CN103013458A - 一种褐煤接枝共聚降滤失剂及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种褐煤接枝聚合物类降滤失剂及制备方法。所述降滤失剂由包括以下组分的原料反应而得：褐煤10～70，醛0.5～20，磺酸盐聚合物2～30，水100份。制备方法为：所述组分混合均匀，在180～220℃反应6～10h，干燥、粉碎。合成工艺简单、易操作。采用本发明所述的褐煤接枝降滤失剂在含高固相加重材料的超高密度钻井液中降滤失效果好、粘度效应低，能够改善钻井液的流变性，并具有抗温、耐盐的特性。

Description

一种褐煤接枝共聚降滤失剂及制备方法

技术领域

本发明涉及钻井领域，进一步地说，是涉及一种褐煤接枝共聚降滤失剂及制备方法。

背景技术

聚合物类降滤失剂可有效控制钻井液的滤失量，能保证常规密度钻井液的良好性能，在钻井施工中发挥了重要的作用。但是，当它们用于高密度和超高密度钻井液时，往往因分子量大、粘度效应大而使钻井液变稠、流变性能恶化。

在超高密度钻井液中，其加重材料的重量分数占到钻井液总重量的70％左右(以4.2g/cm³密度的重晶石配制的密度为2.5g/cm³的钻井液为例计算)，而体系中的自由水相对较少，维持钻井液良好性能的各种处理剂若使用不当，会造成钻井液的粘度及切力上升、滤饼质量变差、高温高压滤失量难以控制等问题，尤其是降滤失剂的使用，必须选用分子量小、粘度效应低的产品。目前现场应用的超低粘CMC、超低粘PAC等，在超高密度钻井液中即使加量很小也会使其粘度、切力迅速增大，流动性变差。而现场常用的降滤失剂SMP，降粘剂SMC、SMK，以及两者兼有改性产品等，在固相含量高、矿化度高的情况下，往往需要将它们复配才可能发挥作用，而且需要加大处理剂的用量，处理剂多而杂，造成钻井液成本增加，流变性变差，且劳动强度增大。尤其在高含盐及高温条件下其降滤失效果不太明显。

由于褐煤资源丰富，价格低廉，以其为基本原料制备的产品在钻井液中有较多应用，如文献“抗高温抗盐降滤失剂SHK-AN的合成及性能研究”中制备SHK-AN具有好的抗盐、抗高温和降滤失作用，但是其合成工艺复杂，需要将褐煤粉硝酸氧解、碱抽提、磺甲基化，获得的磺甲基腐植酸钾再与腈纶废丝水解后的丙烯腈进行接枝聚合，浓缩、干燥、粉碎制得SHK-AN接枝共聚物，而且分子量较大，粘度效应大；文献“降滤失剂AMPS/AM/腐植酸钠的合成与评价”中由褐煤制备腐植酸钠，再和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺进行共聚，产物在淡水中具有好的降滤失能力，抗盐性能不好，且其质量分数1％的水溶液的粘度10mPa·s，未见在高密度钻井液中的评价结果；文献“高温抗盐降滤失剂SHR的研究与应用”中用褐煤和酰胺衍生物及络合剂、交联剂、甲醛、纯碱、焦亚硫酸等反应制备了特种树脂SHR，具有抗温降滤失及稀释能力强、造壁润滑性能好的特点，最高应用钻井液密度1.97g/cm³，未见可用于更高密度钻井液中。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种褐煤接枝共聚降滤失剂及制备方法。所述降滤失剂在含高固相加重材料的钻井液中降滤失效果好、粘度效应低，能够改善钻井液的流变性，并具有抗温、耐盐的特性，用于深井、超深井以及超高压地层钻探。

