CN110452670A - 水基钻井液用降滤失剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水基钻井液用降滤失剂及其制备方法，属于钻井液技术领域。所述降滤失剂为油包水乳液状，分散性良好，现场使用方便。所述降滤失剂可平衡降滤失性能和流变性之间的矛盾，不仅具有良好的降滤失能力，而且还可以辅助调节钻井液的流变性。所述降滤失剂包括以下组分：丙烯酰胺、2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵、甲酸钠、氢氧化钠、过硫酸铵、司盘80、司盘20、水、白油。所述降滤失剂用于钻井过程加入到水基钻井液中，控制滤失量。
Description
技术领域
本发明涉及钻井液技术领域，尤其涉及一种水基钻井液用降滤失剂及其制备方法。
背景技术
在钻井过程中，由于压差的作用，钻井液中的水分不可避免地通过井壁滤失到地层中，造成钻井液失水。随着水分进入地层，钻井液中粘土颗粒便附着在井壁上形成“滤饼”，形成一个滤饼井壁。由于滤饼井壁比原来的井壁致密得多，所以它一方面阻止了钻井液的进一步失水，一方面起到了保护井壁的作用。但是钻井液滤失量(滤失量是指对钻井液进行压滤试验时，通过过滤介质和所形成泥饼的滤液体积)过大，易引起页岩膨胀和坍塌，造成井壁不稳定。此外，滤失量增大的同时滤饼增厚，使井径缩小，给旋转的钻具造成较大的扭矩，起下钻时引起抽汲和压力波动，易造成压差卡钻。因此，适当地控制滤失量是钻井液的重要性能之一。
降滤失剂是一种能降低钻井液滤失量的化学剂。常用的降滤失剂类型包括羧甲基纤维素纤维素、腐殖酸及其衍生物、树脂类如磺甲基酚醛树脂、改性淀粉类如羧甲基淀粉、丙烯酰胺类聚合物。其中，丙烯酰胺类聚合物性能优良，价格便宜，具有良好的增稠、降阻、降滤失等作用，但抗盐抗温性能较差。为了提升抗盐、抗温能力，这些聚合物添加有大量的磺酸基团，磺酸基团使其具有抗盐、抗酸、抗碱及热稳定性(如中国专利申请CN101864030、CN104926986、CN104497995、CN 108676129)。
但以上这些聚合物通常为固体粉末状，现场使用不方便，溶解时间较长。为了提高现场应用性，后续提出了乳液型降滤失剂(如中国专利申请CN 103694407)。不足的是，磺酸基团的引入提升了水化效果，但水化效果太强会有明显的降黏度、切力的副作用，不利于流变性调节。且聚合物的加量过高，在高盐环境中使用成本激增。
发明内容
本发明提供一种钻井液用降滤失剂，具有较高降滤失性能的同时降低了降黏、切力等副作用；并且能够减少聚合物加量，降低成本。
本发明提供一种钻井液用降滤失剂，以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵(MAPTAC)为主要成分引入甲酸钠、司盘80、司盘20，得到一种基于反聚电解质效应研发的一种平衡态的聚合物。
本发明提供一种钻井液用降滤失剂，包括以下重量份的组分：
丙烯酰胺10-25份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸2-8份、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵2-8份、甲酸钠1-5份、氢氧化钠0.4-0.8份、过硫酸铵0.01-0.1份、司盘80 2-10份、司盘20 0.1-0.5份、水40份、白油15-30份。
进一步地，本发明提供一种钻井液用降滤失剂，包括以下重量份的组分：丙烯酰胺15-20份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸4-6份、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵4-5份、甲酸钠3-3.5份、氢氧化钠0.58-0.62份、过硫酸铵0.03-0.05份、司盘80 4-6份、司盘20 0.25-0.3份、水40份、白油20-25份。
进一步地，司盘80与司盘20的重量份之比为(15-20):1。
进一步地，前述任一降滤失剂为乳液型降滤失剂。
本发明提供的降滤失剂是一种油包水乳液状聚合物，是一种是基于反聚电解质效应研发的一种平衡态的聚合物。这种聚合物在溶液中的构象变化是随盐浓度的增加而伸展分子链，与一般的聚合物的情况完全相反。这种对盐的响应使之能够在高盐环境下充分发挥作用，形成“水-聚合物-盐”的热力学稳定的分散体系，保证了高温稳定性。基于与膨润土之间的静电相互作用，超分子降滤失剂不仅能够促进土的分散，形成致密的滤饼，且能够起到增强剪切稀释性的流变性调节作用。
又一方面，本发明还提出前述任一降滤失剂的制备方法，包括以下步骤：
