CN110590989B - 环保型耐高温页岩抑制剂组合物及环保型耐高温页岩抑制剂 - Google Patents

环保型耐高温页岩抑制剂组合物及环保型耐高温页岩抑制剂 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种环保型耐高温页岩抑制剂组合物及环保型耐高温页岩抑制剂。以重量份计，该组合物包括：5～15份的丙烯酰胺、0.5～5份的废旧腈纶水解铵盐、2～10份的烷基二羟乙基烯丙基溴化铵。采用烷基二羟乙基烯丙基溴化铵作为单体，其易溶于水，可与丙烯酰胺在引发剂作用下聚合生成阳离子性聚合物，因此不需要有机溶剂，无生物毒性。同时由于采用了废旧腈纶水解铵盐，增强了页岩抑制剂的抗温和抗盐能力，因此，采用上述各组分形成的混合物制备的页岩抑制剂具有抗高温和抗盐能力。同时，由于废旧腈纶水解铵盐中的废旧腈纶为废料，其成本较低，因此可以降低页岩抑制剂的成本。

Description

环保型耐高温页岩抑制剂组合物及环保型耐高温页岩抑制剂
技术领域
本发明涉及钻井材料技术领域，具体而言，涉及一种环保型耐高温页岩抑制剂组合物及环保型耐高温页岩抑制剂。
背景技术
井壁失稳是石油天然气钻探过程中普遍存在、经常遇到的复杂问题。由于井壁失稳引起的井下复杂事故，一直是困扰国内外石油工程界的突出难题，尤其是泥页岩地层的井壁失稳。
过去几十年的发展过程中，油基钻井液一直是解决泥页岩水化膨胀问题的理想选择。但由于油基钻井液存在环保方面的问题，因此，油基钻井液的使用越来越受到限制。因此，研发人员将更多的目光投向水基钻井液的发展，既能解决油基钻井液的环保问题，同时其性能又非常接近于油基钻井液。
在水基钻井液方面，传统的无机盐抑制剂，如KCl，具有较好的抑制性，但是其使用量较大，一般要达到5～7％，对体系流变性和滤失量影响较大；也有用有机盐钻井液提高体系的抑制性和抗温性，一般使用较多的是甲酸钠或者甲酸钾，但是其也存在使用量大、成本高、产品易吸水结块、不利于回收利用等不足；近些年发展起来的聚胺类抑制剂，抑制效果较好，但使用中容易起泡，影响泵的上水效率。随着钻井深度的增加，钻井液的工作环境温度也逐渐升高，为了适应高温作业，现有技术开发了离子液体页岩抑制剂，它能够提高钻井液的抑制性，还可以大幅度提高钻井液对黏土和钻屑抑制性，防止钻头泥包，有利于提高机械钻速，具有高温稳定性，减少储层伤害，无生物毒性，可以用于深水钻井中，但是离子液体的成本较高，不适宜在钻井液中推广应用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种环保型耐高温页岩抑制剂组合物及环保型耐高温页岩抑制剂，以解决现有技术中页岩抑制剂成本高、不耐高温的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种环保型耐高温页岩抑制剂组合物，以重量份计，组合物包括：5～15份的丙烯酰胺、0.5～5份的废旧腈纶水解铵盐、2～10份的烷基二羟乙基烯丙基溴化铵。
进一步地，以重量份计，上述组合物包括：9～12份的丙烯酰胺、0.5～1.5份的废旧腈纶水解铵盐、4～8份烷基二羟乙基烯丙基溴化铵。
进一步地，上述烷基二羟乙基烯丙基溴化铵为十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵或十六烷基二羟乙基烯丙基溴化铵。
进一步地，上述废旧腈纶水解铵盐在95℃下测量的粘度为15～19/m Pa·s。
进一步地，上述组合物还包括引发剂。
进一步地，上述引发剂的重量份为0.02～0.08。
进一步地，上述引发剂为氧化还原引发剂，优选为过硫酸铵-亚硫酸氢钠或过硫酸钾-亚硫酸氢钠。
根据本发明的另一方面，提供了一种环保型耐高温页岩抑制剂，环保型耐高温页岩抑制剂由环保型耐高温页岩抑制剂组合物制备而成，该环保型耐高温页岩抑制剂组合物为上述任一种的组合物。
进一步地，上述环保型耐高温页岩抑制剂的制备方法包括：将丙烯酰胺、废旧腈纶水解铵盐、烷基二羟乙基烯丙基溴化铵和水混合形成待反应体系；将待反应体系升温至50～90℃后添加引发剂进行聚合反应，得到环保型耐高温页岩抑制剂。
进一步地，将上述待反应体系升温至60～80℃后添加引发剂进行聚合反应。
