CN106479457B - 一种钻井液用抗温抗盐降粘剂及其制备和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种钻井液用抗温抗盐降粘剂及其制备和用途，制备方法包括将马来酸酐和水加到反应釜中，搅拌使其充分溶解，然后升温，匀速搅拌的同时加入2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和引发剂，反应后，将产物的pH值调节为7‑9，得到淡蓝色的共聚物水溶液；将共聚物水溶液与乙二胺四乙酸进行复配，得到钻井液用抗温抗盐降粘剂。该方法制备得到的降粘剂在加重盐水泥浆中具有良好的降粘效果，抗温能力达到220℃。

Description

一种钻井液用抗温抗盐降粘剂及其制备和用途
技术领域
本发明涉及以有机分子为原料的降粘剂技术领域。更具体地，涉及一种钻井液用抗温抗盐降粘剂及其制备和用途。
背景技术
在深井、超深井钻井过程中，由于地温梯度和地层压力梯度的影响，钻井液长时间处于200℃以上高温的条件下，存在着粘土高温分散、有机高分子化合物高温降解、处理剂高温交联等影响，导致钻井液流变性变差。如川东北气田在钻或将要钻的大量深井和超深井，其井底温度均超过150℃；新疆油田计划在克拉玛依莫索湾背斜上钻莫深1井，设计井深达7380m，预计井底温度超过200℃；我国南海西部莺琼盆地是很有开发潜力的油气田，但该地区地温梯度高，预测井底最高温度将达到240℃。因此，如何适应高温高压，是深井和超深井钻进过程中面临的首要问题。
为了控制钻井液的稠化，人们早在上世纪30年代末就开始使用无机磷酸盐，这类降粘剂在低温下降粘效果较好，但在65℃以上就开始分解，丧失其降粘效果。40年代丹宁被广泛地用做钻井液降粘剂，但它只能适用于浅井。从60年代开始铁铬木质素磺酸盐(代号：FCLS)成为主要的钻井液降粘剂。
FCLS虽比无机磷酸盐、丹宁等有较高的热稳定性，但在高温下也减效，甚至导致钻井液稠化。同时FCLS中的铬离子对人体及环境污染严重，国内外有关单位已经限制应用。90年代后，人们开始研制各种新型的降粘剂，如以有机胺及铵盐进行甲基膦酸化反应得到的改性氮川三甲叉膦酸(NTF-u)，以丙烯酸和异丙烯膦酸(IPPA)制备的AA-IPPA共聚物，这些有机膦降粘剂具有很强的抗温能力，但仍然存在着维护周期短、适用范围窄等问题；通过在天然材料改性物中加入含硅化合物研制的有机硅降粘剂，抗温性能较好，但产品成本较高，用量较大；而以马来酸酐(MA)、烯丙基磺酸钠(AS)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)等反应单体为原料研制的聚合物降粘剂，在合成过程中由于使用单一的分子量调节剂，降粘剂相对分子质量分布较宽，产品降粘性能受到影响，抗温性能一般在200℃以下。
因此，开发无毒且抗温抗盐的降粘剂，具有重要的意义。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种钻井液用抗温抗盐降粘剂的制备方法，该方法制备得到的降粘剂在加重盐水泥浆中具有良好的降粘效果，抗温能力达到220℃。
本发明的另一个目的在于提供一种使用本发明方法制备出的钻井液用抗温抗盐降粘剂，该降粘剂具有优良的性能，抗温抗盐效果好。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种钻井液用抗温抗盐降粘剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将马来酸酐和水加到反应釜中，搅拌使其充分溶解，然后升温至60-80℃，匀速搅拌的同时加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和引发剂，反应1-4h后，将产物的pH值调节为7-9，得到淡蓝色的共聚物水溶液；
(2)将步骤(1)中的共聚物水溶液与0.3wt％的乙二胺四乙酸进行复配，得到钻井液用抗温抗盐降粘剂。
优选地，步骤(1)中所述马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为32-37:42-47:18-22，更优选地，所述马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为35:45:20。
优选地，以全部反应物的总质量计，步骤(1)中加入的马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的浓度合计为30-45wt％。。
优选地，步骤(1)中所述引发剂的浓度为0.3-0.7wt％；所述引发剂选自过硫酸铵和过硫酸钾中的一种或几种。
