CN102585783B - 钻井液用抗高温抗盐聚合物降滤失剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻井液用抗高温抗盐聚合物降滤失剂及其制备方法，该降滤失剂是由烯基酰胺、烯基苯磺酸、烯基烷酮和烯基磺酸反应生成的共聚物，其制备方法如下：(1)称取四种单体；(2)将烯基磺酸溶液与烯基酰胺、烯基烷酮、烯基苯磺酸在反应器中混合搅拌，通氮气排氧；(3)反应温度30℃～90℃，加入引发剂过硫酸钾和亚硫酸氢钠，单体总浓度为15～30质量％，反应2～12个小时，得粘弹性胶状物；(4)将胶状物造粒，高温下干燥粉碎，即得产物降滤失剂。在高温下，该降滤失剂分子的氧化水解程度低，侧链上的功能性基团与粘土颗粒作用效果明显，形成的泥饼质量较好，该降滤失剂在淡水和复合盐水钻井液中均有良好的降滤失效果。

Description

钻井液用抗高温抗盐聚合物降滤失剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及石油钻井过程中用于高温高压地层钻井的抗盐钻井液降滤失剂及其制备方法，特别是涉及聚合物降滤失剂及其制备方法。
背景技术
随着油气资源需求的增加和浅层油气资源的枯竭，对深部地层油气资源的勘探开发越来越受到重视，超深井钻井施工数量逐年增加。而随着地层深度的增加，地层温度也会越来越高，并且在钻井过程中，经常会遭遇含盐地层。因此，适用于深井、抗高温、抗盐、抗钙镁的降滤失剂成为了钻井液处理剂研究的一个方向。
聚合物降滤失剂分子主要通过侧链上的功能性基团与粘土颗粒作用，保证钻井液的稳定性与多级分散性，从而使钻井液在钻井过程中可以形成致密、低渗的泥饼，降低钻井液的滤失量。目前的研究表明，在200℃高温下，聚合物降滤失剂的碳元素主链比较稳定，不易发生断裂，但侧链上的一些功能性基团会在高温作用下氧化水解，从而导致钻井液降滤失剂在高温下失效。而钻井液中，无机盐的存在也会严重影响功能性基团与粘土颗粒的作用，从而导致聚合物降滤失性能的减弱。
降滤失剂作为钻井液处理剂，往往需要在高温高压高矿化度的严苛环境下，仍然能够保持较好的降滤失效果。虽然目前降滤失剂的种类很多，但同时具备抗高温，抗复合盐水的降滤失剂却不常见。
发明内容
本发明的目的在于提供钻井液用抗高温抗盐聚合物降滤失剂，该降滤失剂既具有较好的抗高温(＞200℃)降滤失性能，又具备优良的抗盐效果。
本发明的另一目的在于提供该聚合物降滤失剂的制备方法，该降滤失剂使用溶液聚合法制备，操作简便，条件温和，成本低廉，产率较高。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
本发明降滤失剂是由烯基酰胺、烯基苯磺酸、烯基烷酮和烯基磺酸反应生成的共聚物。其中，烯基酰胺是丙烯酰胺、N-乙烯基-甲基乙酰胺或N，N-二甲基丙烯酰胺；烯基苯磺酸是对苯乙烯磺酸钠或烯丙基苯磺酸；烯基烷酮是N-乙烯基吡咯烷酮；烯基磺酸是乙烯基磺酸或2-甲基-2丙烯酰胺基丙磺酸。
钻井液用抗高温抗盐聚合物降滤失剂，其结构式如下：
Figure BDA0000126367340000021
其中a＝40％～60％，b＝5％～15％，c＝5％～15％，d＝1-a-b-c。
该降滤失剂简称TSC。
降滤失剂的制备方法如下：
(1)称取四种单体，单体的摩尔比烯基酰胺∶烯基苯磺酸∶烯基烷酮∶烯基磺酸＝(8～12)∶(1～3)∶(2～4)∶(4～6)；
(2)将烯基磺酸溶解在水中，用NaOH中和至pH＝7～8，将烯基磺酸溶液与烯基酰胺、烯基烷酮、烯基苯磺酸在反应器中进行混合搅拌，并且通氮气排氧；
(3)反应温度设为30℃～90℃，通氮气30分钟后，加入0.05～0.5质量％的引发剂过硫酸钾和亚硫酸氢钠，单体总浓度为15～30质量％，采用溶液聚合法共聚，反应2～12个小时后，得到粘弹性胶状物；
