CN102453470A - 一种钻井液用抗温耐盐共聚物降滤失剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
钻井液用抗温耐盐共聚物降滤失剂及其制备方法，属于石油化工技术领域。是由苯乙烯磺酸、丙烯酸、马来酸酐、烯基酰胺、烯基季铵盐反应生成的五元共聚物，聚合度控制在800～3000之间，聚合分子量15万～60万之间，这种共聚物降滤失剂在钻井液中抗温达到240℃以上，在淡水以及饱和盐水等钻井液中均具有良好的降滤失效果，具有较好的流变性，同时能抑制粘土的水化膨胀，兼有页岩抑制剂的作用。
Description
技术领域：本发明属于石油化工技术领域，具体涉及一种石油钻井液用降滤失剂及其制备方法。
技术背景：随着油气勘探的飞速发展，深井、超深井的勘探数量逐步增加，由于超深井所遇地层复杂，井下高温高压、钻井周期长等特点，使得钻井液体系在高温高压高矿化度条件下可能会发生各种复杂的物理化学作用，影响钻井液体系的性能及稳定性，从而导致深井超深井中水基钻井液的滤失性、流变性难以调控。目前实对深井超深井钻井过程所用钻井液的要求也越来越严格，特别对钻井液在高温条件下的稳定性、流变性以及滤失性的协调提出更高的要求。
目前，为满足深井超深井的钻探需要，人们将目光投向了抗高温共聚物降滤失剂。杨小华等利用(2-丙烯酰氧)-异戊烯磺酸钠与丙烯酰胺、丙烯酸等原料合成了抗高温降滤失剂，室内实验结果表明，合成的抗高温降滤失剂在220℃下经过16h的高温老化后具有良好的流变性，高温高压滤失量小于15mL。
袁志平等以磺甲基丙烯酰胺、阳离子单体和丙烯酰胺为主要原料，共聚制得了一种聚合物降滤失剂。室内评价结果表明，该剂配置的淡水、盐水、饱和盐水等钻井液体系在180℃下老化16h后，体系仍然具有良好的流变性能，且失水量变化不大，说明该剂具有良好的抗温抗盐降滤失性能
中国专利CN200710180494.6提出以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸为单体合成了一种抗高温共聚物降滤失剂。中国专利CN200710180497.X还以2-甲基-2丙烯酰氧丙基磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸和2-羟基-3-甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵为单体合成了共聚物降滤失剂。中国专利CN200710180495.0以丙烯酰氧丁基磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸和一种无机物为原料，采用氧化-还原引发体系合成了一种耐温钻井液降滤失剂。室内研究表明：该类降滤失剂具有较好抗温抗盐能力，且抑制性强。
此外，中国专利CN200910020694.4在专利CN200710180494.6基础上加入了新的阳离子单体和吡咯烷酮单体，提出了2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，N，N-二乙基丙烯酰胺，N-乙烯基吡咯烷酮与二甲基二烯丙基氯化铵合成了抗高温共聚物降滤失剂，抗温能力达到245℃。
综合目前相关的抗高温共聚物研究来看，目前研究比较集中在几种含有磺酸基团抗温单体，如2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、2-甲基-2丙烯酰氧丙基磺酸、丙烯酰氧丁基磺酸、(2-丙烯酰氧)-异戊烯磺酸钠等，这主要由于磺酸基团具有很有的抗温耐盐特性，但是这些抗温单体价格都十分昂贵，这势必造成合成的共聚物价格较高，增加了钻井成本，必然限制了共聚物降滤失剂的推广使用。因此，从分子结构设计入手，引入除磺酸基团以外的抗温耐盐基团，开发新型的低成本高性能的抗温耐盐共聚物降滤失剂显得尤为必要。
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，同时兼有抑制页岩水化膨胀能力的共聚物降滤失剂及其制备方法。
本发明选用苯乙烯磺酸、马来酸酐、丙烯酸、烯基酰胺和烯基季铵盐为单体，合成抗温耐盐共聚物降滤失剂。这种共聚物降滤失剂在钻井液中抗温达到240℃以上，在淡水以及饱和盐水等钻井液中均具有良好的降滤失效果，具有较好的流变性，同时能抑制粘土的水化膨胀，兼有页岩抑制剂的作用。
