本發(fā)明涉及一種鉆井液及其制備方法，特別是含有改性高軟化點(diǎn)瀝青的鉆井液，屬于石油鉆井開采技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著石油勘探與開發(fā)的發(fā)展，鉆井深度不斷加深，鉆遇地層愈來愈復(fù)雜，定向井、水平井等特殊工藝井的數(shù)量逐漸增多。這使鉆井工程對(duì)鉆井液的使用性能，特別是抗高溫能力提出了更高的要求。瀝青類產(chǎn)品作為重要的鉆井液處理劑，具有良好的防塌、潤(rùn)滑、降低濾失和高溫穩(wěn)定等綜合效能。然而一般軟化點(diǎn)瀝青會(huì)因?yàn)檫^度軟化甚至流淌而無法滿足深井下的高溫作業(yè)要求。
高軟化點(diǎn)瀝青是指軟化點(diǎn)在100℃以上，尤其是在120℃以上的瀝青。高軟化點(diǎn)瀝青因其出色的抗高溫能力而有著比較廣泛的應(yīng)用。高軟化點(diǎn)瀝青可以用于深層油氣田的鉆井作業(yè)中，作為鉆井液的重要組成部分，可以在高溫條件下起到封堵、防塌，穩(wěn)定井壁，降低濾失量的作用。
為了提高鉆井液用瀝青類產(chǎn)品的使用性能，國(guó)內(nèi)外先后公開了很多方法對(duì)瀝青進(jìn)行改性。其中最主要的方法就對(duì)瀝青進(jìn)行磺化。如US3485745、CN99109453、CN201010250241等。這種方法雖然能夠增加產(chǎn)品的水溶性，但是油溶率較低。瀝青經(jīng)磺化后主要生成了磺酸鹽，產(chǎn)品的軟化點(diǎn)幾乎測(cè)不出來，只能在較低的溫度條件下使用。而且其顆粒沒有彈性、變形能力差，不能任意嵌入井內(nèi)的孔道，特別是不規(guī)則形孔道，不能很好地起到封堵和降濾失的作用。同時(shí)，這種工藝較復(fù)雜，對(duì)環(huán)境容易造成污染。
鉆井液以其連續(xù)相分為油基鉆井液和水基鉆井液。高軟化點(diǎn)石油瀝青主要以油溶性為主，所以在油基鉆井液中分散性好，應(yīng)用不成問題。但是在水基鉆井液中，由于其水溶性很小，存在分散困難、不易穩(wěn)定的問題。這也是制約高軟化點(diǎn)瀝青在水基鉆井液中廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要因素。
高軟化點(diǎn)瀝青在鉆井液中使用時(shí)，要求以極小的顆粒分散到泥漿體系中，這樣既可以保證瀝青分散均勻，又可以避免聚結(jié)成大的塊狀物堵塞振動(dòng)篩而造成無法使用等問題的發(fā)生。通常情況下，瀝青顆粒的粒徑要求在150μm以下，甚至120μm以下方具有良好的使用效果。
然而，瀝青屬于熱敏性材料，在粉碎或超細(xì)粉碎時(shí)，會(huì)增加很大成本。即使能夠得到細(xì)小的瀝青顆粒，要想在水基鉆井液中穩(wěn)定分散也是很不容易的。如果不能穩(wěn)定分散就無法在井下起到封堵和降濾失的作用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的鉆井液中使用的瀝青產(chǎn)品軟化點(diǎn)低，顆粒較大，在鉆井液中分散性能不好，不能很好的滿足鉆井液的封堵、防塌，穩(wěn)定井壁，降低濾失量的使用性能等問題，本發(fā)明提供一種可耐高溫的水基鉆井液，其包括一種含有改性高軟化點(diǎn)瀝青顆粒的瀝青液，其瀝青顆粒粒徑小，可在水基鉆井液中穩(wěn)定分散，大大提高了鉆井液的封堵、防塌，穩(wěn)定井壁，降低濾失量等性能。
本發(fā)明的技術(shù)目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種耐高溫水基鉆井液，以質(zhì)量份數(shù)計(jì)，所述鉆井液包括如下組分：
基漿 85~97份
改性高軟化點(diǎn)瀝青液 3~15份
所述改性高軟化點(diǎn)瀝青液按質(zhì)量份數(shù)計(jì)，包括以下組分：
改性高軟化點(diǎn)瀝青顆粒 3~7份
水 3~7份
所述改性高軟化點(diǎn)瀝青顆粒粒徑≤120μm，包括由基礎(chǔ)瀝青構(gòu)成的核和由改性劑形成的殼，按質(zhì)量份數(shù)計(jì)，核為7~9份，殼為1~3份；所述改性劑包括聚合硫和游離硫，改性劑中聚合硫和游離硫的重量比為3:7~7:3；
