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CN107311894A - 一种钻井液用阴离子型表面活性剂、其制备方法及钻井液 - Google Patents

一种钻井液用阴离子型表面活性剂、其制备方法及钻井液 Download PDF

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CN107311894A
CN107311894A CN201610270807.6A CN201610270807A CN107311894A CN 107311894 A CN107311894 A CN 107311894A CN 201610270807 A CN201610270807 A CN 201610270807A CN 107311894 A CN107311894 A CN 107311894A
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polyoxyethylene
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郭金爱
卢国林
刘光成
吕跃滨
张晓勇
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Sinopec Oilfield Service Corp
Drilling Engineering Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种钻井液用阴离子型表面活性剂及其制备方法，该方法包括：将聚氧乙烯化合物与氨基磺酸进行反应，然后用碱调节pH值，得到钻井液用阴离子型表面活性剂；所述聚氧乙烯化合物具有式II结构；所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾；所述钻井液用阴离子型表面活性剂具有式I结构；其中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基，m为11～23的整数；n为2～5的整数；Z为‑SO3Na或‑SO3K。本发明提供了一种钻井液，包括发泡剂，其为上述表面活性剂。上述表面活性剂对微泡中空气核具有良好的密封作用，微泡的稳定性和抗压缩能力强，能保证微泡钻井液在井底高压下具有较低的循环密度，减少井下复杂。

Description

一种钻井液用阴离子型表面活性剂、其制备方法及钻井液
技术领域
本发明涉及油田化学助剂技术领域，尤其涉及一种钻井液用阴离子型表面活性剂、其制备方法及钻井液。
背景技术
国内油田在低压或欠(或近)平衡钻井过程中，往往采用泡沫钻井液来降低密度，保证钻井施工安全。但是，普通泡沫粒径大，严重影响泥浆泵的上水效率，并且需要配套的注入气体的设备如压缩机，以及生产和注入气体的设备等，钻井成本较高。针对这些问题，国内一些油田先后开展了在近平衡条件下使用的可循环微泡钻井液的相关研究。微泡钻井液具有密度低，现场不用添加注入气体的设备，能有效防止低压破碎、高渗透率砂岩及裂缝性漏失地层漏失，保护油气层，降低钻井成本等优势。
目前，现有技术公开了多种微泡钻井液，而微泡钻井液的核心在于用于形成微泡的表面活性剂。比如，申请号为200910157353.1的中国专利文献公开了一种微泡钻井液，其包括3～5克的复合发泡剂，所述复合发泡剂由十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠按质量比7:3组成。申请号为200710113558.0的中国专利文献公开了一种抗高温可循环微泡沫钻井液或完井液，其包括2～5重量份的高温发泡剂，所述高温发泡剂采用脂肪醇甘油基醚磺酸盐AGES、聚合醇、椰子油酰胺磺基琥珀酸单酯钠盐F873＝6～10:2～5:6～10比例的组合物；并且还包括1～2.5重量份的高温泡沫稳定剂。
上述两种微泡钻井液中，发泡剂采用的都是常用表面活性剂的组合，这样对微泡中空气核密封性差，微泡的稳定性和抗压缩能力不足，在井底高压条件下，空气会从泡沫中扩散出来，从而造成钻井液井底密度显著升高，影响钻井施工安全。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种钻井液用阴离子型表面活性剂、其制备方法及钻井液，本发明提供的表面活性剂对钻井液微泡中空气核具有良好的密封作用，微泡的稳定性和微泡抗压缩能力强，能保证微泡钻井液在井底高压下具有较低的循环密度，减少井下复杂情况。
本发明提供一种钻井液用阴离子型表面活性剂，具有式I结构通式：
式I中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基，m选自11～23之间的整数；
n选自2～5之间的整数；
Z为-SO3Na或-SO3K。
