CN109097008A - 无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂及其制备方法 - Google Patents

无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，其为由聚合物A和聚合物B形成的具有互穿共聚物网络的混合物；其中，所述聚合物A由淀粉和烯基单体聚合而成；所述聚合物B由烯基单体和含有双键的有机硅单体聚合而成；另外，其制备方法简单，通过将预先聚合得到的含有聚合物A的混合溶液和该含有聚合物B的混合溶液混合搅拌形成互穿共聚物网络，然后经无水乙醇沉淀、洗涤、干燥、粉碎制备而成；该降滤失剂在无土相高密度饱和盐水钻井液体系中增粘幅度适中，降滤失效果显著，抗温抗盐效果好，而且对固相有良好的悬浮作用。

Description

无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及油气田井下作业技术领域，特别涉及一种无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂及其制备方法。
背景技术
中石油渤海钻探工程公司目前所服务的新疆塔里木油田，以及伊朗、伊拉克南部油田，深部地层中均存在巨厚石膏层、盐膏层和高压盐水层。在该地层钻进时钻井液面临盐、石膏污染，井眼缩径卡钻，流变性能和滤失性能难以控制，以及钻井液性能破坏导致的井下复杂等技术难题。高密度饱和盐水钻井液由于具有非常强的抗石膏和抗盐污染能力、良好的流变性能和高温稳定性能，被广泛应用与该层位的钻进。但现用高密度饱和盐水钻井液存在以下几个方面的问题：
1)土相的问题：
常规钻井液常常采用膨润土作为粘度和滤失控制的基本功能材料，其亚微米颗粒对于常规钻井液来说能够起到很好的作用。而对于高密度饱和盐水钻井液来说，饱和盐水的存在大大降低了膨润土的作用，失去了其本来应有的作用，而且土相的亚微米颗粒也会导致粘度的失控，堵塞、污染油气储层，起到负面作用。
随着井底温度的升高，高密度有土相钻井液的流变性难以控制，塑性粘度高，为了防止加重材料大量沉淀，往往需要大幅度提高其粘度。但钻井液粘度太高，结构强度太大，容易造成蹩泵、开泵泵压过高、当量循环密度过大而诱发井漏。
2)流变性的问题：
高密度钻井液体系固相含量大、固相颗粒分散程度高、自由水量少，因此此时固相颗粒对钻井液体系而言已不再是“惰性材料”，而是成为体系性能调控不可忽视的主控因素。若加入的处理剂增粘幅度小，不利于携带固相，固相沉积快造成硬沉现象，易造成井壁剥落，坍塌，井漏等；若加入的处理剂增粘幅度大，就会造成钻井液粘度太高，体系呈现强凝胶状态，容易造成蹩泵、开泵泵压过高、当量循环密度过大而诱发井漏。
3)高温稳定性的问题：
深井中盐膏层、石膏层和高压盐水层井段温度通常较高，因此无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂的选择还需兼顾高温稳定性的因素。
为了解决上述问题，迫切需要研制一种无土相高密度饱和盐水钻井液体系，而兼顾高温稳定性强、增粘幅度适中、对固相悬浮效果好的降滤失剂又是该体系的重中之重。
王雷等在《高密度无黏土相饱和盐水钻井液研究》(石油天然气学报.2014年11月)一文中报道的高密度无粘土相饱和盐水钻井液，以淀粉和磺化沥青复配后的产品作为降滤失剂。该体系抗温可达120℃，抗石膏、盐、芒硝、黏土及钻屑可达5％。该体系虽然较好的控制了滤失量和粘度，解决了大量加重材料的悬浮性问题，但抗温仅为120℃。随着老化温度的升高，体系的粘度、切力下降，API滤失量上升，说明已有部分处理剂出现分子链断裂、失效的问题，体系性能逐渐恶化，当老化温度上升到150℃时，处理剂分子链断裂、失效，体系性能恶化的问题将更加严重，不再符合现场应用要求。
贺明敏在《抗高温高密度饱和盐水钻井液研究》(西部探矿工程，2010年第11期)一文中报道的抗高温高密度饱和盐水钻井液，以自行研制的新型两性离子聚合物降滤失剂PAADS作为主剂，并以集中常用的磺化降滤失剂为辅剂。该体系抗温可达200℃，具有良好的流变性、滤失造壁性和页岩抑制性。该体系的缺点是：粘度大，屈服值和静切力偏高，体系呈强凝胶状态，容易造成蹩泵、开泵泵压过高、或者当量循环密度过大而引发井漏。
