CN103333665A - 超高密度钻井液用分散剂及其制备方法 - Google Patents

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谢建宇
王中华
李彬
张滨
万龙
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China Petroleum and Chemical Corp
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Drilling Engineering Technology Research Institute of Sinopec Zhongyuan Petroleum Engineering Co Ltd
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Abstract

本发明涉及超高密度钻井液用分散剂及其制备方法，由天然材料改性物R、含羧基单体B、含磺酸基单体C和有机胺单体D按质量比10∶0.5～3∶0.5～3∶0.5～3的比例混合后，加入分子量调节剂，经自由基共聚而得到，其平均分子量在2500～4000之间，本发明简便可行，反应时间短，在超高密度钻井液中使用本发明所得分散剂对重晶石具有良好的分散效果，能显著改善钻井液常温及高温老化后的流变性和沉降稳定性能。

Description

超高密度钻井液用分散剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超高密度钻井液用分散剂及其制备方法，具体涉及超高密度钻井液（2.5g/cm3<ρ≤3.0g/cm3）用分散剂及其制备方法，属于油田钻井液用处理剂合成技术领域。
技术背景
在石油勘探开发过程中，随着钻遇地层的日趋复杂，高温高压井和超高压油气层逐渐增多，为了平衡地层压力，防止井下事故发生，保证钻井作业顺利进行，需要使用超高密度钻井液来达到安全顺利钻井的目的。超高密度钻井液中重晶石含量高（重晶石体积分数甚至可以达到50%以上），钻井液粘度效应大、流变性较差，体系常温配制难度大，并且在钻井过程中，超高密度钻井液钻遇泥页岩地层和其他易水化地层时，大量低密度钻屑及粘土侵入钻井液中，造成钻井液的固相含量升高，固相粒子之间的相互作用增强，使得钻井液的粘度和切力急剧上升，流变性更加难以控制。而超高密度钻井液的高固相导致钻井液对外来物质的污染敏感性更强，特别是在钻遇高压盐水层和盐膏层及复杂地层时，钻井液中膨润土颗粒的扩散双电层将受到钠、钙和镁离子的挤压作用，当静电斥力和吸附溶剂化层的阻力减小到不足以阻止重晶石颗粒之间发生聚结时，重晶石会发生聚结、沉降，严重破坏钻井液的沉降稳定性，造成井下复杂事故。因此，需要开发能对重晶石有效作用的分散剂，改善钻井液的流变性和悬浮稳定性。目前，国内外对适用于超高密度钻井液的分散剂研究较少。在专利申请200710049033.5中将钻井液降粘剂作为超高密度钻井液分散剂使用，但其对加重材料重晶石的分散效果并不十分理想，不能明显改善钻井液的流变性。在专利申请2011103152579.21中，分散剂在超高密度钻井液中经高温老化后虽然明显改善钻井液的流变性，但在室温配浆时，钻井液的流变性能仍然存在不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超高密度钻井液用分散剂，实现对重晶石高效分散，有效改善钻井液常温配浆性能及高温流变性和沉降稳定性。
本发明的另一个目的在于提供上述一种超高密度钻井液用分散剂的制备方法。
本发明通过以下技术方案加以实现：
超高密度钻井液用分散剂，由天然材料改性物R、含羧基单体B、含磺酸基单体C和有机胺单体D按质量比10：0.5～3：0.5～3：0.5～3的比例混合后，加入分子量调节剂，经自由基共聚而得到，其平均分子量在2500～4000之间，结构通式为
其中R为磺化木质素或磺化单宁；R1=H或COONa；R2=COONa或CH2COONa；R3=CONHC(CH3)2SO3Na或COOCH(CH2CH3)CH2SO3Na；R4=CH2N+(CH3)3Cl-或CONH2。
所述天然材料改性物R是磺化木质素或磺化单宁中的一种或两种。
所述含羧基单体B是丙烯酸或衣康酸中的一种或两种。
所述含磺酸基单体C是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸或2-丙烯酰氧丁基磺酸中的一种或两种。
所述有机胺单体D是丙烯酰胺或烯丙基三甲基氯化铵中的一种或两种。
