CN104312563B - 一种阳离子型微泡钻井液用表面活性剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阳离子型微泡钻井液用表面活性剂及其制备方法，由乙烯基阳离子单体A、乙烯基酰胺化合物B按质量比10：1~10的比例混合后，加入相对分子质量调节剂，经自由基共聚而得到，其平均相对分子质量在1000~4000之间，本发明简便可行，在微泡钻井液中使用本发明所得表面活性剂，形成的泡沫稳定性好，抗压缩能力强，能够保证微泡钻井液在井底高压下具有较低的循环密度，有利于减少井下复杂。

Description

一种阳离子型微泡钻井液用表面活性剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种阳离子型微泡钻井液用表面活性剂及其制备方法，具体涉及低压易漏地层钻井过程中使用的微泡钻井液用表面活性剂，属于油田钻井液用处理剂合成技术领域。
技术背景
目前，国内油田在低压或欠平衡钻井过程中，往往采用泡沫钻井液来降低钻井液密度，保证钻井施工安全。但普通泡沫粒径大，严重影响泥浆泵的上水效率，并且需要配套的注入气体的设备，如压缩机及生产和注入气体的设备等，钻井成本较高。针对这些问题，美国M-I钻井液公司和Acti-Systems公司共同研制出一种可以在近平衡条件下使用的可循环微泡钻井液。其具有密度低，可重复使用，不受MWD和钻井液马达等井下工具的影响，现场不用添加注入气体的设备，能有效防止低压破碎、高渗透率砂岩及裂缝性漏失地层漏失，保护油气层，降低钻井成本等优势，国内一些油田也先后开展了相关研究。
微泡钻井液的配制主要是通过剧烈搅拌等方式，将空气裹进钻井液中，由于表面活性剂的存在，显著降低了气-液之间的界面张力，最终形成了具有良好稳定性、直径在25～200μm之间的微泡。在ZL200910157353.1中公开了一种微泡钻井液，其表面活性剂采用十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠的混合物；在ZL200710113558.0中公开了一种抗高温可循环微泡沫钻井液或完井液，其表面活性剂采用脂肪醇甘油基醚磺酸盐AGES、聚合醇、椰子油酰胺磺基琥珀酸单酯钠盐F873。这两种微泡钻井液采用的都是阴离子型表面活性剂复配或阴离子型/非离子型表面活性剂复配，但阴离子型表面活性剂对pH值敏感、抗盐、钙能力弱，而非离子型表面活性剂发泡性能稍差，并且所用的表面活性剂是线性结构，相对分子质量较小，对微泡中空气核密封性差，微泡的抗压缩能力不足，在井底高压条件下，空气从泡沫中扩散出来，造成钻井液井底密度显著升高，影响钻井施工安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阳离子型微泡钻井液用聚合物表面活性剂，抗盐、钙能力强，发泡性能较好，并且对微泡中空气核具有良好的密封作用，微泡抗压缩能力强，保证微泡钻井液在井底高压下具有较低的循环密度，减少井下复杂。
本发明通过以下技术方案加以实现：
一种阳离子型微泡钻井液用表面活性剂，含有以下结构通式：
其中R＝H、CH3、CH2CH3或(CH2)3CH3；n＝8、11、13、15或17；x：y物质的量比为(2～5)：(0.5～15)之间的一个比值，其平均相对分子质量在1000～4000之间。
一种阳离子型微泡钻井液用表面活性剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将10质量份乙烯基阳离子单体A溶解于清水待用；
(2)将1～10质量份乙烯基酰胺化合物B溶解于清水待用；
(3)将占步骤(1)和步骤(2)所述的乙烯基阳离子单体A和乙烯基酰胺化合物B总质量0.2％～2％的过硫酸铵溶解于清水待用；
(4)将占步骤(1)和步骤(2)所述的乙烯基阳离子单体A和乙烯基酰胺化合物B总质量0.03％～0.5％的相对分子质量调节剂溶解于清水后与步骤(1)和步骤(2)所得的溶液一起加入反应容器中，升温至40℃～60℃；
(5)将步骤(3)所得的过硫酸铵溶液加入步骤(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％的阳离子型微泡钻井液用表面活性剂。
所述乙烯基阳离子单体A是壬基二甲基烯丙基氯化铵、十二烷基二甲基烯丙基氯化铵、十四烷基二甲基烯丙基氯化铵、十六烷基二甲基烯丙基氯化铵、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵中的一种或两种。
所述乙烯基酰胺化合物B是丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N,N-二丁基丙烯酰胺中的一种或两种。
上述相对分子质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的其中之一。
本发明所得表面活性剂具有抗盐、钙能力强，发泡效果好，并且与一般表面活性剂相比，是一种高分子共聚物，形成的泡沫稳定性更好，抗压缩能力更强，能够保证微泡钻井液在井底高压下具有较低的循环密度，减少井下复杂。
具体实施方式
实施例1：
将10g丙烯酰胺溶解于60g清水待用，将0.6g过硫酸铵溶解于60g清水待用，将50g壬基二甲基烯丙基氯化铵和0.2g对苯二酚溶解于120g清水并升温至55℃，然后将丙烯酰胺溶液和过硫酸铵溶液一起加入反应体系中，将体系升温至90℃反应1h，得到平均分子量为4000固相含量20％的微泡钻井液用表面活性剂，其结构式为：
x：y物质的量比为2.0：1.4。
实施例2：
将5g N,N-二甲基丙烯酰胺溶解于60g清水待用，将1.1g过硫酸铵溶解于60g清水待用，将50g十二烷基二甲基烯丙基氯化铵和0.18g异丙醇溶解于375g清水并升温至40℃，然后将N,N-二甲基丙烯酰胺溶液和过硫酸铵溶液一起加入反应体系中，将体系升温至95℃反应2h，得到平均分子量为1500固相含量10％的微泡钻井液用表面活性剂，其结构式为：
x：y物质的量比为3.5:1.0。
实施例3：
将20g N,N-二乙基丙烯酰胺溶解于40g清水待用，将0.14g过硫酸铵溶解于10g清水待用，将50g十六烷基二甲基烯丙基氯化铵和0.35g氯化铁溶解于80g清水并升温至60℃，然后将N,N-二甲基丙烯酰胺溶液和过硫酸铵溶液一起加入反应体系中，将体系升温至100℃反应1.5h，得到平均分子量为1000固相含量35％的微泡钻井液用表面活性剂，其结构式为：
x：y物质的量比为2.9：3.1。
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1～9中合成的阳离子型表面活性剂进行性能评价。
(1)起泡能力及泡沫稳定性
在100mL水中加入1.0g表面活性剂，然后在高搅机10000r/min转速下，高速搅拌5min，将泡沫浆倒入量筒中，记录泡沫的体积，并记录泡沫体系析出50mL发泡基液所用的时间作为泡沫半衰期。
表2实施例1～9表面活性剂性能评价
(2)在钻井液中的性能
将实施例3中表面活性剂加入钻井液中配制微泡钻井液，经120℃高温老化16h后，用六速旋转粘度计测定微泡钻井液性能，结果如表3所示。
表3微泡钻井液性能
钻井液配方：5％膨润土浆+0.4％表面活性剂+0.5％黄原胶+1％羧甲基纤维素钠+0.05％十二醇。
从表3可知，阳离子型聚合物表面活性剂与现有表面活性剂相比泡沫稳定性明显增强，经120℃老化16h后，微泡钻井液老化前后钻井液密度仅相差0.02g/cm3表现出良好的抗温性能。