所述改性高軟化點(diǎn)瀝青液中還包括穩(wěn)定分散劑和穩(wěn)定劑，所述穩(wěn)定分散劑為聚氧乙烯醚類，其加入量為基礎(chǔ)瀝青的0.1%~10%，所述穩(wěn)定劑為醇類或黃原酸酯類，其加入量為聚合硫和游離硫總量的0.01~0.5%。
進(jìn)一步地，所述的基漿是本領(lǐng)域常規(guī)的水基鉆井液基漿，可以按照現(xiàn)有技術(shù)常規(guī)方法制備，基漿的組成及制備方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知，例如可按照以下制備過程進(jìn)行：在水中加入無水碳酸鈉，再加入鈣膨潤(rùn)土，高速攪拌并養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后得到。
進(jìn)一步地，所述基礎(chǔ)瀝青為軟化點(diǎn)為100～200℃的瀝青，選自氧化瀝青、溶劑脫油瀝青、天然瀝青中的至少一種。
進(jìn)一步地，所述穩(wěn)定分散劑選自脂肪胺聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚和烷基酚聚氧乙烯醚中的至少一種；所述穩(wěn)定劑選自異丙醇、4-氯1-丁醇、6-氯1-己醇、4-溴苯甲醇、二硫化二異丙基黃原酸酯和二硫化二正丁基黃原酸酯中的至少一種。
進(jìn)一步地，所述改性劑是通過將硫磺加熱至120~160℃，10~60分鐘后，加熱至500~600℃，同時(shí)通入惰性氣體，保持壓力0.5~2.0MPa，保持10~100分鐘，形成硫蒸汽，再將硫蒸汽噴入至含穩(wěn)定分散劑和穩(wěn)定劑的淬冷液中急冷得到。
進(jìn)一步地，所述鉆井液中還包括性能調(diào)節(jié)劑，所述性能調(diào)節(jié)劑選自改性淀粉或水溶性纖維中的至少一種，其加入量按基漿和改性高軟化點(diǎn)瀝青液的總重量計(jì)，為二者總量的0.1%~5%。所述改性淀粉為磷酸酯淀粉、羧甲基淀粉或陽離子淀粉；所述水溶性纖維為羧甲基纖維素、聚乙烯醇纖維或羥乙基纖維素。
本發(fā)明的另一技術(shù)目的在于提供上述耐高溫水基鉆井液的制備方法，包括以下步驟：
①制備改性高軟化點(diǎn)瀝青液：將基礎(chǔ)瀝青加入至水中進(jìn)行粉碎，加入穩(wěn)定分散劑和穩(wěn)定劑，得到瀝青液；將硫磺加熱至120~160℃，10~60分鐘后，加熱至500~600℃，同時(shí)通入惰性氣體，保持壓力0.5~2.0MPa，保持10~100分鐘，形成硫蒸汽；將硫蒸汽噴入到瀝青液中，兩者的加入量按硫磺與基礎(chǔ)瀝青的質(zhì)量比為1~3:7~9，形成的瀝青顆粒懸浮于瀝青液中，40~65℃條件下保持30~120分鐘，得到改性高軟化點(diǎn)瀝青液；所述穩(wěn)定分散劑為聚氧乙烯醚類，所述穩(wěn)定劑為醇類或黃原酸酯類；
②將改性高軟化點(diǎn)瀝青液和基漿，或?qū)⒏男愿哕浕c(diǎn)瀝青液、基漿和性能調(diào)節(jié)劑混合均勻，得到所述耐高溫水基鉆井液。
進(jìn)一步地，所述穩(wěn)定分散劑選自脂肪胺聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚和烷基酚聚氧乙烯醚中的至少一種，穩(wěn)定分散劑的加入量為基礎(chǔ)瀝青的0.1~10%。所述穩(wěn)定劑選自異丙醇、4-氯1-丁醇、6-氯1-己醇、4-溴苯甲醇、二硫化二異丙基黃原酸酯和二硫化二正丁基黃原酸酯中的至少一種，穩(wěn)定劑的加入量為硫磺的0.01~0.5%。
進(jìn)一步地，步驟①中將瀝青粉碎可采用高速剪切乳化機(jī)、膠體磨或研磨機(jī)中的一種，粉碎時(shí)間20~60分鐘，粉碎至平均粒徑≤120mm。
進(jìn)一步地，所述硫磺選擇工業(yè)優(yōu)級(jí)硫磺粉（純度99.5%以上）。