所述分子量调节剂是对苯二酚、巯基乙酸、异丙醇、硫酸铜、氯化铁、十二烷基硫醇或亚磷酸钠其中之一。
一种超高密度钻井液用分散剂的制备方法，包括以下步骤：
（1）将10质量份天然材料改性物R溶解于清水待用；
（2）将0.5～3质量份含羧基单体B、0.5～3质量份含磺酸基单体C和0.5～3质量份有机胺单体D混合后溶解于清水待用；
（3）将占步骤（1）和步骤（2）所述的天然材料改性物R、含羧基单体B、含磺酸基单体C和有机胺单体D总质量的0.2%～2%过硫酸铵溶解于清水待用；
（4）将占步骤（1）和步骤（2）所述的天然材料改性物R、含羧基单体B、含磺酸基单体C和有机胺单体D总质量的0.05%～0.5%分子量调节剂溶解于清水后与步骤（1）所得的天然材料改性物R溶液一起加入反应容器中，升温至40℃～60℃；
（5）将步骤（2）所得的混合反应单体溶液和步骤（3）所得的过硫酸铵溶液一起加入步骤（4）的反应容器中，将反应体系升温至90℃～100℃反应1h～2h，得到固相含量10%～50%的分散剂产品，反应结束后体系pH值中和至8～9，经烘干、粉碎后即得到超高密度钻井液用分散剂。
本发明所得分散剂在超高密度钻井液中对重晶石具有良好的分散效果，能显著改善钻井液常温及高温老化后的流变性和沉降稳定性能，可广泛应用于高密度及超高密度钻井液。并且，在固井水泥浆、水煤浆、陶瓷等高固相含量的体系中都可以对固相颗粒进行有效分散，改善体系流变性能，具有较好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的分散剂的红外光谱图。
具体实施方式
实施例1
将5g丙烯酸、15g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和30g丙烯酰胺混合后溶解于150g清水，得到混合反应单体溶液，待用，将0.3g过硫酸铵溶解于150g清水待用，将100g磺化木质素和0.4g对苯二酚溶解于300g清水并升温至50℃，然后将混合反应单体溶液和过硫酸铵溶液一起加入反应体系中，然后将体系升温至90℃反应1h，得到固相含量20%的分散剂产品，反应结束后用氢氧化钠中和体系至pH值为8，经烘干、粉碎后得到平均分子量为2500的超高密度钻井液用分散剂。
实施例2
将5g衣康酸、30g2-丙烯酰氧丁基磺酸和15g丙烯酰胺混合后溶解于100g清水，得到混合反应单体溶液，待用，将3.0g过硫酸铵溶解于100g清水待用，将100g磺化单宁和0.3g硫酸铜溶解于150g清水并升温至40℃，然后将混合反应单体溶液和过硫酸铵溶液一起加入反应体系中，然后将体系升温至95℃反应1.5h，得到固相含量30%的分散剂产品，反应结束后用氢氧化钠中和体系至pH值为9，经烘干、粉碎后得到平均分子量为3500的超高密度钻井液用分散剂。
实施例3
将25g丙烯酸、5g衣康酸、10g2-丙烯酰氧丁基磺酸，20g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和10g烯丙基三甲基氯化铵混合后溶解于150g清水，得到混合反应单体溶液，待用，将1.7g过硫酸铵溶解于150g清水待用，将80g磺化木质素、20g磺化单宁和0.68g十二烷基硫醇溶解于210g清水并升温至60℃，然后将混合反应单体溶液和过硫酸铵溶液一起加入反应体系中，然后将体系升温至100℃反应2h，得到固相含量25%的分散剂产品，反应结束后用氢氧化钠中和体系至pH值为8，经烘干、粉碎后得到平均分子量为4000的超高密度钻井液用分散剂。
实施例4～7步骤与实施例1相同，反应物质及其用量如表1所示：
表1反应物质及用量表
将实施例1反应得到的分散剂产品加入超高密度钻井液中，在常温及150℃高温老化16h后，用六速旋转粘度计测定钻井液流变性，结果如表2所示。
表2分散剂在密度2.8g/cm3钻井液中性能
由表2可知，在组分为1.25％坂土浆+4%磺化酚醛树脂（SMP）+6%磺化褐煤（SMC）+0.1%羧甲基纤维素钠（LV-CMC）+重晶石钻井液基浆中，加入本发明2%分散剂，钻井液常温及高温流变性能得到明显的改善，150℃老化16h后漏斗黏度由不加分散剂的282s降低至130s，且经室温24h静置后，上下层密度差由不加分散剂的0.56g/cm3降低至0.03g/cm3，显著提高了体系的悬浮稳定性能。
将实施例1反应得到的分散剂产品纯化后，用红外光谱仪进行检测，如图1。图1中3408cm-1是羟基（-OH）伸缩振动吸收峰，1722cm-1和1615cm-1是羰基（-C=O）伸缩振动吸收峰，1184cm-1和1040cm-1为磺酸基(-SO3)伸缩振动吸收峰。

