實施例僅為本發明的示例性實施例，不用於限制本發明，本發明的保護範圍由權利要求書限定。本領域技術人員可以在本發明的實質和保護範圍內，對本發明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應視為落在本發明的保護範圍內。