進(jìn)一步地，步驟②在所述混合可以采用普通機(jī)械攪拌、高剪切、膠體磨或超聲分散等技術(shù)手段，混合時(shí)間根據(jù)物料體系的均勻程度，一般為5~30分鐘。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）在本發(fā)明的制備方法中，在制備改性高軟化點(diǎn)瀝青液時(shí)，基礎(chǔ)瀝青在水中粉碎可以避免因放熱造成的顆粒重新粘結(jié)，瀝青液可以作為淬冷液，瀝青顆?？梢蕴峁┖讼啵欣诹虻木酆?。在制備瀝青液的過程中加入穩(wěn)定劑，可以提高高彈聚合硫的收率和穩(wěn)定性。同時(shí)可以使高彈硫聚合物在瀝青外部形成一層包覆層，經(jīng)過后續(xù)冷卻、穩(wěn)定處理后，形成有機(jī)的整體，提高改性瀝青顆粒的使用性能。
（2）本發(fā)明方法中，在硫磺聚合反應(yīng)過程中引入惰性氣體（如N2），一是為了在高溫下起到保護(hù)作用，另一方面是為了給聚合后的硫霧化提供足夠的動(dòng)力；此外，還可以通過壓力的調(diào)整，來調(diào)變最終顆粒的粒徑大小，從而滿足不同的使用要求。
（3）一般來說，硫熔融反應(yīng)后，高彈聚合硫的轉(zhuǎn)化率為40~60%，本方法中并不需要對(duì)其進(jìn)行萃取、提純等處理，因?yàn)檫@部分沒有轉(zhuǎn)化的硫雖然不能與高軟化點(diǎn)瀝青形成有機(jī)的整體，但是它是很好的分散劑與隔離劑，有利于瀝青顆粒穩(wěn)定分散，所以本發(fā)明方法得到的改性高軟化點(diǎn)瀝青無需外加其它助劑，即可以常溫長(zhǎng)期儲(chǔ)存，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝。
（4）本發(fā)明的水基鉆井液中加入了改性高軟化點(diǎn)瀝青液，不僅解決了瀝青常溫粉碎的難題，而且通過改性劑、穩(wěn)定分散劑、性能調(diào)節(jié)劑等各種添加劑的協(xié)同作用，可以使高軟化點(diǎn)瀝青顆粒穩(wěn)定均勻分散在水基鉆井液中。本發(fā)明的方法工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本較低，制得的高軟化點(diǎn)瀝青液中的瀝青顆粒為在基礎(chǔ)瀝青外包覆一層高彈聚合硫和游離硫的混合物，不僅顆粒粒徑小，具有一定的彈性變形能力，能夠在常溫下穩(wěn)定儲(chǔ)存，而且抗高溫性能優(yōu)良，從而提高了鉆井液的提粘切性、體系的動(dòng)切力和高溫高壓降濾失性，本發(fā)明鉆井液可在油田的深井、超深井鉆井作業(yè)中使用。
具體實(shí)施方式
下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
本發(fā)明實(shí)施例中采用的基漿制備過程如下：每1000mL水中加入2.75g無水碳酸鈉，再加入60g鈣膨潤(rùn)土，高速攪拌20min于室溫下養(yǎng)護(hù)24h，得6%淡水基漿。
實(shí)施例1
取400g軟化點(diǎn)為123.4℃的氧化瀝青加入到360g冷水中用高剪切乳化機(jī)進(jìn)行粉碎30分鐘，然后加入20g十八胺聚氧乙烯醚和0.1g異丙醇繼續(xù)混合10分鐘，使瀝青顆粒均勻分散在水中；將100g硫磺粉置于融硫釜中加熱至135℃，保持20分鐘，進(jìn)入到反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜溫度控制在540℃，同時(shí)通入N2，保持壓力1.0 MPa 。在此條件下保持30分鐘。然后打開反應(yīng)釜底部的放料閥門，將含有聚合硫的蒸汽快速噴入到上述制備好的含瀝青的冷水中進(jìn)行急冷，在50℃條件下保持40分鐘，進(jìn)行充分的固化和穩(wěn)定，得到改性高軟化點(diǎn)瀝青液（瀝青平均粒徑115mm，測(cè)定改性瀝青顆粒的）。
將28g高軟化點(diǎn)瀝青液置于400mL配制好的鉆井液基漿中，加入占鉆井液質(zhì)量3.5%的羧甲基淀粉，高速剪切15分鐘，得到耐高溫水基鉆井液。
實(shí)施例2
取425g軟化點(diǎn)為138.5℃的溶劑脫油瀝青加入到450g冷水中用高剪切乳化機(jī)進(jìn)行粉碎35分鐘，然后加入25.5g脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO-7）和0.35g二硫化二異丙基黃原酸酯繼續(xù)混合20分鐘，使瀝青顆粒均勻分散在水中；將75g硫磺粉置于融硫釜中加熱至140℃，保持25分鐘，進(jìn)入到反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜溫度控制在550℃，同時(shí)通入N2，保持壓力0.8 MPa。在此條件下保持30分鐘。然后打開反應(yīng)釜底部的放料閥門，將含有聚合硫的蒸汽快速噴入到上述制備好的含瀝青的冷水中進(jìn)行急冷，在55℃條件下保持50分鐘，進(jìn)行充分的固化和穩(wěn)定，得到改性高軟化點(diǎn)瀝青液（瀝青平均粒徑100mm）。
