CN103131397A - 一种钻井液用黏土稳定剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井液用黏土稳定剂及其制备方法，属石油钻井用水溶性有机材料类合成制备技术领域，将丙烯酸羟烷基酯、仲胺，按物质的量比加入反应瓶中，加入水控制丙烯酸羟烷基酯、仲胺的质量分数，反应时间达到后用三甲胺水溶液调节pH值，降温，加入相转移催化剂，按丙烯酸羟烷基酯：环氧氯丙烷物质的量比加入环氧氯丙烷，保持反应温度，搅拌，升温，保持反应温度，降温，出料即得钻井液用黏土稳定剂。本产品可有效的抑制粘土水化分散、絮凝钻屑、控制地层造浆，同时也可以作为压裂、酸化和采油注水的黏土稳定剂。

Description

一种钻井液用黏土稳定剂及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种钻井液用黏土稳定剂及其制备方法，属石油钻井用水溶性有机材料类合成制备技术领域。

技术背景：

随着石油工程技术的发展，深井、大位移井和水平井等钻井作业越来越多，钻遇地层越来越复杂，部分高难度井具有井眼大、位移大、水平井段长、井眼轨迹变化较大等特点，导致泥页岩地层存在严重垮塌和膨胀缩径以及严重造浆等问题，这对水基钻井液抑制能力提出了更高的要求。高效黏土稳定剂是确保井壁稳定和钻井液抑制性的关键。无机盐或有机盐是用量最多的钻井液抑制剂或黏土稳定剂。

无机盐对粘土矿物膨胀和分散性的抑制作用已经非常清楚，对于不同的矿物组成，不同无机盐的抑制作用又略有差别。由于K⁺或NH₄ ⁺能够进入到粘土和页岩的晶层间，促使粘土颗粒连接在一起，从而降低页岩在水中的分散作用，故KCl、NH₄C1比NaCl、CaCl₂更能有效地抑制页岩分散，起到抑制黏土分散作用。从抑制页岩分散作用的机理上讲，CaCl₂和NaCl主要是通过阻止水进入页岩颗粒而起作用，K⁺和NH₄ ⁺离子的水化能低，水化后的K⁺、NH₄ ⁺离子半径仍小于伊利石的层间间隙，因而能进入伊利石的层间，而K⁺或NH₄ ⁺是通过与页岩中的粘土发生离子交换而起作用。除上述无机盐外，硫酸钾也可以作为抑制剂。

低碳原子（C₁～C₆）碱金属有机酸盐（甲酸铯、乙酸钾、柠檬酸钾、酒石酸钾）和有机酸铵盐（乙酸铵、柠檬酸铵、酒石酸铵等）具有防塌抑制性能好、保护油气层、腐蚀性低、环保及可回收再利用的特点。

无论无机盐或有机盐虽然具有较强的抑制性，但其稳定周期短，且需要在很大的加量情况下才能起作用，特别是随着无机盐用量的增加，为了维护钻井液良好的性能，需要提高其他处理剂加量，而有机盐价格高，无疑会增加钻井液成本。基于此，近年来小分子季铵盐黏土稳定剂逐步受到重视，小分子季铵盐类黏土稳定剂易被黏土优先吸附，会促使黏土晶层间脱水，减少膨胀力，有效抑制黏土水化，且可以嵌入黏土晶层间，阻止水分子进入，降低黏土的水化膨胀作用，由于其在黏土颗粒上吸附牢固，具有长期稳定效果。但在应用中发现，小分子季铵盐类黏土稳定剂加入会对钻井液的性能有一定的影响，特别是当加量超过0.5%会严重破坏钻井液胶体稳定性，使钻井液的滤失量大幅度增加，同时与阴离子类处理剂配伍性差，限制了其应用范围。

发明内容：

本发明的目的就是针对小分子季铵盐类黏土稳定剂应用中存在的加量过多会严重破坏钻井液胶体稳定性而使钻井液的滤失量大幅度增加，同时与阴离子类处理剂配伍性差的问题，提供一种钻井液用黏土稳定剂；本发明的另一个目的是提供一种钻井液用黏土稳定剂的制备方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种钻井液用黏土稳定剂，由丙烯酸羟烷基酯和仲胺按物质的量1：(1.0～1.15)进行混合反应，用三甲胺调节混合物的pH值，在相转移催化剂作用下按丙烯酸羟烷基酯：环氧氯丙烷物质的量比为1：(0.98～1.08)的比例加入环氧氯丙烷混合反应而得钻井液用黏土稳定剂，其结构式如下：

式中：R＝CH₃、CH₂CH₃、CH₂CH₂CH₃、CH₂CH₂CH₂CH₃。

一种钻井液用黏土稳定剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将丙烯酸羟烷基酯、仲胺，按物质的量比1：(1.0～1.15)的比例加入带搅拌器、冷凝和冷却装置的反应瓶中，加入水，使丙烯酸羟烷基酯、仲胺的质量分数控制在45%～50%，于室温下反应24～36小时，反应时间达到后用三甲胺水溶液调节pH值至7.5～8.5，降温至0℃以下；

（2）将步骤（1）的反应混合物加入占反应混合物质量的0.1%~1.0%的相转移催化剂，然后按丙烯酸羟烷基酯：环氧氯丙烷物质的量比为1：(0.98～1.08)的比例，慢慢向反应瓶中加入环氧氯丙烷，加入过程中保持体系的温度在0～10℃范围内；