优选地，步骤(1)中所述pH值调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾和氨水中的一种或几种。
优选地，步骤(2)中所述共聚物水溶液与乙二胺四乙酸复配的比例为95-105:0.2-0.4；优选地，所述100份共聚物水溶液中加入0.3份乙二胺四乙酸。由上述制备方法制备得到的钻井液用抗温抗盐降粘剂，其具有如下特性：在4wt％盐水中，0.9wt％浓度下，其降粘率为70％；所述降粘剂的粘均分子量为78-79万。
本发明制备的钻井液用抗温抗盐降粘剂在配制油田钻井液中的应用，以钻井液的总重量为基准，其中钻井液用抗温抗盐降粘剂的含量为0.5wt％-3wt％。
本发明的有益效果如下：
在本领域中，目前还没有抗饱和盐水、抗高温(220℃)、抗高密度(2.4g/cm3)饱和盐水的聚合物降粘剂，而本发明提供的降粘剂能够有效降低高温高密度饱和盐水钻井液的粘度，维持钻井液流变性能稳定，保证钻井液具有较好的携岩效果。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明实施例部分的份为重量份。
实施例1
一种钻井液用抗温抗盐降粘剂，其制备方法为：
(1)将马来酸酐和水加到反应釜中，搅拌使其充分溶解，然后升温至60-80℃，匀速搅拌的同时加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和过硫酸铵，反应2h后，用氢氧化钠将产物的pH值调节为7-9，得到淡蓝色的共聚物水溶液；
其中马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的质量比为35:45:20；以反应体系的总质量计，加入的马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的浓度合计为38wt％；加入的过硫酸铵的浓度为0.5wt％；
(2)将步骤(1)中的共聚物水溶液与乙二胺四乙酸按质量比100:0.3的比例进行复配，得到钻井液用抗温抗盐降粘剂，所制备得到的钻井液用抗温抗盐降粘剂的粘均分子量M＝78.52万。
从本实施例制备得到的降粘剂的粘均分子量看，制得的降粘剂的分子量属于中等分子量，因为当降粘剂分子量太小时，不能形成多点吸附，不能形成稳定的吸附溶剂化层；当降粘剂分子量太大时，会导致钻井液粘度上升。而本发明制备的降粘剂由于分子结构中含有大量的亲水基团，故能很容易溶于水中。
实施例2
一种钻井液用抗温抗盐降粘剂，其制备方法为：
(1)将马来酸酐和水加到反应釜中，搅拌使其充分溶解，然后升温至60-80℃，匀速搅拌的同时加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和过硫酸钾，反应2h后，用氢氧化钾将产物的pH值调节为7-9，得到淡蓝色的共聚物水溶液；
其中马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的质量比为32:42:22；以反应体系的总质量计，加入的马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的浓度合计为35wt％；加入的过硫酸钾的浓度为0.4wt％；
(2)将步骤(1)中的共聚物水溶液与0.3wt％的乙二胺四乙酸按质量比98:0.2的比例进行复配，得到钻井液用抗温抗盐降粘剂，所制备得到的钻井液用抗温抗盐降粘剂的分子量粘均分子量M＝78.1万。
从本实施例制备得到的降粘剂的粘均分子量看，制得的降粘剂的分子量属于中等分子量，因为当降粘剂分子量太小时，不能形成多点吸附，不能形成稳定的吸附溶剂化层；当降粘剂分子量太大时，会导致钻井液粘度上升。而本发明制备的降粘剂由于分子结构中含有大量的亲水基团，故能很容易溶于水中。
实施例3
一种钻井液用抗温抗盐降粘剂，其制备方法为：
(1)将马来酸酐和水加到反应釜中，搅拌使其充分溶解，然后升温至60-80℃，匀速搅拌的同时加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和过硫酸钾，反应3h后，用氢氧化钾将产物的pH值调节为7-9，得到淡蓝色的共聚物水溶液；
其中马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的质量比为32:40:18；以反应体系的总质量计，加入的马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的浓度合计为36wt％；加入的过硫酸钾的浓度为0.6wt％；
(2)将步骤(1)中的共聚物水溶液与乙二胺四乙酸按质量比101:0.4的比例进行复配，得到钻井液用抗温抗盐降粘剂，所制备得到的钻井液用抗温抗盐降粘剂的粘均分子量M＝78.52万。
