CN109021942A - 一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，包括以下质量比的组分：蒸馏水180~220；氢氧化钾80~120；丙烯酸280~320；丙烯酰胺180~188；AMPS 26~30；NaSS 26~30；过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂0.25~0.57。制备该降滤失剂的步骤为：先混合蒸馏水和氢氧化钾形成氢氧化钾溶液，然后加入丙烯酸得到第一混合液；然后在第一混合溶液中加入丙烯酰胺、AMPS、NaSS，得到第二混合溶液；再在第二混合溶液中加入过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂后形成混合物；最后将混合物在室温下引发聚合后在100~110℃的条件下干燥3~5h，制得降滤失剂。本发明所得产品具有明显的抗高温、抗复合盐、低失水、低黏度特性；反应过程中避免了传统降滤失剂制备过程的磺化反应，不会污染环境。

Description

一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及油、气井钻井领域，特别是涉及一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂及其制备方法。

背景技术

在油、气井钻井过程中，由于压差的作用，钻井液中的水分不可避免地通过井壁滤失到地层中。随着水分进入地层，钻井液中粘土颗粒便附着在井壁上形成“滤饼”。由于滤饼井壁比原来的井壁致密，所以它既可以阻止钻井液进一步失水，又能起到保护井壁的作用。但在滤饼形成的过程中，如滤失的水分过多，滤饼过厚，细粘土颗粒随水分进入地层等都会影响正常钻井，并对油、气储层造成伤害。

要形成低渗透率、滤失量小的滤饼，在配制钻井液时，除了考虑合理的多级分散的颗粒分布和选择胶体颗粒类型外，还需要添加降滤失剂来控制钻井液的滤失量。降滤失剂是指能降低钻井液滤失量的化学剂，多为水溶性高分子化合物，主要通过稳定胶体颗粒、提高滤液黏度、封堵孔隙来达到降低钻井液失水的目的，对于安全、高效钻井起着极为重要的作用。

随着油气钻探向深部地层和海上发展，钻井深度日益增加，钻遇地层条件日趋复杂，井底温度变高，一价及高价无机盐含量增加，因此要求降滤失剂具有良好的耐高温、抗一价及高价复合盐性能。

目前所用的降滤失剂主要包括天然高分子和合成高分子材料。天然高分子降滤失剂主要有改性淀粉、羧甲基纤维素(CMC)、磺甲基酚醛树脂(SMP)、木质素等，其虽然来源广泛，价格相对低廉，但淀粉、CMC类降滤失剂抗温、抗无机盐污染能力有限，SMP抗钙、抗盐能力较差，且需配合褐煤类产品同时使用，不仅增加了成本，还会导致钻井液pH下降，需要用大量碱性物质调节。同时，磺化类降滤失剂如SMP等，在生产过程中会使用浓硫酸等磺化剂，在生产和应用过程都可能带来环境风险。

合成高分子降滤失剂主要是由丙烯酰胺等水溶性单体均聚或共聚得到。由于分子结构中容易引进功能基团，分子量更容易调节，所以能更有针对性地调节降滤失性能。但目前所使用的合成高分子降滤失剂仍存在耐温、抗盐性差的共性缺陷，难以满足高温、深井的应用要求。目前市面上适用于高温、高压水基钻井液体系的聚合物降滤失剂通常为含有丙烯酰胺-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)的水溶性共聚物。然而，在高浓度盐水尤其是复合盐水体系中，在高温(150℃或更高温度)、高密度(1.8以上)的条件下，现有降滤失剂难以满足要求。CN103289659A提供了一种高温高压抗盐钙聚合物降滤失剂的制备方法，主要通过腈纶废丝与片碱、甲醛、苯酚、硫磺、盐酸反应，该方法虽然成本低廉，但反应物过多，不利于保持质量稳定，而且在反应过程中使用了甲醛、硫磺、盐酸等刺激性、腐蚀性物质，对于生产操作和现场应用都具有极大的安全风险；合成类高分子降滤失剂的另一个问题是在降低失水的同时，往往会使钻井液体系黏度增大，摩阻增加，泵压上升，容易带来卡钻等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种耐饱和盐、低黏度、低失水特性的抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，包括以下质量比的组分：蒸馏水180～220；氢氧化钾80～120；丙烯酸280～320；丙烯酰胺180～188；AMPS 26～30；NaSS 26～30；过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂0.25～0.57。

