CN104592957A - 一种含磺酸基聚胺抑制剂及其制备方法 - Google Patents

一种含磺酸基聚胺抑制剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种含磺酸基聚胺类页岩抑制剂的制备方法，包括如下内容：（1）在搅拌及50～90℃条件下向有机胺中加入环醚和磺酸内酯，有机胺与加入的环醚摩尔比为1：2～3，有机胺与加入的磺酸内酯摩尔比为1：0.5～1，反应时间为1～4h；（2）将步骤（1）物料温度升至70～110℃，搅拌条件下加入环氧氯丙烷；（3）向步骤（2）的物料中加入终止剂，终止剂与有机胺的摩尔比为1～2:1，反应时间为1～2h，反应后制得含磺酸基聚胺类页岩抑制剂。该方法制备的磺酸基聚胺页岩抑制剂在高温、高盐条件下具有良好的抑制效果，并且合成方法简单，无特殊气味，环境友好。

Description

一种含磺酸基聚胺抑制剂及其制备方法
技术领域
    本发明涉及一种含磺酸基聚胺抑制剂及其制备方法。
背景技术
钻井液是指油气钻井过程中，以其多种功能满足钻井需求的各种循环流体的总称。钻井液的功能主要有：携带和悬浮钻屑；稳定井壁和平衡地层压力；冷却和润滑钻头、钻具；传递水动力。
随着油气勘探领域的发展，深井、超深井，海洋井及复杂地段井的出现，钻井难度增加，对钻井液体系的要求也愈来愈严格。特别是油气钻探过程中，钻遇泥页岩地层时，泥页岩的水化膨胀、分散将导致井壁失稳、钻头泥包和井眼净化等一系列问题。传统的油基钻井液，具备许多良好的性能，但其污染环境，应用受到限制。以聚胺类为主页岩抑制剂的高性能水基钻井液以其环保、低成本、性能良好等特性成为世界各国石油研究者关注的研究热点。
聚胺类聚合物作为主要的泥页岩抑制剂，其作用机理为：通过胺基特有的吸附起作用，低分子胺像钾离子一样穿透黏土层，低浓度的胺类解吸附带水化膜的可交换阳离子，通过静电吸附、氢键作用和偶极作用等将黏土片层束缚在一起，阻止水分子进入，起到页岩抑制的作用。
聚胺类页岩抑制剂主要以大阳离子、小阳离子为主。大阳离子是聚胺甲基丙烯酰胺类季铵盐，用作粘土包被抑制剂；小阳离子是环氧丙基三甲基氯化铵。小阳离子分子量小，带有正电荷，易吸附于粘土表面，并进入粘土层间，取代可交换阳离子吸附于其中。而其吸附分子处的表面是含有碳氢基团的憎水性表面，有利于阻止水分子进入，故能有效地抑制粘土的水化膨胀及分散。
聚醚胺类抑制剂为美国MISWACO公司近年推出的ULTRADRILTM高抑制性水基钻井液。它是Patel 等人研制开发的不水解、完全水溶、低毒并与其它常用水基钻井液添加剂配伍，其页岩抑制性能优于大小阳离子聚合物。
中国专利CN 1069755A介绍了以大小阳离子为页岩抑制剂的钻井液各类性能,大小阳离子钻井液体系页岩抑制性能较好。美国专利US 7012043 B2介绍了聚醚胺类抑制剂，该类抑制剂显示良好的泥页岩抑制能力。大阳离子主链结构或支链与主链间以C-C键连接，支链部分含有C-N键；小阳离子含C-C、C-N、-O-键。聚醚胺类抑制剂以C-C、-O-为主，链中或链端含有少量C-N键。聚醚胺类的强抑制性的根本原因在于其主链中或链端的少量多个胺基同时作用的结果，因此其束缚粘土水化膨胀的能力更强，表现出强抑制性。CN201110313847.1介绍了一种阳离子聚胺页岩抑制剂的制备方法，以端二胺、环醚、环氧氯丙烷为原料，经聚合后制得。该页岩抑制剂在高温、高盐浆液中的抑制效果需要进一步提高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种含磺酸基聚胺抑制剂及其制备方法。该方法制备的磺酸基聚胺页岩抑制剂在高温、高盐条件下具有良好的抑制效果，并且合成方法简单，无特殊气味，环境友好。
一种含磺酸基聚胺类页岩抑制剂的制备方法，包括如下内容：
（1）在搅拌及50～90℃条件下向有机胺中加入环醚和磺酸内酯，有机胺与加入的环醚摩尔比为1：2～3，优选1：2～2.5，有机胺与加入的磺酸内酯摩尔比为1：0.5～1，优选1：0.5～0.8，反应时间为1～4h；优选反应温度为65～75℃，反应时间为2～3h；
（2）将步骤（1）物料温度升至70～110℃，优选85～100℃，搅拌条件下加入环氧氯丙烷，环氧氯丙烷与有机胺的摩尔比为0.4～0.9:1，优选0.5～0.8:1，反应时间为1～3h，优选1.5～2h；
（3）向步骤（2）的物料中加入终止剂，终止剂与有机胺的摩尔比为1～2:1，优选1～1.8:1，反应时间为1～2h，优选1～1.5h，反应后制得含磺酸基聚胺类页岩抑制剂。
本发明方法中，所述的有机胺可为多乙烯多胺和/或端二胺，优选多乙烯多胺，更优选多乙烯多胺和端二胺的混合胺，混合胺中端二胺和多乙烯多胺的质量比为（2～8）：（8～2），优选（3～4）：（7～6）。采用多乙烯多胺相比端二胺具有更佳的页岩抑制效果；此外，链上具有相同原子个数的多乙烯多胺和端二胺，多乙烯多胺的反应活性要明显高于端二胺，这使得多乙烯多胺可以在较低的反应温度下进行聚合反应，在相同的反应温度下，反应时间明显缩短，有效降低操作危险性和合成成本。采用端二胺和多乙烯多胺混合胺，能够进一步提高抑制剂性能。