从本实施例制备得到的降粘剂的粘均分子量看，制得的降粘剂的分子量属于中等分子量，因为当降粘剂分子量太小时，不能形成多点吸附，不能形成稳定的吸附溶剂化层；当降粘剂分子量太大时，会导致钻井液粘度上升。而本发明制备的降粘剂由于分子结构中含有大量的亲水基团，故能很容易溶于水中。
实施例4
一种钻井液用抗温抗盐降粘剂，其制备方法为：
(1)将马来酸酐和水加到反应釜中，搅拌使其充分溶解，然后升温至60-80℃，匀速搅拌的同时加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和过硫酸钾，反应4h后，用氢氧化钾将产物的pH值调节为7-9，得到淡蓝色的共聚物水溶液；
其中马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的质量比为32:46:20；以反应体系的总质量计，加入的马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的浓度合计为40wt％；加入的过硫酸钾的浓度为0.7wt％；
(2)将步骤(1)中的共聚物水溶液与乙二胺四乙酸按质量比99:0.3的比例进行复配，得到钻井液用抗温抗盐降粘剂，所制备得到的钻井液用抗温抗盐降粘剂粘均分子量M＝78.8万。
从本实施例制备得到的降粘剂的粘均分子量看，制得的降粘剂的分子量属于中等分子量，因为当降粘剂分子量太小时，不能形成多点吸附，不能形成稳定的吸附溶剂化层；当降粘剂分子量太大时，会导致钻井液粘度上升。而本发明制备的降粘剂由于分子结构中含有大量的亲水基团，故能很容易溶于水中。
实施例5
一种钻井液用抗温抗盐降粘剂，其制备方法为：
(1)将马来酸酐和水加到反应釜中，搅拌使其充分溶解，然后升温至60-80℃，匀速搅拌的同时加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和过硫酸钠，反应2.5h后，用氨水将产物的pH值调节为7-9，得到淡蓝色的共聚物水溶液；
其中马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的质量比为35:47:22；以反应体系的总质量计，加入的马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的浓度合计为42wt％；加入的过硫酸钠的浓度为0.4wt％；
(2)将步骤(1)中的共聚物水溶液与乙二胺四乙酸按质量比102:0.4的比例进行复配，得到钻井液用抗温抗盐降粘剂，所制备得到的钻井液用抗温抗盐降粘剂的分粘均分子量M＝78.54万。
从本实施例制备得到的降粘剂的粘均分子量看，制得的降粘剂的分子量属于中等分子量，因为当降粘剂分子量太小时，不能形成多点吸附，不能形成稳定的吸附溶剂化层；当降粘剂分子量太大时，会导致钻井液粘度上升。而本发明制备的降粘剂由于分子结构中含有大量的亲水基团，故能很容易溶于水中。
实施例6
一种钻井液用抗温抗盐降粘剂，其制备方法为：
(1)将马来酸酐和水加到反应釜中，搅拌使其充分溶解，然后升温至60-80℃，匀速搅拌的同时加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和质量比为1:1的过硫酸钾和过硫酸钠混合物，反应1.8h后，用氢氧化钾将产物的pH值调节为7-9，得到淡蓝色的共聚物水溶液；
其中马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的质量比为33:43:21；以反应体系的总质量计，加入的马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的浓度合计为45wt％；加入的过硫酸钾和过硫酸钠的总浓度为0.5wt％；
(2)将步骤(1)中的共聚物水溶液与乙二胺四乙酸按质量比98:0.3的比例进行复配，得到钻井液用抗温抗盐降粘剂，所制备得到的钻井液用抗温抗盐降粘剂粘均分子量M＝78.51万。
从本实施例制备得到的降粘剂的粘均分子量看，制得的降粘剂的分子量属于中等分子量，因为当降粘剂分子量太小时，不能形成多点吸附，不能形成稳定的吸附溶剂化层；当降粘剂分子量太大时，会导致钻井液粘度上升。而本发明制备的降粘剂由于分子结构中含有大量的亲水基团，故能很容易溶于水中。
本发明制备的钻井液用抗温抗盐降粘剂性能测试：
(1)淡水基浆的配制
将高搅机的转速调整为10000r./min，取400mL水置于高搅机的搅拌杯中，然后依次加入1.2gNa2CO3、28g膨润土、72g评价土，加入完全后继续搅拌20min，搅拌后取出放入容器中密封养护24h，即得到淡水泥浆，密度在1.05g/cm3左右。
(2)盐水基浆的配制
