CN109679593B - 含硅的两性离子型包被抑制剂及其制备方法 - Google Patents

含硅的两性离子型包被抑制剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于水基钻井液的含硅的两性离子型包被抑制剂及其制备方法。该包被抑制剂由中性单体、阴离子单体、阳离子单体、硅类单体共聚而成。本发明的优点在于,通过分子结构的设计,使较快的电荷吸附和较强的化学反应偶联作用结合,以提供一种吸附速度快、吸附强度高的包被抑制剂,且该包被抑制剂通过反相悬浮聚合来制备,制备过程后处理相对简单,且形成的珠状颗粒易于分散溶解于水相中,有利于现场应用。

Description

含硅的两性离子型包被抑制剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种两性离子型包被抑制剂,具体为一种用于水基钻井液的含硅的两性离子型包被抑制剂及其制备方法。
背景技术
随着石油勘探开发不断往深层、难勘探区域发展,深井、超深井、大角度井、水平井、定向井等高难度井位在不断的增加,如何解决井壁稳定、上部地层起下钻阻卡严重等问题必须加以面对和解决。为使井壁稳定、防止垮塌,对各种新型的钻井添加剂如抑制剂等提出了更高的性能要求,同时,在解决技术问题的同时,由于油价的降低,对开发成本也越来越关注,高性能的同时,如何降低或是不显著增加成本也必须加以考虑。包被抑制剂是一类常规的钻井助剂,其在接触钻屑时,可以吸附在钻屑表面,包被并抑制钻屑的进一步水化分散,防止钻屑对钻井液的增稠作用,维持钻井液体系稳定,进而使井壁稳定、钻井施工顺利进行,因此在钻井助剂技术进步时也多被关注。
中国专利CN103484085B公开了一种速溶型强包被抑制剂及其制备方法,以丙烯酰胺等非离子单体和二甲基二烯丙基氯化铵等阳离子单体采用乳液聚合的方式来合成,阳离子单体投量甚至高达单体总量的50%,该产品抑制性能较强、合成结束后不存在复杂的后处理过程,溶解速度快,但是这类乳液状包被抑制剂的有效物含量仅在30%左右,加量大且用到大量的油相,成本比较高,另外阳离子单体浓度过高时,容易导致钻井液中增粘用坂土的絮凝或是在钻井液中架桥形成网络结构而增加钻井液体系的粘度,给钻井液的流变稳定性调控增加难度。专利CN103952126B公开了一种钻井液用抗盐包被剂及其制备方法,由丙烯酰胺、丙烯酸、二甲基二烯丙基氯化铵和硅酸钠等共聚而成,其中丙烯酰胺、丙烯酸以及二甲基二烯丙基氯化铵形成共聚物,硅酸钠水解成硅酸凝胶,可以起到提高抗温性、提高包被能力目的,但阳离子单体二甲基二烯丙基氯化铵等的投量还是较高,另外产物实际是两种凝胶的复合物,两者之间不存在化学作用,在使用过程中可能存在二者分离的情况,使得性能的控制比较困难,本产品为粉末状,在添加到钻井液中时,比较容易出现结块等现象,使得溶解困难。
发明内容
本发明提供了一种含硅的两性离子型包被抑制剂及其制备方法,在保持较强吸附抑制能力的同时,克服了现有技术的不足,可以使得包被抑制剂具有相对较快的溶解速度、同时避免高阳离子单体投量带来的絮凝、增粘的现象,且产品后处理相对简单。
本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的:含硅的两性离子型包被抑制剂,由中性单体、阴离子单体、阳离子单体、硅类单体四种共聚而成,其中,中性单体选自丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中的一种;阴离子型单体选自丙烯酸钠、丙烯酸钾、甲基丙烯酸钠、甲基丙烯酸钾、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠中的一种;阳离子型单体选自二烯丙基二甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种;硅类单体选自可聚合有机硅单体,优选自甲基乙烯基氯硅烷、乙烯基三氯硅烷。
本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的:制备一种含硅的两性离子型包被抑制剂的方法,包括下述步骤:(1)中性单体、阴离子单体、阳离子单体、硅类单体、乳化剂和水混合,搅拌形成单体溶液,四种单体在单体溶液中的质量浓度为30-60%;(2)分散剂和有机溶剂搅拌混合形成油相;(3)将单体溶液与油相混合,加入引发剂,搅拌形成悬浮相后,升温至40-75℃进行反相悬浮聚合1-4小时;(4)反应结束后,在减压条件下共沸除水,所得颗粒经过滤、干燥即得产品。
步骤(1)中四种单体的比例,按重量计,中性单体:阴离子单体:阳离子单体:硅类单体为40-60:30-50:2-8:2-10;步骤(2)中分散剂和有机溶剂的质量比为0.1-4:60-100;步骤(3)中单体溶液、有机溶剂、引发剂的质量比为10-40:60-90:0.003-0.24。
