CN106279520B - 一种钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂及其制备方法 - Google Patents

一种钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂，其特征在于，由以下组分原料按照质量和100%构成：丙烯酰胺10~20%，300#液蜡5~10%，十六烷基二甲基苄基氯化铵10~20%，二甲基二烯丙基氯化铵2~8%，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵20~30%，丙烯酸15~25%，乳化剂2~5%，引发剂0.03~0.6%，水20~40%；其中，乳化剂为Span60、Tween80、Span80、Tween60、十六烷基三甲基溴化铵中的任意两种，引发剂为过硫酸铵‑乙醇、过硫酸铵‑季戊四醇、过硫酸铵‑亚硫酸氢钠、过硫酸铵‑亚硫酸钠中任意一种。通过化学抑制与疏水基团的包被封堵，二者协同作用，能达到优良的抑制效果，实现总体抑制，解决了以往页岩抑制剂在复杂情况下抑制效果不佳的问题。

Description

一种钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及油气井开采领域，尤其与一种钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂及其制备方法。
背景技术
在油气钻井过程中，泥页岩地层井壁失稳这一世界性难题一直困扰着广大石油工程技术人员。因井壁失稳引起的井塌、缩径不仅会导致起下钻遇阻、卡钻、扭矩增大、憋泵等井下复杂，甚至会造成钻具掉落、井眼轨迹偏斜或整口井的报废。
随着近年来国家对页岩气资源勘探开发力度的加大，井壁稳定问题面临着更严苛的挑战。尽管目前页岩气钻井通常使用油基钻井液来缓解井壁失稳现象，但是从经济开发效益以及环境保护的角度考虑，具有强抑制性和优良环保性的高性能水基钻井液势必成为今后的发展方向。作为抑制性水基钻井液的核心处理剂，页岩抑制剂的研发一直是钻井液领域的研究重点。
目前，国内外钻井液工作者对有机胺类抑制剂进行了广泛研究，也取得了许多阶段性的成果，但开发出适用于超深井、超高温体系、海水及饱和盐体系的抑制剂还是很少的。
发明内容
本发明提供一种钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂及其制备方法，解决上述现有技术不足，通过化学抑制与疏水基团的包被封堵，二者协同作用，能达到优良的抑制效果，实现总体抑制，解决了以往页岩抑制剂在复杂情况下抑制效果不佳的问题。
为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：
一种钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂，其特征在于，由以下组分原料按照质量和100％构成：丙烯酰胺10～20％，300#液蜡5～10％，十六烷基二甲基苄基氯化铵10～20％，二甲基二烯丙基氯化铵2～8％，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵20～30％，丙烯酸15～25％，乳化剂2～5％，引发剂0.03～0.6％，水20～40％；其中，乳化剂为Span60、Tween80、Span80、Tween60、十六烷基三甲基溴化铵中的任意两种，引发剂为过硫酸铵-乙醇、过硫酸铵-季戊四醇、过硫酸铵-亚硫酸氢钠、过硫酸铵-亚硫酸钠中任意一种。
所述乳化剂为Span60和Tween80按照1:1构成。
所述乳化剂为Span80和Tween60按照1:1.5构成。
所述乳化剂为Span60和十六烷基三甲基溴化铵按照1.5:1构成。
所述乳化剂为Tween80和十六烷基三甲基溴化铵按照1.8:1构成。
一种钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：在反应釜中，先加入配方量的水，加入配方量的油相分散介质300#液蜡和乳化剂，并在45～60℃下搅拌1～2h；
步骤b：加入配方量的丙烯酰胺、丙烯酸、十六烷基二甲基苄基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；
步骤c：再加入配方量的引发剂，温度升至80℃～90℃，匀速搅拌，转速约为150～300r/min，反应6～8h，制得页岩抑制剂。
步骤c中的匀速搅拌转速为200r/min，反应时间6h。
本发明的有益效果：
本发明制备的钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂，后面简称JXA-1，作为一种有机阳离子型酰胺聚合物，具有两亲结构，其分子中含有亲水基团、疏水基团，可在溶液中部分解离形成铵基阳离子，通过静电作用中和黏土表面负电荷，降低黏土水化斥力；同时可与黏土晶层表面形成氢键强化吸附，静电引力和氢键二者共同作用将黏土片层束缚在一起，并排挤出部分层间吸附水，减弱黏土水化。疏水基团在页岩表面进行吸附，起到覆盖包被页岩的作用。通过聚合物的包被作用，保持岩屑的完整，防止岩屑在流动过程中崩散。因此，通过JXA-1的化学抑制与疏水基团的包被封堵，二者协同作用，能达到优良的抑制效果，实现总体抑制，解决了以往页岩抑制剂在复杂情况下抑制效果不佳的问题。
具体实施方式
实施例1：
按照质量和100％备料：丙烯酰胺10％，300#液蜡5％，十六烷基二甲基苄基氯化铵10％，二甲基二烯丙基氯化铵2％，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵30％，丙烯酸25％，乳化剂5％，引发剂0.6％，水40％；其中，乳化剂为Span60和Tween80按照1:1构成，引发剂为过硫酸铵-乙醇；在反应釜中，先加入配方量的水，加入配方量的油相分散介质300#液蜡和乳化剂，并在45℃下搅拌1h时间；加入配方量的丙烯酰胺、丙烯酸、十六烷基二甲基苄基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；再加入配方量的引发剂，温度升至80℃℃，匀速搅拌，转速约为150r/min，反应6h，制得页岩抑制剂JXA-1。
实施例2：