（3）待环氧氯丙烷加完后，将所得的反应混合物充分搅拌，升温至50～80℃，在此温度下反应3～8小时；

（4）将步骤（3）的反应混合物降温，出料即得钻井液用黏土稳定剂。

所述的丙烯酸羟烷基酯可以是丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯或甲基丙烯酸羟丙酯。

所述的仲胺是二甲胺、二乙胺、二丙胺或二丁胺。

所述的相转移催化剂是苄基三乙基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基氯化铵、四丁基硫酸氢铵、三辛基甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵或十四烷基三甲基氯化铵。

本发明的有益效果：

（1）本发明产品同时含有季铵基团和羟基、羰基等多种基团，既保持了小分子季铵盐黏土稳定剂的优势，也不影响钻井液性能，且产品可以与K+或NH4+无机阳离子防塌剂一起用于钻井液中作防塌、抑制剂，有效的抑制粘土水化分散、絮凝钻屑、控制地层造浆，同时也可以作为压裂、酸化和采油注水的黏土稳定剂。

（2）本发明产品通过引入非离子水化基团，产物对钻井液性能无不良影响，不会因为加量增加而影响钻井液的胶体稳定性，达到在充分发挥季铵盐类黏土稳定剂优异的抑制黏土水化分散性能的同时，有效地控制钻井液中黏土及钻屑的水化分散，保持钻井液清洁。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：

实施例1

将66.5克水、116.12克丙烯酸羟乙酯、146克33％质量分数的二甲胺溶液加入带搅拌器、冷凝和冷却装置的反应瓶中，于室温下反应36小时，反应时间达到后用三甲胺水溶液调节pH值至8.0，降温至0℃，加入占反应混合物质量0.1%的苄基三乙基氯化铵，然后慢慢向反应釜中加入90.67克环氧氯丙烷，加入过程中保持体系的温度在0～10℃范围内，待环氧氯丙烷加完后继续搅拌30分钟，升温至65℃，在此温度下反应6小时，降温，出料即得钻井液用黏土稳定剂。

实施例2

将100克水、116.12克丙烯酸羟乙酯、157克33％质量分数的二甲胺溶液加入带搅拌器、冷凝和冷却装置的反应瓶中，于室温下反应28小时，反应时间达到后用三甲胺水溶液调节pH值至7.5，降温至-1℃，加入占反应混合物质量1.0%的四丁基溴化铵，然后慢慢向反应釜中加入99.92克环氧氯丙烷，加入过程中保持体系的温度在0～10℃范围内，待环氧氯丙烷加完后继续搅拌32分钟，升温至80℃，在此温度下反应3小时，降温，出料即得钻井液用黏土稳定剂。

实施例3

将100克水、116.12克丙烯酸羟乙酯、157克33％质量分数的二甲胺溶液加入带搅拌器、冷凝和冷却装置的反应瓶中，于室温下反应24小时，反应时间达到后用三甲胺水溶液调节pH值至8.5，降温至-2℃，加入占反应混合物质量0.5%的四丁基氯化铵，然后慢慢向反应釜中加入99.92克环氧氯丙烷，加入过程中保持体系的温度在0～10℃范围内，待环氧氯丙烷加完后继续搅拌29分钟，升温至50℃，在此温度下反应8小时，降温，出料即得钻井液用黏土稳定剂。

实施例4~9步骤与实施例1相同，具体反应物质和反应条件如下表：

实施例4~9的配方和反应条件

Claims (5)

1.一种钻井液用黏土稳定剂，其特征是：由丙烯酸羟烷基酯和仲胺按物质的量1：(1.0～1.15)进行混合反应，用三甲胺调节混合物的pH值，在相转移催化剂作用下按丙烯酸羟烷基酯：环氧氯丙烷物质的量比为1：(0.98～1.08)的比例加入环氧氯丙烷混合反应而得钻井液用黏土稳定剂，其结构式如下：

式中：R=CH₃、CH₂CH₃、CH₂CH₂CH₃、CH₂CH₂CH₂CH₃。

2.一种如权利要求1所述的钻井液用黏土稳定剂的制备方法，其特征是：包括以下步骤：

（1）将丙烯酸羟烷基酯、仲胺，按物质的量比1：(1.0～1.15)的比例加入带搅拌器、冷凝和冷却装置的反应瓶中，加入水，使丙烯酸羟烷基酯、仲胺的质量分数控制在45%～50%，于室温下反应24～36小时，反应时间达到后用三甲胺水溶液调节pH值至7.5～8.5，降温至0℃以下；

（2）将步骤（1）的反应混合物加入占反应混合物质量的0.1%～1.0%的相转移催化剂，然后按丙烯酸羟烷基酯：环氧氯丙烷物质的量比为1：(0.98～1.08)的比例，慢慢向反应瓶中加入环氧氯丙烷，加入过程中保持体系的温度在0～10℃范围内；

（3）待环氧氯丙烷加完后，将所得的反应混合物充分搅拌，升温至50～80℃，在此温度下反应3～8小时；

（4）将步骤（3）的反应混合物降温，出料即得钻井液用黏土稳定剂。

3.根据权利要求2所述的一种钻井液用黏土稳定剂的制备方法，其特征是：所述的丙烯酸羟烷基酯是丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯或甲基丙烯酸羟丙酯。

4.根据权利要求2或3所述的一种钻井液用黏土稳定剂的制备方法，其特征是：所述的仲胺是二甲胺、二乙胺、二丙胺或二丁胺。

5.根据权利要求2所述的一种钻井液用黏土稳定剂的制备方法，其特征是：所述的相转移催化剂是苄基三乙基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基氯化铵、四丁基硫酸氢铵、三辛基甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵或十四烷基三甲基氯化铵。