优选地，m为12、14、16、18、20或22。
本发明提供一种钻井液用阴离子型表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
将聚氧乙烯化合物与氨基磺酸进行反应，然后用碱调节pH值，得到钻井液用阴离子型表面活性剂；所述聚氧乙烯化合物具有式II结构：
所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾；所述钻井液用阴离子型表面活性剂具有式I结构通式：
其中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基，m选自11～23之间的整数；
n选自2～5之间的整数；
Z为-SO3Na或-SO3K。
优选地，所述聚氧乙烯化合物选自十二烷基聚氧乙烯醚、十四烷基聚氧乙烯醚、十六烷基聚氧乙烯醚、十八烷基聚氧乙烯醚、二十烷基聚氧乙烯醚和二十二烷基聚氧乙烯醚中的任意一种。
优选地，所述反应的温度为80～150℃，恒温反应1～3h。
优选地，所述反应结束后降温至50～70℃，用碱调节pH值至7～9，得到钻井液用阴离子型表面活性剂。
本发明还提供一种钻井液，包括发泡剂，所述发泡剂具有式I结构通式：
式I中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基，m选自11～23之间的整数；
n选自2～5之间的整数；
Z为-SO3Na或-SO3K。
优选地，m为12、14、16、18、20或22。
优选地，所述发泡剂的加量为0.8～1.5wt％。
优选地，所述钻井液包括：3～5wt％膨润土浆、0.8～1.5wt％发泡剂、0.1～1wt％黄原胶、0.5～2wt％羧甲基纤维素钠和1～3wt％氯化钾。
与现有技术相比，本发明提供的表面活性剂具有式I结构通式，为阴离子型，其发泡性能好；用于钻井液时，形成的泡沫具有更好的稳定性和抗压缩能力，对钻井液微泡中空气核具有良好的密封作用，能保证微泡钻井液在井底高压下具有较低的循环密度，减少井下复杂情况。另外，本发明所述表面活性剂的制备方法简便可行。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种钻井液用阴离子型表面活性剂，具有式I结构通式：
式I中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基，m选自11～23之间的整数；
n选自2～5之间的整数；
Z为-SO3Na或-SO3K。
本发明提供的表面活性剂具有较好的发泡性能，可用于钻井液中。该钻井液用表面活性剂对微泡中空气核具有良好的密封作用，微泡的稳定性和微泡抗压缩能力强，能保证微泡钻井液在井底高压下具有较低的循环密度，减少井下复杂情况。
在本发明中，所述表面活性剂具有式I结构通式。式I中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基；m选自11～23之间的整数，优选自12～22之间的整数。在本发明的实施例中，m可为12、14、16、18、20或22，即R1可为C12H25、C14H29、C16H33、C18H37、C20H41或C22H45这样的直链烷基。
本发明所述表面活性剂含有聚氧乙烯结构单元；式I中，n选自2～5之间的整数。在本发明的实施例中，所述表面活性剂含有十二烷基聚氧乙烯结构(n为2或4)、十四烷基聚氧乙烯结构(n为3或5)、十六烷基聚氧乙烯结构(n为2或3)、十八烷基聚氧乙烯结构(n为4或5)、二十烷基聚氧乙烯结构(n为3或5)或二十二烷基聚氧乙烯结构(n为2或5)。
在本发明中，所述表面活性剂属于阴离子型表面活性剂，具体为磺酸盐型。式I中，Z为-SO3Na或-SO3K，优选为-SO3Na。
具体的，本发明实施例中钻井液用表面活性剂具有式I-1、式I-2、式I-3、式I-4或式I-5结构：
相应地，本发明提供了一种钻井液用阴离子型表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
将聚氧乙烯化合物与氨基磺酸进行反应，然后用碱调节pH值，得到钻井液用阴离子型表面活性剂；所述聚氧乙烯化合物具有式II结构：
所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾；所述钻井液用阴离子型表面活性剂具有式I结构通式：
其中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基，m选自11～23之间的整数；
n选自2～5之间的整数；
Z为-SO3Na或-SO3K。
