CN110437361A - 一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂及制备方法及应用 - Google Patents

一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂及制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂及制备方法及应用，其制备方法为包括(1)将聚合单体溶解在水中，pH值调节至5‑8；(2)将在上述溶液中加入引发剂，在机械搅拌下，60‑80℃反应2‑5h；(3)将反应结束后粘稠状的聚合物水溶液经冷冻干燥、粉碎后得到固体水基钻井液降滤失剂。本发明制备工艺简单，成本低，应用范围广，在高温高压、高矿化度下可以保证水基钻井液具有良好滤失的性能。

Description

一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂及制备方法及 应用
技术领域
本发明涉及的是水基钻井液处理剂技术领域，特别涉及一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂及制备方法及应用。
背景技术
随着油气资源的勘探与开发逐渐向深井、超深井发展，复杂地层环境(如高温、高压、大温差、大压差和高矿化度)对钻井液的性能带来了严峻的挑战。与此同时，对钻井液处理剂的性能也提出了更高的要求。降滤失剂作为水基钻井液的核心处理剂之一，滤失量的大小，直接关系到储层的保护和井筒的稳定性。在钻井液的循环过程中，一方面粘土粒子受高温作用会发生钝化现象，减弱了粘土粒子的水化能力，降低了处理剂在粘土粒子表面的吸附能力；另一方面处理剂在高温下会发生降解、交联和基团变异等变化，处理剂性能发生改变，都会导致钻井液滤失量猛增，钻井液性能恶化，造成油气储层破坏和井壁失稳等事故。此外，在深井、超深井的钻探过程中，会不可避免地钻遇到高盐、高钙等盐膏层，钙离子的侵入将导致钻井液的性能急剧恶化，极易发生钻井事故。目前，钻井用降滤失剂种类繁多，大多分为三类：天然及其改性高分子材料类(淀粉、纤维素、腐殖酸等)、合成树脂及其改性树脂类(酚醛树脂类)、合成聚合物(聚丙烯腈水解物、乙烯基多元共聚物)。天然及其改性高分子材料具有优异的抗盐抗钙污染性能，但受限于材料本身性能，其耐温性能较差，约130℃以上就会降解失去效果；合成树脂及其改性树脂类高温下分解，带来环境污染等问题，限制了其使用。合成聚合物类降滤失剂因可通过调控分子结构和功能基团改善其耐温、抗盐等性能，尤其是以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为主体的多元共聚物逐渐成为研究开发热点。中国专利CN102433108B公开了一种由丙烯酰胺、丙烯酸、烯基磺酸盐三元共聚得到的无规共聚物型降滤失剂，其在高温高盐条件下具有较好的降滤失特性，但含该降滤失剂的水基钻井液抗高价离子(如Ca2+、Mg2+)能力较差，易产生不溶沉淀物，降低了其使用效能。中国专利CN104263329B公开了一种由丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和衣康酸及某种特殊单体通过乳液聚合制备的钻井液用耐高温耐盐降滤失剂，在淡水、盐水、复合盐水和饱和盐水中均有良好的降滤失效果，抗温仅达200℃。中国专利CN104371675B公开了一种以包含酚类化合物、烯基磺酸或烯基磺酸盐、烯基酰胺和烯基烷酮为原料反应生成的共聚物，分子主链增加了苯环结构，增强了分子刚性，减弱了分子因热运动而引起的高温解吸附作用，且刚性基团促使聚合物分子在粘土表面形成了致密的水化壳，有效阻止离子的侵蚀，具有优良的耐高温抗盐钙性能，有效降低钻井液的滤失量，但其制备方法复杂、成本相对较高，达到钻井工程要求所需降滤失剂加量较高。
近些年来，钻井用降滤失剂的研究取得了一定的进展，但是仍有一些不足，尤其是在高温、高压、大温差、大压差和高矿化度等恶劣复杂地层环境下，虽然现有的部分降滤失剂在一定程度可以满足钻井要求，但仍存在用量过大导致钻井液流变性能难以控制等缺点。因此，研究开发一种耐高温抗盐钙污染的水基钻井液降滤失剂已迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是克服现有降滤失剂不适用于高温高盐的深部复杂地层环境的缺陷，提供一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂。
本发明的第二个目的是提供一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂的制备方法。
本发明的第三个目的是提供一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂的应用。
本发明还提供了一种水基钻井液，该水基钻井液含有本发明所述的共聚物作为水基钻井液降滤失剂。
本发明还提供了本发明所述的水基钻井液在高温高盐深部复杂油气储层钻井工程中的应用。
本发明的优点：
(1)本发明一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂制备过程中以水为溶剂，无污染，制备工艺简单，成本低，易实现工业化生产。
(2)本发明的一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂选用乙烯基类水溶性单体经自由基水溶液聚合得到主链为C-C链的聚合物，聚合物侧链含有大量热稳定性良好的吸附基团和水化基团，提高了共聚物在粘土粒子表面的吸附能力和增厚了粘土粒子的水化膜厚度，提高了粘土粒子之间的静电斥力，体系的Zeta电位升高，提高了水基钻井液体系的胶体稳定性。