CN105647489A(201610059057.8)公布了一种钻井液的添加剂组合和超高温超高密度无土相油包水钻井液。乳化剂和提切剂为添加剂组合，磺甲基酚醛树脂和/或磺甲基褐煤树脂为降滤失剂，该体系密度可达2.6g/cm3，抗温可达260℃。该体系的缺点是：虽然屈服值和静切力适中，但体系表观粘度普遍在100mPa.s以上，偏高，而且体系中油相成本高和环境污染问题也不容忽略。该体系以合成类磺化材料为降滤失剂，虽然效果不错，但合成类磺化材料生物降解性差，重金属含量高，不满足现今对钻井液环保性的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服盐膏层、石膏层和高压盐水层钻进时使用的高密度饱和盐水钻井液土中亚微米容易导致粘度的失控，堵塞、污染油气储层，以及所用降滤失剂高温稳定性差、增粘幅度太大或太小容易引起井下复杂等缺陷的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂。
本发明的另一目的是提供一种制备上述无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂的制备方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，其为由聚合物A和聚合物B形成的具有互穿共聚物网络的混合物；其中，所述聚合物A由淀粉和烯基单体聚合而成；所述聚合物B由烯基单体和含有双键的有机硅单体聚合而成。
优选，所述聚合物A和所述聚合物B的重量比为(1～9):(9～1)。
优选，所述聚合物A由包括以重量份计的100份溶剂水、20～30份淀粉、3～4.5份氢氧化钠、5～15份烯基单体和0.3～0.5份引发剂制备而成；所述聚合物B由包括以重量份计的50份溶剂水、50份四氢呋喃、15～25份烯基单体、5～10份含有双键的有机硅单体和0.3～0.5份引发剂制备而成。
优选，所述淀粉为玉米淀粉、谷物淀粉或红薯淀粉。
优选，氢氧化钠的加量为淀粉用量的15％。
优选，所述烯基单体丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N,N-二丙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二异丙基丙烯酰胺、N–亚甲基双丙烯酰胺、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、丙烯酰氧丁基磺酸钠、2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸钠、2-丙烯酰胺基十四烷基磺酸钠、2-丙烯酰胺基十六烷基磺酸钠、衣康酸、N-乙烯基吡咯烷酮、1-(2,5-二氯苯基)-3-丙烯酰胺基-5-吡唑酮、(R)-4苄基-2恶唑烷酮、N-苄基-3-吡咯烷酮中至少一种。
优选，所述含有双键的有机硅单体为甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三异丙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酸-3-三甲氧基硅丙酯、甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基硅氧烷基)硅烷、3-丙烯酰胺丙基三(三甲基硅氧基)硅烷、N-(3-三乙氧基甲硅氧烷基)丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺丙基三甲氧基硅烷、(3-甲基丙烯酰胺丙基)三乙氧基硅烷、(3-甲基丙烯酰胺丙基)双(三甲基硅氧基)甲基硅烷、1,3-双(甲基丙烯酰胺丙基)四甲基二硅氧烷中至少一种。
优选，所述引发剂为过硫酸钾-亚硫酸钠、过硫酸铵-亚硫酸钠、过硫酸钾-亚硫酸氢钠、过硫酸铵-亚硫酸氢钠、偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰。
一种无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂的制备方法，步骤如下：
S1、将称量好的溶剂水、淀粉加入到反应釜中，经搅拌溶解后加入氢氧化钠，并升温至50～60℃，保温1h，使淀粉在氢氧化钠的催化下生成预胶化淀粉；继续向反应釜中加入烯基单体，通氮气30min后，加入引发剂，在50～60℃下继续保温2～4h，得到含有聚合物A的混合溶液；
S2、将称量好的溶剂水、四氢呋喃、烯基单体加入至反应釜中，经搅拌溶解后加入有机硅单体，通氮气30分钟后，加入引发剂并升温至80～90℃，保温6～8小时，得到含有聚合物B的混合溶液：
S3、将含有聚合物A的混合溶液和含有聚合物B的混合溶液进行混合并搅拌1h，后用无水乙醇沉淀、洗涤、干燥、粉碎，即得无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂。
其中，在上述步骤S3中，将处于溶液状态的聚合物A和处于溶液状态的聚合物B按比例混合的步骤能够使聚合物A和聚合物B相互缠结并形成一个具有互穿共聚物网络整体的结构，不容易发生解脱；而如果是将固态聚合物A和固态聚合物B直接混合后加入钻井液中则不能达到形成互穿共聚物网络的效果，在实验测试中，通过简单固态混合的聚合物A和聚合物B加入至钻井液中经过150℃/16h老化后静置16h发生有硬沉现象。