本发明的目的之一是提供一种改性褐煤接枝共聚降滤失剂。

所述降滤失剂是由包括以下组分的原料聚合反应而制得的：

水                100重量份

褐煤              10～70重量份，优选25～55重量份；

醛                0.5～20重量份，优选1～10重量份

磺酸盐聚合物      2～30重量份，优选5～15重量份

所述褐煤为改性褐煤，优选磺化褐煤、褐煤树脂、腐植酸钠、腐植酸钾或硝基腐植酸钠；

所述醛优选为甲醛、乙醛或乙二醛；

所述磺酸盐聚合物为分子链中含有磺酸基的链节不少于30％的共聚物。优选分子量小于30万的含有大量磺酸基的聚合物。更优选申请文件(申请号：201010502681.3)中所述的磺酸盐聚合物。

本发明的目的之二是提供一种褐煤接枝共聚降滤失剂的制备方法。

包括：

将所述组分按所述用量搅拌混合均匀，进行聚合反应、烘干粉碎后制得所述褐煤接枝共聚降滤失剂。

具体可包括以下步骤：

(1)原料组成：褐煤、醛、磺酸盐聚合物、水的重量之比为褐煤∶醛∶磺酸盐聚合物∶水＝10～70∶0.5～20∶2～30100；

(2)配制聚合液：将磺酸盐聚合物均匀溶解于水中，室温下加入醛和褐煤，搅拌均匀；

(3)聚合：在搅拌条件下升温至180～220℃，反应6～10h；

(4)烘干，粉碎：将步骤(3)中得到的混合液在100～105℃的条件下烘干、粉碎得到高密度钻井液用褐煤接枝共聚降滤失剂。

本发明的褐煤接枝共聚降滤失剂，经“一步法”进行接枝共聚反应，合成工艺简单，在超高密度钻井液中降滤失效果好、粘度效应低，有效改善超高密度钻井液的流变性能，并具有优良的抗温、耐盐的特性。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

1、4％胶液表观粘度的测定：准确称取16.0g褐煤接枝的聚合物降滤失剂，在玻璃棒搅拌下慢慢加入到400mL蒸馏水中，搅拌至全部溶解，用六速旋转粘度计测定溶液600r/min的读数。表观粘度按下式计算。

$\mathrm{AV}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{600}}{2}$

式中：AV——表观粘度，单位为毫帕·秒(mPa·s)；

Φ₆₀₀——旋转粘度计600r/min下的读数。

2、性能评价

(1)淡水加重基浆的配制：量取300mL蒸馏水置于杯中，加入0.75g无水碳酸钠、15g钻井液实验用钠膨润土，高速搅拌20min，在磨口瓶中25±3℃下养护24h。高速搅拌下加入756g的重晶石，高速搅拌10min，按照SY/T 5621规定测定基浆密度和滤失量，淡水加重基浆密度应该2.20±0.05g/cm³范围内，常温滤失量和120℃滚动16h滤失量应在25～35mL。若不在范围内，可适当调整重晶石的加量。

(2)盐水加重基浆的配制：量取300mL蒸馏水置于杯中，加入12g氯化钠、1.2g无水碳酸钠，高速搅拌5min，待完全溶解后加入24g钻井液实验用钠膨润土，高速搅拌20min，在磨口瓶中25±3℃下养护24h。高速搅拌下加入980g的重晶石，高速搅拌10min，作为盐水加重基浆，备用。按照SY/T 5621规定测定基浆密度和滤失量，盐水加重基浆密度应该2.40±0.05g/cm³范围内，常温滤失量和120℃滚动16h滤失量应在120～160mL。若不在范围内，可适当调整重晶石的加量。

(3)淡水浆滤失量的测定：取两份淡水加重基浆，用玻璃棒搅拌下加入4.8g高密度分散剂SMS-19，高速搅拌10min，加入4.8g合成的褐煤接枝的聚合物降滤失剂，其中一份按照SY/T5621的规定测定常温滤失量；另一份放入滚子加热炉中，于120℃滚动16h，待冷却至25±3℃，高速搅拌5min，按照SY/T5621的规定测定120℃热滚16h后滤失量。