本发明的抗高温共聚物降滤失剂的作用机理主要有：(1)苯乙烯磺酸上的苯环可以保证共聚物的热稳定性，对盐不敏感的磺酸基团可以提高共聚物的抗盐性能；(2)马来酸酐与丙烯酸的羧基聚合后，易于和水生成氢键，具有耐温性，而水解的那部分酸酐基团可以与钙、镁离子螯合，提高共聚物的耐盐性；(3)以N，N-二甲基丙烯酰胺为代表的烯基酰胺有着很强的耐水解性能，可以提高共聚物的稳定性；(4)阳离子单体烯基季铵盐(如二乙基二烯丙基氯化铵)的引入可以增强共聚物在粘土或岩石上的作用，可更好的实现低固相和保持井壁稳定。
本发明的目的是这样实现的：一种钻井液用抗高温共聚物降滤失剂，是由苯乙烯磺酸、丙烯酸、马来酸酐、烯基酰胺、烯基季铵盐反应生成的五元共聚物，聚合度控制在800～3000之间，聚合分子量15万～60万之间；以a、b、c、d和e分别代表分子中苯乙烯磺酸、丙烯酸、马来酸酐、烯基酰胺和烯基季铵盐摩尔数，摩尔比a∶b∶c∶d∶e＝(2-10)∶(2-6)∶(1-5)∶(3-9)∶(1-3)。
一般地，本发明所述的烯基酰胺是丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N-二乙基丙烯酰胺或双丙酮丙烯酰胺；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共聚物降滤失剂，是由苯乙烯磺酸、丙烯酸、马来酸酐、N，N-二甲基丙烯酰胺、二乙基二烯丙基氯化铵反应生成的五元共聚物，其结构式如下：
这种共聚物聚合度控制在1000～2500之间；以a、b、c、d和e分别代表分子中苯乙烯磺酸、丙烯酸、马来酸酐、N，N-二甲基丙烯酰胺和二乙基二烯丙基氯化铵的摩尔数，摩尔比a∶b∶c∶d∶e＝(3-8)∶(3-5)∶(2-4)∶(5-7)∶(1-2)；聚合分子量20万～50万之间。
本发明还提供上述抗高温降滤失剂的制备方法，包括如下步骤：室温下，依次将苯乙烯磺酸、丙烯酸、马来酸酐、烯基酰胺、烯基季铵盐加入装有溶剂的反应釜中，匀速搅拌使其充分溶解，用碱调节pH值，通入N2保护，缓慢升温，加入的引发剂，搅拌条件下，恒温反应，得凝胶状共聚物，经剪切、烘干、粉碎，即得苯乙烯磺酸钠/丙烯酸/马来酸酐/烯基酰胺/烯基季铵盐共聚物产品；其中溶剂为水、乙醇、丙酮、氯仿；碱是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵或氨水，pH值调节至5-12；引发剂是过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化氢、过氧化苯甲酰或亚硫酸氢钠，引发剂的加入量是反应物重量的0.05-2wt％，优选0.05-1wt％；聚合反应温度为20-110℃，优选40-90℃；烘干温度为100-140℃。
具体实施方式：下面结合实施例对本发明加以详细描述。
实施例1
向装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和加热装置的四口烧瓶中，加入200mL的蒸馏水，边搅拌边一次加入24.1g苯乙烯磺酸、5.8g丙烯酸、5.3g马来酸酐、11.9g N，N-二甲基丙烯酰胺、3.8g二乙基二烯丙基氯化铵，通入N2保护，匀速搅拌使其溶解，加入氢氧化钠调节pH＝7.0，缓慢将温度升到50℃，加入0.10g的K2S2O4引发剂，搅拌条件下，恒温反应2h后，得凝胶状共聚物，经剪切、烘干、粉碎，即得抗高温共聚物产品。此聚合物中a∶b∶c∶d∶e＝6∶4∶3∶6∶1，聚合度约为2000，聚合物平均分子量约为30万。
实施例2
向装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和加热装置的四口烧瓶中，加入200mL的蒸馏水，边搅拌边一次加入29.4g苯乙烯磺酸、5.8g丙烯酸、5.9g马来酸酐、9.9g N，N-二甲基丙烯酰胺、11.4g二乙基二烯丙基氯化铵，通入N2保护，匀速搅拌使其溶解，加入氢氧化钠调节pH＝7.0，缓慢将温度升到50℃，加入0.10g的K2S2O4引发剂，搅拌条件下，恒温反应2h后，得凝胶状共聚物，经剪切、烘干、粉碎，即得抗高温共聚物产品。此聚合物中a∶b∶c∶d∶e＝8∶4∶3∶5∶3，聚合度约为3500，聚合物平均分子量约为45万。
实施例3
向装有搅拌器、回流冷凝管、温度计和加热装置的四口烧瓶中，加入200mL的蒸馏水，边搅拌边一次加入14.7g苯乙烯磺酸、7.2g丙烯酸、7.8g马来酸酐、11.9g N，N-二甲基丙烯酰胺、3.8g二乙基二烯丙基氯化铵，通入N2保护，匀速搅拌使其溶解，加入氢氧化钠调节pH＝7.0，缓慢将温度升到50℃，加入0.10g的K2S2O4引发剂，搅拌条件下，恒温反应2h后，得凝胶状共聚物，经剪切、烘干、粉碎，即得抗高温共聚物产品。此聚合物中a∶b∶c∶d∶e＝4∶5∶4∶6∶1，聚合度约为1800，聚合物平均分子量约为22万。
