技术领域
本发明涉及石油天然气深水钻井工程技术领域，尤其涉及一种深水恒流变合成基钻井液。
背景技术
随着能源需求的不断增多，海洋油气勘探已经逐步从近海走向深海，而深海的勘探开发面临着深水、超深水所带来的一系列钻井工程技术难题，深水及超深水钻井面临着天然气水合物堵塞管道，钻井液低温粘度过大而跑浆，深水地层欠压实而带来的井壁失稳等一系列问题。油基钻井液与合成基钻井液是解决上述问题的最优选择。由于海水随着水深的增加，温度急剧降低，深水和超深水在300～3000m这一段基本属于极低温，尤其是泥线附近仅有4℃左右，而在钻井过程中，钻井液循环时，由于要经过海底低温海水的冷却作用，而导致钻井液返出至钻井平台时仍然维持一个较低的温度，因为传统的油基钻井液和合成基钻井液的流变性受温度影响比较大，就会导致钻井液在返出平台后会造成粘度过大而跑浆等问题，严重制约着深水钻井作业。针对这一问题，国内外进行了大量的研究，提出了“恒流变”的概念，即在一定温度范围内(4～65℃)保持恒定的钻井液流变性能，尤其是动切力和3转读数的恒定不变。
传统油基钻井液基本采用的是柴油、矿物白油配制的，这些原料具有一定的毒性，因此，深水或超深水常常采用的为合成基钻井液。
虽然国内外大量的文献和专利都提出了“恒流变”的概念，并以4～65℃范围内的动切力和3转读数为依据认定钻井液属于具有“恒流变”的特征，但是仍然存在着表观粘度和塑性粘度随着温度的降低而增大的现象，并且增大的幅度很大的问题，如中国专利CN102807848A、201510952579.6以及201510218323.2中都存在着这种问题，表观粘度和塑性粘度随着温度的降低而增大，在钻井过程中钻井液在泵送过程中，会带来一定的压漏地层的风险。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种深水恒流变合成基钻井液。本发明提供的深水恒流变合成基钻井液表观粘度和塑性粘度随温度的变化幅度小，各个温度条件下最大差值小于3。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种深水恒流变合成基钻井液，包括以下重量份数的组分：
优选地，所述油水混相包括70～85份体积份数的合成基液，15～30份体积份数的氯化钙水溶液。
优选地，所述合成基液包括气制油、C8～20的正构烷烃和C8～20的异构烷烃中的一种或几种；所述氯化钙水溶液的质量分数为20～40％。
优选地，所述乳化剂由包括以下重量份数的组分制备得到：15～20份妥尔油脂肪酸、15～20份油酸、15～20份芥酸、10～20份十八碳三烯酸、15～20份二乙烯三胺、5～10份甘油。
优选地，所述碱度调节剂包括氧化钙、氧化镁和氢氧化钙中的一种或几种。
优选地，所述合成有机物类降滤失剂为纳米聚苯乙烯丙烯酸乳液。
优选地，所述纳米聚苯乙烯丙烯酸乳液由包括以下重量份数的组分制备得到：100份水、5份脂肪醇聚氧乙烯醚、5份高岭土、2份聚乙烯醇、10份丙烯酸、30份丙烯酸酯、50份苯乙烯、20份氯乙烯、2份过硫酸铵、5份氧化钙。
优选地，所述天然有机物类降滤失剂包括天然沥青、天然氧化沥青和腐殖酸酰胺树脂中的一种或几种。
优选地，所述加重剂为重晶石和/或碳酸钙。
优选地，所述有机土包括有机膨润土。
本发明提供了一种深水恒流变合成基钻井液，包括以下重量份数的组分：100份油水混相、1.5～3.0份乳化剂、1～2份碱度调节剂、0.5～1.5份有机土、1～3份合成有机物类降滤失剂、0.5～1.0份天然有机物类降滤失剂、0～100份加重剂。本发明通过乳化剂、合成有机物类降滤失剂和天然有机物类降滤失剂的协同作用提高了深水恒流变合成基钻井液的恒流变性能，具有真正意义的“恒流变”特征，表观粘度、塑性粘度、动切力、3转读数均变化较小，变化幅度为各个温度条件下最大差值小于3；并且，本发明提供的深水恒流变合成基钻井液具有电稳定性高、高温高压失水低的特点；本发明通过调整加重剂的用量，使得深水恒流变合成基钻井液的密度调整范围达到0.9～1.6g/cm3，能够满足深水及超深水钻井的需要；本发明提供的深水恒流变合成基钻井液具有生物毒性低，可降解性好的特点。
