一种油基泥浆的乳化剂及其制备方法与流程

本发明涉及一种乳化剂及其制备方法，尤其涉及一种油基泥浆的乳化剂及其制备方法，属于油气勘探技术领域。

背景技术：

流体系统运输材料和化学物质，并且在油气钻井和生产中发挥着井下水力、动力工具的作用。压裂液是一种为了压裂岩石储层，泵入井中携带支撑剂的液体。在目标深度高压下注入压裂液会在岩石储层上创造裂缝，压裂液中的支撑剂(例如沙或者其他微粒)会通过这些裂缝，以防止高压注射停止以后裂缝闭合。裂缝被支撑剂支撑保持敞开状态，储层可以保持油气盐水的渗透性，可以使这些流体从井中泵出。钻井液，也就是泥浆，在钻井作业中起到润滑和运输物质的作用。泥浆返回到地表一般会到泥浆池，入井前会加一些冷却剂和稳定剂。钻井液将岩屑从井底带到地表，冷却钻头，提供静液柱压力这样储层流体就不会进入井内。钻井液可以在钻头停止的情况下悬浮岩屑。在钻头处粉末状的岩石可以悬浮在钻井液中，循环出井眼。钻井液有很多功能，包括井底工具的水力能和脉冲遥感测量工具的信息传输。会根据井筒的情况，防腐蚀能力和对储层的伤害性来选择合适的钻井液。

钻井液包括水基泥浆和油基泥浆。水基泥浆在开泵时可以自由的流动，停泵时，泥浆的切力主要是悬浮岩屑和阻止开泵，需要施加额外的泵压破坏凝胶结构，重新达到自由流动状态。水和粘土是基本成分，多种添加剂加入到钻井液中，有调节粘度的冷却剂和润滑剂。油基泥浆含有石油产品的成分，例如柴油，作为流动相，它会在油基泥浆中增加润滑性和降低粘度。此外，油基泥浆在更高温度下不降解。通过分析油基泥浆的岩屑，会有额外的环境问题考虑。油和水是油基泥浆的基本构成部分，加入多种添加剂保持水的分散，在油基泥浆中水是污染物。乳化剂，润湿剂和胶凝剂用于控制油基泥浆的稳定性，粘度，冷却性。油基泥浆的稳定性是指防止泥浆分为2层，油层和水层。

随着钻进到更深的深度，井下情况也会更加极端。钻井液必须能承受更多的井下复杂情况。油基泥浆要承受在更深井深下的高温高压情况。水基泥浆不适合在高温高压的更极端的井下情况下使用。更深的井对油基泥浆的要求也会增多，需要更稳定的油基泥浆。

现有的油基泥浆通过添加各种助剂来控制稳定性，粘度，冷却性和润滑性。

US5593953由Malchow Jr在1997年1月14号注册，认为油基泥浆需要一种乳化剂来乳化盐水或者受污染的水来降低粘度。这种助剂被视为一种摩阻改善剂，这种化学式由US8969261提供，是由Talingting Pabalan在2015年3月3号注册，公布的是改变溶液粘度的化合物配方。这种化合物可以加入到多种溶液里面，不仅仅是加入钻井液中去影响钻井液的流变性能。

然而，之前提到的技术没有涉及到相同的物质成分，之前类似的成分也没有用到相同的钻井液中。没有高密度高温情况下钻井液用的乳化剂的资料被公开，尤其是含氮乳化剂在高温高密度情况下保持稳定。

US6620770，由Kirsner在2003年9月16日申请，公开了一种含聚酰胺和氮的油基泥浆乳化剂。聚酰胺是一种乳化油基泥浆的助剂，这里的乳化剂加入钻井液之前起作用。这种乳化剂与高密度高温情况不相关。而且，之前的例子告诉我们在高温高密度情况下不使用含氮的乳化剂。US2011/0166047，由Patel公布了一个不含氮的乳化剂。但是，该乳化剂的乳化性不够强，使用过程中要不断的补加。

综上所述，目前尚不存在一种可以用于高温环境的且性能良好的乳化剂。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高密度、高温情况下使用的油基泥浆的乳化剂。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种油基泥浆的乳化剂，以该油基泥浆的乳化剂的总质量为100％计，该油基泥浆的乳化剂的组成包括：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％的甘油和小于5wt％的脂肪油，其中，该油基泥浆的乳化剂各组成的总百分含量为100％；