Claims (4)

1.一种阳离子型微泡钻井液用表面活性剂，其特征在于：含有以下结构通式：
其中R＝H、CH3、CH2CH3或(CH2)3CH3；n＝8、11、13、15或17；x：y物质的量比为(2～5)：(0.5～15)之间的一个比值，其平均相对分子质量在1000～4000之间；
所述阳离子型微泡钻井液用表面活性剂由包括如下步骤的方法制得：
(1)将10质量份乙烯基阳离子单体A溶解于清水待用；
(2)将1～10质量份乙烯基酰胺化合物B溶解于清水待用；
(3)将占步骤(1)和步骤(2)所述的乙烯基阳离子单体A和乙烯基酰胺化合物B总质量0.2％～2％的过硫酸铵溶解于清水待用；
(4)将占步骤(1)和步骤(2)所述的乙烯基阳离子单体A和乙烯基酰胺化合物B总质量0.03％～0.5％的相对分子质量调节剂溶解于清水后与步骤(1)和步骤(2)所得的溶液一起加入反应容器中，升温至40℃～60℃；
(5)将步骤(3)所得的过硫酸铵溶液加入步骤(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％的阳离子型微泡钻井液用表面活性剂；所述相对分子质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的其中之一。
2.一种如权利要求1所述的阳离子型微泡钻井液用表面活性剂的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)将10质量份乙烯基阳离子单体A溶解于清水待用；
(2)将1～10质量份乙烯基酰胺化合物B溶解于清水待用；
(3)将占步骤(1)和步骤(2)所述的乙烯基阳离子单体A和乙烯基酰胺化合物B总质量0.2％～2％的过硫酸铵溶解于清水待用；
(4)将占步骤(1)和步骤(2)所述的乙烯基阳离子单体A和乙烯基酰胺化合物B总质量0.03％～0.5％的相对分子质量调节剂溶解于清水后与步骤(1)和步骤(2)所得的溶液一起加入反应容器中，升温至40℃～60℃；
(5)将步骤(3)所得的过硫酸铵溶液加入步骤(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％的阳离子型微泡钻井液用表面活性剂；所述相对分子质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的其中之一。
3.根据权利要求2所述的阳离子型微泡钻井液用表面活性剂的制备方法，其特征是：所述乙烯基阳离子单体A是壬基二甲基烯丙基氯化铵、十二烷基二甲基烯丙基氯化铵、十四烷基二甲基烯丙基氯化铵、十六烷基二甲基烯丙基氯化铵、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵中的一种或两种。
4.根据权利要求2所述的阳离子型微泡钻井液用表面活性剂的制备方法，其特征是：所述乙烯基酰胺化合物B是丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N,N-二丁基丙烯酰胺中的一种或两种。
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