CN110396397B - 有机胺盐在钻井领域中的应用 - Google Patents

有机胺盐在钻井领域中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钻井领域，公开了具有式(I)所示结构的有机胺盐在钻井领域中的应用，
Figure DDA0002140859490000011
在式(I)中，R1为氢或C1‑C8的烷基；R2、R3、R4、R5相同或不同，各自独立地选自氢、C1‑C8的烷基；A‑为卤素离子或酸根离子，优选地A‑选自柠檬酸根、醋酸根、草酸根和酒石酸根中的至少一种。本发明所述有机铵盐能够抑制后续膨润土水化分散，同时兼具降粘效果，可有效调节高膨润土含量淡水钻井液流型。

Description

有机胺盐在钻井领域中的应用
技术领域
本发明涉及钻井领域，具体涉及有机胺盐在钻井领域中的应用。
背景技术
常规钻井液具有良好的抑制性，可有效抑制黏土矿物水化分散，保证体系般含在较低范围内，可有效提高机械钻速，提高井壁稳定性，但对于高膨润土含量的强造浆地层，强抑制作用的水基钻井液反而限制钻井液的应用，会造成体系胶体稳定性破坏，体系增稠，滤失量增大。因此，亟需改善将强抑制性钻井液用于高膨润土含量的强造浆地层时，所出现的胶体稳定性破坏、流动性变差、滤失量增大等的不良影响。
发明内容
本发明的目的是为了克服或改善将强抑制性钻井液用于高膨润土含量的强造浆地层时，所出现的胶体稳定性破坏、流动性变差、滤失量增大等的不良影响，提供了有机胺盐在钻井领域中的应用。
为了实现上述目的，本发明提供了一种具有式(I)所示结构的有机胺盐在钻井领域中的应用，
Figure BDA0002140859480000011
Figure BDA0002140859480000021
在式(I)中，R1为氢或C1-C8的烷基；R2、R3、R4、R5相同或不同，各自独立地选自氢、C1-C8的烷基；A-为卤素离子或酸根离子，优选地A-选自柠檬酸根、醋酸根、草酸根和酒石酸根中的至少一种。
在一种优选的实施方式中，将所述有机胺盐以固体或溶液的形式加入第一钻井液中形成第二钻井液；优选地，相对于100mL的第一钻井液，所述有机铵盐的用量为1.5-2.5g。
在另一种优选的实施方式中，使用有机胺盐制备第三钻井液，所述第三钻井液含有100重量份的水，0.5-20重量份的膨润土，1-3重量份的有机胺盐，1-3重量份的降滤失剂，1-3重量份的封堵剂，1-3重量份的降粘剂以及加重剂。
本发明所述有机铵盐能够抑制后续膨润土水化分散，同时兼具降粘效果，可有效调节高膨润土含量淡水钻井液流型。含有本发明所述有机铵盐的第二钻井液或第三钻井液具有良好的膨润土容耐限，本身膨润土含量可以达到160-180g/L，并且具有良好的流变性和流变稳定性。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供了具有式(I)所示结构的有机胺盐在钻井领域中的应用，
Figure BDA0002140859480000031
在式(I)中，R1为氢或C1-C8的烷基；R2、R3、R4、R5相同或不同，各自独立地选自氢、C1-C8的烷基；A-为卤素离子或酸根离子，优选地A-选自柠檬酸根、醋酸根、草酸根和酒石酸根中的至少一种。
优选地，R1为氢或C1-C4的烷基；R2、R3、R4、R5相同或不同，各自独立地选自氢、C1-C4的烷基；A-为柠檬酸根和/或醋酸根。
为了进一步提高钻井液在高膨润土含量的强造浆地层中的流变稳定性同时保证抑制性，优选地，所述有机胺盐为哌嗪的醋酸盐、N-乙基哌嗪的醋酸盐、N-甲基哌嗪的醋酸盐、2-甲基哌嗪的醋酸盐、哌嗪的柠檬酸盐、N-乙基哌嗪的柠檬酸盐、N-甲基哌嗪的柠檬酸盐和2-甲基哌嗪的柠檬酸盐中的至少一种。
根据本发明所述的有机胺盐在钻井领域中的应用，优选地，在高膨润土含量淡水钻井液中的应用；更优选地，所述有机胺盐用作钻井液中的抑制剂。
根据本发明所述的有机胺盐在钻井领域中的应用，在一种实施方式中，将所述有机胺盐以固体或溶液的形式加入第一钻井液中以形成第二钻井液；