(3)本发明一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂不易在高温高盐条件下在粘土粒子表面解吸附，提高了高温高盐条件下其在粘土粒子表面的吸附量，从而提高了制备的水基钻井液的抗高温抗盐性能，降低了钻井液体系的滤失量。
(3)用一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂制备的水基钻井液，在高温高压、高盐等深部复杂地层的钻探过程中，能够表现出较好的降滤失性能，有利于油气储层的保护和提高井壁的稳定性。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量依次将5份对苯乙烯磺酸钠单体、4.5份N，N-二甲基丙烯酰胺单体和0.5份衣康酸单体溶于35份蒸馏水中，调节pH值至5，搅拌均匀升温至60℃，得混合溶液；
(2)称取相当于步骤(1)单体总质量0.5％的引发剂过硫酸铵溶于5份蒸馏水，搅拌均匀得到引发剂溶液；
(3)将引发剂溶液匀速滴加至步骤(1)获得的混合溶液中，滴加时间为20min，滴加完毕后，升温至65℃，继续反应5h，得到粘稠状液体，冷冻干燥、粉碎，得到耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂，简称A1。
实施例2
一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量依次将7份对苯乙烯磺酸钠单体、2.5份丙烯酰胺类单体和1份马来酸单体溶于33份蒸馏水中，调节pH值至8，搅拌均匀升温至55℃，得混合溶液；
(2)称取相当于步骤(1)单体总质量的2.0％的引发剂过硫酸钾溶于7份蒸馏水，搅拌均匀得到引发剂溶液；
(3)将引发剂溶液匀速滴加至步骤(1)获得的混合溶液中，滴加时间为40min，滴加完毕后，升温至80℃，继续反应2h，得到粘稠状液体，冷冻干燥、粉碎，得到耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂，简称A2。
实施例3
一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量依次将6份对苯乙烯磺酸钠单体、3.5份N，N-二乙基丙烯酰胺单体和0.5份富马酸单体溶于35份蒸馏水中，调节pH值至6，搅拌均匀升温至60℃，得混合溶液；
(2)称取相当于步骤(1)单体总质量的1.0％的引发剂偶氮二异丁脒盐酸盐溶于6份蒸馏水，搅拌均匀得到引发剂溶液；
(3)将引发剂溶液匀速滴加至步骤(1)获得的混合溶液中，滴加时间为30min，滴加完毕后，升温至70℃，继续反应3h，得到粘稠状液体，并经冷冻干燥、粉碎后得到耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂，简称A3。
对比例1
耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量依次将8份对苯乙烯磺酸钠单体、1.5份N，N-二甲基丙烯酰胺单体和0.5份衣康酸单体溶于35份蒸馏水中，调节pH值至5，搅拌均匀升温至60℃，得混合溶液；
(2)称取相当于步骤(1)单体总质量0.5％的引发剂过硫酸铵溶于5份蒸馏水，搅拌均匀得到引发剂溶液；
(3)将引发剂溶液匀速滴加至步骤(1)得到的混合溶液中，滴加时间为30min，滴加完毕后，升温至65℃，继续反应2h，得到粘稠状液体，冷冻干燥、粉碎，得到耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂，简称D1。
对比例2
一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量依次将8份对苯乙烯磺酸钠单体、1份N，N-二乙基丙烯酰胺单体和1份富马酸单体溶于35份蒸馏水中，调节pH值至8，搅拌均匀升温至60℃，得混合溶液；
(2)称取相当于步骤(1)单体总质量的1.0％的引发剂过硫酸钾溶于5份蒸馏水，搅拌均匀得到引发剂溶液；
(3)将引发剂溶液匀速滴加至步骤(1)得到的混合溶液中，滴加时间为30min，滴加完毕后，升温至70℃，继续反应4h，得到粘稠状液体，冷冻干燥、粉碎，得到耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂，简称D2。
实验：
耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂的性能测试。
按照中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 5241-91《水基钻井液用降滤失剂评价程序》配制淡水基浆，其方法为：在500mL蒸馏水中加入20g膨润土，使用GJS-B12K型变频高速搅拌机在10000r/min的转速下搅拌20min，于室温下密闭养护24h，即得4％膨润土预水化基浆。
实施例1-3和对比例1-2制备的降滤失剂A1、A2、A3、D1和D2在淡水钻井液、饱和盐水钻井液和钙污染淡水钻井液的降滤失效果的测定，参照中国人民共和国国家标准GB/T16783.1-2014《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》测试程序，通过ZNS-2A型中压失水仪和GGS71-B型高温高压失水仪测试基浆体系的常温中压失水量FLAPI(测试温度：室温，压差100psi，30min)和高温高压失水量FLHTHP(测试温度：180℃，压差500psi，30min)。
应用实施例1
按照以下配方配制淡水钻井液FA1及滤失性能测试
将(1.5gA1)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到淡水钻井液FA1，测试淡水钻井液FA1在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃和240℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用实施例2
