CN109180503A - 一种低共熔物类页岩抑制剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻井液抑制剂领域，具体涉及一种低共熔物类页岩抑制剂及其制备方法和应用。本发明中的低共熔物类页岩抑制剂，由氯化胆碱和尿素在80～100℃油浴中搅拌加热2～4h，至反应混合物呈透明液体为止。与其他市场上常用的无机盐、聚合物、聚胺类抑制剂相比，原料价格低廉，合成简单，环境友好无毒性，在页岩中的抑制造浆、抑制页岩膨胀和抑制页岩分散等方面均具有显著效果，在高温条件下仍具有极佳的抑制性能。本发明具有潜在的市场价值。

Description

一种低共熔物类页岩抑制剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及钻井液抑制剂领域，具体涉及一种低共熔物类页岩抑制剂。
背景技术
井壁失稳是油气钻探过程中最严重的问题，在钻井过程中钻遇泥页岩地层 时，泥页岩的水化膨胀，分散作用会导致缩径、坍塌卡钻、泥包钻头、和井眼 净化难等一系列问题。泥页岩地层约占钻井过程中钻遇地层的75％，而90％的井 壁不稳定都发生在泥页岩地层。钻井流体与泥页岩地层之间的机械和物理化学 相互作用是导致井壁失稳的主要原因。油基和合成基钻井液因其强抑制性、润 滑性、高温稳定性以及对储层的伤害小等优良性能是保证钻井安全及顺利的首 选。但是由于经济开发效益和增强环境保护等因素，高性能的水基钻井液为最 近的发展方向。
为了提升水基钻井液的抑制性能，国内外的研究者开发出了多种类型的页 岩抑制剂，如无机盐、聚合物、聚合醇和聚胺等。氯化钾是最早使用的且应用 范围最广的页岩抑制剂，但其加量一般比较大，通常质量分数在2％-7％，这会 影响钻井液的流变性和滤失性，高浓度的氯离子对环境也有不良影响。阳离子 聚合物能有效的降低黏土的水化膨胀，但是阳离子聚合物与钻井液中的其余各 种添加剂的配伍性较差，同时聚合物的耐温性也较差，中国专利文件 CN103917623A公开的一种超支化聚赖氨酸抗高温性较差。胺类抑制剂的效果良 好，但是现有的胺类抑制剂如专利CN104592955A及CN103087691A公布的聚胺 类页岩抑制剂普遍存在对钻井液的流变性影响较大，加量不易控制，生物毒性 高等问题。为了避免以上各类抑制剂的缺点，寻求性能更加优良，同时副作用 更小的页岩抑制剂，人们开始着眼于一些其他类型的化学物质，并探究其作为 页岩抑制剂的可能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术存在的不足，提供一种用量 少、毒性小且各方面性能较好的低共熔物类页岩抑制剂。
本发明的技术解决方案是：一种低共熔物类页岩抑制剂，离子组成为：
进一步包括所述一种低共熔物类页岩抑制剂的制备方法，由氯化胆碱和尿 素加热搅拌合成。
进一步的，所述氯化胆碱和尿素摩尔比为1：2。
进一步的，所述一种低共熔物类页岩抑制剂由所述氯化胆碱和尿素在80～ 100℃油浴中搅拌加热2～4h，至反应混合物呈透明液体为止。
进一步的，包括所述一种低共熔物类页岩抑制剂作为钻井液页岩抑制剂的 应用。
本发明中低共熔物类页岩抑制剂，与其他市场上常用的无机盐、聚合物、 聚胺类抑制剂相比，原料价格低廉，合成简单，环境友好无毒性，在页岩中抑 制造浆、抑制页岩膨胀和抑制页岩分散方面均具有显著效果，在高温条件下仍 具有极佳的抑制性能。本发明具有潜在的市场价值。
附图说明
图1为一种低共熔物类页岩抑制剂红外光谱图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图，详细说明本发明一种低共熔物类页岩抑制剂及其 制备方法和应用。
实施例
氯化胆碱(分析纯)，尿素(分析纯)均购自国药集团化学试剂有限公司。 一种低共熔物类页岩抑制剂，由摩尔比1：2氯化胆碱和尿素在80～100℃油浴 中搅拌加热2～4h，至反应混合物呈透明液体为止，配制1wt％反应产物 (CU-DES)去离子水溶液。
