CN101967369B - 钻井液用梳型聚合物降滤失剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钻井液用梳型聚合物降滤失剂及其制备方法，先将聚乙二醇单甲醚(PEGM)与马来酸酐(MA)酯化反应得到大分子单体，再配以丙烯酰胺(AM)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)两种单体，采用溶液聚合法共聚得到带有长侧链的梳型聚合物降滤失剂。制备的梳型聚合物降滤失剂在钻井液中抗温达200℃，在淡水及盐水等钻井液中均具有良好的降滤失效果，并能控制钻井液在高温高盐条件下保持良好流变性，抗温抗盐性能好、流体流变性能稳定，同时合成条件温和、设备要求低、工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井过程中耐温耐盐的降滤失剂及其制备方法，属于降滤失剂技术领域。
背景技术
随着现代社会对石油需求的不断旺盛，石油勘探开发的难度也在不断加大。现在，全球石油天然气的开采开始呈现向陆地深层、环境恶劣区域和海洋发展的趋势。
而为了实现钻井作业的安全快速与较高的综合效益，需提高钻井液性能，使其在高温、高压、高密度条件下保持或基本保持其原有的性能。降滤失剂作为钻井液添加剂，在钻井作业中起到了重要的作用。其研究方向主要分为传统原料改性和合成新型聚合物两方面。合成聚合物类是用量最大的降滤失剂之一，其发展速度较快，并广泛地应用于各种钻井液中。目前主要是利用各种乙烯类单体通过不同的聚合方法来合成共聚物。
中国专利文献CN101397491公开了一种《多元共聚油井水泥降滤失剂及其制备方法》，用2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸、丙烯酸、丙烯酰胺和N-乙烯基吡咯烷酮合成的四元聚合物降滤失剂；中国专利文献CN101591527公开了一种《钻井液用抗高温防塌降滤失剂及其制备方法》，用丙烯酰胺单体、丙烯酸单体、阳离子单体合成了三元聚合物降滤失剂；这两种聚合物具有较好降滤失作用的前提下，其反应流程复杂且高温条件下反应对设备动力要求较高。中国专利CN101735780A公开了一种《抗高温抗盐钻井液降滤失剂的制备方法》，用丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸合成了三元聚合物降滤失剂；中国专利CN101531887公开了一种《钻井液用抗高温聚合物降滤失剂及其制备方法》，用烯基磺酸、烯基酰胺、烯基烷酮和烯基季铵盐合成了四元聚合物降滤失剂；这两种方法操作简单，且合成的聚合物具有良好的降滤失性能，但其对高温后饱和盐水基浆的流变性能控制不理想，出现了明显的高温增粘现象。
总的来讲，合成聚合物降滤失剂应该兼顾其反应条件和降滤失效果两个方面的因素，并且应该具有较好的控制钻井液流变性能稳定的特点。
发明内容
本发明针对现有钻井液用降滤失剂存在的抗温抗盐性能和流体流变性能稳定性差等不足，提供一种抗温抗盐性能好、流体流变性能稳定的钻井液用梳型聚合物降滤失剂，同时提供一种合成条件温和、设备要求低、工艺简单的该梳型聚合物降滤失剂的制备方法。
本发明的钻井液用梳型聚合物降滤失剂，其结构式如下：
其中b＝5％～10％，c＝15％～35％，a＝1-b-c，m＝7～20。
上述钻井液用梳型聚合物降滤失剂的制备方法，以聚乙二醇单甲醚(PEGM)与马来酸酐(MA)酯化反应得到大分子单体，再配以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)两种单体，采用溶液聚合法共聚得到梳型聚合物降滤失剂，具体包括以下步骤：
(1)将聚乙二醇单甲醚(PEGM)与马来酸酐(MA)在60℃～70℃、氮气保护下酯化反应2小时～3小时，其中聚乙二醇单甲醚(PEGM)与马来酸酐(MA)的摩尔比为1∶1.04～1.1，得到聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)，所述聚乙二醇单甲醚的相对分子量为350～750；
(2)将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)以质量比1∶4溶于水中，在0℃～4℃条件下用碱性溶液调节pH值至7～8，然后加入质量浓度为20％的丙烯酰胺(AM)溶液，并加热升温至70℃～80℃，加入步骤(1)得到的聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)，控制单体总质量浓度为20％，其中2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)的摩尔比为1～3∶6～8∶1；将各物质搅拌均匀，通氮气30分钟后加入占单体总质量0.8％的引发剂过硫酸盐，采用水溶液聚合法共聚；所述单体指的是聚乙二醇单甲醚(PEGM)与马来酸酐(MA)酯化反应得到大分子单体、丙烯酰胺(AM)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)这三种单体总和(控制单体总质量浓度为20％是指这三种单体总的质量浓度为20％)；
(3)继续反应6小时～8小时后，得粘弹性共聚物溶液，用丙酮洗涤沉淀，得白色沉淀物，烘干粉碎，即得梳型聚合物降滤失剂。
本发明制备的梳型聚合物降滤失剂结构中含有酰胺和磺酸基团，在钻井液中抗温达200℃，可以起到抗温耐盐的作用，以聚乙二醇单甲酯作为侧链，具有较强的水化能力以及特殊的浊点效应，可以在高温的条件下稳定钻井液，并保持钻井液良好的流变性能；并且制备反应条件温和，对设备要求低，在酯化和共聚反应中，反应温度都不超过80℃。