在常温条件下，将水、丙烯酰胺、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰胺基三甲基氯化铵、甲酸钠、氢氧化钠、司盘20混合制备水相；
在常温条件下，将白油、司盘80混合制备油相；
将水相、油相充分混合得到乳化基液；
将乳状基液置于反应釜中，充氮后加入过硫酸铵作为引发剂进行反应，反应结束后，冷却即可得到钻井液用降滤失剂。
进一步地，上述充氮后加入过硫酸铵作为引发剂进行反应，在60～80℃下恒温进行20h～50h。
本发明具有如下优势：
1、与盐具有良好的相容性，抗盐可以达饱和，盐含量越高则性能越显著。
2、具备优异的抗温能力，在高盐、高温环境下能够稳定地发挥作用，单剂抗温可达150℃，加入钻井液可抗温150℃以上。
3、可平衡降滤失性能和流变性之间的矛盾，不仅具有良好的降滤失能力，而且还可以辅助调节钻井液的流变性。
4、本产品性状为油包水乳液状，分散性良好，现场使用方便，且制备容易，反应调节温和。
与现有技术相比，丙烯酰胺聚合物类降滤失剂，磺酸基团的引入提升了水化效果，但水化效果太强会有明显的降黏度、切力的副作用，不利于流变性调节。且聚合物的加量过高，在高盐环境中使用成本激增。减少磺酸基团，则使用过程中，降滤失性能不佳，需要的降滤失剂浓度高，降滤失性能和流变性调节不能很好的协调。本发明提供的降滤失剂，以AM、AMPS、MAPTAC为主要成分引入甲酸钠、司盘80、司盘20，得到一种基于反聚电解质效应研发的一种平衡态的聚合物。该聚合物与一般的聚合物的情况完全相反，其在在溶液中的构象变化是随盐浓度的增加而伸展分子链，这种对盐的响应使之能够在高盐环境下充分发挥作用，形成“水-聚合物-盐”的热力学稳定的分散体系，保证了高温稳定性。基于与膨润土之间的静电相互作用，超分子降滤失剂不仅能够促进土的分散，形成致密的滤饼，且能够起到增强剪切稀释性的流变性调节作用。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于丙烯酰胺聚合物类降滤失剂，磺酸基团的引入提升了水化效果，但水化效果太强会有明显的降黏度、切力的副作用，不利于流变性调节。且聚合物的加量过高，在高盐环境中使用成本激增。减少磺酸基团，则使用过程中，降滤失性能不佳，需要的降滤失剂浓度高，降滤失性能和流变性调节不能很好的协调。
本发明提供一种降滤失剂，以AM、AMPS、MAPTAC为主要成分，引入甲酸钠、司盘80、司盘20、白油等，形成一种基于反聚电解质效应研发的一种平衡态的聚合物，能够在较少聚合物加量的情况下保持较高的降滤失性能，同时很好地平衡了引入磺酸基团所导致的水化效果太强引起的流变性调节问题。
本发明一实施例提供一种降滤失剂，包括如下重量份的组分：
丙烯酰胺(AM)10-25份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)2-8份、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵(MAPTAC)2-8份、甲酸钠1-5份、氢氧化钠0.4-0.8份、过硫酸铵0.01-0.1份、司盘80 2-10份、司盘20 0.1-0.5份、水40份、白油15-30份。
本发明实施例的降滤失剂中，AM、AMPS、MAPTAC的重量份之比为(4～5)：(1～1.5)：1，又可以为(4～5)：(1～1.3)：1。
本发明实施例的降滤失剂中，司盘80和司盘20的重量份之比为(15-20):1。
本发明又一实施例中，降滤失剂具体可以包括如下重量份的组分：
丙烯酰胺18-20份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸5-6份、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵4-5份、甲酸钠3-3.5份、氢氧化钠0.58-0.62份、过硫酸铵0.03-0.05份、司盘80 4-6份、司盘20 0.25-0.3份、水40份、白油20-25份。
本发明又一实施例中，降滤失剂具体可以包括如下重量份的组分：
丙烯酰胺15-20份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸4-6份、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵4-5份、甲酸钠3-3.5份、氢氧化钠0.58-0.62份、过硫酸铵0.03-0.05份、司盘80 4.5-6份、司盘20 0.25-0.28份、水40份、白油20-25份。