(4)将胶状物造粒，在60～120℃下干燥并粉碎，即得产物降滤失剂，分子量在50000～500000之间。
与现有技术相比，本发明降滤失剂具有较理想的抗高温抗盐性能，在高温下，降滤失剂分子的氧化水解程度低，侧链上的功能性基团与粘土颗粒作用效果明显，形成的泥饼质量较好，该降滤失剂在淡水和复合盐水钻井液中均有良好的降滤失效果。
附图说明
图1是实施例1制备的本发明降滤失剂TSC-1的红外光谱谱图
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
如非特别说明，以下各物质百分比均为质量百分比。
一、降滤失剂TSC的制备
实施例1 降滤失剂TSC-1的合成：
将2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸(AMPS)20.7g溶解于去离子水中，用约4gNaOH将溶液中和至pH＝7～8。将丙烯酰胺(AM)21.3g、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)8.3g、对苯乙烯磺酸钠(SSS)5.2g与中和之后的AMPS溶液混合，加入带温度计、回流装置的四口烧瓶中，搅拌，通氮排氧。将反应温度设定为45℃。通氮30分钟后，加入0.2％引发剂，单体总浓度为20％，反应8小时后，将胶状物干燥粉碎，得到产物TSC-1，产率91.7％。其反应式如下：
Figure BDA0000126367340000031
实施例2 降滤失剂TSC-2的合成：
将2-丙烯酰胺-2甲基丙磺酸(AMPS)20.7g溶解于去离子水中，用约4gNaOH将溶液中和至pH＝7～8。将N-乙烯基-N-甲基乙酰胺(VMA)24.8g、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)8.3g、乙烯基苯磺酸钠(SSS)15.5g与中和之后的AMPS溶液混合，加入带温度计、回流装置的四口烧瓶中，搅拌，通氮排氧。将反应温度设定为60℃。通氮30分钟后，加入0.3％引发剂，单体总浓度为20％，反应10小时后，将胶状物干燥粉碎，得到产物TSC-2，产率90.1％。其反应式如下：
Figure BDA0000126367340000041
二、降滤失剂TSC的结构表征
参看图1，图1是TSC-1的红外光谱谱图，对谱图的特征吸收峰分析如下：
3435cm-1为非缔合N-H收缩振动吸收峰；2929cm-1为CH2基团的伸缩振动吸收峰；1664cm-1为酰胺基的C＝O伸缩振动吸收峰；1544cm-1为仲酰胺-CONH-基团中的N-H键弯曲振动和C-N键的伸缩振动吸收峰；1453cm-1为苯环骨架振动的吸收峰；1295cm-1为乙烯吡咯烷酮C-N键振动吸收峰；1196cm-1、1121cm-1、1034cm-1为SO3基团的振动吸收峰；750-600cm-1为-NH2的面外摇摆振动吸收普带。
由共聚物的红外谱图可见，共聚物分子链上都带有初始设计的分子基团，由此推断，与目标产物结构相符。
三、降滤失剂TSC的性能测试
1、电解质对TSC-1水溶液粘度的影响
表1 NaCl浓度对共聚物TSC-1水溶液表观粘度的影响
  NaCl浓度(％)   0   2   4   6   8   10
  表观粘度(mPa·s)   33.5   20.5   17.0   15.5   14.5   14.5
  塑性黏度(mPa·s)   18.0   14.5   11.5   10.5   10.0   10.0
