CN107915798A - 一种水基钻井液用聚合物纳米封堵剂及其制备方法 - Google Patents

一种水基钻井液用聚合物纳米封堵剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水基钻井液用聚合物纳米封堵剂及其制备方法，属于钻井液功能材料技术领域。水基钻井液用聚合物纳米封堵剂包括以下重量份组分：乳化剂4‑16份、温度敏感性单体2‑14份、亲水单体10‑53份、疏水单体0.5‑10份和引发剂0.05‑0.5份。本发明的聚合物纳米封堵剂尺寸小，能够封堵泥页岩井壁的微、纳米尺寸孔隙，通过聚合物的可压缩变形特性，实现对井壁孔隙的致密封堵，借助智能聚合物在对温度的响应特性，在井壁中实现亲水到疏水的转变，进而将近井壁地带转变为疏水环境，有效阻止水基钻井液中的水向泥页岩井壁的扩散和渗透，起到稳定井壁、保护储藏的作用，为页岩气开发用水基钻井液体系的开发提供了重要技术保障。

Description

一种水基钻井液用聚合物纳米封堵剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及钻井液功能材料技术领域，具体涉及一种水基钻井液用聚合 物纳米封堵剂及其制备方法。
背景技术
我国页岩气资源储量丰富，是一种重要的非常规能源。页岩气的开发对 缓解我国油气资源短缺，具有重要意义。页岩气井钻探过程中，需要在泥页 岩地层中钻水平井。目前，主要采用油基钻井液进行钻井。油基钻井液成本 高、污染严重、后续处理程序繁琐、昂贵，因此急需研发适用于页岩气钻井 的水基钻井液体系。
在钻井过程中，水基钻井液中滤液极易渗透井壁进入地层，造成泥页岩 地层吸水膨胀，导致井壁失稳甚至严重井塌等钻井事故。研究表明，防止滤 液侵入泥页岩地层的有效方法是在钻井液添加封堵剂，提高钻井液的封堵性 能。泥页岩地层孔隙尺寸小，处于5-200nm之间，常规封堵剂多处于微米级 以上，尺寸较大，难以对泥页岩地层进行有效封堵。
为了提高水基钻井液对泥页岩地层微小孔隙的封堵性能，纳米二氧化 硅、纳米碳酸钙、纳米三氧化二铁等纳米粒子被引入钻井液，对泥页岩地层 进行封堵，通过纳米封堵剂的微小尺寸，实现了对泥页岩地层的有效封堵。 目前常用的纳米封堵剂主要是无机纳米粒子，该类封堵剂对泥页岩地层的微 小孔吼进行架桥封堵，虽然封堵效果较好，但是纳米粒子和纳米粒子之间， 以及纳米粒子和井壁孔吼之间仍然存在微小孔隙，无法致密封堵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水基钻井液用聚合物纳米封堵剂，以解决现 有现有封堵剂封堵效果不佳的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种水基钻井液用聚合物纳米封堵剂，包括以下重量份组分：
乳化剂4-16份、温度敏感性单体2-14份、亲水单体10-53份、疏水单 体0.5-10份和引发剂0.05-0.5份。
亲水单体提高聚合物纳米粒子在水基钻井液中的分散性能，当封堵剂进 入井壁地层后，疏水单体提高井壁的疏水性能，进一步防止钻井液中的水进 入地层。
本发明利用聚合物纳米粒子在高温条件下，可压缩变形的特点，实现对 泥页岩井壁微小孔隙的架桥封堵和压缩变形封堵，从而实现对泥页岩地层的 致密封堵，同时利用地层高温条件下，聚合物从亲水状态向疏水状态转变的 特性，使得封堵效果明显增强，有效隔绝了水基钻井液滤液向地层的渗透， 解决了泥页岩井壁失稳和井壁坍塌的难题，为页岩气井的高效、快速钻探具 提供了重要保障。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，包括以下重量份组分：乳化剂 4.7-5.9份、温度敏感性单体2.4-6.9份、亲水单体11.6-23.8份、疏水单 体0.9-2.1份、引发剂0.1-0.49份。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述乳化剂为聚氧乙烯月桂酸酯、 丙二醇单硬脂酸脂、Span-60和Span-65、Span-80中的一种或多种组合。例 如，聚氧乙烯月桂酸酯、丙二醇单硬脂酸脂和Span-60三者任意比组合。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述温度敏感性单体为N-异丙基 丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺或聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯中的一种或多种 组合。例如,N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺和聚(乙二醇)甲基丙 烯酸酯中三者任意比组合。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述亲水单体为丙烯酸、甲基丙 烯酸、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和对苯乙烯磺酸钠中一种或 多种组合。例如，丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和对苯乙烯磺酸 钠任意比组合。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述疏水单体为甲基丙烯酸甲酯、 甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异戊酯、苯乙烯和叔丁 基苯乙烯中一种或多种组合。例如，甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙 烯酸甲酯和丙烯酸丁酯任意比组合。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述引发剂为过氧化二苯甲酰、 异丙苯过氧化氢、偶氮二异丁腈和偶氮二异庚腈中的一种或多种组合。例如， 偶氮二异丁腈和偶氮二异庚腈任意比组合。
