适用于油基钻井液的复合乳化剂及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种适用于油基钻井液的复合乳化剂及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 随着石油储量的不断减少且开采困难，世界各国纷纷加大了对深部地层油气资源 勘探开发的投入，开发新的油藏已经成为当今各大石油公司发展的迫切要求。我国待探明 的油气资源主要分布在塔里木、准噶尔、柴达木、吐哈、四川等盆地，其资源量的73%埋藏在 深层，且地下条件异常复杂，因此深井和超深井油气钻探及配套的开发技术已成为制约油 气资源开发的关键因素。随着地层深度的增加，深井、超深井的地层温度也会越来越高，地 层的高温环境给钻井液能否维持稳定的性能带来了极大的挑战。
[0003] 钻井液作为钻井工程的重要组成部分，其性能直接关系到深井、超深井的钻井质 量、钻井成本和钻井周期。相对于水基钻井液，油基钻井液具有较强的防塌抑制性、润滑性 和良好的储层保护性能，尤其可满足强水敏及高温、超高温地层，或者需要钻大位移特殊井 及海上水平井等特殊转钻井需要。油基钻井液，又称油包水钻井液，是由油、水、乳化剂、降 滤失剂、活度平衡剂、流型调节剂等组成。通常使用的油包水钻井液含水量在5~30%之 间（含水量在5%以内的一般叫做全油基钻井液，不称为油包水钻井液），但抗高温达180°C 以上的油包水钻井液中水的含量一般在5~10%，很少超过15%。水的含量增大，携屑性、 降滤失性和悬浮性、流变性都变好，但热稳定性和电稳定性都变差，如CN1660958报道了一 种合成基钻井液，使用的主乳化剂为脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵和壬基酚聚氧乙烯醚的混合 物，尽管在150°C老化16小时后仍有良好的流变性和破乳电压，水含量最高为25%。专利 CN 102031095A申请公布了一种高温油包水钻井液，虽然耐温能到240°C，但其须借助辅助 乳化剂及氧化钙的存在才能达到应用效果。油基钻井液由于基液以油为主，因此价格昂贵， 成本高，全油基钻井液更是如此，如CN101215461报道了一种全油合成基钻井液，使用的乳 化剂为长碳链脂肪酸酰胺、长碳链烷基苯磺酸钙、聚烯烃羧酸酯中的一种或多种的混合物， 尽管具有低毒、环保、对储层伤害小等优点，但其制备成本高，限制了其推广使用。
[0004] 目前市场上提供用作油基钻井液乳化剂的品种较少，而报道用于强化采油用的乳 化剂品种相对较多，如US4485873、US4545912、CN100531884等报道了聚氧乙烯烷基酚醚乙 酸盐、双尾链聚氧乙烯磺酸盐、烷基芳苄基聚氧乙烯醚阴离子表活剂在强化采油方面的应 用，但未涉及到其在钻井液乳化剂方面的用途。国内油基钻井液用乳化剂方面多依赖国外 产品，而且国内配套的钻井液体系也较少。
[0005] 油基钻井液由于受到成本、环保要求的限制一直发展比较缓慢，应用的区块也较 少，随着现有油田储量日益下降，并且新探区的开采会遇到各种复杂地层及环境，急需进行 满足制备稳定高效油基钻井液用乳化剂的研究，以解决油基钻井液乳化剂品种少，乳化性 能差，不耐盐、不耐温的问题，通过提高油基钻井液中水的比例达到降低油基钻井液的成本 问题，为广泛应用油基钻井液作业提供技术支撑。
[0006] 本发明所述的正是这种高含水量情况下，适合于制备稳定高效油基钻井液用的复 合乳化剂及其制备方法。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中油基钻井液乳化剂品种少，乳化性 能、耐温性能差的问题，提供一种适用于油基钻井液的复合乳化剂。该用于油基钻井液的复 合乳化剂具有良好的乳化性能及耐温性能，含该类复合乳化剂的油基钻井液可满足油田中 强水敏、高温地层及大位移特殊钻井、海上水平井钻井等特殊需要。
[0008] 本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的适用 于油基钻井液的复合乳化剂的制备方法。
[0009] 本发明所要解决的技术问题之三是提供一种与解决技术问题之一相对应的适用 于油基钻井液的复合乳化剂在油基钻井液中的应用。