实施例产物(CU-DES)的氢谱结果如下：
1H NMR(40℃):-Me3,9H,s,3.42；α-CH2,2H,m,3.73；β-CH2,2H,m,4.18； OH,1H,v.broad,5.50；NH2,8H,broad,6.24
红外光谱图如图1所示，在3500～3000cm-1处存在较宽的吸收峰，是氯化 胆碱与尿素混融后形成的一系列分子间氢键(其中包括C-H、N-H、O-H键等) 的特征峰，其中3380cm-1是N-H的伸缩振动峰；1681cm-1为尿素中C＝O的伸 缩振动峰；1450cm-1为C-H的伸缩振动峰。
实施例反应产物(CU-DES)的基本性质如表1所示
表1 实施例产物基本性能表
对比例1
去离子水。
对比例2
配制5wt％氯化钾去离子水溶液，氯化钾购自国药集团化学试剂有限公司。
对比例3
配制2wt％聚胺PDA去离子水溶液，聚胺PDA由麦克巴泥浆有限公司提供。
性能试验
(1)抑制造浆实验
钻井液用纳基膨润土购自潍坊华维膨润土公司。向400mL实施例和对比例 溶液中加入16g的钻井液用纳基膨润土，10000rpm转速下高速搅拌30min，使 用六速旋转粘度计测量浆液的流变性。再加入等量的膨润土，继续在10000rpm 转速下搅拌30min后继续测量浆液的流变性。重复上述加入搅拌步骤直至浆液 的粘度超出仪器的测量范围。流变性能包括表观粘度(AV)、塑性粘度(PV) 和动切力(YP)，其计算公式如下：
式中：AV为表观粘度，mPa·s，PV为塑性粘度，mPa·s，YP为动切力， Pa，为旋转粘度计转速为600转时的读数，为旋转粘度计转速为300转 时的读数。试验结果如表2：
表2 抑制造浆能力评价表
续表2
抑制造浆实验测量了在去离子水和不同抑制剂溶液中加入膨润土后分散体 系的表观粘度和动切力随膨润土加量的变化，结果如表2所示。可以看出，膨 润土在去离子水中极易分散，造浆能力强，当膨润土含量达到16％时，其表观 粘度就已经达到接近140mPa·s，动切力达到122Pa。表示当钻遇泥页岩地层时， 黏土颗粒极易在水基钻井液中分散，增加体系固相含量，造成钻井液体系粘度 过大，泥包钻头，扭矩增高等一系列问题。而在抑制剂KCl，PDA和CU-DES 溶液中，表观粘度和动切力上升缓慢，当膨润土含量达到20％才开始有明显的 上升。实施例中的CU-DES的抑制造浆能力强于KCl和PDA，当膨润土含量达 到32％时，5％KCl溶液的表观粘度达到了97.5mPa·s，动切力达到了77.5Pa。 2％PDA溶液的表观粘度和动切力在膨润土含量达到36％时，也分别达到 110mPa·s和86Pa。而实施例中1％CU-DES溶液可测量至膨润土含量为40％， 此时溶液的表观粘度分别为60mPa·s，动切力为42Pa，相比于KCl和PDA，实 施例CU-DES溶液显示出了更加优秀的抑制黏土造浆的能力。
(2)线性膨胀实验
钻井液用纳基膨润土购自潍坊华维膨润土公司，页岩来自松辽盆地泰康区 块。将页岩块研磨成粉末过100目筛子得到页岩粉末。分别取10g的页岩粉末、 钻井液用纳基膨润土置于压片机中，加压至10MPa，保持10min，得到可用于 线性膨胀实验所需的两种土样。测量土样的厚度H。将土样放置在线性膨胀仪 中，记录页岩粉末和钻井液用纳基膨润土在对比例1-3和实施例抑制剂溶液中的 膨胀量h随时间的变化。测试温度为室温，测试时间为24h。膨胀率由下式计 算：
SR＝h/H×100％，式中：SR为线性膨胀率，％；h为膨胀量，mm；H为土 样初始厚度，mm。
表3膨胀抑制性评价表