优选地，相对于100mL的第一钻井液，所述有机铵盐的用量为1-4g，优选为1.5-2.5g。
在一种实施方式中，将所述有机胺盐以水溶液的形式加入第一钻井液中，在所述水溶液中，有机胺盐的浓度为20-50重量％。所述水溶液包括但不限于30重量％的哌嗪的乙酸盐水溶液、30重量％的N-甲基哌嗪的柠檬酸盐水溶液以及含有20重量％的哌嗪的柠檬酸盐和20重量％的2-甲基哌嗪的乙酸盐的水溶液。
根据本发明，所述第一钻井液可以为本领域已知的任何具有强抑制性的水基钻井液(包括现有的或新制备的)，为了有效抑制后续膨润土水化分散，同时确保其较好的降粘效果，优选地，所述第一钻井液包括但不限于聚合物类钻井液、硅基钻井液、氯化钾盐水钻井液和氯化钠盐水钻井液。
根据本发明所述的有机胺盐在钻井领域中的应用，在一种优选的实施方式中，使用本发明所述有机胺盐制备第三钻井液，使得所述第三钻井液含有100重量份的水，0.5-20重量份的膨润土，1-3重量份的有机胺盐，1-3重量份的降滤失剂，1-3重量份的封堵剂，1-3重量份的降粘剂以及加重剂。
优选地，所述第三钻井液包含100重量份的水，6-10重量份的膨润土、1.2-2重量份的有机胺盐，1.2-2重量份的降滤失剂，1.5-2.5重量份的封堵剂，1.5-2.5重量份的降粘剂以及加重剂，所述有机胺盐选自哌嗪的柠檬酸盐、N-乙基哌嗪的柠檬酸盐、N-甲基哌嗪的柠檬酸盐中的至少一种。优选地，所述加重剂的用量使得所述钻井液的密度为1.15-2g/cm3。
根据本发明，为了进一步提高钻井液在高膨润土含量的强造浆地层中的流变稳定性同时保证抑制性，优选地，所述降滤失剂选自聚阴离子纤维素、丙烯酸盐类共聚物和水解聚丙烯腈铵盐中的至少一种。优选地，聚阴离子纤维素满足GB 5005-2010要求，丙烯酸盐类共聚物满足SY/T 5660-1995中PAC-142要求，水解聚丙烯腈铵盐满足Q/SY 17089-2016要求。
根据本发明，为了进一步提高钻井液在高膨润土含量的强造浆地层中的流变稳定性同时保证抑制性，优选地，所述封堵剂选自天然沥青、磺化沥青、聚乙烯蜡和密胺树脂中的至少一种。优选地，天然沥青满足SY/T 5665-2018，聚乙烯蜡的重均分子量在3000-5000，软化点在103-110℃之间，密胺树脂的重均分子量为1500-2500，粒径范围在325-600目。
根据本发明，为了进一步提高钻井液在高膨润土含量的强造浆地层中的流变稳定性同时保证抑制性，优选地，所述降粘剂为通式(M)3SiOX表示的化合物，其中，M为C1-C8的烷基，X为Na或K；优选地，M为C1-C4的烷基，X为Na或K。为了拆散膨润土网间结构力，降低钻井液粘度，优选地，所述降粘剂选自甲基硅醇钠和甲基硅醇钾中的至少一种。
根据本发明，加重剂的含量并不做特别限定，可以根据所需钻井液的密度调整加重剂的用量，使得所述第三钻井液的密度为1.15-2g/cm3。为了实现与第三钻井液中各组分的匹配，所述加重剂优选为重晶石。
为了有效控制第三钻井液体系流型及滤失量，在一种优选的实施方式中，所述有机胺盐、降滤失剂、封堵剂的重量含量比为1：(1-3)：(1-3)，优选为1：(1-1.5)：(1.5-2)。
根据本发明，使用有机胺盐制备第三钻井液可以通过本领域已知的各种方法，优选地，所述方法包括以下步骤：
(1)将水与膨润土进行第一混合，得到第一混合物；
(2)将第一混合物与降滤失剂、封堵剂进行第二混合，得到第二混合物；
(3)将第二混合物与有机胺盐进行第三混合，得到第三混合物；
(4)向第三混合物加入加重剂。
其中，在步骤(2)和/或步骤(3)中添加降粘剂。
在步骤(1)-(3)中，所述第一混合、第二混合、第三混合的条件可以根据本领域现有技术来选择，只要能够实现分散的目的即可。
优选地，在步骤(4)，加入加重剂调节钻井液的密度，使钻井液的密度为1.15-2g/cm3。
本发明所述有机铵盐用于钻井液中的有益效果包括：
