CN107384338A - 钻井液用强抑制剂有机盐及钻井液 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钻井液用强抑制剂有机盐及钻井液，属于钻井液相关技术领域。该钻井液用强抑制剂有机盐的主要原料成分包括草酸、烷基甜菜碱和乙基撑双三甲基氯化铵，优选包括水。另外本发明还提供了含有该有机盐的钻井液。该有机盐体系阳离子为季铵离子，阴离子为含有机胺阳离子基团的有机羧酸根离子，其抑制效果优于无机盐氯化钾，在5.0wt％浓度，其pH≥6；在30wt％溶液中的岩屑回收率≥70％；Cl‑含量≤1％，性能优良，且不含氯离子，对环境无污染，制备方法简单，条件温和，生产成本低，具有广泛的应用前景。

Description

钻井液用强抑制剂有机盐及钻井液
技术领域
本发明涉及钻井液技术领域，具体涉及一种清洁无污染的多基团钻井液用强抑制剂有机盐及钻井液。
背景技术
石油钻井所用的钻井液多数是以水溶液为连续相的水基钻井液，水与地层岩石接触，长时间浸泡导致泥页岩水化膨胀。井壁泥岩的膨胀与分散，会导致井壁膨胀、井眼缩颈、井壁剥落掉块等现象，造成钻井作业过程中钻具的挂卡与卡钻等复杂情况与事故。钻井液中泥岩钻屑的分散与膨胀，将使钻井液的粘度与切力大增，使钻井液难以流动。
石油钻井工程施工的顺利进行，要求井壁稳定及钻井液流动性能好。多年来，氯化钾因为其抑制性强，被广泛应用于多种钻井液中以抑制井壁和钻屑的膨胀与分散，并取得了较好防塌作用效果，例如中国专利CN103965842A、CN105670574A等。然而，氯化钾在使用过程中也存在着一些问题，如使用浓度高，高温下钻井液流变性不易控制，滤失量偏高难以调控。同时随着环保要求的日益提高，其带入钻井体系中较多的氯离子，毒性问题也逐渐突出，环保指标难以达到。因此开发一种抑制性强，合成方法简单，成本低并且对环境无污染的强抑制剂有重要的现实意义。
发明内容
为了解决现有钻井液抑制剂中氯化钾含量高，高温下钻井液流变性不易控制、滤失量偏高、氯离子毒性污染环境的问题，本发明提供了一种清洁环保、抑制性强、简单好用的钻井液用强抑制剂有机盐。
本发明提供的钻井液用强抑制剂有机盐，其原料成分包括草酸、烷基甜菜碱和乙基撑双三甲基氯化铵，乙基撑双三甲基氯化铵的化学式结构如式(1)所示：
烷基甜菜碱的化学结构式如式(2)：
其中R、R1、R2、R3为C1～C18的烷基。
其中在三者反应过程中，草酸提供的氢离子能与乙基撑双三甲基氯化铵中的氯离子生成易挥发的氯化氢，进而除去体系中绝大部分的氯离子，并且烷基甜菜碱能够提供含有有机铵阳离子基团的有机羧酸根离子，进一步与季铵离子反应，形成阴阳离子皆是强抑制性离子的有机盐。此产品分子链上季铵离子分布相对均匀，因此其抑制粘土分散、膨胀的能力强。
优选地，上述钻井液用强抑制剂有机盐，各成分重量份数为：
草酸 0.5～1.5份，
烷基甜菜碱 5～7份，
乙基撑双三甲基氯化铵 2～3份。
各成分的用量是根据原料之间发生的反应确定的，其中反应过程中草酸：烷基甜菜碱：乙基撑双三甲基氯化铵的摩尔质量比为1:2:1，当三者使用量达到该配比时，反应最为完全。
优选地，以上任一所述的钻井液用强抑制剂有机盐，所述烷基甜菜碱为十二烷基二甲基甜菜碱、十四烷基二甲基甜菜碱、十八烷基二甲基甜菜碱、十二烷基二羟乙基甜菜碱和十八烷基二羟乙基甜菜碱的一种或几种。
优选地，上述钻井液用强抑制剂有机盐，原料成分还包括水。水在整个体系中作为溶剂，保证各原料之间的反应充分。