线性膨胀实验的结果如表3所示。膨润土在去离子水中的24h膨胀率高达155.14％，表明膨润土遇水会发生极强的水化膨胀。而在对比例2-3、实施例的 抑制剂溶液中，膨润土的膨胀率有不同程度的降低，24h膨胀率分别降低至 74.38％，58.64％、47.97％，表明实施例有较强黏土膨胀抑制性，1wt％浓度的 CU-DES实施例膨胀抑制性优于5wt％浓度的KCl的对比例1和2wt％浓度的 PDA对比例2。在进一步的页岩粉末膨胀率实验中，实施例溶液中的膨胀率也 要低于KCl对比例1和PDA对比例2溶液中的膨胀率，24小时膨胀率仅仅为 18.76％，同时KCl溶液中的页岩初期的膨胀率较快，这不利于井壁稳定。通过膨胀实验可以发现，实施例1wt％CU-DES溶液具有强的抑制黏土膨胀的作用。
(3)岩页滚动分散实验
页岩来自松辽盆地泰康区块。取质量为M烘干的过6-8目筛子的页岩岩屑 加入老化罐中，再向老化罐中加入对比例1-3和实施例抑制剂溶液。然后将老化 罐置于滚子炉中热滚16h，温度分别为80℃，120℃和160℃。待老化罐冷却至 室温后，将老化罐内的残余物过40目筛子，用去离子水淋洗几遍，将筛余物在 105℃下烘干4h然后称取回收的岩屑质量m。岩屑回收率可由下式计算：
R＝m/M×100％
式中：R为热滚后的回收率，％；m为热滚后回收的岩屑质量，g；M为热 滚前称取的岩屑质量，g。
表4 岩屑回收率评价表
滚动回收实验能反应抑制剂对岩屑的抑制作用，实验结果如表4所示。在 对比例1去离子水中，三个温度下的回收率都很低，最高为80℃下的14.34％， 并且随温度升高回收率下降非常明显，温度达到160℃时，回收率几乎为零。这 说明实验所用的页岩在水中极易分散成细颗粒。在对比例2的5wt％KCl溶液中， 岩屑回收率有些许提升，80℃下回收率可达到34.00％，160℃时回收率降低到 17.57％，回收率随温度增高的下降程度也略有下降。在对比例3的2wt％PDA 溶液中的岩屑回收率相比5％KCl有进一步的提升，温度对回收率的影响也稍有 下降，160℃下的回收率为31.12％。而在实施例的1％CU-DES溶液中，岩屑回 收率皆有大幅度的提升，80℃下的回收率高达93.66％，160摄氏度下的回收率 为87.62％，温度升高一倍，岩屑回收率仅仅下降了6.04％。通过岩屑滚动回收 实验可以看出，实施例中的1％CU-DES溶液对页岩岩屑有着极强的抑制作用， 并且当温度达到160℃仍保持着极佳的抑制性，说明CU-DES同时具有较好的耐 温性。
本发明中的低共熔物类页岩抑制剂CU-DES在室温下呈液态，溶于水之后 解离出胆碱离子，铵离子和氯离子。胆碱阳离子和铵离子会进入黏土晶层，起 到晶格固定的作用，顶替出水分子，同时拉紧晶层，阻止水分子的进入，从而 抑制了黏土颗粒的膨胀与分散。胆碱阳离子中的羟基与黏土晶层表面的氧原子 之间容易形成氢键，加上胆碱阳离子和黏土颗粒上的负电荷之间的静电作用， 导致胆碱阳离子和铵离子在黏土颗粒上的吸附比钾离子在晶格上的插入作用要 更强，也可以起到一定的包裹作用，防止黏土颗粒过度分散。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领 域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发 明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应 涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低共熔物类页岩抑制剂，其特征在于离子组成为：
2.根据权利要求1所述的一种低共熔物类页岩抑制剂的制备方法，其特征在于：所述低共熔物类页岩抑制剂由氯化胆碱和尿素加热搅拌合成。
3.根据权利要求2所述的一种低共熔物类页岩抑制剂的制备方法，其特征在于：所述氯化胆碱和尿素摩尔比为1：2。
4.根据权利要求2或3所述的一种低共熔物类页岩抑制剂的制备方法，其特征在于：所述低共熔物类页岩抑制剂由所述氯化胆碱和尿素在80～100℃油浴中搅拌加热2～4h，至反应混合物呈透明液体为止。
5.包括如权利要求1所述的一种低共熔物类页岩抑制剂作为钻井液页岩抑制剂的应用。
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