本发明实施例提供的降滤失剂，以AM、AMPS、MAPTAC为主要成分引入甲酸钠、司盘80、司盘20，得到一种基于反聚电解质效应研发的一种平衡态的聚合物。该聚合物与一般的聚合物的情况完全相反，其在在溶液中的构象变化是随盐浓度的增加而伸展分子链，这种对盐的响应使之能够在高盐环境下充分发挥作用，形成“水-聚合物-盐”的热力学稳定的分散体系，保证了高温稳定性。基于与膨润土之间的静电相互作用，超分子降滤失剂不仅能够促进土的分散，形成致密的滤饼，且能够起到增强剪切稀释性的流变性调节作用。
本发明实施例提供的降滤失剂为乳液型降滤失剂，现场使用时，溶解速度快，应用性强，使用方便。
本发明又一实施例还提供了上述降滤失剂的制备的方法，可以包括如下步骤：
在常温条件下，将水、丙烯酰胺、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰胺基三甲基氯化铵、甲酸钠、氢氧化钠、司盘20混合制备水相；
在常温条件下，将白油、司盘80混合制备油相；
将水相、油相充分混合得到乳化基液；
将乳状基液置于反应釜中，充氮后加入过硫酸铵作为引发剂进行反应，反应结束后，冷却即可得到钻井液用降滤失剂。
进一步地，冷却所得降滤失剂为油包水乳液状。
进一步地，上述充氮后加入过硫酸铵作为引发剂进行反应，在60～80℃下恒温进行20h～50h。
本发明实施例所述方法，反应条件温和，制备过程简单。所得产品为乳液状降滤失剂，溶解速度快，现场使用方便。所得降滤失剂为基于反聚电解质效应研发的一种平衡态的聚合物，能够在较少聚合物加量的情况下保持较高的降滤失性能，同时很好地平衡了引入磺酸基团所导致的水化效果太强引起的流变性调节问题。
本发明实施例所述降滤失剂用于水基钻井液。
本发明实施例所述降滤失剂的添加量可以为0.2％-0.7％(w/v，g/mL)，例如可以为0.2％、0.4％、0.5％、0.55％、0.6％等等。添加量为0.2％-0.7％(w/v，g/mL)指的是，每100mL泥浆(钻井液)中添加有0.2-0.7g的降滤失剂。
下文结合具体实施例进一步详细描述本发明实施例所述的水基钻井液用降滤失剂及其制备方法。
所用原料如AM、AMPS、MAPTAC、甲酸钠、司盘等等可通过购买得到。
实施例1
一种钻井液用降滤失剂，以重量份数计，包括：丙烯酰胺20份；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸6份，甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵5份，甲酸钠3份，氢氧化钠0.6份，过硫酸铵0.04份，司盘80：6份，司盘20：0.3份，水40份，白油20份。
其由以下步骤制备得到：常温25℃条件下，向反应釜中依次加入上述重量份数将水、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰胺基三甲基氯化铵、甲酸钠、氢氧化钠、司盘20混合制备水相，以及将白油、司盘80混合制备油相；将水相、油相充分混合得到乳状基液；将乳液置于反应釜中，充氮后加入引发剂，在60℃下恒温反应20h；冷却后即可得到产品，取样检测，入库。
按照生产工艺得到最终得到自由流动的液体，即为本实施例产品。
性能检测
基浆配制：按蒸馏水：钻井液试验配浆用膨润土：碳酸钠＝500mL：20.0g：0.8g的比例配制基浆，高速搅拌20min，在室温下密闭养护24h。
配好的基浆400mL2份，其中一份加入120g氯化钠，高速搅拌20min；另一份加入20g的试样，高速搅拌20min，再加入120g氯化钠，高速搅拌20min。在常温条件下，分别按GB/T16783.1的规定高温老化后的中压滤失量(0.7MPa/30min)。然后在150℃下热滚16h后，取出冷却至室温，高速搅拌5min，按GB/T 16783.1的规定高温老化后的中压滤失量(0.7MPa/30min)。同时将基浆在150℃下热滚16h后，取出冷却至室温，高速搅拌5min，按GB/T16783.1的规定高温老化后的中压滤失量(0.7MPa/30min)。检测中，降滤失剂的滤失量降低率加量为5％。
抗盐抗温性能检测
1#4％土浆+30％NaCl
2#4％土浆+5％本发明降滤失剂+20％氯化钠
3#4％土浆+5％本发明降滤失剂+30％氯化钠
备注：老化条件：150℃×16h
由上表数据可以看出，本实施的降滤失剂产品，盐含量越高则其性能越显著。
体系评价：
配方：400mL1％坂土浆+0.5％NaOH+0.3％复合降滤失剂+0.3％包被剂+0.5％降滤失剂+2％抑制剂+1％流型调节剂+5％KCL+4％细目钙+重晶石+30％NaCL(密度：1.50g/cm3)
体系性能评价
备注：老化条件150℃×16h API：常温HTHP：150℃
本实施例的降滤失剂，聚合物的加量少，在体系中加入0.5％即可达到要求。
实施例2
