CN101531887A - 一种钻井液用抗高温聚合物降滤失剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种钻井液用抗高温聚合物降滤失剂及其制备方法，其特征在于，本发明的抗高温聚合物降滤失剂是一种由烯基磺酸、烯基酰胺、烯基烷酮和烯基季铵盐反应生成的共聚物，其分子中含有800－1800个结构单元，粘均分子量为500，000－1200，000。这种聚合物降滤失剂在钻井液中抗温达245℃以上，对钻井液的护胶性能好，改善滤饼质量，在淡水、淡水加重以及盐水等钻井液中均具有良好的降滤失效果，同时能抑制粘土水化分散、具有良好的流变性。
Description
技术领域：
本发明属于石油钻井液用降滤失剂。
技术背景：
随着油气勘探开发的纵深发展和钻井行业向国外市场的日益拓展，超深井钻井施工数量逐年增加。由于超深井钻遇的地层复杂、井下高温高压以及作业周期长等，对超深井钻井液技术提出了更高的要求。超深井钻井液仍然面临着高温稳定性(老化)、高固相含量下的钻井液流变性及滤失性调控和多套压力层系地层安全密度窗口窄等技术难题。
目前，国内钻井液中常用的降滤失剂抗温性能达不到深井超深井钻探需要，尤其是没有抗温能力达到245℃的聚合物降滤失剂。因此，在目前深井超深井钻井液的维护处理中加入的处理剂种类多、加量大，这使得钻井液中抗温性能不好的各组分之间在高温高压条件下发生复杂的物理化学作用，影响钻井液体系性能及其稳定性。这是造成目前深井超深井水基钻井液滤失性、流变性难以调控的关键因素，也是深井超深井钻探中引起复杂事故的钻井液方面的主要原因。
发明内容：
本发明的目的是提供一种抗温、抗盐能力强，降滤失效果好，同时兼有抑制泥页岩水化分散作用的聚合物降滤失剂。
本发明的目的是这样实现的：一种钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，是由烯基磺酸、烯基酰胺、烯基烷酮和烯基季铵盐反应生成的共聚物。其分子中含有800—1800个结构单元，粘均分子量为500,000-1200,000。其中烯基磺酸是乙烯基磺酸、2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸或2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸；烯基酰胺是N，N-二乙基丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺或双丙酮丙烯酰胺；烯基烷酮是(R)-4-苄基-2-恶唑烷酮、N-苄基-3-吡咯烷酮或N-乙烯基吡咯烷酮；烯基季铵盐是二甲基二烯丙基氯化铵、二乙基二烯丙基氯化铵或烯丙基三甲基氯化铵。
在本发明的一个具体实施方式中，提供一种钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，是由N，N-二乙基丙烯酰胺、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、N-乙烯基吡咯烷酮与二甲基二烯丙基氯化铵聚合生成的共聚物，其结构式如下：
式中：a＝3-10，优选a＝4-7
b＝2-7，优选b＝3-5
c＝1-6，优选c＝2-4
d＝1-3，优选d＝1-2
这个聚合物分子中有900-1,800个结构单元，优选1,200-1,500个结构单元；摩尔比a∶b∶c∶d＝(3-10)∶(2-7)∶(1-6)∶(1-3)，优选a∶b∶c∶d＝(4-7)∶(3-5)∶(2-4)∶(1-2)；粘均分子量为500,000-1,100,000，优选为750,000-950,000。
在本发明的另一个具体实施方式中，提供一种钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，是由N，N-二甲基丙烯酰胺、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、N-乙烯基吡咯烷酮与二乙基二烯丙基氯化铵聚合生成的共聚物，其结构式如下：
式中：e＝3-10，优选e＝4-7
b＝2-7，优选b＝3-5
c＝1-6，优选c＝2-4
f＝1-3，优选f＝1-2
这个聚合物分子中有900-1,800个结构单元，优选1,300-1,600个结构单元；摩尔比e∶b∶c∶f＝(3-10)∶(2-7)∶(1-6)∶(1-3)，优选e∶b∶c∶f＝＝(4-7)∶(3-5)∶(2-4)∶(1-2)；粘均分子量为500,000-1,100,000，优选为750,000-900,000。
本发明还提供上述抗高温聚合物降滤失剂的制备方法，包括如下步骤：将烯基磺酸、烯基酰胺、烯基烷酮和烯基季铵盐加入装有溶剂的反应釜中，用碱调节pH，加热反应釜中的材料，加入聚合催化剂，维持反应时间，终止反应，分出溶剂，干燥粉碎得细颗粒状产品。其中溶剂是水、乙醚、丙酮、乙醇或1，1，1-三氯乙烷；聚合催化剂是过氧化苯甲酰、过氧化氢、过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵或亚硫酸氢钠；反应物重量占反应物与溶剂形成的溶液总重量的5-20wt％，优选8-12wt％催化剂加入量是反应物重量的0.05-1wt％，优选0.05-0.5wt％；聚合反应温度为20-130℃，优选50-90℃；聚合反应时间为30分钟到10小时，优选2-4小时；所用的碱是氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化铵，pH值调节到5-12，优选6-8；干燥温度为100-150℃，优选110-120℃；粉状产品粒度为10-80目，优选20-60目。