优选地，上述钻井液用强抑制剂有机盐，各成分重量份数为：
优选地，上述钻井液用强抑制剂有机盐，其制备方法是将原料加入反应釜中，常压60～90℃下搅拌反应2～4小时，冷却，结晶，离心分离，干燥。
反应过程：按重量比取适量水，在搅拌下分别将草酸、甜菜碱、乙基撑双三甲基氯化铵加入到反应釜中，反应釜夹套中通入蒸汽，使温度保持在60～90℃之间，在加热条件下草酸、甜菜碱与乙基撑双三甲基氯化铵发生简单的缩聚反应，生成易挥发的氯化氢，继而被后续装置吸收，反应大约持续2～4小时。反应完成后，夹套中通入冷水，冷却结晶，离心分离，在100～120℃下干燥4～6小时，即制得钻井液用强抑制剂有机盐。
反应的通式：
其中R、R1、R2、R3为C1～C18的烷基。
优选地，上述钻井液用强抑制剂有机盐，所述干燥条件为100～120℃下干燥4～6小时。干燥的目的在于充分除去体系中的水分，便于运输，计量等。
本发明还提供了一种钻井液，其含有以上任一所述的钻井液用强抑制剂有机盐。
优选地，上述钻井液中，钻井液用强抑制剂有机盐的添加量为钻井液体系中水的添加量的3～10％。
上述钻井液优选为油田用钻井液。例如，钻井液配方可以为500mL淡水+0.5％Na2CO3+6％夏子街土+3％Redu2+0.7％NAT20+0.1％IND30+3％NFA-25+2％PGCS-1+5％强抑制有机盐+10g超细碳酸钙+150g重晶石。配方中的百分含量均为该成分占整体钻井液体系的质量百分含量。
本发明提供的钻井液用强抑制剂有机盐，具有如下有益效果：
本发明的钻井液用强抑制剂有机盐体系中，阳离子为季铵离子，阴离子为含有机胺阳离子基团的有机羧酸根离子，其抑制效果优于无机盐氯化钾，在5.0wt％浓度，其pH≥6；在30wt％溶液中的岩屑回收率≥70％；Cl-含量≤1％，性能优良，且不含氯离子，对环境无污染。
本发明的钻井液用强抑制剂有机盐，原料和生产成本低，制备方法简单，条件温和，适合广泛大规模生产。
具体实施方式
为使本领域技术人员对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实例对本发明的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
各实施例中的原料用量和制备过程选用参数见表1，具体制备方法概述如下：
按重量比取适量水，在搅拌下分别将草酸、甜菜碱、乙基撑双三甲基氯化铵加入到反应釜中，反应釜夹套中通入蒸汽，使温度保持在60～90℃之间，反应2～4小时。反应完成后，夹套中通入冷水，冷却结晶，离心分离，在100～120℃下干燥4～6小时，即制得钻井液用强抑制剂有机盐。
表1.实施例1～5的组成及制备过程参数
将上述实施例1～5得到的钻井液用强抑制剂有机盐按照企业标准Q/HDJPK0034-2017进行各项指标测试，其结果如表2所示。
表2.实施例1～5的有机盐强抑制剂的性能指标测试数据
产品 pH值 在30％溶液中的岩屑回收率(％) Cl-的含量(％)
实施例1 6.5 85.4 0.072
实施例2 6.5 83.6 0.066
实施例3 6.5 79.5 0.078
实施例4 6.5 82.5 0.076
实施例5 6.5 80.2 0.068
注：岩屑为清水回收率≤10％的安集海河组露头岩芯的岩屑，后面部分相同。
上述实验数据表明，采用本发明制得的钻井液用有机盐强抑制剂各项性能良好，对岩屑的抑制分散能力强，并且氯离子含量低，对环境无污染，因此本发明的钻井液用强抑制剂有机盐能很好的应用到各种钻井液中。