一种钻井液用降滤失剂，以重量份数计，包括：丙烯酰胺18份；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸5份，甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵4份，甲酸钠3份，氢氧化钠0.6份，过硫酸铵0.04份，司盘80：5份，司盘20：0.25份，水40份，白油24份。
其由以下步骤制备得到：常温25℃条件下，向反应釜中依次加入上述重量份数将水、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰胺基三甲基氯化铵、甲酸钠、氢氧化钠、司盘20混合制备水相，
以及将白油、司盘80混合制备油相；
将水相、油相充分混合得到乳状基液；将乳液置于反应釜中，充氮后加入引发剂，在60℃下恒温反应20h；冷却后即可得到产品，取样检测，入库。
按照生产工艺得到最终得到自由流动的液体，即为本实施例产品。
检测过程同实施例1，结果如下表所示。
抗盐抗温性能检测
1#4％土浆+30％NaCl
2#4％土浆+5％本发明降滤失剂+20％氯化钠
3#4％土浆+5％本发明降滤失剂+30％氯化钠
备注：老化条件：150℃×16h
体系评价：
配方：400mL1％坂土浆+0.5％NaOH+0.3％复合降滤失剂+0.3％包被剂+0.5％降滤失剂+2％抑制剂+1％流型调节剂+5％KCL+4％细目钙+重晶石+30％NaCL(密度：1.50g/cm3)
体系性能评价
备注：老化条件150℃×16h API：常温HTHP：150℃
实施例3
一种钻井液用降滤失剂，以重量份数计，包括：丙烯酰胺18份；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸4.8份，甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵4份，甲酸钠3份，氢氧化钠0.6份，过硫酸铵0.04份，司盘80：4.5份，司盘20：0.25份，水40份，白油24份。
其由以下步骤制备得到：常温25℃条件下，向反应釜中依次加入上述重量份数将水、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰胺基三甲基氯化铵、甲酸钠、氢氧化钠、司盘20混合制备水相，
以及将白油、司盘80混合制备油相；
将水相、油相充分混合得到乳状基液；将乳液置于反应釜中，充氮后加入引发剂，在60℃下恒温反应20h；冷却后即可得到产品，取样检测，入库。
按照生产工艺得到最终得到自由流动的液体，即为本实施例产品。
检测过程同实施例1，结果如下表所示。
抗盐抗温性能评价
1#4％土浆+30％NaCl
2#4％土浆+5％本发明降滤失剂+20％氯化钠
3#4％土浆+5％本发明降滤失剂+30％氯化钠
备注：老化条件：150℃×16h
对比例1
一种钻井液用降滤失剂，以重量份数计，包括：丙烯酰胺30份；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸20份，甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵10份，甲酸钠3份，氢氧化钠0.6份，过硫酸铵0.04份，司盘80：5份，司盘20：0.25份，水40份，白油24份。
其由以下步骤制备得到：常温25℃条件下，向反应釜中依次加入上述重量份数将水、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰胺基三甲基氯化铵、甲酸钠、氢氧化钠、司盘20混合制备水相，
以及将白油、司盘80混合制备油相；
将水相、油相充分混合得到乳状基液；将乳液置于反应釜中，充氮后加入引发剂，在60℃下恒温反应20h；冷却后即可得到产品，取样检测，入库。
按照生产工艺得到最终得到自由流动的液体，即为所得产品。
检测中，降滤失剂的滤失量降低率加量为5％。
对比例2
一种钻井液用降滤失剂，以重量份数计，包括：丙烯酰胺18份；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸5份，甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵4份，甲酸钠3份，氢氧化钠0.6份，过硫酸铵0.04份，司盘80：3份，司盘20：3份，水40份，白油24份。
其由以下步骤制备得到：常温25℃条件下，向反应釜中依次加入上述重量份数将水、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰胺基三甲基氯化铵、甲酸钠、氢氧化钠、司盘20混合制备水相，
以及将白油、司盘80混合制备油相；
将水相、油相充分混合得到乳状基液；将乳液置于反应釜中，充氮后加入引发剂，在60℃下恒温反应20h；冷却后即可得到产品，取样检测，入库。
按照生产工艺得到最终得到自由流动的液体，即为本实施例产品。