所述的AMPS为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸。

所述NaSS为苯乙烯磺酸钠。

所述的过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂由过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂、水溶性偶氮类引发剂组成。

所述的过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂以及水溶性偶氮类引发剂的质量比为1:1:1。

所述的过硫酸盐引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。

所述的亚硫酸氢盐引发剂为亚硫酸氢钠。

所述的水溶性偶氮类引发剂为偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丙基咪唑啉。

制备所述的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂的方法，包括以下步骤：

S1：在容器中加入蒸馏水和氢氧化钾，形成氢氧化钾溶液；

S2：在S1中所得的氢氧化钾溶液中加入丙烯酸，得到第一混合溶液；

S3：在所述第一混合溶液中加入丙烯酰胺、AMPS、NaSS，得到第二混合溶液；

S4：在所述第二混合溶液中加入过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂，完全反应后形成混合物；

S5：将所述混合物在室温下引发聚合；

S6：将所述混合物在100～110℃的条件下干燥3～5h，制得降滤失剂。

本发明的有益效果是：

1)该滤失剂具有以下优点：第一，该降滤失剂由丙烯酰胺、丙烯酸、AMPS、NaSS四元共聚得到，四种单体均具有良好的水溶性，可以确保其聚合后得到的三元共聚物降失水剂具有良好的水溶性；第二，AMPS具有良好的耐温抗盐性，NaSS分子结构中不含有弱键，更有更强的耐高温、耐无机盐、耐钙镁特性；第三，NaSS侧链的苯环体积较大，具有较强的位阻效应，可以保护相邻的酰胺基团不被水解；第四，使用的聚合体系的单体浓度较高，在室温下引发后会发生爆聚，得到的聚合物的分子量分布较宽，其中的高分子量聚合物可以发挥降滤失作用；同时，不同分子量级份的聚合物可以填充在钻井液体系中的黏土片层的不同部位，发挥协同降失水的作用；第五，其中的低分子量聚合物能够发挥分散剂的作用，使钻井液体系在保持低失水的同时，不至于桥连、絮凝。

2)该降滤失剂经过160℃高温热滚16h后，其表观黏度范围为44～79mPa·s，高温高压滤失量范围为21～61mL，具有明显的抗高温(可达160℃)、耐饱和盐、低黏度、低失水特性。

3)反应过程中不使用传统降失水剂制备过程的磺化作用，不会在制备和使用过程中对环境带来污染。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

在本实施例中，一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，包括以下质量比的组分：蒸馏水180；氢氧化钾80；丙烯酸280；丙烯酰胺180；AMPS 26；NaSS 26；过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂0.25。

所述的过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂由过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂、水溶性偶氮类引发剂组成，所述的过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂以及水溶性偶氮类引发剂的质量比为1:1:1。

所述的过硫酸盐引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；所述的亚硫酸氢盐引发剂为亚硫酸氢钠；所述的水溶性偶氮类引发剂为偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丙基咪唑啉。

制备实施例1中的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂的方法，包括以下步骤：

S1：在容器中加入180g蒸馏水和80g氢氧化钾，形成氢氧化钾溶液；

S2：在S1中所得的氢氧化钾溶液中加入280g丙烯酸，得到第一混合溶液；

S3：在所述第一混合溶液中加入180g丙烯酰胺、26g AMPS、26g NaSS，得到第二混合溶液；

S4：在所述第二混合溶液中加入0.25g过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类过硫酸钾-亚硫酸氢钠-偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐，此时会产生大量白烟并伴随有发热现象，完全反应后形成混合物，所述混合物为白色固体或白色膏体的产品；

S5：将所述混合物在室温下引发聚合；

S6：将所述混合物在100℃的条件下干燥5h，然后冷却并粉碎，则制得粉末状降滤失剂P1。

实施例2

在本实施例中，一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，包括以下质量比的组分：蒸馏水190；氢氧化钾90；丙烯酸290；丙烯酰胺182；AMPS 27；NaSS 27；过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂0.26。

所述的过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂由过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂、水溶性偶氮类引发剂组成，所述的过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂以及水溶性偶氮类引发剂的质量比为1:1:1。

所述的过硫酸盐引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；所述的亚硫酸氢盐引发剂为亚硫酸氢钠；所述的水溶性偶氮类引发剂为偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丙基咪唑啉。