具体实施方式
本发明提供了一种深水恒流变合成基钻井液，包括以下重量份数的组分：
在本发明中，所述油水混相优选包括70～85份体积份数的合成基液，15～30份体积份数的氯化钙水溶液。本发明中，所述油水混相为深水恒流变合成基钻井液的基质。在本发明中，所述合成基液优选包括气制油、C8～20的正构烷烃和C8～20的异构烷烃中的一种或几种；所述氯化钙水溶液的质量分数优选为20～40％，更优选为26～30％。当所述合成基液为混合物时，本发明对所述混合物中各物质的用量比没有特殊的限定，采用任意比例的混合物即可。
以100份重量份数的油水混相为基准，本发明提供的深水恒流变合成基钻井液包括1.5～3.0份的乳化剂，优选为2～2.5份。在本发明中，所述乳化剂优选由包括以下重量份数的组分制备得到：15～20份妥尔油脂肪酸、15～20份油酸、15～20份芥酸、10～20份十八碳三烯酸、15～20份二乙烯三胺、5～10份甘油。在本发明中，所述乳化剂为一体化乳化剂。
在本发明中，所述乳化剂的制备方法优选包括以下步骤：
将妥尔油脂肪酸、油酸和芥酸混合后加热至160℃，抽真空为-0.1MPa进行接枝反应2h后，加入十八碳三烯酸继续1h内升温至320℃发生接枝反应5h后，在30min内降温至200℃，加入二乙烯三胺继续中和并脱水及咪唑反应2h后，在1h内降温至70℃，加入5～10份甘油，减压回流2h脱水后，即得乳化剂。
以100份重量份数的油水混相为基准，本发明提供的深水恒流变合成基钻井液包括1～3.0份的合成有机物类降滤失剂，优选为2～2.5份。在本发明中，所述合成有机物类降滤失剂优选为纳米聚苯乙烯丙烯酸乳液。在本发明中，所述纳米聚苯乙烯丙烯酸乳液优选由包括以下重量份数的组分制备得到：100份水、5份脂肪醇聚氧乙烯醚、5份高岭土、2份聚乙烯醇、10份丙烯酸、30份丙烯酸酯、50份苯乙烯、20份氯乙烯、2份过硫酸铵、5份氧化钙。在本发明中，所述合成有机物类降滤失剂为液体降滤失剂。
在本发明中，所述纳米聚苯乙烯丙烯酸乳液的制备方法优选包括以下步骤：
将水、脂肪醇聚氧乙烯醚、高岭土和聚乙烯醇混合，加入丙烯酸、丙烯酸酯、苯乙烯和氯乙烯后持续通氮气发生乳化反应2h后，加入过硫酸铵，并加热至120℃，压力控制在1.2～1.5MPa，进行聚合反应得到聚合产物，聚合产物1h内降温至70℃后，并保温3h后加入氧化钙，进行中和反应，得到纳米聚苯乙烯丙烯酸乳液。
以100份重量份数的油水混相为基准，本发明提供的深水恒流变合成基钻井液包括0.5～1.0份的天然有机物类降滤失剂。在本发明中，所述天然有机物类降滤失剂包括天然沥青、天然氧化沥青和腐殖酸酰胺树脂中的一种或几种；当所述天然有机物类降滤失剂为混合物时，本发明对所述混合物中各天然有机物类降滤失剂的用量比没有特殊的限定，采用任意比例的混合物即可。
本发明通过乳化剂、合成有机物类降滤失剂和天然有机物类降滤失剂的协同作用提高了深水恒流变合成基钻井液的恒流变性能，具有真正意义的“恒流变”特征，表观粘度、塑性粘度、动切力、3转读数均变化较小，变化幅度为各个温度条件下最大差值小于3，同时乳化剂、合成有机物类降滤失剂和天然有机物类降滤失剂共同作用使得深水恒流变合成基钻井液具有电稳定性高、高温高压失水低的特点。
以100份重量份数的油水混相为基准，本发明提供的深水恒流变合成基钻井液包括1～2份的碱度调节剂，优选为1.5份。在本发明中，所述碱度调节剂优选包括氧化钙、氧化镁和氢氧化钙中的一种或几种，当所述碱度调节剂为混合物时，本发明对所述混合物中各碱度调节剂的用量比没有特殊的限定，采用任意比例的混合物即可。
以100份重量份数的油水混相为基准，本发明提供的深水恒流变合成基钻井液包括0～100份的加重剂，优选为32～50份。在本发明中，所述加重剂优选为重晶石和/或碳酸钙。本发明中，所述加重剂能够调节深水恒流变合成基钻井液的密度，通过调整加重剂的用量，使得深水恒流变合成基钻井液的密度能够满足深水及超深水钻井的需要。