Claims (7)

1.超高密度钻井液用分散剂，其特征在于由天然材料改性物R、含羧基单体B、含磺酸基单体C和有机胺单体D按质量比10：0.5～3：0.5～3：0.5～3的比例混合后，加入分子量调节剂，经自由基共聚而得到，其平均分子量在2500～4000之间，结构通式为
Figure FDA00003434831500011
其中R为磺化木质素或磺化单宁；R1=H或COONa；R2=COONa或CH2COONa；R3=CONHC(CH3)2SO3Na或COOCH(CH2CH3)CH2SO3Na；R4=CH2N+(CH3)3Cl-或CONH2。
2.根据权利要求1所述的超高密度钻井液用分散剂，其特征是：所述天然材料改性物R是磺化木质素或磺化单宁中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的超高密度钻井液用分散剂，其特征是：所述含羧基单体B是丙烯酸或衣康酸中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的超高密度钻井液用分散剂，其特征是：所述含磺酸基单体C是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸或2-丙烯酰氧丁基磺酸中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的超高密度钻井液用分散剂，其特征是：所述有机胺单体D是丙烯酰胺或烯丙基三甲基氯化铵中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的超高密度钻井液用分散剂，其特征是：所述分子量调节剂是对苯二酚、巯基乙酸、异丙醇、硫酸铜、氯化铁、十二烷基硫醇或亚磷酸钠其中之一。
7.一种如权利要求1所述的超高密度钻井液用分散剂的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
（1）将10质量份天然材料改性物R溶解于清水待用；
（2）将0.5～3质量份含羧基单体B、0.5～3质量份含磺酸基单体C和0.5～3质量份有机胺单体D混合后溶解于清水待用；
（3）将占步骤（1）和步骤（2）所述的天然材料改性物R、含羧基单体B、含磺酸基单体C和有机胺单体D总质量的0.2%～2%过硫酸铵溶解于清水待用；
（4）将占步骤（1）和步骤（2）所述的天然材料改性物R、含羧基单体B、含磺酸基单体C和有机胺单体D总质量的0.05%～0.5%分子量调节剂溶解于清水后与步骤（1）所得的天然材料改性物R溶液一起加入四口烧瓶中并升温至40℃～60℃；
（5）将步骤（2）所得的混合反应单体溶液和步骤（3）所得的过硫酸铵溶液一起加入步骤（4）所得的反应体系中，将体系升温至90℃～100℃反应1h～2h，得到固相含量10%～50%的分散剂产品，反应结束后体系pH值中和至8～9，经烘干、粉碎后即得到超高密度钻井液用分散剂。
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