制备实施例2中的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂的方法，包括以下步骤：

S1：在容器中加入190g蒸馏水和90g氢氧化钾，形成氢氧化钾溶液；

S2：在S1中所得的氢氧化钾溶液中加入290g丙烯酸，得到第一混合溶液；

S3：在所述第一混合溶液中加入182g丙烯酰胺、27g AMPS、27g NaSS，得到第二混合溶液；

S4：在所述第二混合溶液中加入0.26g过硫酸胺-亚硫酸氢钠-偶氮二异丁基脒盐酸盐，此时会产生大量白烟并伴随有发热现象，完全反应后形成混合物，所述混合物为白色固体或白色膏体的产品；

S5：将所述混合物在室温下引发聚合；

S6：将所述混合物在102℃的条件下干燥4.5h，然后冷却并粉碎，则制得粉末状降滤失剂P2。

实施例3

在本实施例中，一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，包括以下质量比的组分：蒸馏水200；氢氧化钾100；丙烯酸300；丙烯酰胺184；AMPS28；NaSS 28；过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂0.27。

所述的过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂由过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂、水溶性偶氮类引发剂组成，所述的过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂以及水溶性偶氮类引发剂的质量比为1:1:1。

所述的过硫酸盐引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；所述的亚硫酸氢盐引发剂为亚硫酸氢钠；所述的水溶性偶氮类引发剂为偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丙基咪唑啉。

制备实施例3中的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂的方法，包括以下步骤：

S1：在容器中加入200kg蒸馏水和100kg氢氧化钾，形成氢氧化钾溶液；

S2：在S1中所得的氢氧化钾溶液中加入300kg丙烯酸，得到第一混合溶液；

S3：在所述第一混合溶液中加入184kg丙烯酰胺、28kg AMPS、28kgNaSS，得到第二混合溶液；

S4：在所述第二混合溶液中加入0.27kg过硫酸钾-亚硫酸氢钠-偶氮二氰基戊酸，此时会产生大量白烟并伴随有发热现象，完全反应后形成混合物，所述混合物为白色固体或白色膏体的产品；

S5：将所述混合物在室温下引发聚合；

S6：将所述混合物在105℃的条件下干燥4h，然后冷却并粉碎，则制得粉末状降滤失剂P3。

实施例4

在本实施例中，一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，包括以下质量比的组分：蒸馏水210；氢氧化钾110；丙烯酸310；丙烯酰胺186；AMPS29；NaSS 29；过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂0.55。

所述的过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂由过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂、水溶性偶氮类引发剂组成，所述的过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂以及水溶性偶氮类引发剂的质量比为1:1:1。

所述的过硫酸盐引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；所述的亚硫酸氢盐引发剂为亚硫酸氢钠；所述的水溶性偶氮类引发剂为偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丙基咪唑啉。

制备实施例4中的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂的方法，包括以下步骤：

S1：在容器中加入210kg蒸馏水和110kg氢氧化钾，形成氢氧化钾溶液；

S2：在S1中所得的氢氧化钾溶液中加入310kg丙烯酸，得到第一混合溶液；

S3：在所述第一混合溶液中加入186kg丙烯酰胺、29kg AMPS、29kgNaSS，得到第二混合溶液；

S4：在所述第二混合溶液中加入0.55kg过硫酸铵-亚硫酸氢钠-偶氮二异丙基咪唑啉，此时会产生大量白烟并伴随有发热现象，完全反应后形成混合物，所述混合物为白色固体或白色膏体的产品；

S5：将所述混合物在室温下引发聚合；

S6：将所述混合物在107℃的条件下干燥3.5h，然后冷却并粉碎，则制得粉末状降滤失剂P4。

实施例5

在本实施例中，一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，包括以下质量比的组分：蒸馏水220；氢氧化钾120；丙烯酸320；丙烯酰胺188；AMPS30；NaSS30；过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂0.57。

所述的过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂由过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂、水溶性偶氮类引发剂组成，所述的过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂以及水溶性偶氮类引发剂的质量比为1:1:1。

所述的过硫酸盐引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；所述的亚硫酸氢盐引发剂为亚硫酸氢钠；所述的水溶性偶氮类引发剂为偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丙基咪唑啉。

制备实施例5中的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂的方法，包括以下步骤：

S1：在容器中加入220kg蒸馏水和120kg氢氧化钾，形成氢氧化钾溶液；

S2：在S1中所得的氢氧化钾溶液中加入320kg丙烯酸，得到第一混合溶液；

S3：在所述第一混合溶液中加入188kg丙烯酰胺、30kg AMPS、30kgNaSS，得到第二混合溶液；

S4：在所述第二混合溶液中加入0.57kg过硫酸钾-亚硫酸氢钠-偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐，此时会产生大量白烟并伴随有发热现象，完全反应后形成混合物，所述混合物为白色固体或白色膏体的产品；