与现有技术相比，该无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂的有益效果：
(1)该降滤失剂兼具淀粉改性聚合物和合成聚合物的优点，不仅具有较强的滤失造壁性，且能够较好调节体系的流变性，避免粘度过低、过高而引起的井下复杂；
(2)该降滤失剂在保证性能的前提下，通过降低了磺化材料的用量和产品中磺酸基的含量，有效降低了产品的毒性，更加符合现今对钻井液环保性的要求；
(3)采用该降滤失剂配制的钻井液具有适度增粘的特性，避免增粘太大或太小引起的井下复杂；
(4)该降滤失剂具有互穿共聚物网络结构，采用其配制的钻井液能够牢固悬浮大量固相，避免高密度钻井液中固相的大量沉降而引起井下复杂。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
实施例1
无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂产品I：
称取100重量份水和25重量份玉米淀粉，加入到反应釜中，搅拌使其溶解后，加入3.75重量份的氢氧化钠，并升温至60℃，保温1h；向反应釜中加入5重量份2-甲基-2丙烯酰胺基丙磺酸和5重量份N-乙烯基吡咯烷酮，通氮气30分钟后，加入0.5重量份过硫酸铵-亚硫酸氢钠(摩尔比1:1.2)，保温3h，得到含有聚合物A的混合溶液；
称取50重量份水、50重量份四氢呋喃、10重量份N,N-二乙基丙烯酰胺、5重量份3-乙酰基-N-乙烯基吡咯烷酮，搅拌溶解后加入10重量份3-丙烯酰胺丙基三(三甲基硅氧基)硅烷，向反应釜通氮气30分钟后，继续加入0.3重量份过氧化苯甲酰，并升温至80℃，保温8h，得到含有聚合物B的混合溶液；
将含有聚合物A的混合溶液与含有聚合物B的混合溶液分别以重量比为1:9、3:7、7:3和9:1进行混合并搅拌1h，然后用无水乙醇沉淀、洗涤、干燥、粉碎，即得I-1、I-2、I-3和I-4四种I系列降滤失剂产品。
实施例2
无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂产品II：
称取100重量份水和20重量份小麦淀粉，加入到反应釜中，搅拌使其溶解后，加入3重量份的氢氧化钠，并升温至55℃，保温1h；向反应釜中加入10重量份2-甲基-2丙烯酰胺基丙磺酸和5重量份衣康酸，向反应釜中通氮气30分钟后，继续加入0.4重量份过硫酸钾-亚硫酸氢钠(摩尔比1:1.2)，保温4h，得到含有聚合物A的混合溶液；
称取50重量份水、50重量份四氢呋喃、15重量份丙烯酰胺，5份N-乙烯基吡咯烷酮，搅拌溶解后加入5份N-(3-三乙氧基甲硅氧烷基)丙基丙烯酰胺，向反应釜通氮气30分钟后，继续加入0.4重量份偶氮二异丁腈，并升温至90℃，保温6h，得到含有聚合物B的混合溶液；
将含有聚合物A的混合溶液与含有聚合物B的混合溶液分别以重量比为1:9、3:7、7:3和9:1进行混合并搅拌1h；然后用无水乙醇沉淀、洗涤、干燥、粉碎，即得II-1、II-2、II-3和II-4四种II系列降滤失剂产品。
实施例3
无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂产品III：
称取100重量份水和30重量份玉米淀粉，加入到反应釜中，搅拌使其溶解后，加入4.5重量份的氢氧化钠，并升温至55℃，保温1h；向反应釜中加入5重量份N-乙烯基吡咯烷酮，向反应釜中通氮气30分钟后，继续加入0.3重量过硫酸铵-亚硫酸钠(摩尔比1:1.2)，保温4h，得到含有聚合物A的混合溶液；
称取50重量份水、50重量份四氢呋喃、15重量份N，N-二甲基丙烯酰胺，10份3-乙酰基-N-乙烯基吡咯烷酮，搅拌溶解后加入5重量份甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基硅氧烷基)硅烷，向反应釜通氮气30分钟后，继续加入0.5重量份过氧化苯甲酰，并升温至85℃，保温6h，得到含有聚合物B的混合溶液；
将含有聚合物A的混合溶液与含有聚合物B的混合溶液分别以重量比为1:9、3:7、7:3和9:1进行混合并搅拌1h；然后用无水乙醇沉淀、洗涤、干燥、粉碎，即得Ⅲ-1、Ⅲ-2、Ⅲ-3和Ⅲ-4四种III系列降滤失剂产品。
性能测试：
进一步对实施例1～3制备的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂进行老化测试和静置测试测定其在老化前后的流变性和滤失量的变化和静置后加重材料的沉降情况，通过对测得数据的分析，评价其作为无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂性能的优劣。