將24g高軟化點(diǎn)瀝青液置于400mL配制好的鉆井液基漿中，加入占鉆井液質(zhì)量2.5%的羥乙基纖維素，高速剪切20分鐘，得到耐高溫水基鉆井液。
實(shí)施例3
取350g軟化點(diǎn)為143.6℃的天然瀝青加入到400g冷水中用高剪切乳化機(jī)進(jìn)行粉碎40分鐘，然后加入17.5g十二胺聚氧乙烯醚和0.2g的4-氯1-丁醇繼續(xù)混合25分鐘，使瀝青顆粒均勻分散在水中；將150g硫磺粉置于融硫釜中加熱至130℃，保持45分鐘，進(jìn)入到反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜溫度控制在580℃，同時(shí)通入N2，保持壓力0.6 MPa 。在此條件下保持40分鐘。然后打開反應(yīng)釜底部的放料閥門，將含有聚合硫的蒸汽快速噴入到上述制備好的含瀝青的冷水中進(jìn)行急冷，在60℃條件下保持40分鐘，進(jìn)行充分的固化和穩(wěn)定，得到改性高軟化點(diǎn)瀝青液（瀝青平均粒徑90mm）。
將20g高軟化點(diǎn)瀝青液置于400mL配制好的鉆井液基漿中，加入占鉆井液質(zhì)量2.0%的磷酸酯淀粉，高速剪切10分鐘，得到耐高溫水基鉆井液。
實(shí)施例4
取375g軟化點(diǎn)為151.8℃的溶劑脫油瀝青加入到325g冷水中用高剪切乳化機(jī)進(jìn)行粉碎45分鐘，然后加入32g烷基酚聚氧乙烯醚（OP-10）和0.3g的二硫化二正丁基黃原酸酯繼續(xù)混合30分鐘，使瀝青顆粒均勻分散在水中；將125g硫磺粉置于融硫釜中加熱至150℃，保持55分鐘，進(jìn)入到反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜溫度控制在560℃，同時(shí)通入N2，保持壓力1.0 MPa 。在此條件下保持40分鐘。然后打開反應(yīng)釜底部的放料閥門，將含有聚合硫的蒸汽快速噴入到上述制備好的含瀝青的冷水中進(jìn)行急冷，在50℃條件下保持30分鐘，進(jìn)行充分的固化和穩(wěn)定，得到改性高軟化點(diǎn)瀝青液（瀝青平均粒徑75mm）。
將18g高軟化點(diǎn)瀝青液置于400mL配制好的鉆井液基漿中，加入占鉆井液質(zhì)量4.5%的陽離子淀粉，高速剪切20分鐘，得到抗高溫水基鉆井液。
對(duì)實(shí)施例1~4中制備過程中得到的改性高軟化點(diǎn)瀝青液進(jìn)行脫水和抽真空干燥處理。將所得固體用振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，得到高軟化點(diǎn)瀝青顆粒。對(duì)高軟化點(diǎn)瀝青顆粒進(jìn)行粒徑、軟化點(diǎn)和曬后通過率測(cè)定，其結(jié)果如表1所示。
表1. 各實(shí)施例中高軟化點(diǎn)瀝青顆粒的性質(zhì)
瀝青顆粒的粒徑采用顯微鏡觀察，并用顯微鏡自帶標(biāo)尺測(cè)定。軟化點(diǎn)的測(cè)試方法根據(jù)GB/T4507方法進(jìn)行。篩后通過率指：顆粒物常溫堆放30天后，用與剛制備時(shí)相同孔徑的標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分，通過篩孔的顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。該指標(biāo)主要考察顆粒物經(jīng)過貯存后的穩(wěn)定性，即粒徑變化情況。
對(duì)實(shí)施例1~4制備的水基鉆井液各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表2所示。
表2. 各實(shí)施例中水基鉆井液的性質(zhì)
粘度及高溫高壓濾失量按GB/T 16783方法進(jìn)行。