本发明方法中，多乙烯多胺可为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺中的一种或几种混合；端二胺可为乙二胺、丙二胺、丁二胺、戊二胺、己二胺等。所述的环醚为环氧乙烷，环氧丙烷等。所述的磺酸内酯为1,3-丙磺酸内酯、1,4-丁磺酸内酯等。
本发明方法中，所述的终止剂可以为盐酸、硫酸、硝酸、冰醋酸、柠檬酸、甲酸、乙酸；也可以为水，优选后者。当采用水作为终止剂时，通过聚合物中某些基团的水解作用来终止反应的进行，能够进一步提高抑制效果。
一种采用上述方法制备的含磺酸基聚胺类页岩抑制剂。
与现有技术相比，本发明的含磺酸基聚胺页岩抑制剂具有如下优点：
（1）本发明方法得到的磺酸基聚胺抑制剂在保证高效抑制性能的同时，抗温可以达到180℃。相比不含磺酸基聚胺抑制剂，抗温性能明显提高；
（2）本发明方法得到的磺酸基聚胺抑制剂在复合盐水基浆体系中，在保证良好的抑制性能同时，抗盐能力大大提升。
具体实施方式
下面结合实施例来具体说明本发明方法的作用和效果，但以下实施例不构成对本发明方案的限制。
实施例1
首先将反应温度设定为65℃，搅拌并将环氧乙烷通入二乙烯三胺中并滴加1,3-丙磺酸内酯，二乙烯三胺与环氧乙烷的摩尔比为1：2，二乙烯三胺与1,3-丙磺酸内酯的摩尔比为1:0.7，控制反应温度不低于60℃，反应2.5h；然后将温度升至85℃，搅拌条件下滴加环氧氯丙烷，环氧氯丙烷与二乙烯三胺的摩尔比为0.6:1，反应时间为1.5h，最后加入终止剂浓盐酸，浓盐酸与二乙烯三胺的摩尔比为1:1，反应1h后制得聚胺类页岩抑制剂。
实施例2
将反应温度设定为75℃，搅拌并将环氧丙烷和1,4-丁磺酸内酯滴加到三乙烯四胺中，三乙烯四胺与环氧丙烷的摩尔比为1：3，三乙烯四胺与1,4-丁磺酸内酯的摩尔比为1：0.5，控制反应温度不低于70℃，反应2h；然后将温度升至90℃，搅拌条件下滴加环氧氯丙烷，环氧氯丙烷与二乙烯三胺的摩的摩尔比为0.5：1，反应时间为1h；最后加入终止剂甲酸，甲酸与二乙烯三胺的摩尔比为1.5:1，反应1h后制得聚胺类页岩抑制剂。
实施例3
将反应温度设定为85℃，搅拌并将环氧丙烷和1,4-丁磺酸内酯滴加到四乙烯五胺中，四乙烯五胺与环氧丙烷的摩尔比为1：2.5，四乙烯五胺与1,4-丁磺酸内酯的摩尔比为1:0.8，控制反应温度不低于80℃，反应1.5h；然后将温度升至100℃，搅拌条件下滴加环氧氯丙烷，环氧氯丙烷与二乙烯三胺的摩的摩尔比为0.8:1，反应时间为1.5h；最后加入终止剂乙酸，乙酸与二乙烯三胺的摩尔比为1.8:1，反应1h后制得聚胺类页岩抑制剂。
实施例4
制备过程同实施例1，只是终止剂调整为水。
实施例5
制备过程同实施例1，只是二乙烯三胺调整为己二胺。
实施例6
制备过程同实施例1，只是二乙烯三胺调整为己二胺和二乙烯三胺的混合胺，己二胺和二乙烯三胺的质量比为4:6。
比较例1
    制备过程同实施例4只是不加入1,3-丙磺酸内酯。
上述实施例及比较例所涉及的聚胺抑制剂的评价体系如下：
（1）淡水基浆：在1000ml水中加入40g膨润土和5g碳酸钠，高速搅拌20min，于室温下放置养护24h。
（2）复合盐水基浆：在1000ml水中加入45gNaCl、5g无水CaCl2、13gMgCl2·6H2O、150g钙膨润土和9g无水Na2CO3，于室温下放置养护24h。
将聚胺样品加入基浆中，高速搅拌5min，于设定温度下滚动老化16h后于室温下高速搅拌5min，测相对抑制率。
相对抑制率具体评价方法如下：
取350毫升蒸馏水，加入1.05g（精确至0.01g）碳酸钠，在10000r/min下搅拌5min后，缓慢加入35g（精确至0.01g）钻井液用膨润土，在10000r/min下搅拌20min，在120℃时热滚16h，冷却后在10000±300r/min下搅拌5min，在24±3℃下测定基浆的值。
取一定质量的样品溶于350毫升蒸馏水中，搅拌均匀，再加入1.05g（精确至0.01g）碳酸钠,在10000r/min下搅拌5min后，缓慢加入35g（精确至0.01g）钻井液用膨润土,在10000r/min下搅拌20min,在120℃时热滚16h，冷却后在10000±300r/min下搅拌5min，在24±3℃下定测定泥浆的值。
不同聚胺对比测试结果如下：以下%均为质量百分含量。
表1 不同聚胺抑制剂的耐温性能对比
样品 质量含量为0.5%时，淡水基浆180℃老化后的抑制率（%）
实施例1 91.8%
实施例2 91.6%
实施例3 92.5%
实施例4 98.4%
实施例5 85.7%
实施例6 95.1%
对比例1 65.8%
表2 不同聚胺抑制剂的抗盐性能对比
样品 质量含量为1.0%时，复合盐水基浆120℃老化后的抑制率（%）
实施例1 84.8%
实施例2 82.4%
实施例3 83.3%
实施例4 92.4%
实施例5 77.2%
实施例6 87.6%
对比例1 35.7%