上水基钻井液用聚合物纳米封堵剂的制备方法，包括：
(1)将配方量的乳化剂溶于有机溶剂中，再依次加入配方量的温度敏 感性单体、亲水单体和疏水单体，在搅拌条件下升温至40-60℃反应1-3h， 制得预乳化溶液；
(2)将配方量的引发剂溶于有机溶剂中，然后逐滴滴加至所述预乳化 溶液中，滴加完成后，升温至70-80℃反应5-8h，制得聚合物纳米封堵剂。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述有机溶剂为正己烷、环己烷、 正庚烷、正丁烷、二甲苯、石蜡油、正辛烷和异辛烷中的一种或多种组合。
本发明具有以下有益效果：
本发明所制备的聚合物纳米封堵剂其粒子的粒径分布在40-180nm之间， 与泥页岩地层微小孔隙尺寸比较匹配，通过尺寸匹配原理，能过进入泥页岩 井壁的微小孔隙，实现对纳米尺寸孔隙的有效封堵。
本发明所制备的聚合物纳米封堵剂在地层温度条件下，能发生压缩变 形，在外界压力作用下能够被压入地层深部，实现对泥页岩地层孔隙从外层 到内部的致密封堵。
当智能聚合物纳米封堵剂被压缩进入地层孔隙后，随着地层温度升高， 表面聚合物从亲水状态转变为疏水状态，在井壁周围形成疏水聚合物膜，利 用疏水聚合物的化学排斥作用，让钻井液中的水难以接近泥页岩地层，有效 防止了水向地层的渗透和扩散，使水基钻井液在泥页岩地层能够安全使用， 起到稳定井壁、保护储藏的作用，为页岩气开发用水基钻井液体系的开发提 供了重要技术保障。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释 本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常 规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为 可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂由主要以下原料制备而成：
5.6份聚氧乙烯月桂酸酯、2.4份N-异丙基丙烯酰胺、16.3份丙烯酸、 1.2份甲基丙烯酸甲酯和0.1份过氧化二苯甲酰。
本实施例采用的有机溶剂为二甲苯。
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂的制备方法为：
将5.6份聚氧乙烯月桂酸酯溶于二甲苯中，再将2.4份N-异丙基丙烯酰 胺、16.3份丙烯酸、1.2份甲基丙烯酸甲酯加入上述溶液中，不断搅拌条件 下，将温度升高到45℃进行预乳化反应1小时，然后将0.1份过氧化二苯甲 酰溶于二甲苯中，逐滴滴加入上述预乳化溶液中，待滴加完成后，升温到75℃ 反应5小时，即得到水基钻井液用聚合物纳米封堵剂。
实施例2
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂由主要以下原料制备而成：
4.8份丙二醇单硬脂酸脂、3.7份N,N-二甲基丙烯酰胺、21.2份丙烯酰 胺、0.9份苯乙烯和0.21份偶氮二异丁腈。
本实施例采用的有机溶剂为石蜡油。
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂的制备方法为：
将4.8份丙二醇单硬脂酸脂溶于石蜡油中，再将3.7份N,N-二甲基丙烯 酰胺、21.2份丙烯酰胺、0.9份苯乙烯加入上述溶液中，不断搅拌条件下， 将温度升高到50℃进行预乳化反应2小时，然后将0.21份偶氮二异丁腈溶 于石蜡油中，逐滴滴加入上述预乳化溶液中，待滴加完成后，升温到80℃反 应8小时，即得到水基钻井液用聚合物纳米封堵剂。
实施例3
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂由主要以下原料制备而成：
5.9份Span-65溶于环己烷、4.1份N-异丙基丙烯酰胺、17.3份对苯乙 烯磺酸钠、1.4份丙烯酸丁酯和0.35份过氧化二苯甲酰。
本实施例采用的有机溶剂为环己烷。
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂的制备方法为：
将5.9份Span-65溶于环己烷中，再将4.1份N-异丙基丙烯酰胺、17.3 份对苯乙烯磺酸钠、1.4份丙烯酸丁酯加入上述溶液中，不断搅拌条件下， 将温度升高到48℃进行预乳化反应1.5小时，然后将0.35份过氧化二苯甲 酰溶于环己烷中，逐滴滴加入上述预乳化溶液中，待滴加完成后，升温到80℃ 反应7小时，即得到水基钻井液用聚合物纳米封堵剂。
实施例4
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂由主要以下原料制备而成：
5.6份Span-60、6.9份聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯、23.8份2-丙烯酰胺 基-2-甲基丙磺酸、1.2份丙烯酸异戊酯和0.42份偶氮二异庚腈。
本实施例采用的有机溶剂为正己烷。
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂的制备方法为：
将5.6份Span-60溶于正己烷中，再将6.9份聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯、 23.8份2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、1.2份丙烯酸异戊酯加入上述溶液中， 不断搅拌条件下，将温度升高到55℃进行预乳化反应3小时，然后将0.42 份偶氮二异庚腈溶于正己烷中，逐滴滴加入上述预乳化溶液中，待滴加完成 后，升温到75℃反应6小时，即得到水基钻井液用聚合物纳米封堵剂。
实施例5
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂由主要以下原料制备而成：