以100份重量份数的油水混相为基准，本发明提供的深水恒流变合成基钻井液包括0.5～1.5份的有机土，优选为1.0份。在本发明中，所述有机土优选为有机膨润土。本发明对所述有机土的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，上述技术方案所述深水恒流变合成基钻井液的制备方法优选包括以下步骤：
将油水混相、乳化剂、碱度调节剂、有机土、合成有机物类降滤失剂、天然有机物类降滤失剂和加重剂混合，得到深水恒流变合成基钻井液。
本发明对所述油水混相、乳化剂、碱度调节剂、有机土、合成有机物类降滤失剂、天然有机物类降滤失剂和加重剂的加入顺序没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加料顺序即可；本发明对所述混合的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的、能够将各原料混合均匀的方式即可，具体的，如搅拌。
下面结合实施例对本发明提供的深水恒流变合成基钻井液进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
一种深水恒流变合成基钻井液包括以下重量份数的组分：100份油水混相，1.5份乳化剂，1份氧化钙，1.5份有机膨润土，3份纳米苯乙烯丙烯酸乳液，0.5份天然沥青，0份加重剂。
油水混相为合成基液与氯化钙盐水的混合相，具体为70份合成基液，30份氯化钙水溶液；合成基液为气制油；氯化钙水溶液的质量分数为20％。
乳化剂的合成工艺为：将15份的妥尔油脂肪酸、15份油酸、15份的芥酸混合升温至160℃，抽真空-0.1MPa反应2h后，加入10份的十八碳三烯酸继续升温至320℃反应5h后，降温至200℃加入15份的二乙烯三胺继续反应2h后，降温至70℃，加入5份甘油，减压回流2h脱水后，即得乳化剂。
纳米苯乙烯丙烯酸乳液的合成工艺为：在100份的水中加入5份的脂肪醇聚氧乙烯醚、5份的高岭土、2份的聚乙烯醇，搅拌均匀后，加入10份的丙烯酸，30份的丙烯酸酯，50份的苯乙烯，20份的氯乙烯，持续通氮气的情况下持续搅拌使其乳化2h后，加入2份过硫酸铵，并加热至120℃，压力控制在1.2MPa，反应3h后，降低温度至70℃，加入5份氧化钙，继续反应1h后即得合成有机物类降滤失剂。
深水恒流变合成基钻井液的制备方法，包括以下步骤：
将油水混相、乳化剂、碱度调节剂、有机土、合成有机物类降滤失剂和天然有机物类降滤失剂在搅拌条件下混合均匀，得到深水恒流变合成基钻井液。
实施例2
一种深水恒流变合成基钻井液包括以下重量份数的组分：100份油水混相，3.0份乳化剂，2份氧化钙，0.5份有机膨润土，1份合成有机物类降滤失剂，1.0份腐殖酸酰胺树脂，32份重晶石。
油水混相为合成基液与氯化钙盐水的混合相，具体为75份合成基液，25份氯化钙水溶液，合成基液为异构烷烃(C8～20)，氯化钙水溶液质量分数为40％。
乳化剂的合成工艺为：将20份的妥尔油脂肪酸、20份油酸、20份的芥酸混合升温至160℃，抽真空-0.1MPa反应2h后，加入20份的十八碳三烯酸继续升温至320℃反应5h后，降温至200℃加入20份的二乙烯三胺继续反应2h后，降温至70℃，加入10份甘油，减压回流2h脱水后，即得乳化剂。
合成有机物类降滤失剂降滤失剂为纳米苯乙烯丙烯酸乳液，具体合成工艺为：在100份的水中加入5份的脂肪醇聚氧乙烯醚、5份的高岭土、2份的聚乙烯醇，搅拌均匀后，加入10份的丙烯酸，30份的丙烯酸酯，50份的苯乙烯，20份的氯乙烯，持续通氮气的情况下持续搅拌使其乳化2h后，加入2份过硫酸铵，并加热至120℃，压力控制在1.5MPa，反应3h后，降低温度至70℃，加入5份氧化钙，继续反应1h后即得合成有机物类降滤失剂。
本实施例深水恒流变合成基钻井液的制备方法与实施例1相同。
实施例3
一种深水恒流变合成基钻井液包括以下重量份数的组分：100份油水混相，2.0份乳化剂，1.5份氢氧化钙，1.0份有机膨润土，2份合成有机物类降滤失剂，0.5份氧化沥青，50份重碳酸钙。
油水混相为合成基液与氯化钙盐水的混合相，具体为80份合成基液，20份氯化钙水溶液，合成基液为正构烷烃(C8～20)，氯化钙水溶液质量分数为26％。