选取实施例1～制备的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，以4％的比例加入到350mL饱和盐水中，高速搅拌20min，其间至少停两次，以刮下容器壁上粘附的降滤失剂；再加入903g重晶石和70g铁矿粉，高速搅拌20min，其间至少停两次，以刮下容器壁上的粘附物，按照GB/T 16783.1-2014中的规定测定室温及150℃/16h老化后降温至室温的表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)、动切力(YP)、初切力、终切力和API滤失量，并观察静置16h后加重材料的沉降情况。
其中，试验中使用的氯化钠、重晶石(密度为4.2g/cm3)和铁矿粉(密度为4.7g/cm3)均为市场上销售产品，使用前均经严格按照行业标准或企业标准检验合格。具体测试结果见表1-1和表1-2。
表1-1：
由表1-1和表1-2可以看出，将实施例1～3制备的多种降滤失剂分别加入至无土相高密度饱和盐水钻井液体系中，加量为4wt.％，在150℃/16h老化前后，钻井液体系的API滤失量均在2.5mL左右，这说明该降滤失剂在无土相高密度钻井液体系中起到了较好的降低滤失量的作用。
此外，随着含有聚合物A的混合溶液与含有聚合物B的混合溶液的混合重量比的变化，动切力在4～20Pa间变动，并且体系经150℃/16h老化后静置16h均无硬沉现象，说明该降滤失剂中的聚合物A与聚合物B形成的互穿聚合物网络结构在无土相高密度饱和盐水钻井液体系中形成了强度适中的空间网络结构，因而对加重材料起到了较好的悬浮作用。
需要特别指出的是，当含有聚合物A的混合溶液与含有聚合物B的混合溶液的混合重量比为7:3时，钻井液体系呈弱凝胶状态，动切力和静切力达到较好的水平，流变性实现优化，克服了国内现有的聚磺体系和磺化体系呈强凝胶型和流变性未实现优化的缺点。
进一步，以日前伊朗N.I.S.O.C.公司推出一种抗温达298℉(约150℃)的改性淀粉产品HT-starch作为对比例与本申请公开的降滤失剂进行比较。
其中，上述改性淀粉产品的测试程序和性能满足下表2和表3的要求。
表2：测试程序
表3：性能要求
按照表2要求，配制地层水。具体地，选取实施例2中制备的含有聚合物A的混合溶液与含有聚合物B的混合溶液按照质量比为7:3配制得到的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，按照表2测试程序，分别向装有350mL饱和盐水，标号为①、②、③、④的四个高搅杯中加入14g该降滤失剂，以11000r/min高速搅拌20min，其间至少停两次以刮下容器壁上粘附的降滤失剂；再加入903g重晶石和70g铁矿粉，高速搅拌20min，其间至少停两次以刮下容器壁上的粘附物；再向③、④高搅杯中加入泥浆体积15％的地层水，123g重晶石和40g铁矿粉，高速搅拌20min，其间至少停两次，以刮下容器壁上的粘附物。
将配制好的无土相高密度饱和盐水钻井液装入老化罐中，①、③于150℃下滚动4h后取出；②、④于150℃下滚动4h，并150℃下静止养护3h后取出。降温至室温，水浴加热至70℃后，高速搅拌1min，按照GB/T 16783.1-2014中的规定测定60℃时体系的表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)、动切力(YP)、初切力、终切力和API滤失量及PH值，并观察静置16h后加重材料的沉降情况。
按照同样的方法，测定HT-Starch60℃时体系的表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)、动切力(YP)、初切力、终切力和API滤失量及PH值，并观察静置16h后加重材料的沉降情况。测试结果见表4。
表4：
由表4可以看出：加入降滤失剂的无土相高密度饱和盐水钻井液体系，150℃老化前后粘度、切力及API滤失量均未发生较大变化，说明该降滤失剂150℃时性能稳定；体系中加入地层水后，粘度、切力及API滤失量也均未发生较大变化，说明该降滤失剂抗盐污染能力较强；静置后无硬沉出现，说明该降滤失剂在体系内形成了稳定且具有一定强度的空间网状结构，对加重材料起到了很好的悬浮作用。加入HT-Starch的钻井液体系，经150℃老化后，粘度、切力的变化程度大于加入该降滤失剂的体系，而且静置后出现硬沉，说明HT-Starch高温稳定性及形成空间网状结构的能力均不如该降滤失剂。