4.7份Span-80、5.9份N-异丙基丙烯酰胺、11.6份甲基丙烯酸、2.1 份甲基丙烯酸丁酯和0.49份过氧化二苯甲酰。
本实施例采用的有机溶剂为异辛烷。
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂的制备方法为：
将4.7份Span-80溶于异辛烷中，再将5.9份N-异丙基丙烯酰胺、11.6 份甲基丙烯酸、2.1份甲基丙烯酸丁酯加入上述溶液中，不断搅拌条件下， 将温度升高到55℃进行预乳化反应2.5小时，然后将0.49份过氧化二苯甲 酰溶于异辛烷中，逐滴滴加入上述预乳化溶液中，待滴加完成后，升温到80℃ 反应6.5小时，即得到水基钻井液用聚合物纳米封堵剂。
实施例6
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂由主要以下原料制备而成：
4份Span-80、2份N-异丙基丙烯酰胺、10份甲基丙烯酸、0.5份甲基 丙烯酸丁酯和0.05份过氧化二苯甲酰。
本实施例采用的有机溶剂为异辛烷。
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂的制备方法为：
将4份Span-80溶于异辛烷中，再将2份N-异丙基丙烯酰胺、10份甲 基丙烯酸、0.5份甲基丙烯酸丁酯加入上述溶液中，不断搅拌条件下，将温 度升高到40℃进行预乳化反应3小时，然后将0.05份过氧化二苯甲酰溶于 异辛烷中，逐滴滴加入上述预乳化溶液中，待滴加完成后，升温到70℃反应 8小时，即得到水基钻井液用聚合物纳米封堵剂。
实施例7
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂由主要以下原料制备而成：
16份聚氧乙烯月桂酸酯、14份聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯、53份对苯乙 烯磺酸钠、10份叔丁基苯乙烯和0.5份偶氮二异庚腈。
本实施例采用的有机溶剂为二甲苯。
本实施例的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂的制备方法为：
将16份聚氧乙烯月桂酸酯溶于二甲苯中，再将14份聚(乙二醇)甲基 丙烯酸酯、53份对苯乙烯磺酸钠、10份叔丁基苯乙烯加入上述溶液中，不 断搅拌条件下，将温度升高到60℃进行预乳化反应1小时，然后将0.5份偶 氮二异庚腈溶于二甲苯中，逐滴滴加入上述预乳化溶液中，待滴加完成后， 升温到75℃反应5小时，即得到水基钻井液用聚合物纳米封堵剂。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水基钻井液用聚合物纳米封堵剂，其特征在于，包括以下重量份组分：
乳化剂4-16份、温度敏感性单体2-14份、亲水单体10-53份、疏水单体0.5-10份和引发剂0.05-0.5份。
2.根据权利要求1所述的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂，其特征在于，包括以下重量份组分：乳化剂4.7-5.9份、温度敏感性单体2.4-6.9份、亲水单体11.6-23.8份、疏水单体0.9-2.1份、引发剂0.1-0.49份。
3.根据权利要求1或2所述的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂，其特征在于，所述乳化剂为聚氧乙烯月桂酸酯、丙二醇单硬脂酸脂、Span-60和Span-65、Span-80中的一种或多种组合。
4.根据权利要求1或2所述的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂，其特征在于，所述温度敏感性单体为N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺或聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1或2所述的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂，其特征在于，所述亲水单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和对苯乙烯磺酸钠中一种或多种组合。
6.根据权利要求1或2所述的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂，其特征在于，所述疏水单体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸异戊酯、苯乙烯和叔丁基苯乙烯中一种或多种组合。
7.根据权利要求1或2所述的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂，其特征在于，所述引发剂为过氧化二苯甲酰、异丙苯过氧化氢、偶氮二异丁腈和偶氮二异庚腈中的一种或多种组合。
8.权利要求1-7任一项所述的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂的制备方法，其特征在于，包括：
(1)将配方量的乳化剂溶于有机溶剂中，再依次加入配方量的温度敏感性单体、亲水单体和疏水单体，在搅拌条件下升温至40-60℃反应1-3h，制得预乳化溶液；
(2)将配方量的引发剂溶于有机溶剂中，然后逐滴滴加至所述预乳化溶液中，滴加完成后，升温至70-80℃反应5-8h，制得聚合物纳米封堵剂。
9.根据权利要求8所述的水基钻井液用聚合物纳米封堵剂的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为正己烷、环己烷、正庚烷、正丁烷、二甲苯、石蜡油、正辛烷和异辛烷中的一种或多种组合。
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