具体实施方式
实施例1
按摩尔比1∶1.05取17g聚乙二醇单甲醚(PEGM)和5g马来酸酐(MA)，放入反应容器中，所用聚乙二醇单甲醚分子量为350。通氮气，在60℃下反应3小时，得到聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)。取8.5g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶于34g水中，在0～4℃条件下，用氢氧化钠溶液调节pH值至至7～8。然后加入23g丙烯酰胺(AM)和92g水，升温至70℃。加入已得到的聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)20g，控制单体总质量浓度为20％，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)的摩尔比为1∶8∶1。
将各物质搅拌均匀，通氮气30分钟后，加入单体总质量0.8％的引发剂过硫酸钾，继续反应6小时后，停止反应。得到粘性共聚物溶液，用丙酮沉淀，得白色沉淀物。然后反复用丙酮洗涤(至少三次)，以充分除去未反应完全的单体，最后取出沉淀物放在表面皿上置于真空烘箱80～90℃烘干粉碎，即得钻井液用的梳型聚合物降滤失剂，转化率为82％。
实施例2
按摩尔比1∶1.04取17g聚乙二醇单甲醚和3.5g马来酸酐放入反应容器中，所用聚乙二醇单甲醚分子量为500。通氮气，在65℃下反应2.5小时，得到聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)。将14g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶于56g水中，在0～4℃条件下下，用氢氧化钾溶液调节pH值至至7～8。然后加入16.6g丙烯酰胺(AM)和66.4g水，升温至75℃。加入已得到的聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)20g，控制总单体质量浓度为20％，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)的摩尔比为2∶7∶1。
将各物质搅拌均匀，通氮气30分钟后，加入单体总质量0.8％的引发剂过硫酸铵，继续反应6.5小时后，停止反应。得到粘性共聚物溶液，用丙酮沉淀，得白色沉淀物。然后反复用丙酮洗涤(至少三次)，以充分除去未反应完全的单体，最后取出沉淀物放在表面皿上置于真空烘箱80～90℃烘干粉碎，即得钻井液用的梳型聚合物降滤失剂，转化率为90％。
实施例3
按摩尔比1∶1.06将18g聚乙二醇单甲醚和2.5g马来酸酐放入反应容器中，所用聚乙二醇单甲醚分子量为750。通氮气，在68℃下反应2.5小时，得到聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)。将5.1g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶于20.4g水中，在0～4℃条件下，用氢氧化钠溶液调节pH值至至7～8。然后加入14g丙烯酰胺(AM)和56g水，升温至78℃。加入已得到的聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)20g，控制总单体质量浓度为20％，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)的摩尔比为1∶8∶1。
将各物质搅拌均匀，通氮气30分钟后，加入单体总质量0.8％的引发剂过硫酸钠，继续反应7小时后，停止反应。得到粘性共聚物溶液，用丙酮沉淀，得白色沉淀物。然后反复用丙酮洗涤(至少三次)，以充分除去未反应完全的单体，最后取出沉淀物放在表面皿上置于真空烘箱80～90℃烘干粉碎，即得钻井液用的梳型聚合物降滤失剂，转化率为80％。
实施例4
按摩尔比为1∶1.1将16g聚乙二醇单甲醚和2.3g马来酸酐放入反应容器中，所用聚乙二醇单甲醚分子量为750。通氮气，在70℃下反应2小时，得到聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)。将13g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)溶于52g水中，在0～4℃条件下，用氢氧化钾溶液调节pH值至至7～8。然后加入12g丙烯酰胺(AM)和48g水，升温至80℃。加入已得到的聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)18g，控制总单体质量浓度为20％，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)和聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物(PEGM-MA)的摩尔比为1∶8∶1。
将各物质搅拌均匀，通氮气30分钟后，加入单体总质量0.8％的引发剂过硫酸钾，继续反应8小时后，停止反应。得到粘性共聚物溶液，用丙酮沉淀，得白色沉淀物。然后反复用丙酮洗涤(至少三次)，以充分除去未反应完全的单体，最后取出沉淀物放在表面皿上置于真空烘箱80～90℃烘干粉碎，即得钻井液用的梳型聚合物降滤失剂，转化率为85％。
实施例5
对实施例1-4制备的钻井液用的梳型聚合物降滤失剂进行抗温性及降滤失效果评价。
测试方法：采用SY-T 5241-91：水基钻井液用降滤失剂评价程序。
1.在淡水基浆中测试