将高搅机的转速调整为10000r./min，取400mL水置于高搅机的搅拌杯中,，然后依次缓慢加入0.35％碳酸钠、25％的氯化钠、10％的基准土、18％的评价土，高速搅拌20min，常温下密闭养护24h，从而配制成盐水基浆。
(3)加重盐水基浆的配制
取(2)中的盐水基浆经重晶石加重至密度在2.4g/cm3左右，搅拌20min，即得到加重盐水基浆。
1、在淡水基浆中的性能测试
将本实施例1制备的钻井液用抗温抗盐降粘剂加入淡水基浆后，在220℃温度滚动老化16小时后，室温下高速搅拌5分钟，用ZNN-D6型旋转粘度计测定钻井液流变性能，其对淡水基浆的影响见表1。
表1
式中：(φ100)0为不加降粘剂时基浆六速旋转粘度计100r/min下的读数；
(φ100)1为基浆加入降粘剂后六速旋转粘度计100r/min下的读数。
2、在盐水基浆中的降粘性能
将实施例2制备的钻井液用抗温抗盐降粘剂加入到盐水钻井液后，在220℃温度滚动老化16小时后，室温下高速搅拌5分钟，用ZNN-D6型旋转粘度计测定钻井液的流变性能，其对盐水基浆性能的影响见表2。
表2
3、在饱和盐水加重基浆中的降粘性能
将实施例3制备的钻井液用抗温抗盐降粘剂加入到饱和盐水加重基浆(密度为2.4g/cm3)后，在220℃温度滚动老化16小时后，室温下高速搅拌5分钟，
用ZNN-D6型旋转粘度计测定钻井液的流变性能，其对饱和盐水加重基浆性能的影响见表3。
表3
4.在盐水基浆中常规铁铬盐降粘剂和实施例2制备的降粘剂的降粘率比较，
将实施例2制备的钻井液用抗温抗盐降粘剂和常规的铁铬盐降粘剂分别加入到盐水基浆后，实施例2制备的降粘剂的加入量为0.9％，铁铬盐的加入量为常规标准加入量，即1wt％，在220℃温度滚动老化16小时后，室温下高速搅拌5分钟，测定两种降粘剂对基浆的影响，结果见表4。
表4
降粘率(％)
铁铬盐 60
实施例2 70
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (11)

1.一种钻井液用抗温抗盐降粘剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将马来酸酐和水加到反应釜中，搅拌使其充分溶解，然后升温至60-80℃，匀速搅拌的同时加入2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和引发剂，反应1-4h后，将产物的pH值调节为7-9，得到淡蓝色的共聚物水溶液；
(2)将步骤(1)中的共聚物水溶液与乙二胺四乙酸进行复配，得到钻井液用抗温抗盐降粘剂；
步骤(1)中所述马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为32-37:42-47:18-22。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为35:45:20。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，以全部反应物的总质量计，步骤(1)中加入的马来酸酐、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵三种单体的浓度合计为30-45wt％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述引发剂的浓度为0.3-0.7wt％；所述引发剂选自过硫酸铵和过硫酸钾中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述pH值调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾和氨水中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述共聚物水溶液与乙二胺四乙酸复配的比例为95-105:0.2-0.4。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述共聚物水溶液与乙二胺四乙酸复配的比例为100:0.3。
8.一种钻井液用抗温抗盐降粘剂，其是按照权利要求1至7中任一项所述的方法制备得到的。
9.根据权利要求8所述的钻井液用抗温抗盐降粘剂，其具有如下特性：在4wt％盐水中，0.9wt％浓度下，其降粘率为70％；所述降粘剂的粘均分子量为78-79万。
10.权利要求8或9所述的钻井液用抗温抗盐降粘剂在配制油田钻井液中的应用。
11.一种油田钻井液，其中含有权利要求1至3任一项所述的钻井液用抗温抗盐降粘剂，以钻井液的总重量为基准，其中钻井液用抗温抗盐降粘剂的含量为0.5wt％-3wt％。
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