乳化剂的合成工艺为：将15份的妥尔油脂肪酸、20份油酸、10份的芥酸混合升温至160℃，抽真空-0.1MPa反应2h后，加入20份的十八碳三烯酸继续升温至320℃反应5h后，降温至200℃加入15份的二乙烯三胺继续反应2h后，降温至70℃，加入5份甘油，减压回流2h脱水后，即得乳化剂。
合成有机物类降滤失剂降滤失剂为纳米苯乙烯丙烯酸乳液，具体合成工艺为：在100份的水中加入5份的脂肪醇聚氧乙烯醚、5份的高岭土、2份的聚乙烯醇，搅拌均匀后，加入10份的丙烯酸，30份的丙烯酸酯，50份的苯乙烯，20份的氯乙烯，持续通氮气的情况下持续搅拌使其乳化2h后，加入2份过硫酸铵，并加热至120℃，压力控制在1.5MPa，反应3h后，降低温度至70℃，加入5份氧化钙，继续反应1h后即得合成有机物类降滤失剂。
本实施例深水恒流变合成基钻井液的制备方法与实施例1相同。
实施例4
一种深水恒流变合成基钻井液包括以下重量份数的组分：100份油水混相，3.0份乳化剂，1.5份碱度调节剂(氧化钙和氢氧化钙按质量比1:1复配)，1.0份有机膨润土，2份合成有机物类降滤失剂，0.5份天然有机物类降滤失剂(天然沥青与腐殖酸酰胺树脂按质量比1:1复配使用)，100份重晶石。
油水混相为合成基液与氯化钙盐水的混合相，具体为85份合成基液，15份氯化钙水溶液，合成基液为异构烷烃(C8～20)，氯化钙水溶液质量分数为30％。
乳化剂的合成工艺为：将20份的妥尔油脂肪酸、20份油酸、15份的芥酸混合升温至160℃，抽真空-0.1MPa反应2h后，加入15份的十八碳三烯酸继续升温至320℃反应5h后，降温至200℃加入15份的二乙烯三胺继续反应2h后，降温至70℃，加入10份甘油，减压回流2h脱水后，即得乳化剂。
合成有机物类降滤失剂降滤失剂为纳米苯乙烯丙烯酸乳液，具体合成工艺为：在100份的水中加入5份的脂肪醇聚氧乙烯醚、5份的高岭土、2份的聚乙烯醇，搅拌均匀后，加入10份的丙烯酸，30份的丙烯酸酯，50份的苯乙烯，20份的氯乙烯，持续通氮气的情况下持续搅拌使其乳化2h后，加入2份过硫酸铵，并加热至120℃，压力控制在1.2MPa，反应3h后，降低温度至70℃，加入5份氧化钙，继续反应1h后即得合成有机物类降滤失剂。
本实施例深水恒流变合成基钻井液的制备方法与实施例1相同。
对比例1
市售SPE90987平板流合成基钻井液，密度未知。
对比例2
中国专利申请公布号CN 104861944A一种深水恒流变油基钻井液，ρ＝1.5g/cm3。
对比例3
中国专利授权公告号CN 102807848B一种煤制油深水恒流变合成基钻井液。
对实施例1～4以及对比例1～3各钻井液的性能进行测试，结果如表1所示，由表1可以看出，本发明制得的深水恒流变合成基钻井液具有在不同温度下表观粘度、塑性粘度、动切力的差值均小于等于3，实现了真正的“恒流变”，与对比例相比在性能上实现了表观粘度和塑性粘度的差值更小，而几个对比例均具有较大的表观粘度和塑性粘度差值，仅动切力表现为“恒定”，本发明制得的深水恒流变合成基钻井液更是实现了在4～65℃范围内任意温度的流变性能“恒定”。
表1实施例1～4以及对比例1～3各钻井液的基本性能
本发明进一步评价了上述实施例中深水恒流变合成基钻井液的抗污染性能，以此来判断该油基钻井液是否会受外来污染物的影响，以实施例2为例进行了系列化的抗污染性能评价，结果如表2所示，由表2可以看出，本发明提供的深水恒流变合成基钻井液在受到外来污染物污染后，依然表现出良好的流变稳定性能，能够满足深水、超深水对钻井液低温流变性的要求。
表2实施例2制得的深水恒流变合成基钻井液的抗污染性能表
注：表1和表2中：
ρ：钻井液密度，g/cm3
T：钻井液老化温度，℃
T测：钻井液流变性测试温度，℃
AV：钻井液表观粘度，mPa·s
PV：钻井液塑性粘度，mPa·s
YP：钻井液动切力，Pa
Φ3：六速旋转粘度计3转读数，无量纲
HTHP：钻井液高温高压失水(3.5MPa，T，30min)，mL
ES：钻井液电稳定性，V。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。