(1)与无机盐氯化钾性能对比
各实施例产品与无机盐氯化钾性能对比数据见表3。
表3.各实施例产品与无机盐氯化钾性能对比数据
产品 在30％溶液中的岩屑回收率(％)
氯化钾 61.2
实施例1 85.4
实施例2 83.6
实施例3 79.5
实施例4 82.5
实施例5 80.2
从上述表格中的数据可以看出，本发明制得的钻井液用有机盐强抑制剂滚动岩屑回收率较高，抑制效果优于无机盐氯化钾，同时不含有氯离子，不存在毒性问题，对环境无污染。
(2)有机盐强抑制剂在钻井液中的配伍性
将实施例1～5所制得的钻井液用有机盐强抑制剂加到天然高分子钻井液体系中，编号为1、2、3、4、5，进行150℃热滚16h后测试性能，结果如表4所示，其中钻井液配方为：500mL淡水+0.5％Na2CO3+6％夏子街土+3％Redu2+0.7％NAT20+0.1％IND30+3％NFA-25+2％PGCS-1+5％强抑制有机盐+10g超细碳酸钙+150g重晶石。
表4由实施例1～5的强抑制剂有机盐配制的钻井液150℃热滚16h后性能测试结果
Redu2----市售钻井液用降滤失剂聚烷基烯基磺酸盐；
NAT20----市售钻井液用降滤失剂改性天然高分子；
IND30----市售钻井液用强包被抑制剂改性天然高分子；
NFA-25----市售钻井液用抑制防塌剂无荧光白沥青；
PGCS-1----市售钻井液用抑制润滑剂固体聚合醇；
表中的缩写表示如下意义：
ρ：密度；
AV：表观粘度；
PV：塑性粘度；
YP：动切力；
YP/PV：动塑比；
API：常温中压滤失量；
HTHP：高温高压滤失量。
由表4中数据可知，采用本发明制得的钻井液用有机盐强抑制剂所配制的天然高分子钻井液体系动塑比适宜，流变性能良好，并且滤失量低，能够满足现场施工要求。表明本发明制得的有机盐强抑制剂与油田用钻井液具有很好的配伍性。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻井液用强抑制剂有机盐，其特征在于，原料成分包括草酸、烷基甜菜碱和乙基撑双三甲基氯化铵。
2.根据权利要求1所述的钻井液用强抑制剂有机盐，其特征在于，各成分重量份数为：
草酸 0.5～1.5份，
烷基甜菜碱 5～7份，
乙基撑双三甲基氯化铵 2～3份。
3.根据权利要求1或2所述的钻井液用强抑制剂有机盐，其特征在于，所述烷基甜菜碱为十二烷基二甲基甜菜碱、十四烷基二甲基甜菜碱、十八烷基二甲基甜菜碱、十二烷基二羟乙基甜菜碱和十八烷基二羟乙基甜菜碱的一种或几种。
4.根据权利要求1或2所述的钻井液用强抑制剂有机盐，其特征在于，原料成分还包括水。
5.根据权利要求4所述的钻井液用强抑制剂有机盐，其特征在于，各成分重量份数为：
6.根据权利要求4所述的钻井液用强抑制剂有机盐，其特征在于，制备方法是将原料加入反应釜中，常压60～90℃下搅拌反应2～4小时，冷却，结晶，离心分离，干燥。
7.根据权利要求6所述的钻井液用强抑制剂有机盐，其特征在于，所述干燥条件为100～120℃下干燥4～6小时。
8.一种钻井液，其特征在于，含有权利要求1～7任一所述的钻井液用强抑制剂有机盐。
9.根据权利要求8所述的钻井液，其特征在于，钻井液用强抑制剂有机盐的添加量为钻井液体系中水的添加量的3～10％。
10.根据权利要求8所述的钻井液，其特征在于，为油田用钻井液。
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