按照以下配方配制淡水钻井液FA2及滤失性能测试
将(1.5gA2)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到淡水钻井液FA2，测试淡水钻井液FA2在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃和240℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用实施例3
按照以下配方配制淡水钻井液FA3及滤失性能测试
将(1.5gA3)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到淡水钻井液FA3，测试水基钻井液FA3在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃和240℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用对比例1
按照以下配方配制淡水钻井液FD1及滤失性能测试
将(1.5g D1)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到淡水钻井液FD1，测试淡水钻井液FD1在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃和240℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用对比例2
按照以下配方配制淡水钻井液FD2及滤失性能测试
将(1.5g D2)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到淡水钻井液FD2，测试淡水钻井液FD2在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃和240℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用对比例3
按照以下配方配制淡水钻井液F3及滤失性能测试
将4％膨润土预水化基浆在10000r/min的转速下搅拌20min得到水基钻井液F3，测试淡水钻井液F3在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃和240℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
表1应用实施例1-3和应用对比例1-3配制的淡水钻井液老化前后的滤失量
由表1可知，含有本发明制备的降滤失剂的淡水钻井液即使经过240℃老化16h后仍具有优异的降滤失性能，表明本发明制备的降滤失剂具有优异的耐高温性能。
抗盐性能测试
应用实施例4
按照以下配方配制饱和盐水钻井液SBFA1及滤失性能测试
将(2.0gA1+34g NaCl)/(100mL 4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到饱和盐水钻井液SBFA1，测试饱和盐水钻井液SBFA1在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用实施例5
按照以下配方配制饱和盐水钻井液SBFA2及滤失性能测试
将(2.0gA2+34g NaCl)/(100mL 4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到饱和盐水钻井液SBFA2，测试饱和盐水钻井液SBFA2在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用实施例6
按照以下配方配制饱和盐水钻井液SBFA3及滤失性能测试
将(2.0gA3+34g NaCl)/(100mL 4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到饱和盐水钻井液SBFA3，测试饱和盐水钻井液SBFA3在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用对比例4
按照以下配方配制饱和盐水钻井液SBF1及滤失性能测试
将(34g NaCl)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到饱和盐水钻井液SBF1，测试饱和盐水钻井液SBF1在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用对比例5
按照以下配方配制饱和盐水钻井液SBFD1及滤失性能测试
将(2.0g D1+34g NaCl)/(100mL 4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到饱和盐水钻井液SBFD1，测试饱和盐水钻井液SBFD1在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用对比例6
按照以下配方配制饱和盐水钻井液SBFD2及滤失性能测试
将(2.0g D2+34g NaCl)/(100mL 4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到饱和盐水钻井液SBFD2，测试饱和盐水钻井液SBFD2在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
表2应用实施例4-6和应用对比例4-6配制的饱和盐水钻井液老化前后的滤失量。
由表2可知，与应用对比例4-6配制的饱和盐水钻井液(未含有本发明制备的降滤失剂)相比，含有一定量本发明制备的降滤失剂A1、A2和A3的饱和盐水钻井液的API和HTHP滤失量均明显降低，表明本发明制备的降滤失剂具有优良的抗盐性能。
抗钙污染性能测试
应用实施例7