按照质量和100％备料：丙烯酰胺20％，300#液蜡10％，十六烷基二甲基苄基氯化铵20％，二甲基二烯丙基氯化铵8％，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵20％，丙烯酸15％，乳化剂2％，引发剂0.03％，水20％；其中，乳化剂为Span80和Tween60按照1:1.5构成，引发剂为过硫酸铵-季戊四醇；在反应釜中，先加入配方量的水，加入配方量的油相分散介质300#液蜡和乳化剂，并在60℃下搅拌2h；加入配方量的丙烯酰胺、丙烯酸、十六烷基二甲基苄基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；再加入配方量的引发剂，温度升至90℃，匀速搅拌，转速约为200r/min，反应8h，制得页岩抑制剂JXA-1。
实施例3：
按照质量和100％备料：丙烯酰胺15％，300#液蜡8％，十六烷基二甲基苄基氯化铵15％，二甲基二烯丙基氯化铵5％，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵25％，丙烯酸20％，乳化剂3％，引发剂0.1％，水30％；其中，乳化剂为Span60和十六烷基三甲基溴化铵按照1.5:1构成，引发剂为过硫酸铵-亚硫酸氢钠；在反应釜中，先加入配方量的水，加入配方量的油相分散介质300#液蜡和乳化剂，并在50℃下搅拌1h；加入配方量的丙烯酰胺、丙烯酸、十六烷基二甲基苄基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；再加入配方量的引发剂，温度升至90℃，匀速搅拌，转速约为300r/min，反应7h，制得页岩抑制剂JXA-1。
实施例4：
按照质量和100％备料：丙烯酰胺18％，300#液蜡6％，十六烷基二甲基苄基氯化铵15％，二甲基二烯丙基氯化铵5％，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵25％，丙烯酸23％，乳化剂4％，引发剂0.4％，水35％；其中，乳化剂为Tween80和十六烷基三甲基溴化铵按照1.8:1构成，引发剂为过硫酸铵-亚硫酸钠；在反应釜中，先加入配方量的水，加入配方量的油相分散介质300#液蜡和乳化剂，并在45℃下搅拌2h；加入配方量的丙烯酰胺、丙烯酸、十六烷基二甲基苄基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；再加入配方量的引发剂，温度升至80℃℃，匀速搅拌，转速约为200r/min，反应6h，制得页岩抑制剂JXA-1。
对实施例1～4的总胺值、烘失量等参数进行测试，结果如下表所示：
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
外观 棕褐色胶液 棕褐色胶液 棕褐色胶液 棕褐色胶液
总胺值，mmol/g 3.56 3.44 3.81 3.92
烘失量，％ 24.41 23.59 24.86 23.62
pH值 8.7 8.9 8.5 8.6
起泡率，％ 12.67 14.58 13.78 7.94
相对抑制率，％ 72 75 78 76
本发明制得的JXA-1为棕褐色胶液，起泡率低，符合相关标准的规定。其含有的亲水集团和亲油基团，遇水接触后，强烈吸附黏土等颗粒，转变成亲油基，可达到润湿反转，改善粘度结构的作用。
通过NP-1D多联页岩膨胀仪，在室温下测定了岩心在实施例1～4的JXA-1的1％水溶液及其他不同介质中的膨胀率。如下表所示，为测试结果。
0 1h 18h 20h 22h 24h
10％KCl 0.000 13.815 54.023 54.858 55.509 56.077
25％CaCl2 0.000 10.601 43.314 42.913 42.947 42.963
纯净水 0.000 1.903 40.083 41.978 43.581 44.908
实施例1 0 1.910 11.678 15.106 16.121 16.457
实施例2 0 1.821 12.658 15.294 16.324 16.981
实施例3 0 1.867 12.769 15.356 16.751 17.124
实施例4 0 1.787 12.025 14.895 15.467 16.024
从上表结果反映了各种井下常见介质对岩心的抑制性。膨胀率越小，抑制性越好。实施例1～4的JXA-1的1％水溶液的24h膨胀率≤17％，说明其抑制性极好。
岩屑热滚回收率实验更偏重于考察粘土膨胀抑制剂在一定温度动态条件下对岩芯的包裹能力和耐冲刷的持久性。分别取350ml实施例1～4的JXA-1的1％水溶液、某井聚磺仿油基钻井液、某井氯化钾聚磺水基钻井液和蒸馏水，并分别与50.00g页岩屑(5～10目)混合。将岩屑分别在100℃老化16小时后洗净，过40目筛，并于120℃烘干3小时后称重，计算得到一次页岩回收率。再取一次岩屑混合，并分别在100℃老化16小时后洗净，过40目筛，并于120℃烘干3小时后称重，计算得到二次页岩回收率。
上表反映了各种井下常见介质对岩心的抑制性。回收率越大，抑制性越好。JXA-1的1％水溶液的二次回收率可达为99.74％，说明其抑制性极好。经过JXA-1的1％水溶液热滚后的岩屑颗粒表面有油状物，经石油醚清洗后，岩屑基本保持完整、粒度较大，磨损程度很小，颗粒的粒度棱角清晰。说明JXA-1可以强烈吸附黏土等颗粒，对岩屑颗粒的包被效果非常好。
取实施例1～4的JXA-1，配制成含有2％的JXA-1的蒸馏水、15％NaCl盐水、25％CaCl2盐水的水溶液。取350ml水溶液与50.00g页岩屑(5～10目)混合。将岩屑分别在150℃、180℃老化16小时后洗净，过40目筛，并于100℃烘干3小时后称重，计算得到一次页岩回收率。再取一次岩屑混合，并分别在150℃、180℃老化16小时后洗净，过40目筛，并于100℃烘干3小时后称重，计算得到二次页岩回收率。如下表所示为150℃和180℃的页屑回收率：
注：由于少量杂质吸附于岩屑上难以清洗，故存在二次回收率略大于一次回收率的现象。
在同等温度下，含有2％JXA-1的盐水溶液中二次回收率远低于未加样的盐水溶液的二次回收率，说明其可抗180℃、盐水中的抑制性极好。
为了考察抑制剂的加入对钻井液基浆粘度和滤失量的影响，对表观粘度AV、动切力YP等进行测试。具体的，水基泥浆的各组分按照质量和100％配制：3.0％膨润土浆、0.2％Na2CO3、0.2％NaOH、0.20％黄原胶、1.0％降滤失剂、0.6％增粘剂、2.5％润滑剂、3.0％防塌剂，加重至密度1.5g/cm3。180℃*16h老化后测试基浆和加样浆的表观粘度AV、动切力YP、高温高压滤失量HTHP，AV表示表观黏度，单位为mPa·s；YP表示动切力，单位为Pa；HTHP表示高温高压滤失量，单位均为mL。测试结果如下表所示：
由数据可知，对比基浆和加样浆，加样浆的表观粘度AV下降、动切力YP升高、高温高压滤失量HTHP稳定，说明加入页岩抑制剂对水基钻井液性能有正向影响。