本发明主要以聚氧乙烯化合物和氨基磺酸为原料，其中，所述聚氧乙烯化合物具有式II结构，为长链烷基聚氧乙烯醚。式II中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基；m选自11～23之间的整数，优选自12～22之间的整数。在本发明的实施例中，m可为12、14、16、18、20或22，即R1可为C12H25、C14H29、C16H33、C18H37、C20H41或C22H45这样的直链烷基。
在本发明中，所述聚氧乙烯化合物优选自十二烷基聚氧乙烯醚、十四烷基聚氧乙烯醚、十六烷基聚氧乙烯醚、十八烷基聚氧乙烯醚、二十烷基聚氧乙烯醚和二十二烷基聚氧乙烯醚中的任意一种。
本发明式II中，n选自2～5之间的整数。在本发明的实施例中，所述聚氧乙烯化合物优选自十二烷基聚氧乙烯醚(n为2)、十二烷基聚氧乙烯醚(n为4)、十四烷基聚氧乙烯醚(n为3)、十四烷基聚氧乙烯醚(n为5)、十六烷基聚氧乙烯醚(n为2)、十六烷基聚氧乙烯醚(n为3)、十八烷基聚氧乙烯醚(n为4)、十八烷基聚氧乙烯醚(n为5)、二十烷基聚氧乙烯醚(n为3)、二十烷基聚氧乙烯醚(n为5)、二十二烷基聚氧乙烯醚(n为2)和二十二烷基聚氧乙烯醚(n为5)中的任意一种。
在本发明中，所述氨基磺酸为磺化剂。本发明实施例按一定比例称取上述聚氧乙烯化合物和磺化剂，并加入四口烧瓶中进行反应。所述磺化剂与聚氧乙烯化合物的摩尔比优选为0.5～2:1，更优选为1～1.5:1。本发明对加料顺序没有特殊限制，可先将聚氧乙烯化合物如1mol加入四口烧瓶，再加入磺化剂。
本发明实施例在四口烧瓶中加入聚氧乙烯化合物和氨基磺酸后，优选在搅拌的条件下进行反应。本发明实施例在搅拌条件下将上述反应体系升温至一定温度，恒温反应，得到反应物。所述反应的温度优选为80～150℃，更优选为90～120℃。所述反应的时间优选为1～3h，更优选为1.5～2.5h。
反应结束后，本发明实施例将上述反应体系降温，可降温至50～70℃、优选60℃。然后，本发明实施例用碱调节体系的pH值，优选调节pH值至7～9，得到钻井液用阴离子型表面活性剂。
在本发明中，调节pH值所用的碱为氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)，优选为氢氧化钠。在本发明的一些实施例中，可采用碱溶液如NaOH溶液调节体系pH至8，得到钻井液用表面活性剂产品。本发明制得的产品具有式I结构，其内容如前文所述，在此不再赘述。
本发明制得的表面活性剂发泡性能好；用于钻井液时，形成的泡沫具有更好的稳定性和抗压缩能力，对钻井液微泡中空气核具有良好的密封作用，能保证微泡钻井液在井底高压下具有较低的循环密度，减少井下复杂情况。另外，本发明所述表面活性剂的制备方法简便可行。
本发明还提供了一种钻井液，包括发泡剂，所述发泡剂具有式I结构通式：
式I中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基，m选自11～23之间的整数；
n选自2～5之间的整数；
Z为-SO3Na或-SO3K。
本发明提供的钻井液包括发泡剂，其为具有式I结构通式的表面活性剂。所述表面活性剂的结构等内容如前文所述，在此不再一一赘述。在本发明的一些优选实施例中，R1中的m为12、14、16、18、20或22。在本发明中，所述发泡剂在钻井液中的加量优选为0.8～1.5wt％，更优选为0.9～1.1wt％。
在本发明的实施例中，所述钻井液为微泡钻井液，其pH值为8～10；密度为0.80～0.95g/cm3。本发明对所述钻井液的制备和添加剂等没有特殊限制；在本发明的一些实施例中，所述钻井液包括：3～5wt％膨润土浆、0.8～1.5wt％发泡剂、0.1～1wt％黄原胶、0.5～2wt％羧甲基纤维素钠和1～3wt％氯化钾；其余是水。
本发明实施例加入上述表面活性剂等组分，配制成微泡钻井液。本发明实施例经120℃高温老化16h后，利用六速旋转粘度计测定微泡钻井液的性能，测定方法符合国际API标准。检测结果表明，钻井液老化前后的密度仅相差0.02g/cm3，表现出良好的高温稳定性能。
为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的钻井液用阴离子型表面活性剂、其制备方法及钻井液进行具体地描述。
实施例1
将1mol十二烷基聚氧乙烯醚(n为2)和0.5mol氨基磺酸加入四口烧瓶，在搅拌条件下将反应体系升温至100℃，恒温反应1h。反应结束后，将反应体系降温至60℃，用NaOH溶液调节体系pH值至8，得到330.5g微泡钻井液用表面活性剂产品。该产品通过红外谱图测得结构式为：
实施例2
将1mol十四烷基聚氧乙烯醚(n为3)和1.2mol氨基磺酸加入四口烧瓶，在搅拌条件下将反应体系升温至130℃，恒温反应2h。反应结束后，将反应体系降温至50℃，用NaOH溶液调节体系pH值至9，得到510.8g微泡钻井液用表面活性剂产品，其结构式为：
实施例3
将1mol十八烷基聚氧乙烯醚(n为5)和2mol氨基磺酸加入四口烧瓶，在搅拌条件下将反应体系升温至150℃，恒温反应3h。反应结束后，将反应体系降温至70℃，用KOH溶液调节体系pH值至7，得到795.3g微泡钻井液用表面活性剂产品，其结构式为：