(1)常规有机胺类抑制剂(如聚醚胺、多乙烯多胺类衍生物、季铵盐等)中氮原子作为主要作用因子，可迅速作用，抑制黏土矿物水化分散，但该类有机胺抑制剂仅能应用于盐水钻井液或低膨润土含量的淡水钻井液，如在高膨润土含量淡水钻井液中加入该类有机胺，会造成钻井液破胶，影响现场施工。由于其特殊的结构，本发明所述的有机胺盐具有一定延迟抑制作用，在高膨润土含量的淡水钻井液中加入后不会造成瞬间吸附，不会造成钻井液破胶，对现场施工无影响；
(2)本发明所述有机胺属于小分子有机胺，氮原子仍能镶嵌于膨润土晶格之间，抑制后续膨润土继续水化分散；
(3)该有机胺采用乙酸、柠檬酸等酸根作为保护基团，该保护基团相当于在膨润土表面形成水化膜，减弱膨润土之间吸附作用，对钻井液起到良好的降粘效果。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例、对比例所使用的原料如下：
水解聚丙烯腈铵盐：购自石家庄华信泥浆助剂有限公司公司，牌号为NH4-HPAM。
硅稳定剂：购自中国石油集团大港油田工程有限公司，牌号为GCY-I。
磺化沥青：购自河南省新乡市第七化工有限公司，牌号为FH-I。
聚阴离子纤维素：购自重庆力宏精细化工有限公司，牌号为石油级低粘PAC。
聚乙烯蜡：购自青岛赛诺新材料有限公司，牌号为110D；
哌嗪的柠檬酸盐：购自济南恒佳化工技术开发有限公司；
N-甲基哌嗪的柠檬酸盐、2-甲基哌嗪的乙酸盐为参照“桂皮酸哌嗪盐的合成研究”(《广州化工》2017年07期)记载的方法在实验室内合成；
聚醚胺购自巴斯夫公司，牌号为D-230；
聚胺抑制剂购自中海油田服务股份有限公司，牌号为PF-UHIB。
实施例1-3、对比例1-2
1、基浆配制
将500mL蒸馏水、33g钻井液配浆用膨润土、2.4g无水碳酸钠、46.2g评价土在容器中混合搅拌，期间至少停两次，以刮下粘附在容器壁上的粘土，并在25℃密闭养护24h。
2、室温造浆抑制率的测试
取两份配好的基浆，将其中的一份在高速搅拌20min，在25℃温度下，用旋转粘度计测Φ100读数(Φ100读数应在60±10范围内)；向另一份基浆中加入5g试样(试样如表1所示，形成试样浆)，高速搅拌20min后，在25℃温度下(如上述条件)，用旋转粘度计测Φ100读数。室温造浆抑制率按公式(1)计算，结果如表1所示。
Figure BDA0002140859480000071
公式(1)中：
N1——室温造浆抑制率，％；
Φ1001——基浆的Φ100读数；
Φ1002——试样浆的Φ100读数。
3、100℃下老化16小时后造浆抑制率的测试
取试样浆和基浆分别放入养护罐中，于100℃的滚子炉中滚动养护16h。取出养护罐，冷却至室温后倒入高搅杯中，高速搅拌5min，用旋转粘度计分别测试基浆和试样浆的Φ100读数。100℃下的造浆抑制率按公式(2)计算，结果如表1所示。
Figure BDA0002140859480000081
公式(2)中：
N2——100℃下的造浆抑制率，％；
Φ1003——基浆的Φ100读数；
Φ1004——试样浆的Φ100读数。
表1
Figure BDA0002140859480000082
从表1可以看出，与现有技术常用的有机铵相比，本发明所述的有机胺盐对膨润土具有良好的抑制水化分散作用，具有与现有技术有机胺相当的造浆抑制率。
实施例4-7、对比例3-5
用于说明将本发明所述有机铵盐用于现有的钻井液(大港油田高膨润土含量的钻井液，硅基井浆，密度为1.36g/cm3，坂含为157.3g/L)中的情形，所使用的钻井液的组成如表2所示。对加入试样前、后钻井液的旋转粘度(50℃下)进行测试(参照GB16783.1-2014章节6.3)，结果如表3所示。
表2
Figure BDA0002140859480000091
表3
Figure BDA0002140859480000092
表3中，Ф200、Ф100、Ф6、Ф3分别表示满足GB16783.1要求的直读式粘度计测得的外筒在转速分别为200r/min、100r/min、6r/min、3r/min情况下的读值。