Claims (13)

1.一种含磺酸基聚胺类页岩抑制剂的制备方法，其特征在于包括如下内容：
（1）在搅拌及50～90℃条件下向有机胺中加入环醚和磺酸内酯，有机胺与加入的环醚摩尔比为1：2～3，有机胺与加入的磺酸内酯摩尔比为1：0.5～1，反应时间为1～4h； 
（2）将步骤（1）物料温度升至70～110℃，搅拌条件下加入环氧氯丙烷，环氧氯丙烷与有机胺的摩尔比为0.4～0.9:1，反应时间为1～3h；
（3）向步骤（2）的物料中加入终止剂，终止剂与有机胺的摩尔比为1～2:1，反应时间为1～2h，反应后制得含磺酸基聚胺类页岩抑制剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中有机胺与加入的环醚摩尔比为1：2～2.5，有机胺与加入的磺酸内酯摩尔比为1：0.5～0.8，反应温度为65～75℃，反应时间为2～3h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中所述的有机胺为多乙烯多胺和/或端二胺。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的有机胺为多乙烯多胺。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的有机胺为多乙烯多胺和端二胺的混合胺，混合胺中端二胺和多乙烯多胺的质量比为（2～8）：（8～2）。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：混合胺中端二胺和多乙烯多胺的质量比为（3～4）：（7～6）。
7.根据权利要求3、4或5所述的方法，其特征在于：多乙烯多胺为二乙烯三胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺中的一种或几种混合。
8.根据权利要求3或5所述的方法，其特征在于：端二胺为乙二胺、丙二胺、丁二胺、戊二胺、己二胺中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的环醚为环氧乙烷，环氧丙烷，所述的磺酸内酯为1,3-丙磺酸内酯、1,4-丁磺酸内酯。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中温度升至85～100℃，环氧氯丙烷与有机胺的摩尔比为0.5～0.8:1，反应时间为1.5～2h。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）中终止剂与有机胺的摩尔比为1～1.8:1，反应时间为1～1.5h，反应后制得含磺酸基聚胺类页岩抑制剂。
12.根据权利要求1或11所述的方法，其特征在于：所述的终止剂为盐酸、硫酸、硝酸、冰醋酸、柠檬酸、甲酸、乙酸或者水。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述的终止剂为水。
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