化合物A为1，3-二羟基-异丙基(E)-12-羟基十八烷-9-烯酸酯；

化合物B为(9E,9'E)-N,N'-(脲二基双(乙基-2,1-二基))双12-羟基十八烷-9-烯酰胺；

化合物C为(E)-12-羟基-N,N-双(2-((E)-12-羟基十八烷-9-烯酰基)乙基)十八烷-9-烯酰胺；

化合物D为(Z)-4-(双(2-((E)-12-羟基十八烷-9-烯酰基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸；

化合物E为1,3-二羟基异丙-2-基(Z)-4-(双(2-((E)-12-羟基十八烷-9-烯酰基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸脂；

化合物F为N1,N1,N4,N4-四(2-((E)-12-羟基十八烷-9-稀酰胺基)乙基)马来酸酰胺。

在本发明提供的油基泥浆的乳化剂中，优选地，该油基泥浆的乳化剂的组成包括20wt％-30wt％的油醇，10wt％-30wt％的化合物A，10wt％-20wt％的化合物B。

在本发明提供的油基泥浆的乳化剂中，优选地，该油基泥浆的乳化剂的组成包括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。

本发明还提供了一种油基泥浆，油基泥浆包括基油、提粘剂、加重剂，降滤失剂和乳化剂；

其中，乳化剂为本发明的上述油基泥浆的乳化剂。

在本发明提供的油基泥浆中，优选地，以该油基泥浆的总质量为100％计，采用的油基泥浆的原料组成包括：50wt％-95wt％的基油，1wt％-5wt％的提粘剂，20wt％-70wt％的加重剂，5wt％-10wt％的降滤失剂，0.3wt％-3wt％的乳化剂，油基泥浆的原料组成的总百分比之和为100％。

根据本发明的具体实施方式，采用的基油、提粘剂、加重剂、降滤失剂选用本领域常规的试剂即可。

本发明的油基泥浆中的提粘剂可以在泥浆中悬浮岩屑；降滤失剂可以控制泥浆向地层中的失水；加重剂可以控制密度。其他组分，如能控制表面张力的润湿剂也要加入泥浆中。

本发明提供的上述油基泥浆的乳化剂用于乳化高温高密度的油基泥浆。

本发明的上述油基泥浆的乳化剂可以用于密度为2.0-2.8g/cm³的油基泥浆中。

在本发明中，油基泥浆的乳化剂中的化合物A-F具有如下结构式：

化合物A：1，3-二羟基-异丙基(E)-12-羟基十八烷-9-烯酸酯；

化合物B：(9E,9'E)-N,N'-(脲二基双(乙基-2,1-二基))双12-羟基十八烷-9-烯酰胺；

化合物C：(E)-12-羟基-N,N-双(2-((E)-12-羟基十八烷-9-烯酰基)乙基)十八烷-9-烯酰胺；

化合物D：(Z)-4-(双(2-((E)-12-羟基十八烷-9-烯酰基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸；

化合物E：1,3-二羟基异丙-2-基(Z)-4-(双(2-((E)-12-羟基十八烷-9-烯酰基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸脂；

化合物F：N1,N1,N4,N4-四(2-((E)-12-羟基十八烷-9-稀酰胺基)乙基)马来酸酰胺。

本发明的油基泥浆的乳化剂最高可以应用到密度为2.8g/cm³、温度为大于250℃的高温、高密度泥浆中。

本发明还提供了上述油基泥浆的乳化剂的制备方法，该油基泥浆的乳化剂的制备方法包括以下步骤：

在氮气吹扫下加热脂肪油到60℃-100℃，加入二亚乙基三胺；停止氮气吹扫，保持温度在80℃-120℃；

在130℃-170℃下反应1h-5h；

调节温度至150℃-170℃反应1h-3h，冷却至室温；

加入马来酸酐，在80℃-120℃反应0.5h-3h；

调节温度至140℃-160℃反应0.5h-3h；

调节温度至190℃-210℃反应0.1h-3h，加入油醇，得到油基泥浆的乳化剂。

在本发明的上述油基泥浆的乳化剂的制备方法中，油醇是用来提高油基泥浆的乳化剂的抗温性和溶解性的，不参与反应，作为油基泥浆的乳化剂的组成成分。因此，油醇的加入量可以根据油基泥浆的乳化剂各组成的含量确定。

常规的含氮乳化剂包含的化合物是脂肪酸的衍生物，但是含氮化合物在高温下降解以后可能会有毒，所以，对在高温深井中使用的乳化剂改性中放弃了添加氮元素。而本发明的乳化剂显示了脂肪酸衍生的含氮化合物的稳定性，在高温下不会降解，也不会产生有害物质。