综上所述，该降滤失剂在无土相高密度饱和盐水钻井液中降低滤失量效果显著，抗温抗盐效果好，而且对固相有良好的悬浮作用；同时，通过合理调整该降滤失剂中聚合物A和聚合物B的质量比，使该降滤失剂在钻井液体系中增粘幅度适中，更好的满足现场应用要求。

Claims (8)

1.一种无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，其特征在于，其为由聚合物A和聚合物B形成的具有互穿共聚物网络的混合物；其中，所述聚合物A由淀粉和烯基单体聚合而成；所述聚合物B由烯基单体和含有双键的有机硅单体聚合而成。
2.根据权利要求1所述的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，其特征在于，所述聚合物A和所述聚合物B的重量比为(1～9):(9～1)。
3.根据权利要求1所述的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，其特征在于，所述聚合物A由包括以重量份计的100份溶剂水、20～30份淀粉、3～4.5份氢氧化钠、5～15份烯基单体和0.3～0.5份引发剂制备而成；所述聚合物B由包括以重量份计的50份溶剂水、50份四氢呋喃、15～25份烯基单体、5～10份含有双键的有机硅单体和0.3～0.5份引发剂制备而成。
4.根据权利要求1所述的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉、谷物淀粉或红薯淀粉。
5.根据权利要求1所述的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，其特征在于，所述烯基单体丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N,N-二丙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N,N-二异丙基丙烯酰胺、N–亚甲基双丙烯酰胺、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、丙烯酰氧丁基磺酸钠、2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸钠、2-丙烯酰胺基十四烷基磺酸钠、2-丙烯酰胺基十六烷基磺酸钠、衣康酸、N-乙烯基吡咯烷酮、3-乙酰基-N-乙烯基吡咯烷酮、1-(2,5-二氯苯基)-3-丙烯酰胺基-5-吡唑酮、(R)-4苄基-2恶唑烷酮、N-苄基-3-吡咯烷酮中至少一种。
6.根据权利要求1所述的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，其特征在于，所述含有双键的有机硅单体为甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三异丙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、甲基丙烯酸-3-三甲氧基硅丙酯、甲基丙烯酰氧丙基三(三甲基硅氧烷基)硅烷、3-丙烯酰胺丙基三(三甲基硅氧基)硅烷、N-(3-三乙氧基甲硅氧烷基)丙基丙烯酰胺、丙烯酰胺丙基三甲氧基硅烷、(3-甲基丙烯酰胺丙基)三乙氧基硅烷、(3-甲基丙烯酰胺丙基)双(三甲基硅氧基)甲基硅烷、1,3-双(甲基丙烯酰胺丙基)四甲基二硅氧烷中至少一种。
7.根据权利要求1所述的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂，其特征在于，所述引发剂为过硫酸钾-亚硫酸钠、过硫酸铵-亚硫酸钠、过硫酸钾-亚硫酸氢钠、过硫酸铵-亚硫酸氢钠、偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰。
8.一种如权利要求1～3任一项所述的无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：
S1、将称量好的溶剂水、淀粉加入到反应釜中，经搅拌溶解后加入氢氧化钠，并升温至50～60℃，保温1h；继续向反应釜中加入烯基单体，通氮气30min后，加入引发剂，在50～60℃下继续保温2～4h，得到含有聚合物A的混合溶液；
S2、将称量好的溶剂水、四氢呋喃、烯基单体加入至反应釜中，经搅拌溶解后加入有机硅单体，通氮气30分钟后，加入引发剂并升温至80～90℃，保温6～8小时，得到含有聚合物B的混合溶液：
S3、将含有聚合物A的混合溶液和含有聚合物B的混合溶液进行混合并搅拌1h，后用无水乙醇沉淀、洗涤、干燥、粉碎，即得无土相高密度饱和盐水钻井液用降滤失剂。
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