(4)盐水浆中滤失量的测定：取两份盐水加重基浆，用玻璃棒搅拌下加入13.0g高密度分散剂SMS-19，高速搅拌10min，加入5.4g合成的褐煤接枝的聚合物降滤失剂，高速搅拌10min。其中一份按照SY/T5621的规定测定常温滤失量；另一份放入滚子加热炉中，于120℃滚动16h，待冷却至25±3℃，高速搅拌5min，按照SY/T5621的规定测定120℃热滚16h后滤失量。

实施例中所用原料如下：

磺化褐煤：大港油田集团油田化学有限公司，工业品；

甲醛：北京化学试剂公司，分析纯；

乙醛：北京化学试剂公司，分析纯；

磺酸盐聚合物PFL-L：中国石化石油工程技术研究院，工业品；分子量范围为10-20万，磺酸基的链节含量为40-60％

腐植酸钠：侯马市佳友腐植酸有限公司，工业品；

褐煤树脂：河北华运鸿业化工有限公司，工业品；

氢氧化钠：北京化工厂，分析纯；

氯化钠：北京化工厂，分析纯；

Span-80：西陇化工股份有限公司，化学纯；

重晶石：贵州凯里市龙腾矿业有限公司，密度4.32g/cm³；

白油：河北省辛集市景山石油化工厂，工业品；

钠膨润土：胜利油田博友泥浆技术有限责任公司产钻井液试验用钠膨润土；

低粘PAC：淄博技联化工有限公司，工业品；

分散剂SMS-19：自制，方法如下：

木本木质素18份，对甲酚10份，亚硫酸钠8份，甲醛3份，对甲苯磺酸1份，水100份，混合均匀后160～170℃下反应8h，干燥后制得分散剂SMS-19

实施例1：

超高密度钻井液用褐煤接枝共聚降滤失剂由下述原料制备：磺化褐煤28份，甲醛2份，磺酸盐聚合物11份，水100份，将混合均匀后200℃下反应6h，干燥、粉碎后制得褐煤接枝共聚降滤失剂A。

实施例2：

超高密度钻井液用褐煤接枝共聚降滤失剂由下述原料制备：磺化褐煤35份，甲醛4份，磺酸盐聚合物8份，水100份，将混合均匀后190℃下反应8h，干燥、粉碎后制得褐煤接枝共聚降滤失剂B。

实施例3：

超高密度钻井液用褐煤接枝共聚降滤失剂由下述原料制备：磺化褐煤50份，乙醛2份，磺酸盐聚合物11份，水100份，将混合均匀后210℃下反应8h，干燥、粉碎后制得褐煤接枝共聚降滤失剂C。

实施例4：

超高密度钻井液用褐煤接枝共聚降滤失剂由下述原料制备：腐植酸钠40份，甲醛4份，磺酸盐聚合物6份，水100份，将混合均匀后190℃下反应8h，干燥、粉碎后制得褐煤接枝共聚降滤失剂D。

实施例5：

超高密度钻井液用褐煤接枝共聚降滤失剂由下述原料制备：褐煤树脂40份，甲醛8份，磺酸盐聚合物14份，水100份，将混合均匀后190℃下反应10h，干燥、粉碎后制得褐煤接枝共聚降滤失剂E。

以上实施例制备的褐煤接枝共聚降滤失剂的性能数据见表1.

表1

从实验数据可看出，所制备的褐煤接枝共聚降滤失剂4％胶液的表观粘度较小，不大于10mPa·S，在超高密度钻井液中增粘效应低。在2.20g/cm³的淡水浆中可将基浆的常温滤失量由29mL降低到5.5mL以内，经120℃/16h热滚后的滤失量也不超过7mL，表明其在2.20g/cm³的淡水浆中具有较好的降滤失效果。在2.40g/cm³的盐水浆中可将基浆的常温滤失量由146mL降低到5.5mL以内，而且经120℃/16h热滚后的滤失量也不超过7mL，表明其在2.40g/cm³的盐水浆的降滤失效果好，本发明的褐煤接枝共聚降滤失剂抗盐性优良。