实施例4～12
按照与实施例1相同的步骤，分别制备得到微泡钻井液用表面活性剂产品。区别在于反应物质及其用量，如表1所示，表1为实施例4～10的反应物质及其用量。
表1实施例4～10的反应物质及其用量
实施例13
按照以下方法，将实施例1～12中合成的表面活性剂进行性能评价。
(1)泡沫稳定性
在100mL清水中加入4g KCl和1g实施例中样品，用高速搅拌机以8000r/min速度搅拌5min，然后将所得泡沫浆倒入量筒中，记录泡沫的体积及泡沫体系析出50mL发泡基液所用的时间，作为泡沫半衰期。结果参见表2，表2为实施例1～12所得表面活性剂的性能评价结果。
表2实施例1～12所得表面活性剂的性能评价结果
表面活性剂 起泡体积/mL 半衰期/min
实施例1 350 28.2
实施例2 380 29.7
实施例3 400 27.5
实施例4 320 26.8
实施例5 360 25.2
实施例6 350 29.1
实施例7 390 26.3
实施例8 370 28.6
实施例9 340 25.1
实施例10 360 27.8
实施例11 320 24.7
实施例12 340 27.3
十二烷基硫酸钠 470 7.5
由表2可知，相比于一般的表面活性剂如十二烷基硫酸钠，本发明制得的表面活性剂发泡性能好，形成的泡沫具有更好的稳定性和抗压缩能力。
实施例14
包括表面活性剂的钻井液的性能
将实施例2中表面活性剂和十二烷基硫酸钠分别加入钻井液中，分别配制成微泡钻井液。以质量百分比计，钻井液配方为：4％膨润土浆+1％表面活性剂+0.5％黄原胶+1％羧甲基纤维素钠+2％KCl；其余是水。
经120℃高温老化16h后，利用六速旋转粘度计测定微泡钻井液的性能，测定方法符合国际API标准，结果如表3所示，表3为实施例14中微泡钻井液的性能结果。
表3实施例14中微泡钻井液的性能结果
从表3可知，本发明合成的表面活性剂与现有表面活性剂如十二烷基硫酸钠相比，泡沫稳定性明显增强；经120℃老化16h后，本发明提供的微泡钻井液老化前后，钻井液密度仅相差0.02g/cm3，表现出良好的高温稳定性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。

Claims (10)

1.一种钻井液用阴离子型表面活性剂，具有式I结构通式：
式I中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基，m选自11～23之间的整数；
n选自2～5之间的整数；
Z为-SO3Na或-SO3K。
2.根据权利要求1所述的钻井液用阴离子型表面活性剂，其特征在于，m为12、14、16、18、20或22。
3.一种钻井液用阴离子型表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
将聚氧乙烯化合物与氨基磺酸进行反应，然后用碱调节pH值，得到钻井液用阴离子型表面活性剂；所述聚氧乙烯化合物具有式II结构：
所述碱为氢氧化钠或氢氧化钾；所述钻井液用阴离子型表面活性剂具有式I结构通式：
其中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基，m选自11～23之间的整数；
n选自2～5之间的整数；
Z为-SO3Na或-SO3K。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述聚氧乙烯化合物选自十二烷基聚氧乙烯醚、十四烷基聚氧乙烯醚、十六烷基聚氧乙烯醚、十八烷基聚氧乙烯醚、二十烷基聚氧乙烯醚和二十二烷基聚氧乙烯醚中的任意一种。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述反应的温度为80～150℃，恒温反应1～3h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述反应结束后降温至50～70℃，用碱调节pH值至7～9，得到钻井液用阴离子型表面活性剂。
7.一种钻井液，包括发泡剂，其特征在于，所述发泡剂具有式I结构通式：
式I中，R1选自通式为CmH2m+1的直链烷基，m选自11～23之间的整数；
n选自2～5之间的整数；
Z为-SO3Na或-SO3K。
8.根据权利要求7所述的钻井液，其特征在于，m为12、14、16、18、20或22。
9.根据权利要求7所述的钻井液，其特征在于，所述发泡剂的加量为0.8～1.5wt％。
10.根据权利要求7所述的钻井液，其特征在于，所述钻井液包括：3～5wt％膨润土浆、0.8～1.5wt％发泡剂、0.1～1wt％黄原胶、0.5～2wt％羧甲基纤维素钠和1～3wt％氯化钾。
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