S5：将所述混合物在室温下引发聚合；

S6：将所述混合物在110℃的条件下干燥3h，然后冷却并粉碎，则制得粉末状降滤失剂P5。

上述实施例中均未使用磺化类反应剂，不会在制备和使用过程中对环境带来伤害，且制备工艺简单。

性能实验：

本发明一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂在基浆中的表观黏度和高温高压滤失量的测定过程如下：

(1)基浆：取350ml蒸馏水，加入21g钠土、16g评价土，在11000r/min下高搅20min，然后在25℃下密闭养护24h，配制基浆。

(2)加样：11000r/min高搅下，在上述养护过后的基浆中加入2.5％(以干基计)的降滤失剂试样，加样结束高搅10min后取下高搅杯，加入3.5g浓度为1％的硫酸钙、52g浓度为15％的氯化钠、10mL浓度为40％的氢氧化钠溶液，用玻璃棒手动搅拌混合均匀，并刮下粘附在杯壁上的试样及泥浆，然后继续高搅20min，每隔10min取下高搅杯，并用玻璃棒将盐、泥浆及试样混合均匀。

(3)热滚：将上述高搅完的试样倒入老化罐中，在160℃下热滚16h。

(4)测定：热滚完毕后取出老化罐，放在冷水中冷却至55℃左右后继续冷却3～5min，然后倒入高搅杯中，滴加数滴消泡剂，在11000r/min下高搅5mim，测定其在50℃的表观黏度(若温度低于50℃，可放入恒温水浴中加热至50℃)。使用六速旋转黏度计测量时，先测600r/min读数，再测300r/min的读数，其表观黏度AV＝600r/min读数÷2。

六速黏度测定完毕后，将试验浆回收至泥浆杯中，用玻璃棒搅拌均匀，倒入钻井液杯中，测定其在160℃的高温高压滤失量，其中回压为1.1MPa，温度升到160℃时，加压至4.6MPa，保证压差3.5MPa，测定30min时的滤液体积，其滤失量V＝滤液体积*2。

上述P1～P5五种降滤失剂的测定结果如表1所示。

表1不同降滤失剂的降滤失能力和泥浆体系的黏度表

综上，将每一实施例制备的产品经过160℃高温热滚16h后，其表观黏度范围为90mPa44～79mPa·s，高温高压滤失量范围为30ml，具有明显21～61ml，其中P5样品制备的抗温耐饱和盐钻井液的表观黏度低达44mPa·s，160℃下的高温高压滤失量仅有21ml。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其它实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，其特征在于：包括以下质量比的组分：蒸馏水180~220；氢氧化钾80~120；丙烯酸280~320；丙烯酰胺180~188；AMPS 26~30；NaSS26~30；过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂0.25~0.57。

2.根据权利要求1所述的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，其特征在于：所述的过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂由过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂、水溶性偶氮类引发剂组成。

3.根据权利要求2所述的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，其特征在于：所述的过硫酸盐引发剂、亚硫酸氢盐引发剂以及水溶性偶氮类引发剂的质量比为1:1:1。

4.根据权利要求2所述的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，其特征在于：所述的过硫酸盐引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵。

5.根据权利要求2所述的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，其特征在于：所述的亚硫酸氢盐引发剂为亚硫酸氢钠。

6.根据权利要求2所述的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂，其特征在于：所述的水溶性偶氮类引发剂为偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸或偶氮二异丙基咪唑啉。

7.制备权利要求1-6任一项所述的一种抗高温抗复合盐的钻井液用低黏降滤失剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在容器中加入蒸馏水和氢氧化钾，形成氢氧化钾溶液；

S2：在S1中所得的氢氧化钾溶液中加入丙烯酸，得到第一混合溶液；

S3：在所述第一混合溶液中加入丙烯酰胺、AMPS、NaSS，得到第二混合溶液；

S4：在所述第二混合溶液中加入过硫酸盐—亚硫酸氢盐—水溶性偶氮类复合引发剂，完全反应后形成混合物；

S5：将所述混合物在室温下引发聚合；

S6：将所述混合物在100~110℃的条件下干燥3~5h，制得降滤失剂。