单体溶液中的乳化剂选择非离子表面活性剂或阴离子表面活性剂,优选烷基聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基聚氧乙烯醚硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚硫酸钠中的一种。
油相中所述有机溶剂选自正己烷、环己烷中的一种。所述分散剂选自工业乳化剂失水山梨醇脂肪酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯之一或其混合物。
聚合所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐中的一种。
本发明所述的含硅的两性离子型包被抑制剂,通过在丙烯酰胺等中性单体、丙烯酸钠等阴离子型单体的共聚物中引入氯硅烷功能基团,使得该类聚合物在钻井液中应用时通过硅元素的化学反应形成与钻屑、粘土的化学键合,提高吸附强度和能力。另外,所述包被剂中增加了少量的阳离子基团,可以通过电荷作用产生较快的吸附,但又不至于产生强烈的絮凝作用,以弥补氯硅烷功能基团发生化学反应相对偏慢的不足,达到快速产生包被抑制性的目的。在阴离子基团、阳离子基团及氯硅烷功能基团的共同作用下,这种包被抑制剂具有更好的包被抑制效果,同时对钻井液的流变性影响小。本发明所述的一种含硅的两性离子型包被抑制剂,采用反相悬浮聚合方式来制备,后处理时通过共沸即可得到较干燥的圆珠状细小颗粒产品。
本发明的优点在于,通过阳离子单体和有机硅单体的共聚合,使得制备的聚合物中较快的电荷吸附和较强的化学反应偶联作用结合,产生了吸附速度快、吸附强度高的效果,且该包被抑制剂通过反相悬浮聚合来制备,制备过程后处理相对简单,且形成的珠状颗粒易于分散溶解于水相中,避免了常规粉状包被抑制剂容易产生“鱼眼”现象的不足,有利于现场应用。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明,其目的仅在于更好的理解本发明而非限制本发明保护的范围。
实施例1
将40.00g丙烯酰胺、50.00g丙烯酸钠、8.00g二烯丙基二甲基氯化铵、2.00g甲基乙烯基氯硅烷、0.5g烷基聚氧乙烯醚和233.33g水混合,搅拌溶解形成单体溶液备用;往四口烧瓶加入120.00g环己烷和0.20g失水山梨醇单十二酸酯分散剂,搅拌溶解;取配制好的单体溶液13.35g,逐渐滴加至装有油相的烧瓶中,形成反相悬浮液,并加入0.003g过硫酸钾,在氮气氛围下加热至50℃后保持自反应1小时,反应结束后抽真空共沸除水,待分水器中下层水相不再明显增加时,停止共沸,降温并过滤出所得聚合物粒子,经80℃真空干燥后得样品。
实施例2
将60.00g丙烯酸、30.00g甲基丙烯酸钾、5.00g二烯丙基二甲基氯化铵、5.00g乙烯基三氯硅烷、1.00g十二烷基苯磺酸钠和66.67g水混合,搅拌溶解形成单体溶液备用;往四口烧瓶加入100.00g环己烷和4.00g聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯分散剂,搅拌溶解;取配制好的单体溶液69.33g,逐渐滴加至装有油相的烧瓶中,形成反相悬浮液,并加入0.42g偶氮二异丁脒盐酸盐,在氮气氛围下加热至45℃后保持自反应4小时,反应结束后抽真空共沸除水,待分水器中下层水相不再明显增加时,停止共沸,降温并过滤出所得聚合物粒子,经80℃真空干燥后得样品。
实施例3
将50.00g丙烯酰胺、32.00g丙烯酸钾、8.00g二烯丙基二甲基氯化铵、10.00g乙烯基三氯硅烷、2.00g烷基酚聚氧乙烯醚OP-10和150.00g水混合,搅拌溶解形成单体溶液备用;往四口烧瓶加入100.00g环己烷、1.00g聚氧乙烯失水山梨醇单油酸酯和1.00g失水山梨醇单十二酸酯分散剂,搅拌溶解;取配制好的单体溶液51.00g,逐渐滴加至装有油相的烧瓶中,形成反相悬浮液,并加入0.10g过硫酸铵,在氮气氛围下加热至55℃后保持自反应2小时,反应结束后抽真空共沸除水,待分水器中下层水相不再明显增加时,停止共沸,降温并过滤出所得聚合物粒子,经80℃真空干燥后得样品。
实施例4
对合成的聚合物类包被抑制剂,进行室内评价,其包被抑制性能由岩屑滚动回收率表征。
岩屑滚动回收率:参照标准《SY-T5613-2000泥页岩理化性能试验方法》测试泥页岩在清水以及聚合物类包被抑制剂溶液中的岩心滚动回收率。具体步骤:称取4-8目岩心20.0g,加至高温老化釜中,随后将350 mL去离子水或1.0 wt%浓度的聚合物类包被抑制剂溶液加入老化釜,80℃热滚16h后,将岩心过100目筛,筛留物105℃干燥4h,干燥器内冷却至室温,称重。回收岩屑的重量与初始岩屑重量之比即为一次岩心回收率。
表1 岩屑滚动回收率
样品 岩屑质量(g)滚后/滚前 回收率(%)
清水样 9.18/20 45.90
实施例1 19.13/20 95.65
实施例2 19.25/20 96.25
实施例3 19.56/20 97.80