检测结果：按该配比生产的产品，粘度较高，长时间放置有分层，有破乳现象出现，实验产品不稳定。
现场应用
本发明作为包被抑制剂使用于超分子聚合物水基钻井液体系中，按照原配方在钻井液中加入0.3％的包被剂、0.5％的降滤失剂、1％的流型调节剂、2％的抑制剂。
降滤失剂——本发明实施例2的降滤失剂；
包被剂——
甲基丙烯酸11份，丙烯酰胺6份，乙烯基吡咯烷酮13份，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵3份，氢氧化钾6份，氯化钾5份，过硫酸钾0.03份，司盘80：3.5份，OP-10：0.2份，水32份，白油23份。
流型调节剂——
以重量份数计，包括：丙烯酸22份；甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯6份，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵11份，氢氧化钾8份，乙酸钠0.02份，过硫酸铵0.04份，司盘80：3份，吐温80：0.1份，水35份，白油16份。
抑制剂——
以重量份数计，包括：烯丙基磺酸钠2份；二甲基二烯丙基氯化铵20份，氢氧化钾3份，氯化钠5份，过硫酸钾0.2份，水70份。
在克拉玛依现场试验五口井(井号：TD77063、T77066、T77076、7872A、玛湖046)，现场累计进尺5995m，单价236元/m，合计费用149.9709万元。无漏失、无复杂、无事故；累计施工时间1780h，复杂时间仅为3.33h，井下复杂时率0.19％，七区平均机械钻速为6.9m/h，玛湖机械钻速为9.72m/h，提高40％左右，玛湖046井二开较设计工期提前11天完钻。施工过程中超分子聚合物钻井液体系性能稳定、携带能力强、返出岩屑棱角清晰，现场施工维护简单，起下钻顺畅，钻进施工顺利。
解决了以前未解决的技术难题(易漏、易垮塌等)，钻井液性能稳定、起下钻正常、无掉块垮塌现象等，达到了预期目标。本发明实施例的包被剂具有优良的包被抑制能力，成本低、对环境无污染，满足了安全、高效、环保钻井的需要，具有很好的推广应用前景。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (7)
1.一种水基钻井液用降滤失剂，其特征在于，包括如下重量份的组分：
丙烯酰胺10-25份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸2-8份、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵2-8份、甲酸钠1-5份、氢氧化钠0.4-0.8份、过硫酸铵0.01-0.1份、司盘80 2-10份、司盘200.1-0.5份、水40份、白油15-30份。
2.根据权利要求1所述的降滤失剂，其特征在于，包括如下重量份的组分：
丙烯酰胺15-20份、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸4-6份、甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵4-5份、甲酸钠3-3.5份、氢氧化钠0.58-0.62份、过硫酸铵0.03-0.05份、司盘80 4-6份、司盘20 0.25-0.3份、水40份、白油20-25份。
3.根据权利要求1或2所述的降滤失剂，其特征在于，司盘80与司盘20的重量份之比为(15-20):1。
4.根据权利要求1或2所述的降滤失剂，其特征在于，所述降滤失剂为乳液型降滤失剂。
5.根据权利要求1或2所述的降滤失剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在常温条件下，将水、丙烯酰胺、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙磺酸、甲基丙烯酰胺基三甲基氯化铵、甲酸钠、氢氧化钠、司盘20混合制备水相；
在常温条件下，将白油、司盘80混合制备油相；
将水相、油相充分混合得到乳化基液；
将乳状基液置于反应釜中，充氮后加入过硫酸铵作为引发剂进行反应，反应结束后，冷却即可得到钻井液用降滤失剂。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述充氮后加入过硫酸铵作为引发剂进行反应，在60～80℃下恒温进行20h～50h。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，冷却后所得钻井液用降滤失剂为油包水乳液状。
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