本发明的油基泥浆的乳化剂可以有效对油基泥浆进行降粘，可以使高温、高密度反向乳化的油基泥浆稳定。应用本发明的油基泥浆的乳化剂的油基泥浆可以在井身更深(超过10000米)、温度更高(超过250℃)、密度更高(密度为2.8g/cm³)的井中进行作业。

本发明的乳化剂可以在高温、高密度，较少的乳化剂添加量下的深井油基泥浆中使用。

附图说明

图1为含有实施例1的乳化剂的钻井液，泥浆密度2.0g/cm³，在老化前后的流变性能的比较曲线；

图2为含有本实施例的乳化剂的钻井液，泥浆密度2.0g/cm³，在老化前后的破乳电压的比较曲线；

图3为含有本实施例的乳化剂的钻井液，泥浆密度2.2g/cm³，在老化前后的流变性能的比较曲线；

图4为含有本实施例的乳化剂的钻井液，泥浆密度2.2g/cm³，在老化前后的破乳电压的比较曲线；

图5为含有本实施例的乳化剂的钻井液，泥浆密度2.4g/cm³，在老化前后的流变性能的比较曲线；

图6为含有本实施例的乳化剂的钻井液，泥浆密度2.4g/cm³，在老化前后的破乳电压的比较曲线；

图7为含有本实施例的乳化剂的钻井液，泥浆密度2.2g/cm³，在老化前后的流变性能的比较曲线；

图8为含有本实施例的乳化剂的钻井液，泥浆密度2.2g/cm³，在老化前后的破乳电压的比较曲线。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种油基泥浆的乳化剂，以该油基泥浆的乳化剂的总质量为100％计，该油基泥浆的乳化剂的组成包括：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％的甘油和小于5wt％的脂肪油；

化合物A为1，3-二羟基-异丙基(E)-12-羟基十八烷-9-烯酸酯；

化合物B为(9E,9'E)-N,N'-(脲二基双(乙基-2,1-二基))双12-羟基十八烷-9-烯酰胺；

化合物C为(E)-12-羟基-N,N-双(2-((E)-12-羟基十八烷-9-烯酰基)乙基)十八烷-9-烯酰胺；

化合物D为(Z)-4-(双(2-((E)-12-羟基十八烷-9-烯酰基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸；

化合物E为1,3-二羟基异丙-2-基(Z)-4-(双(2-((E)-12-羟基十八烷-9-烯酰基)乙基)氨基)-4-氧丁-2-烯酸脂；

化合物F为N1,N1,N4,N4-四(2-((E)-12-羟基十八烷-9-稀酰胺基)乙基)马来酸酰胺。

其中，油基泥浆的原料组成包括：50％-95wt％的油，1wt％-5wt％的提粘剂，20wt％-70wt％的加重剂，5wt％-10wt％的降滤失剂，0.3wt％-3wt％的乳化剂，油基泥浆的各原料组成的质量百分比之和为100％。

上述油基泥浆的乳化剂按照以下步骤进行制备：

在氮气吹扫下加热脂肪油到70℃，加入二亚乙基三胺；停止氮气吹扫，保持温度在110℃；

在150℃下反应1h-5h；

调节温度至165℃反应1h-3h，冷却至室温；

加入马来酸酐，在90℃反应0.5h-3h；其中，脂肪油：三亚乙基三胺：马来酸酐的质量比为1-1.5:1:0.3-0.5；

调节温度至155℃反应0.5h-3h；

调节温度至200℃反应0.1h-3h，加入油醇，得到油基泥浆的乳化剂。

乳化剂通过增加动力学稳定性使泥浆稳定，乳化剂可以提粘来保持分散相在泥浆中的悬浮，因此，可以通过测量含钻井液的流变性和电稳定性来描述泥浆的性能。本实施例中的油基泥浆的乳化剂的流变性和电稳定性的测量结果表明本实施例的油基泥浆的乳化剂可以承受更高密度和更高的温度。

表1

表1显示了添加有本实施例的油基泥浆的乳化剂的泥浆在225℃和235℃下的流变性和电稳定性。流变性和电稳定性是在150华氏度下对热滚前后的油基泥浆样品进行测试，表1中油基泥浆的比重是2.0g/cm³。

流变性的结果在图1中显示，电稳定性的结果在图2中显示。钻井液的性能在热滚前后稳定。图1和图2显示油基泥浆保持均匀稳定在暴露在高温中时，加有本实施例的乳化剂的油基泥浆，在高温下，性能变化很小，提供了一定的弹性变化。

表2

以之前乳化剂的总质量为100wt％计，之前乳化剂的原料组成为40wt％-50wt％的化合物G，25wt％-60wt％的化合物H，10wt％-30wt％的化合物I，其中，之前乳化剂的各原料组成的质量百分比之和为100％；