Claims (8)

1.一种含硅的两性离子型包被抑制剂,其特征在于由中性单体、阴离子单体、阳离子单体、硅类单体四种共聚而成;其中,所述中性单体和阴离子单体为丙烯酰胺与丙烯酸钠、丙烯酸与甲基丙烯酸钾、丙烯酰胺与丙烯酸钾的组合之一;所述阳离子型单体选自二烯丙基二甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种;所述硅类单体为可聚合有机硅单体,选自甲基乙烯基氯硅烷或者乙烯基三氯硅烷;
所述含硅的两性离子型包被抑制剂的制备方法包括下述步骤:
(1)中性单体、阴离子单体、阳离子单体、硅类单体、乳化剂和水混合,搅拌形成单体溶液,四种单体在单体溶液中的质量浓度为30-60%;所述中性单体:阴离子单体:阳离子单体:硅类单体质量比为40-60:30-50:2-8:2-10;
(2)分散剂和有机溶剂搅拌混合形成油相;
(3)将单体溶液与油相混合,加入引发剂,搅拌形成悬浮相后,升温至40-75℃进行反相悬浮聚合1-4小时;
(4)反应结束后,在减压条件下共沸除水,所得颗粒经过滤、干燥即得产品。
2.一种制备如权利要求1所述的含硅的两性离子型包被抑制剂的方法,其特征在于包括下述步骤:
(1)中性单体、阴离子单体、阳离子单体、硅类单体、乳化剂和水混合,搅拌形成单体溶液,四种单体在单体溶液中的质量浓度为30-60%;
(2)分散剂和有机溶剂搅拌混合形成油相;
(3)将单体溶液与油相混合,加入引发剂,搅拌形成悬浮相后,升温至40-75℃进行反相悬浮聚合1-4小时;
(4)反应结束后,在减压条件下共沸除水,所得颗粒经过滤、干燥即得产品。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于分散剂和有机溶剂的质量比为0.1-4:60-100。
4.如权利要求2所述的方法,其特征在于所述单体溶液、有机溶剂、引发剂的质量比为10-40:60-90:0.003-0.24。
5.如权利要求2所述的方法,其特征在于所述乳化剂为非离子表面活性剂或阴离子表面活性剂,选自烷基聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、烷基聚氧乙烯醚硫酸钠、烷基酚聚氧乙烯醚硫酸钠中的一种。
6.如权利要求2所述的方法,其特征在于所述有机溶剂选自正己烷、环己烷中的一种。
7.如权利要求2所述的方法,其特征在于所述分散剂选自工业乳化剂失水山梨醇脂肪酸酯、聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯之一或其混合物。
8.如权利要求2所述的方法,其特征在于所述引发剂选自过硫酸钾、过硫酸铵、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐中的一种。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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