实施例6：

用实施例2中制备的超高密度钻井液用褐煤接枝降滤失剂为组分之一配制了密度为2.50g/cm³的钻井液，其组分配比为以水为100重量份计如下：

按上述组分配比，配制钠膨润土浆，老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19、褐煤接枝共聚降滤失剂B、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠，搅拌至溶解均匀，搅拌下加入重晶石粉，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能见表2。

表2

从上表中实验数据可见，本实施例的密度为2.50g/cm³的超高密度钻井液在经过120℃/16h老化后的表观粘度AV为89mPa·s，老化后的常温常压滤失量FL_API为2.5mL、高温高压滤失量FL_HTHP为13mL，表明其流变性能好、滤失量易控制。

实施例7：

用实施例2中制备的超高密度钻井液用褐煤接枝降滤失剂为组分之一配制了密度为2.75g/cm³的钻井液，其组分配比为以水为100重量份计如下：

按上述组分配比，配制钠膨润土浆，老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19、褐煤接枝共聚降滤失剂B、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠，搅拌至溶解均匀，搅拌下加入重晶石粉，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能见表3.

表3

从上表中实验数据可见，本实施例的密度为2.75g/cm³的超高密度钻井液在经过120℃/16h老化后的漏斗粘度FV为94s、表观粘度AV为99mPa·s，老化后的常温常压滤失量FL_API为2.0mL、高温高压滤失量FL_HTHP为11mL，表明其流变性能好、滤失量易控制。

实施例8：

用实施例2中制备的超高密度钻井液用褐煤接枝降滤失剂为组分之一配制了密度为2.86g/cm³的钻井液，其组分配比为以水为100重量份计如下：

按上述组分配比，配制钠膨润土浆，老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19、褐煤接枝降滤失剂B、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠，搅拌至溶解均匀，搅拌下加入重晶石粉，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能见表4。

表4

注：“-”表示用六速粘度计测不出数值。

从上表中实验数据可见，本发明的密度为2.86g/cm³的超高密度钻井液在经过120℃/16h老化后，在六速粘度计上600转读数不能读出，300转读数为248，表明体系的流动性较好，老化后的常温常压滤失量FL_API为1.2mL、高温高压滤失量FL_HTHP为9mL，滤失量易控制。

Claims (10)

1.一种褐煤接枝共聚降滤失剂，其特征在于所述降滤失剂是由包括以下组分的原料聚合反应而制得的：

所述褐煤为改性褐煤。

2.如权利要求1所述的褐煤接枝共聚降滤失剂，其特征在于：

褐煤               25～55重量份

醛                 1～10重量份

磺酸盐聚合物       5～15重量份。

3.如权利要求1所述的褐煤接枝共聚降滤失剂，其特征在于：

所述褐煤为磺化褐煤、褐煤树脂、腐植酸钠、腐植酸钾或硝基腐植酸钠。

4.如权利要求1所述的褐煤接枝共聚降滤失剂，其特征在于：

所述醛为甲醛、乙醛或乙二醛。

5.如权利要求1所述的褐煤接枝共聚降滤失剂，其特征在于：

所述磺酸盐聚合物为分子链中含有磺酸基的链节不少于30％的低分子量共聚物。

6.如权利要求5所述的褐煤接枝共聚降滤失剂，其特征在于：

所述磺酸盐聚合物的分子量小于30万。

7.一种如权利要求1～6之一所述的褐煤接枝共聚降滤失剂的制备方法，包括：

将所述组分按所述用量搅拌混合均匀，进行聚合反应、烘干粉碎后制得所述褐煤接枝共聚降滤失剂。

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：

所述聚合反应温度为180～220℃，反应时间为6～10h。

9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：

所述烘干温度为100～105℃。

10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：

将所述磺酸盐聚合物均匀溶解于水中，再加入醛和褐煤，搅拌均匀。