应用本发明的技术方案，采用烷基二羟乙基烯丙基溴化铵作为单体，其易溶于水，可与丙烯酰胺在引发剂作用下聚合生成阳离子性聚合物，因此不需要有机溶剂，无生物毒性。同时由于采用了废旧腈纶水解铵盐，其具有酰胺基、羧基和环亚胺等基团，增强了页岩抑制剂的抗温和抗盐能力，因此，采用上述各组分形成的混合物制备的页岩抑制剂具有抗高温和抗盐能力。同时，由于废旧腈纶水解铵盐中的废旧腈纶为废料，其可来源于旧衣物、纺织物边角料等，其成本较低，因此可以降低页岩抑制剂的成本。另外，上述组合物形成的聚合物中含有大量羟基和季铵盐离子，通过羟基、季铵盐的协同吸附作用和页岩晶层间的水争夺粘土表面的活性中心，排斥出晶层间水从而起到良好的抑制效果。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
如本申请背景技术所分析的，现有技术的离子液体页岩抑制剂虽然具有性能上的优势，但是其成本太高；而其他常用的页岩抑制剂的耐高温性能较差，为了解决该问题，本申请提供了一种环保型耐高温页岩抑制剂组合物及环保型耐高温页岩抑制剂。
在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种环保型耐高温页岩抑制剂组合物，以重量份计，该组合物包括：5～15份的丙烯酰胺、0.5～5份的废旧腈纶水解铵盐、2～10份的烷基二羟乙基烯丙基溴化铵。
上述组合物采用烷基二羟乙基烯丙基溴化铵作为单体，其易溶于水，可与丙烯酰胺在引发剂作用下聚合生成阳离子性聚合物，因此不需要有机溶剂，无生物毒性。同时由于采用了废旧腈纶水解铵盐，其具有酰胺基、羧基和环亚胺等基团，增强了页岩抑制剂的抗温和抗盐能力，因此，采用上述各组分形成的混合物制备的页岩抑制剂具有抗高温和抗盐能力。同时，由于废旧腈纶水解铵盐中的废旧腈纶为废料，其可来源于旧衣物、纺织物边角料等，其成本较低，因此可以降低页岩抑制剂的成本。另外，上述组合物形成的聚合物中含有大量羟基和季铵盐离子，通过羟基、季铵盐的协同吸附作用和页岩晶层间的水争夺粘土表面的活性中心，排斥出晶层间水从而起到良好的抑制效果。
此外，上述组合物聚合形成的阳离子页岩抑制剂既具有阳离子的强聚结效应、具有对膨胀性粘土表面的吸附成膜作用，同时阳离子抑制剂在粘土层为单分子排列，阳离子与粘土层抑制剂之间有静电作用力，并且与粘土晶面硅氧烷基原子形成氢键，可以阻止抑制剂进一步进入粘土层。因此，阳离子抑制剂不会影响体系的流变。与普通抑制剂相比，本申请的组合物形成的阳离子抑制剂具有良好的粘土抑制造浆能力、良好的抗温性能、良好的配伍性、不需要多种处理机的协同作用，单剂具有良好的抑制能力、对体系没有增粘作用，不影响体系的流变，同时加入体系中体系的失水不会由于抑制剂的加入而增加失水。
在本申请一种优选的实施例中，上述以重量份计，组合物包括：9～12份的丙烯酰胺、0.5～1.5份的废旧腈纶水解铵盐、4～8份烷基二羟乙基烯丙基溴化铵。
用于本申请的烷基二羟乙基烯丙基溴化铵中的烷基可以为碳原子个数在1～20的烷基，优选上述烷基二羟乙基烯丙基溴化铵为十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵或十六烷基二羟乙基烯丙基溴化铵。以使聚合形成的阳离子中心的作用得到充分发挥。
为了进一步控制所形成的页岩抑制剂的流变性，优选上述废旧腈纶水解铵盐在95℃下测量的粘度为15～19/m Pa·s。
此外，为了加快聚合，优选上述组合物还包括引发剂。引发剂的用量可以参考本领域常规用量，优选上述引发剂的重量份为0.02～0.08。进一步优选上述引发剂为氧化还原引发剂，优选为过硫酸铵-亚硫酸氢钠或过硫酸钾-亚硫酸氢钠。
在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种环保型耐高温页岩抑制剂，该环保型耐高温页岩抑制剂由环保型耐高温页岩抑制剂组合物制备而成，该环保型耐高温页岩抑制剂组合物为上述的组合物。
根据前述的环保型耐高温页岩抑制剂组合物的描述可知，所形成的环保型耐高温页岩抑制剂不采用有机溶剂，环保无毒，具有良好的粘土抑制造浆能力、良好的抗温性能、良好的配伍性、不需要多种处理机的协同作用，单剂具有良好的抑制能力、对体系没有增粘作用，不影响体系的流变，同时加入体系中体系的失水不会不会由于抑制剂的加入而增加失水。
在本申请的一种实施例中，上述环保型耐高温页岩抑制剂的制备方法包括：将丙烯酰胺、废旧腈纶水解铵盐、烷基二羟乙基烯丙基溴化铵和水混合形成待反应体系；将待反应体系升温至50～90℃后添加引发剂进行聚合反应，得到环保型耐高温页岩抑制剂。上述制备方法简单，易于工业化。
为了提高所形成的页岩抑制剂的聚合度稳定性，优选将待反应体系升温至60～80℃后添加引发剂进行聚合反应。
以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。
实施例1