按照以下配方配制钙污染水基钻井液CAFA1及滤失性能测试
将(2.0gA1+1.0g CaCl2)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到钙污染水基钻井液CAFA1，测试钙污染水基钻井液CAFA1在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用实施例8
按照以下配方配制钙污染水基钻井液CAFA2及滤失性能测试
将(2.0gA2+1.0g CaCl2)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到钙污染水基钻井液CAFA2，测试钙污染水基钻井液CAFA2在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用实施例9
按照以下配方配制钙污染水基钻井液CAFA3及滤失性能测试
将(2.0gA3+1.0g CaCl2)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到钙污染水基钻井液CAFA3，测试钙污染水基钻井液CAFA3在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用对比例7
按照以下配方配制钙污染水基钻井液CAF1及滤失性能测试
将(1.0g CaCl2)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到钙污染水基钻井液CAF1，测试钙污染水基钻井液CAF1在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用对比例8
按照以下配方配制钙污染水基钻井液CAFD1及滤失性能测试
将(2.0g D1+1.0g CaCl2)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到钙污染水基钻井液CAFD1，测试钙污染水基钻井液CAFD1在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
应用对比例9
按照以下配方配制钙污染水基钻井液CAFD2及滤失性能测试
将(2.0g D2+1.0g CaCl2)/(100mL4％膨润土预水化基浆)在10000r/min的转速下搅拌20min得到钙污染水基钻井液CAFD2，测试钙污染水基钻井液CAFD2在老化前及经BGRL-5型变频滚子加热炉180℃老化16h后的FLAPI和FLHTHP。
表3应用实施例7-9和应用对比例7-9配制的钙污染水基钻井液老化前后的滤失量
注：“—”代表未测试。
由表3可知，与应用对比例7-9配制的钙污染水基钻井液(未含有本发明制备的降滤失剂)相比，含有一定量本发明制备的降滤失剂A1、A2和A3的钙污染后的水基钻井液的API和HTHP滤失量均明显降低，表明本发明制备的降滤失剂具有优良的抗钙污染性能。
本发明的耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂具有制备工艺简单、成本低廉且应用范围广，可适用于淡水、盐水和饱和盐水及复合盐水钻井液体系，在高温高压、高盐等复杂地层环境仍具有优异的降滤失性能。该共聚物型降滤失剂引入了刚性侧基，增大了聚合物链的刚性，减弱聚合物链高温下热运动程度，在一定程度上减小了聚合物在粘土粒子表面解吸附的概率，增强了粘土粒子间的静电斥力，提高了水基钻井液体系的胶体稳定性，从而有效降低了水基钻井液的滤失量，对保护油气储层具有较大的意义。

Claims (8)

1.一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂的制备方法，其特征是包括如下步骤：
(1)按质量依次将5-7份对苯乙烯磺酸钠单体、2.5-4.5份丙烯酰胺类单体和0.5-1份不饱和多元羧酸类单体溶于33-35份蒸馏水中，调节pH值至5-8，搅拌均匀升温至55-60℃，得混合溶液；
(2)称取相当于步骤(1)单体总质量0.5％-2.0％的引发剂溶于5-7份蒸馏水，搅拌均匀得到引发剂溶液；
(3)将所述引发剂溶液匀速滴加至步骤(1)获得的混合溶液中，滴加时间为20min-40min，滴加完毕后，升温至65-80℃，继续反应2-5h，得到粘稠状液体，冷冻干燥、粉碎，得到耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤(1)为：按质量依次将6份对苯乙烯磺酸钠单体、3.5份丙烯酰胺类单体和0.5份不饱和多元羧酸类单体溶于35份蒸馏水中，调节pH值至6，搅拌均匀升温至60℃，得混合溶液。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤(2)为：称取相当于步骤(1)单体总质量1.0％的引发剂溶于6份蒸馏水，搅拌均匀得到引发剂溶液。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述丙烯酰胺类单体为丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺或N，N-二乙基丙烯酰胺。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述不饱和多元羧酸类单体为衣康酸、马来酸或富马酸。
6.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾或偶氮二异丁脒盐酸盐。
7.权利要求1-6之一的方法制备的一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂。
8.权利要求7的一种耐高温抗盐共聚物型水基钻井液降滤失剂制备水基钻井液的应用。
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