具体实施方式：
实施例1：向装有搅拌器、回流冷凝器、温度计和加热装置的四口烧瓶中，加入200mL蒸馏水，边搅拌边加入N，N-二乙基丙烯酰胺16.3g、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸21.07g、N-乙烯基吡咯烷酮7.6g和二甲基二烯丙基氯化铵15.7g，用氢氧化钠调节pH＝7.0，边搅拌边加热至温度为60℃，加入过硫酸钾0.04g，反应3h。将反应釜中粘稠液体烘干、粉碎过20目样品筛即得抗高温聚合物降滤失剂。此聚合物中a∶b∶c∶d＝6∶5∶3∶2，聚合物粘均分子量约为85万，结构单元数约为1400。
实施例2：向装有搅拌器、回流冷凝器、温度计和加热装置的四口烧瓶中，加入200mL蒸馏水，边搅拌边加入N，N-二甲基丙烯酰胺15.8g、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸21.07g、N-乙烯基吡咯烷酮7.6g和二乙基二烯丙基氯化铵18.4g，用氢氧化钠调节pH＝7.0，边搅拌边加热至温度为60℃，加入过硫酸铵0.03g，反应3h。将反应釜中粘稠液体烘干、粉碎过20目样品筛即得抗高温聚合物降滤失剂。此聚合物中e∶b∶c∶f＝5∶3∶2∶1，聚合物粘均分子量约为90万，结构单元数约为1500。
实施例3：抗温性及降滤失效果评价
测试方法：采用GB/T16783-1997：水基钻井液现场测试程序。
1.在淡水基浆中测试
基浆配制：在高搅杯中加入400mL自来水，在不断搅拌下加入0.8g无水碳酸钠、16g二级膨润土和12g评价土，搅拌20分钟，密闭静置24h即为基浆。
实验浆配制及测试：分别向预水化好的基浆中加入1％的评价样品(Driscal，实施例1样，实施例2样)，高速搅拌均匀，测其流变性及滤失性。将实验浆装入高温老化罐中，在245℃下热滚老化16h，用同样方法测量其流变性及滤失性。
表1 在淡水基浆中测试结果
注：Driscal—进口抗温聚合物降滤失剂。
2.在淡水加重基浆中测试
基浆配制：在高搅杯中加入400mL自来水，在不断搅拌下加入1.2g无水碳酸钠、24g二级膨润土、20g评价土和120g重晶石，搅拌20分钟，密闭静置24h即为基浆。
实验浆配制及测试：分别向预水化好的基浆中加入1％的评价样品(Driscal，实施例1样，实施例2样)，高速搅拌均匀，装入高温老化罐中，在245℃下热滚老化16h，测量其流变性及滤失性。
表2 在淡水加重基浆中测试结果
| 实验浆 | 测试条件 | AV/mPa·s | PV/mPa·s | YP/Pa | APIFL/mL |
| 基浆 | 245℃/16h后室温 | 38 | 26 | 12 | 21.0 |
| 1％Driscal | 245℃/16h后室温 | 49 | 38 | 11 | 9.6 |
| 1％实施例1样 | 245℃/16h后室温 | 41 | 32 | 9 | 6.2 |
| 1％实施例2样 | 245℃/16h后室温 | 45 | 34 | 11 | 6.0 |
3.在饱和盐水基浆中测试
基浆配制：在高搅杯中加入400mL自来水，在不断搅拌下加入1.2g无水碳酸钠、24g二级膨润土、40g评价土和120g氯化钠，搅拌20分钟，密闭静置24h即为基浆。
实验浆配制及测试：分别向预水化好的基浆中加入1.5％的评价样品(Driscal，实施例1样，实施例2样)，高速搅拌均匀，装入高温老化罐中，在245℃下热滚老化16h，测量其流变性及滤失性。
表3 在饱和盐水基浆中测试结果
| 实验浆 | 测试条件 | AV/mPa·s | PV/mPa·s | YP/Pa | APIFL/mL |
| 基浆 | 245℃/16h后室温 | 17.5 | 6 | 11.5 | 143 |
| 1.5％Driscal | 245℃/16h后室温 | 40 | 19 | 21 | 24 |
| 1.5％实施例1样 | 245℃/16h后室温 | 46 | 25 | 21 | 18 |
| 1.5％实施例2样 | 245℃/16h后室温 | 49.5 | 28 | 21.5 | 17 |
从1到3测试结果表明，本发明的抗高温聚合物降滤失剂在淡水、淡水加重以及饱和盐水钻井液基浆中245℃热滚老化16h前后均具有很好的降滤失效果，优于国外进口的同类产品。因此，在深井超深井超高温高压高矿化度条件下的钻井液滤失性调控方面，具有不可取代的优势。
本发明的抗高温聚合物降滤失剂的作用机理主要有：(1)在粘土颗粒上的吸附量大并且吸附牢固，在化学环境和温度改变情况下，吸附量变化小；(2)老化(245℃/16h)前后均能明显降低滤饼的渗透率和改善其可压缩性；(3)改善钻井液体系中的颗粒粒径级配和增强体系的胶体稳定性。