从表3可以看出，本发明的有机胺加入高膨润土含量的钻井液后，不仅未出现破胶现象，还具有良好的降粘效果，而采用常规有机胺加入后体系破胶，无流动性，不能满足现场施工要求。
实施例8
使用含有本发明所述铵盐按照以下方法制备钻井液A1。
(1)称取400mL水，在8000r/min的转速下，边搅拌边加入40g膨润土，搅拌20min，得到第一混合物；
(2)向第一混合物中依次加入降滤失剂(聚阴离子纤维素，8g)、封堵剂(聚乙烯蜡，10g)，搅拌30min，得到第二混合物；
(3)向第二混合物中加入降粘剂(甲基硅醇钠，10g)、8g N-甲基哌嗪的柠檬酸盐，搅拌15min；
(4)加入重晶石至钻井液的密度为1.40g/cm3，搅拌45min，制得钻井液A1。所述钻井液A1包含：100重量份的水、10重量份的膨润土、2重量份的N-甲基哌嗪的柠檬酸盐、2重量份的聚阴离子纤维素、2.5重量份的聚乙烯蜡、2.5重量份的甲基硅醇钠和重晶石。
对比例6
参照实施8所述的方法制备钻井液，不同的是，使用聚醚胺代替N-甲基哌嗪的柠檬酸盐，制得钻井液D1。所述钻井液D1包含：100重量份的水、10重量份的膨润土、2重量份的聚醚胺、2重量份的聚阴离子纤维素、2.5重量份的聚乙烯蜡、2.5重量份的甲基硅醇钠和重晶石。
取相同量的钻井液A1、D1，分别向钻井液A1、D1中加入膨润土至体系中膨润土含量达到180g/L。观察加入膨润土之后体系的流变状态，并观察该体系的稳定性。结果如表4所示。
表4
编号 所观察的现象
实施例8 流动性良好
对比例6 破胶，无流动性
由表4可知，使用本发明所述的有机胺盐，即使在高膨润土含量的钻井中(例如膨润土含量达到180g/L)，仍然未出现破胶现象，并且还具有良好的降粘效果，而使用常规有机胺，则出现破胶，钻井液无流动性，不能满足现场施工要求。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有式(I)所示结构的有机胺盐在钻井领域抑制剂中的应用，
Figure FDA0003015661260000011
在式(I)中，R1为氢或C1-C4的烷基；R2、R3、R4、R5相同或不同，各自独立地选自C1-C4的烷基；A-为柠檬酸根和/或醋酸根。
2.根据权利要求1所述的应用，其中，所述有机胺盐为哌嗪的醋酸盐、N-乙基哌嗪的醋酸盐、N-甲基哌嗪的醋酸盐、2-甲基哌嗪的醋酸盐、哌嗪的柠檬酸盐、N-乙基哌嗪的柠檬酸盐、N-甲基哌嗪的柠檬酸盐和2-甲基哌嗪的柠檬酸盐中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的应用，其中，将所述有机胺盐以固体或溶液的形式加入第一钻井液中以形成第二钻井液。
4.根据权利要求3所述的应用，其中，相对于100mL的第一钻井液，所述有机铵盐的用量为1-4g。
5.根据权利要求3或4所述的应用，其中，相对于100mL的第一钻井液，所述有机铵盐的用量为1.5-2.5g。
6.根据权利要求3或4所述的应用，其中，将所述有机胺盐以水溶液的形式加入第一钻井液中，在所述水溶液中，有机胺盐的浓度为20-50重量％。
7.根据权利要求3或4所述的应用，其中，所述第一钻井液为聚合物类钻井液、硅基钻井液、氯化钾盐水钻井液或氯化钠盐水钻井液。
8.根据权利要求1所述的应用，其中，使用有机胺盐制备第三钻井液，所述第三钻井液含有100重量份的水，0.5-20重量份的膨润土，1-3重量份的有机胺盐、1-3重量份的降滤失剂，1-3重量份的封堵剂，1-3重量份的降粘剂以及加重剂。
9.根据权利要求8所述的应用，其中，使用有机胺盐制备第三钻井液的方法包括以下步骤：
(1)将水与膨润土进行第一混合，得到第一混合物；
(2)将第一混合物与降滤失剂、封堵剂进行第二混合，得到第二混合物；
(3)将第二混合物与有机胺盐进行第三混合，得到第三混合物；
(4)向第三混合物加入加重剂；
其中，在步骤(2)和/或步骤(3)中添加降粘剂。
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