基浆配制：在高搅杯(SY-T 5241-91：水基钻井液用降滤失剂评价程序中引用)中加入400mL去离子水，在不断搅拌下加入0.8g无水碳酸钠和16g二级膨润土，搅拌20分钟，密闭静置24小时即为淡水基浆。
实验基浆配制及测试：分别向上述基浆中加入1％的评价样品(Driscal(一种进口抗温聚合物降滤失剂)和实施例1-4的制备样品)，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200℃下热滚老化16小时，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
由表1可以看出，高温老化前，加入1％实施例1-4制备样品能使滤失量由27mL降低至8.6～8.8mL，高温老化后，分别使滤失量由33mL降低至13.0～10.8mL，略优于Driscal，说明实施例1-4制备的梳型聚合物降滤失剂能有效降低淡水基浆滤失量。高温老化后，加入1％实施例1-4制备样品使表观粘度由6.5mPa.s增加至6.6～7.1mPa.s，动切力由1Pa降低至0.51～0.8Pa，说明梳型聚合物降滤失剂对淡水基浆高温老化后的粘度及切力的影响较小，具有较好的控制能力。
2.在4％盐水基浆中测试
基浆配制：在高搅杯中加入400mL去离子水，在不断搅拌下加入0.8g无水碳酸钠、16g二级膨润土和16g氯化钠，搅拌20分钟，密闭静置24小时即为4％盐水基浆。
实验基浆配制及测试：分别向预水化好的基浆中加入1％的评价样品(Driscal和实施例1-4的制备样品)，高速搅拌均匀，放置一天后，装入高温老化罐中，在200℃下热滚老化16小时，冷却后测量其流变性及滤失性。
表2在4％盐水基浆中测试结果
由表2可以看出，高温老化后，加入1％实施例1-4制备样品能使滤失量由120mL降低至16.0～17.2mL，优于Driscal，说明实施例1-4制备的梳型聚合物降滤失剂能有效降低4％盐水基浆滤失量。高温老化后，加入1％实施例1-4制备样品使表观粘度由2.5mPa.s增加至3.5～5.5mPa.s，动切力由0.51Pa增加至1.5～2.04Pa，说明梳型聚合物降滤失剂对4％盐水基浆高温老化后的粘度及切力的影响较小，具有较好的控制能力。
3.在饱和盐水基浆中测试
基浆配制：在高搅杯中加入400mL去离子水，在不断搅拌下加入0.8g无水碳酸钠、16g二级膨润土和120.0g氯化钠，搅拌20分钟，密闭静置24小时即为饱和盐水基浆。
实验基浆配制及测试：分别向预水化好的基浆中加入1.5％的评价样品(Driscal和实施例1-4的制备样品)，高速搅拌均匀，放置一天后，装入高温老化罐中，在200℃下热滚老化16小时，冷却后测量其流变性及滤失性。
表3在饱和盐水基浆中测试结果
由表3可以看出，高温老化后，加入1.5％实施实例1-4样能使滤失量由202mL降低至13～22mL，优于Driscal。说明实施例1-4制备的梳型聚合物降滤失剂能有效降低饱和盐水基浆滤失量。高温老化后，加入1.5％实施例1-4制备样品使动切力由0.5Pa增加至0.51～1.1Pa，说明梳型聚合物降滤失剂对4％盐水基浆高温老化后的粘度及切力的影响较小，具有较好的控制能力。
表1至表3测试结果说明，本发明的用于钻井液的梳型聚合物降滤失剂在淡水、4％盐水以及饱和盐水钻井液基浆中，200℃老化16小时前后均具有良好的降滤失效果，优于同类产品。在控制钻井液流变性能方面，梳型聚合物降滤失剂对各参数(表观粘度、塑性粘度和动切力)的控制较好，能保持钻井液流变性能稳定。
Claims (2)
1.一种钻井液用梳型聚合物降滤失剂，其结构式如下：
其中b=5%～10%，c=15%～35%，a=1-b-c，m=7～20。
2.一种权利要求1所述钻井液用梳型聚合物降滤失剂的制备方法，其特征是，以聚乙二醇单甲醚与马来酸酐酯化反应得到大分子单体，再配以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸两种单体，采用溶液聚合法共聚得到梳型聚合物降滤失剂，具体包括以下步骤：
(1)将聚乙二醇单甲醚与马来酸酐在60℃～70℃、氮气保护下酯化反应2小时～3小时，其中聚乙二醇单甲醚与马来酸酐的摩尔比为1:1.04～1.1，得到聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物，所述聚乙二醇单甲醚的相对分子量为552-1488；
(2)将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸以质量比1:4溶于水中，在0℃～4℃条件下用碱性溶液调节pH值至7～8，然后加入质量浓度为20%的丙烯酰胺溶液，并加热升温至70℃～80℃，加入步骤(1)得到的聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物，控制单体总质量浓度为20%，其中2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和聚乙二醇单甲醚马来酸酐酯化物的摩尔比为1～3:6～8:1；将各物质搅拌均匀，通氮气30分钟后加入占单体总质量0.8%的引发剂过硫酸盐，采用水溶液聚合法共聚；所述单体指的是聚乙二醇单甲醚与马来酸酐酯化反应得到大分子单体、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸这三种单体总和；
(3)继续反应6小时～8小时后，得粘弹性共聚物溶液，用丙酮洗涤沉淀，得白色沉淀物，烘干粉碎，即得梳型聚合物降滤失剂。
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