实施例4
抗温性及降滤失效果评价。
测试方法：采用GB/T 16783-1997：水基钻井液现场测试程序。
1.在淡水基浆中测试
基浆的配制：在高搅杯中加入500mL自来水，在不断搅拌下加入2.5g无水碳酸钠、25g二级膨润土，高速搅拌30min，室温放置24h，得淡水基浆。
试验浆配制及测试：向预水化好的基浆中加入1％的评价样品(实施例1-3样)，高速搅拌均匀，测其流变性和滤失性。将试验浆装入老化罐中，在240℃下热滚老化16h，用同样的方法测其流变性和滤失性。
表1在淡水基浆中测试结果
2.在饱和盐水基浆中测试
基浆的配制：在高搅杯中加入500mL自来水，在不断搅拌下加入2.5g无水碳酸钠、25g二级膨润土和180g氯化钠，高速搅拌30min，室温放置24h，得饱和盐水基浆。
试验浆配制及测试：向预水化好的基浆中加入1％的评价样品(实施例1样)，高速搅拌均匀，测其流变性和滤失性。将试验浆装入老化罐中，在240℃下热滚老化16h，用同样的方法测其流变性和滤失性。
表1在饱和水基浆中测试结果
从实施列4中的1和2的测试结果表明：本发明的抗高温共聚物降滤失剂在淡水及饱和盐水钻井液基浆中240℃热滚老化16h前后均具有很好的降滤失效果，同时从表观粘度和动切力可以看出，本发明的抗高温共聚物降滤失剂还具有较强的提粘切能力。因此，在深井超深井的高温高压高矿化度条件下的钻井液将滤失性、流变性等性能的调控方面，具有很大的优势。
Claims (7)
1.一种钻井液用抗温耐盐共聚物降滤失剂，其特征是由苯乙烯磺酸、丙烯酸、马来酸酐、烯基酰胺、烯基季铵盐反应生成的五元共聚物，
其结构式如下：
聚合度控制在800～3000之间，聚合分子量15万～60万之间；以a、b、c、d和e分别代表分子中苯乙烯磺酸、丙烯酸、马来酸酐、烯基酰胺和烯基季铵盐摩尔数，摩尔比a∶b∶c∶d∶e＝(2-10)∶(2-6)∶(1-5)∶(3-9)∶(1-3)。
2.如权利要求1所述的钻井液用抗温耐盐共聚物降滤失剂，其特征在于烯基酰胺是丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N-二乙基丙烯酰胺或双丙酮丙烯酰胺。
3.如权利要求1所述的钻井液用抗温耐盐共聚物降滤失剂，其特征在于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。
4.如权利要求1、2或3所述的钻井液用抗温耐盐共聚物降滤失剂，其特征是共聚物聚合度控制在1000～2500之间；以a、b、c、d和e分别代表分子中苯乙烯磺酸、丙烯酸、马来酸酐、N，N-二甲基丙烯酰胺和二乙基二烯丙基氯化铵的摩尔数，摩尔比a∶b∶c∶d∶e＝(3-8)∶(3-5)∶(2-4)∶(5-7)∶(1-2)；聚合分子量20万～50万之间。
5.一种如权利要求1所述的钻井液用抗温耐盐共聚物降滤失剂的制备方法，其特征是包括如下步骤：室温下，依次将苯乙烯磺酸、丙烯酸、马来酸酐、烯基酰胺、烯基季铵盐加入装有溶剂的反应釜中，匀速搅拌使其充分溶解，用碱调节pH值，通入N2保护，缓慢升温，加入的引发剂，搅拌条件下，恒温反应，得凝胶状共聚物，经剪切、烘干、粉碎，即得苯乙烯磺酸钠/丙烯酸/马来酸酐/烯基酰胺/烯基季铵盐共聚物产品；其中溶剂为水、乙醇、丙酮、氯仿中的一种或其混合物；碱是氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化铵或氨水中的一种或其混合物，pH值调节至5-12；引发剂是过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、过氧化氢、过氧化苯甲酰或亚硫酸氢钠中的一种，引发剂的加入量是反应物重量的0.05-2wt％；聚合反应温度为20-110℃；烘干温度为100-140℃。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征是引发剂的加入量是反应物重量的0.05-1wt％。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征是聚合反应温度为40-90℃。
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