以重量计，将10份丙烯酰胺、1份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、5份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例2
以重量计，将15份丙烯酰胺、3份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、8份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例3
以重量计，将5份丙烯酰胺、5份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、10份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例4
以重量计，将9份丙烯酰胺、0.5份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、2份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例5
以重量计，将12份丙烯酰胺、1.5份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、4份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例6
以重量计，将10份丙烯酰胺、1份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、5份十六烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例7
以重量计，将10份丙烯酰胺、1份粘度为15.1的废旧腈纶水解铵盐、5份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.02份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例8
以重量计，将10份丙烯酰胺、1份粘度为19.0的废旧腈纶水解铵盐、5份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.08份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例9
以重量计，将10份丙烯酰胺、1份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、5份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至50℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应6h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例10
以重量计，将10份丙烯酰胺、1份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、5份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至90℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应3.5h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例11
以重量计，将10份丙烯酰胺、1份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、5份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至60℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例12
以重量计，将10份丙烯酰胺、1份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、5份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至80℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
实施例13
以重量计，将10份丙烯酰胺、1份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、5份辛烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
对比例1
以重量计，将20份丙烯酰胺、1份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、1份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
对比例2
以重量计，将10份丙烯酰胺、1份粘度为17.6的废旧腈纶水解铵盐、15份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
对比例3
以重量计，将10份丙烯酰胺、10份十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵装在安装有回流冷凝管、导气管、温度计、搅拌器的反应器中，并加水搅拌溶解，然后将温度升至70℃，并加入0.05份过硫酸铵-亚硫酸氢钠盐作为引发剂，反应4h后，即制得到环保型耐高温页岩抑制剂。
以下将对上述各实施例和对比例的页岩抑制剂的性能进行检测，其中检测方法如下。
滤失量的测定：在400ml蒸馏水中加入0.88克碳酸钠、钻井液试验配浆用膨润土25.0g,高速搅拌20min,180℃下滚动养护16h，按照上述操作形成17份基浆。取16份基浆，各基浆加入一种上述实施例、对比例制备的一种1.2克环保型耐高温页岩抑制剂形成实施例1至13、对比例1至3的加样浆，，剩余的一份作为空白浆，高速搅拌20min，180℃下滚动养护16h；再高速搅拌5min。测定空白浆和加样浆的滤失量。其中空白浆的滤失量为12ml。
相对膨胀率的测定：
称取105℃±2℃条件下烘4小时的钻井液膨胀试验用膨润土10.0g，装入页岩膨胀仪测筒中，在压力机上加4.0MPa压力并保持5min，制得实验岩心。把装有岩心的测筒安装在页岩膨胀仪上，将浓度为5％的各实施例和对比例的页岩抑制剂水溶液注入测筒，测定7h的线膨胀量，同时用蒸馏水作空白试验。
按下式计算相对膨胀率。
Figure BDA0002149449790000071
式中：
△H——5％页岩抑制剂水溶液的岩心线膨胀量；
Figure BDA0002149449790000072
——蒸馏水的岩心线膨胀量。
检测结果见表1。
表1
加样浆180℃热滚后滤失量，mL 相对膨胀率，％
实施例1 8 14
实施例2 10 25
实施例3 10 24
实施例4 9 20
实施例5 9 21
实施例6 8.4 18
实施例7 8.6 18
实施例8 8.6 17
实施例9 8.4 18
实施例10 8.4 18
实施例11 8.2 16
实施例12 8.2 17
实施例13 9 18
对比例1 12 26
对比例2 11.8 28
对比例3 12 26
根据上述表1中的数据可以看出，本申请的实施例所制备的页岩抑制剂在高温下具有较低的滤失量、膨胀率，说明期在高温下的抑制作用较高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种环保型耐高温页岩抑制剂组合物，其特征在于，以重量份计，所述组合物包括：9～12份的丙烯酰胺、0.5～1.5份的废旧腈纶水解铵盐、4～8份的烷基二羟乙基烯丙基溴化铵，
所述废旧腈纶水解铵盐在95℃下测量的粘度为15～19/mPa·s，
其中，所述烷基二羟乙基烯丙基溴化铵为十二烷基二羟乙基烯丙基溴化铵或十六烷基二羟乙基烯丙基溴化铵；
所述组合物还包括0.02～0.08份的引发剂。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述引发剂为氧化还原引发剂。
3.根据权利要求2所述的组合物，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵-亚硫酸氢钠或过硫酸钾-亚硫酸氢钠。
4.一种环保型耐高温页岩抑制剂，所述环保型耐高温页岩抑制剂由环保型耐高温页岩抑制剂组合物制备而成，其特征在于，所述环保型耐高温页岩抑制剂组合物为权利要求1至3中任一项所述的组合物。
5.根据权利要求4所述的环保型耐高温页岩抑制剂，其特征在于，所述环保型耐高温页岩抑制剂的制备方法包括：
将丙烯酰胺、废旧腈纶水解铵盐、烷基二羟乙基烯丙基溴化铵和水混合形成待反应体系；
将所述待反应体系升温至50～90℃后添加引发剂进行聚合反应，得到所述环保型耐高温页岩抑制剂。
6.根据权利要求5所述的环保型耐高温页岩抑制剂，其特征在于，将所述待反应体系升温至60～80℃后添加引发剂进行所述聚合反应。
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