Claims (3)

1.一种钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂，其特征在于，由以下组分原料按照质量和100%构成：丙烯酰胺10~20%，300#液蜡5~10%，十六烷基二甲基苄基氯化铵10~20%，二甲基二烯丙基氯化铵2~8%，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵20~30%，丙烯酸15~25%，乳化剂2~5%，引发剂0.03~0.6%，水20~40%；其中，引发剂为过硫酸铵-乙醇、过硫酸铵-季戊四醇、过硫酸铵-亚硫酸氢钠、过硫酸铵-亚硫酸钠中任意一种；所述乳化剂为 Span60和Tween80按照1:1构成，或者所述乳化剂为 Span80和Tween60按照1:1.5构成，或者所述乳化剂为 Span60和十六烷基三甲基溴化铵按照1.5:1构成，或者所述乳化剂为 Tween80和十六烷基三甲基溴化铵按照1.8:1构成。
2.根据权利要求1所述的钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：在反应釜中，先加入配方量的水，再加入配方量的油相分散介质300#液蜡和乳化剂，并在45~60℃下搅拌1~2h；
步骤b：加入配方量的丙烯酰胺、丙烯酸、十六烷基二甲基苄基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；
步骤c：再加入配方量的引发剂，温度升至80℃~90℃，匀速搅拌，转速为150~300 r/min，反应6~8h，制得页岩抑制剂。
3.根据权利要求2所述的钻井液用酰胺聚合物页岩抑制剂的制备方法，其特征在于，步骤c中的匀速搅拌转速为200r/min，反应时间6h。
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