化合物G：(E)-N-(2-(2-((E)-十七-8-烯-1-基)-4,5-二氢-1H-咪唑-5-基)乙基)十八-9-烯酰胺；

结构式为：

化合物H：(9E，9'E)-N，N'-(氮烷二基双(乙烷-2,1-二基))双(十八碳-9-烯酰胺)；

结构式为：

化合物I：(Z)-4-(双(2-((9E，11E)-十八碳-9,11-二烯酰氨基)乙基)氨基)-4-氧代丁-2-烯酸；

结构式为：

表2表示添加本实施例的乳化剂的油基泥浆和采用之前乳化剂的泥浆在225℃下老化后的流变性和电稳定性。流变性和电稳定性是在150华氏度下对热滚前后的油基泥浆样品进行测试，流变性结果在图3上显示，电稳定性在图4上表示。

添加本实施例的油基泥浆的乳化剂的泥浆在热滚前后(温度升高)性能保持稳定。图3和图4显示泥浆在暴露到高温中性能稳定。电稳定性是评价反向乳化液的乳化稳定性的方法。数值越高意味着乳化稳定性越强。图3表示了添加本实施例的乳化剂的泥浆在热滚前后有更好的电稳定性，这说明本实施例的乳化剂有更好的热稳定性。此外，流变性也更稳定。添加本实施例的乳化剂的泥浆热滚前后塑性粘度变化小于5％，采用之前乳化剂的泥浆变化接近30％。如图1和图2所示，结果显示了含有本实施例的乳化剂的油基泥浆在更高温度和不同的高密度下的稳定性。

表3

表3显示了添加本实施例的乳化剂的油基泥浆在225℃和235℃时的流变性和热稳定性。流变性是在150华氏度时对热滚前后的样品进行测试的，表3中使用了2.2g/cm³的密度的泥浆。

表4

表4显示了加有本实施例的乳化剂的泥浆在225℃和235℃下的流变性和电稳定性。流变性和电稳定性测量的是150华氏度下热滚前后的泥浆。表4使用的泥浆密度是2.4g/cm³使用赤铁矿来增加密度。流变性的结果在图5上显示，电稳定性的结果在图6上显示。

高密度泥浆的性能在热滚前后(温度升高以后)保持稳定。图5和图6中显示了在更高的温度和更高的密度下泥浆性能保持稳定，性能变化非常小，添加了本实施例的乳化剂的泥浆在高温高密度条件下性能变化有一定的弹性。

表5

表5显示添加有本实施例的乳化剂的泥浆在245℃下老化的流变性和电稳定性。流变性和电稳定性测量的是150华氏度下热滚前后的泥浆。表5使用的泥浆密度是2.2g/cm³。流变性的结果在图7上显示，电稳定性的结果在图8上显示。图7和图8的结果进一步证实了本实施例的油基泥浆的乳化剂在高温下的稳定性，通过表3中很微小的变化可以看出。225℃，235℃和245℃的例子都显示了热滚前后随温度和密度的升高性能保持稳定。

通过图1-图8，可以看出本实施例的乳化剂是一种适用于高温高密度油基泥浆的乳化剂。表1，3，4和图1，图2，图5，图6的数据显示了添加本实施例的乳化剂的高密度泥浆的稳定性，随着密度的增加，乳化剂必须为泥浆提供好的流变性和电稳定性，以便于完成要完成的井下作业。表3、表5和图5-图8显示泥浆的密度范围在2.0-2.8g/cm³，添加本实施例乳化剂的泥浆在高温下的稳定性。随着温度上升，乳化剂能维持泥浆在15°-260°的流变性和电稳定性。本实施例的乳化剂的粘度和对分散相和岩屑的悬浮能力可以承受在更深的深度下的井下复杂情况。

表2和图3和图4显示之前乳化剂在更深的井深应用失败。添加之前的乳化剂不能在更高的温度下维持泥浆的流变性和电稳定性。需要一种不同的乳化剂。作为对比，表2显示了添加本实施例的乳化剂的泥浆的各种性能。之前乳化剂的常规加量是1wt％-10wt％。本实施例的乳化剂的添加量是0.3wt％-3wt％。本实施例的乳化剂可以在高温、高密度，较少的乳化剂添加量下的深井油基泥浆中使用。

根据井下的情况和工作液选择钻井液助剂，随着井深的增长，需要有稳定的高温高密度泥浆。以上实施例说明，本发明的油基泥浆的乳化剂及其制备方法可以满足井深增加的钻井作业的要求。