由表1可以看出，2％TSC-1水溶液的表观粘度与塑性粘度随着NaCl的加入而降低，刚开始加入NaCl，降低幅度较大，当NaCl浓度大于4％后，溶液粘度几乎不受NaCl加量的影响。
表2 CaCl2浓度对共聚物TSC-1水溶液表观粘度的影响
  CaCl2浓度(％)   0   0.1   0.2   0.3   0.4   0.5
  表观粘度(mPa·s)   33.5   18.0   14.5   12.5   12.0   11.5
  塑性黏度(mPa·s)   19.0   13.0   11.0   9.5   8.0   7.5
从表2可以看出，加入CaCl2后聚合物溶液的粘度开始下降很快，最终趋于稳定，在CaCl2加量在0.2％后，水溶液的表观粘度变化不大，具有优良的抗钙能力。
2、TSC-1对淡水基浆失水造壁性的影响
4％淡水基浆的配制：按每400ml蒸馏水中加入16g膨润土及2g无水碳酸钠(Na2CO3)的比例配制，高速搅拌20min，期间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的粘土。放入恒温箱，在25℃±3℃下养护24h。取出两份钻井液，高速搅拌5min，按比例加入聚合物TSC-1，高速搅拌20min养护24h后，一份测其API滤失量，一份高温老化16h后，测其API滤失量。
表3 共聚物TSC-1浓度对淡水基浆滤失性能影响关系表
Figure BDA0000126367340000051
由表3所示，该降滤失剂在淡水基浆中具有较好的降滤失效果。
3、TSC-1对复合盐水浆失水造壁性的影响
基浆配制：按每升蒸馏水加入45.0g氯化钠、5.0g无水氯化钙和13.0g氯化镁的比例配制复合盐水。在400mL复合盐水中加入1.0g碳酸氢钠和40.0g评价土(SY 5444钻井液用评价土，市售)，高速搅拌20min，期间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的粘土。放入恒温箱，在25℃±3℃下养护24h。取出两份钻井液基浆，高速搅拌5min，按比例加入聚合物TSC-1，高速搅拌20min，养护24h后，一份测其API滤失量，一份高温老化16h后，测其API滤失量。
表4 TSC-1在复合盐水浆(NaCl、CaCl2、MgCl2)中降滤失性能表
Figure BDA0000126367340000061
由表4可以看出，TSC-1能有效降低复合盐水钻井液体系的滤失量。高温老化前，加入2％TSC-1就使API滤失量由110ml降低至3.6ml左右。高温老化后，TSC-1仍有较好的降滤失效果。说明TSC-1具有较好的抗复合盐水的能力。

Claims (2)

1.钻井液用抗高温抗盐聚合物降滤失剂，其特征在于，该降滤失剂是由烯基酰胺、烯基苯磺酸、烯基烷酮和烯基磺酸反应生成的共聚物，分子量在50000～500000之间，其结构式如下：
其中a=40%～60%，b=5%～15%，c=5%～15%，d=1-a-b-c。
2.如权利要求1所述的降滤失剂的制备方法，依次包括以下步骤：
（1）称取四种单体，单体的摩尔比烯基酰胺:烯基苯磺酸:烯基烷酮:烯基磺酸=(8～12):(1～3):(2～4):(4～6)；
（2）将烯基磺酸溶解在水中，用NaOH中和至pH=7～8，将烯基磺酸溶液与烯基酰胺、烯基烷酮、烯基苯磺酸在反应器中进行混合搅拌，并且通氮气排氧；
（3）反应温度设为30℃～90℃，通氮气30分钟后，加入0.05～0.5质量%的过硫酸钾和亚硫酸氢钠，单体总浓度为15～30质量%，反应2～12个小时后，得到粘弹性胶状物；
（4）将胶状物造粒，在60～120℃下干燥并粉碎，即得产物降滤失剂。
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