[0010] 为了解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种适用于油基钻井 液的复合乳化剂，包括以下组分：
[0011] (1)主乳化剂，选自式（I)所示结构中的至少一种；
[0012] (2)辅助乳化剂，选自式（II )所示结构中的至少一种；
[0013]
[0014]
[0015] 其中札为含Cs~C3。脂肪烃基，R2为氢或者R3C0, R3为Cs~C3。脂肪烃基，X = 1~ 10, y = 1~40, Z = 0~40 ;R4为C7~C25脂肪烃基，R5和R 6均独立选自H、C2~C4的羟烷 基中的一种；以质量计，所述主乳化剂与辅助乳化剂的比例满足〇<辅助乳化剂：主乳化剂
[0016] 上述技术方案中，所述的札和私独立选自cn~C23的饱和或不饱和的烃基、或 cn~C23的饱和烃基和不饱和烃基的混合烃基。更优选札和R3独立选自碳原子数为十一、 十三、十五、十七、十九、二十一的饱和烃或不饱和烃基，或十一、十三、十五、十七、十九、 二^ 的饱和经和不饱和经的混合经基。优选X为2~6, y为1~20, z为0~30 ;进一 步优选X为2或3, y为1~10 ;更优选z为0~20 ;所述R4优选为Cn~C23饱和烃基或 不饱和烃基；R5和R6均独立优选为H、羟乙基、羟丙基中的一种，进一步优选为R5和R 6均独 立优选为H、羟乙基中的一种，更优选为R5和R6共同优选为H、羟乙基中的一种。
[0017] 上述技术方案中，所述主乳化剂可以进一步优选自（I)所示结构中的两种以上的 混合物。
[0018] 上述技术方案中，所述辅助乳化剂可以进一步优选自（II )所示结构中的两种以 上的混合物。
[0019] 上述技术方案中，以质量计，所述主乳化剂与辅助乳化剂的比例最优选为辅助乳 化剂：主乳化剂=1: (2~10)。
[0020] 上述技术方案中，所述辅助乳化剂可进一步优选自月桂酸酰胺、肉豆蘧酸酰胺、棕 榈酸酰胺、棕榈烯酸酰胺、油酸酰胺、亚油酸酰胺、亚麻酸酰胺、硬脂酸酰胺、月桂酸单乙醇 酰胺、肉豆蘧酸单乙醇酰胺、棕榈酸单乙醇酰胺、棕榈烯酸单乙醇酰胺、油酸单乙醇酰胺、亚 油酸单乙醇酰胺、亚麻酸单乙醇酰胺、硬脂酸单乙醇酰胺中的一种或二种以上的混合物；还 可以进一步优选为包含上述脂肪酸酰胺或脂肪酸单乙醇酰胺的混合物，例如但不限定由本 领域技术人员所熟知的植物油脂或生物柴油为原料与相应的酰胺化试剂进行酰胺化反应 而得到的植物油酸酰胺、植物油酸单乙醇酰胺或植物油酸二乙醇酰胺。
[0021] 为解决上述技术问题之二，本发明所采用的技术方案如下：一种适用于油基钻井 液的乳化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0022] (a)邮0順(〇12) xNR2CH2CH20H (即脂肪酰基羟乙基二胺）的制备
[0023] 在碱性催化剂存在下&C00CH3 (即脂肪酸甲酯）与NH2 (CH2) xNHCH2CH20H (即羟乙基 二胺）在80~220°C的温度下反应2~24小时，反应结束后优选减压蒸馏除去未反应的原 料和生成的甲醇得到所述脂肪酰基羟乙基二胺。其中，脂肪酸甲酯与羟乙基二胺的摩尔比 为优选1:0. 1~6。所述催化剂用量优选占脂肪酸甲酯质量的0. 01~10%。
[0024] (b) &C0NH (CH2) xNR2 (CH2CH20) y_ (CH2CHCH30) ZH (即脂肪酰基二胺聚氧烯醚）的制 备：
[0025] 在碱性催化剂存在下，步骤（a)所合成的脂肪酰基羟乙基二胺与所需的环氧乙烷 或环氧丙烷进行反应得到所述的肪酰基二胺聚氧烯醚。催化剂用量优选为脂肪酰基羟乙基 二胺质量的0.5~6.0% ;
[0026] (c)用于油基钻井液的复合乳化剂的制备
[0027] 将步骤（a)得到的所述脂肪酰基羟乙基二胺和/或步骤（b)得到的所述的肪酰基 二胺聚氧烯醚与所述辅助乳化剂，按所述比例混合均匀，得到所述适用于油基钻井液的复 合乳化剂。
[0028] 上述技术方案中，a)步骤中的反应温度优选范围为100~200°C，更优选为120~ 180°C ;催化剂优选为碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物中的至少一种，更优选为氢氧 化钾、氢氧化钠，进一步优选为氢氧化钾，用量优选为占脂