Claims (11)
1、一种钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，是由烯基磺酸、烯基酰胺、烯基烷酮和烯基季铵盐反应生成的共聚物，其分子中含有800—1800个结构单元，粘均分子量为500,000-1200,000。
2、如权利要求1所述的钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，其中烯基磺酸是乙烯基磺酸、2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸或2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸；烯基酰胺是N，N-二乙基丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺或双丙酮丙烯酰胺；烯基烷酮是(R)-4-苄基-2-恶唑烷酮、N-苄基-3-吡咯烷酮或N-乙烯基吡咯烷酮；烯基季铵盐是二甲基二烯丙基氯化铵、二乙基二烯丙基氯化铵或烯丙基三甲基氯化铵。
3、如权利要求2所述的钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，是由N，N-二乙基丙烯酰胺、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、N-乙烯基吡咯烷酮与二甲基二烯丙基氯化铵聚合生成的共聚物。
4、如权利要求3所述的钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，其分子中含有900—1800个结构单元，以a、b、c和d分别代表分子中N，N-二乙基丙烯酰胺、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的摩尔数，摩尔比a∶b∶c∶d＝(3-10)∶(2-7)∶(1-6)∶(1-3)，粘均分子量为500,000-1100,000。
5、如权利要求4所述的钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，其分子中含有1,200-1,500个结构单元；摩尔比a∶b∶c∶d＝(4-7)∶(3-5)∶(2-4)∶(1-2)；粘均分子量为750,000-950,000。
6、如权利要求2所述的钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，是由N，N-二甲基丙烯酰胺、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、N-乙烯基吡咯烷酮与二乙基二烯丙基氯化铵聚合生成的共聚物。
7、如权利要求6所述的钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，其分子中含有900-1,800个结构单元；以e、b、c和f分别代表分子中N，N-二甲基丙烯酰胺、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、N-乙烯基吡咯烷酮和二乙基二烯丙基氯化铵的摩尔数，摩尔比e∶b∶c∶f＝(3-10)∶(2-7)∶(1-6)∶(1-3)；粘均分子量为500,000-1,100,000。
8、如权利要求7所述的钻井液用抗高温聚合物降滤失剂，其分子中含有1,300-1,600个结构单元；摩尔比e∶b∶c∶f＝(4-7)∶(3-5)∶(2-4)∶(1-2)；粘均分子量为750,000-900,000。
9、如权利要求1—8中任一项所述的钻井液用抗高温聚合物降滤失剂的制备方法，包括如下步骤：将烯基磺酸、烯基酰胺、烯基烷酮和烯基季铵盐加入装有溶剂的反应釜中，用碱调节pH，加热反应釜中的材料，加入聚合催化剂，维持反应时间，终止反应，分出溶剂，干燥粉碎得细颗粒状产品。
10、如权利要求9所述的制备方法，其中溶剂是水、乙醚、丙酮、乙醇或1，1，1-三氯乙烷；聚合催化剂是过氧化苯甲酰、过氧化氢、过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵或亚硫酸氢钠；反应物重量占反应物与溶剂形成的溶液总重量的5-20wt％；催化剂加入量是反应物重量的0.05-1wt％；聚合反应温度为20-130℃；聚合反应时间为30分钟到10小时；碱是氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化铵，pH值调节到5-12；干燥温度为100-150℃；这里所说的细颗粒状产品粒度为10-80目。
11、如权利要求10所述的制备方法，反应物重量占反应物与溶剂形成的溶液总重量的8-12wt％；催化剂加入量是反应物总重量的0.05-0.5wt％；聚合反应温度为50-90℃；聚合反应时间为2-4小时；pH值调节到6-8；干燥温度为110-120℃；细颗粒状产品粒度为20-60目。
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