CN110818838B - 一种钻井液处理剂及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻井液处理剂及制备方法。处理剂包括以下组分的原料制备而得:水100重量份;单体1 5‑30重量份;单体2 5‑30重量份;单体3 2‑13重量份;单体4 2.5‑7.5重量份;引发剂1 0.05‑0.4重量份;引发剂2 0.025‑0.2重量份;pH调节剂2.5‑5.0重量份;本发明的钻井液处理剂具有良好的降滤失、润滑和抑制泥页岩膨胀的效果,耐温能力达到130℃,具有加量少,降低滤失量、润滑和抑制高效的特点,能够满足地层温度130℃以内井段钻进的需要。
Description
技术领域
本发明涉及油田钻井液技术领域,具体是涉及一种钻井液处理剂及制备方法。
背景技术
水基钻井液是目前使用最广泛的一种钻井液体系,自初期采用清水以及清水/粘土体系发展至今,随着新型处理剂的出现,现已形成了诸如盐水钻井液、正电胶钻井液、聚合物钻井液、聚磺钻井液等多系列的水基钻井液体系。为保证井下安全以及满足钻井的需求,上述钻井液体系中实际加入的处理剂种类往往较多、分子结构及类型复杂,在一种体系中通常包含十几种甚至几十种处理剂。
为克服钻井液处理剂存在的上述问题,自二十世纪九十年代开始以降滤失为核心功能通过扩展其它功能形成了少量具有多种应用效果的多功能产品,如降滤失剂兼具抑制以及流型控制等功能,钻井液体系开始逐渐简化。国外已经进行了多功能钻井液处理剂的研究,其中以美国FLC2000、英国Pure-bore处理剂和Baroid公司PERFORMADRIL产品最为典型。其中,美国环保科技公司研发出一种井壁稳定剂FLC2000具有良好的耐温和控制动滤失性能,该产品实际为聚合物与不溶金属氧化物的复配产物,具有封堵、降滤失功能;2004年英国MGS公司报道出Pure-BoreTM钻井液具备一剂三效功能,具备抑制、降滤失及流型调节功能,该体系为纳米颗粒与聚合物复配物;而Baroid公司生产的PERFORMADRIL同样为一种复配产品,具备抑制、降滤失、流型调节功能。国内张建国等采用乳液聚合方法合成出多功能处理剂ARJ,ARJ具有较好的增粘、降滤失、抑制以及润滑性能,是一种AM/AMPS/AA-白油的复配产品。与基浆相比,1.0%ARJ滤失量、抑制效果的降低率分别达到60.8%、59.1%,而且1.0%ARJ的膨胀抑制性能与0.5%包被剂FA367效果相近。马启睿采用氧化还原引发体系,合成了丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)、丙烯氰(AN)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)五元共聚物钻井液降滤失剂。其合成原理是以AM为主链,通过引入磺酸基、羧酸基、阳离子等增强降滤失、抑制性能。该降滤失剂加量1%时在淡水基浆、盐水基浆、饱和盐水基浆的滤失量降低率分别为61.2%、59.5%、52.9%。滚动回收率有清水的14%提高至79.4%。
中国专利CN 104694088 A公开了一种多功能钻井液助剂,由以下质量百分比的原料配方组分组成:50-100份双丙酮丙烯酰胺、50-100份甲基丙烯酰胺、10-15份过硫酸铵、20-30份乙二醇、50-80份对甲苯磺酸、100-120份三氟甲磺酸、1-3份氢氧化铜、1-3份硝酸铵、2-3份高硫酸铵、3-5份亚氯酸钠。
中国专利CN 101735776 B公开了一种低毒或无毒的多功能钻井液处理剂,该多功能钻井液处理剂为复配产品,由分散剂OP-10、MV-CMC和护胶剂JT888以及液体石蜡组成;该多功能钻井液处理剂对环境无污染、无毒,具有防塌、封堵、降失水、保护井壁和油气层的功能,具有防卡、润滑、防塌、封堵的作用。
中国专利CN 105199057 A公开了一种多功能抗高温钻井液处理剂的制备方法。其特征及效果如下:1.该处理剂以AMPS、DMC以及腐植酸为原料,通过接枝共聚及复分解反应制备;2.该处理剂具有优良的降滤失效果和抑制性能,室内效果评价表明,在产品加量为0.5%时的常温常压滤失量为0.4mL,高温高压降滤失量为2.2mL,防膨率达到了46.86%,其降滤失性及抑制性能不亚于甚至优于国内外单独的降滤失剂及抑制剂,而且产品能耐160℃高温。
中国专利CN 102925121 B公开了一种多功能钻井液处理剂及其制备方法。其特征及效果如下:1.该多功能钻井液处理剂按以下方法制得:将水升温至35~70℃,搅拌条件下分别加入阳离子氟碳表面活性剂、醇胺类化合物、非离子表面活性剂,全部加完后继续搅拌0.5~2h,降温至30~34℃,加入消泡剂搅拌、放料即得。本发明工艺简单,成本低廉,所的产品具有润滑、降滤失及降低表面张力等多种功能,抗温能力达180℃,可用于深井及超深井,与钻井液配伍性良好;2.该处理剂为复配型多功能产品。
中国专利CN 102277140 B公开了一种钻井液用多功能固体润滑剂。其特征及效果如下:
1.钻井液用处理剂;生产配方及工艺:膨化鳞片石墨60-80%、腐植酸钾25-35%、白油5-10%、含有4个乙氧基的辛烷基酚聚氧乙烯醚(OP-4乳化剂),先将石墨和腐植酸钾混匀后加入白油和含有4个乙氧基的辛烷基酚聚氧乙烯醚(OP-4乳化剂)充分搅拌即得;主要用途:具有降低钻井液极压润滑系数的功能,同时兼有防塌和稀释作用;2.该固体润滑剂为复配产品。
中国专利CN 103897094 A公开了一种钻井液用无荧光纳米处理剂及其制备方法。其特征及效果如下:1.该处理剂采用至少一种非水溶性单体和至少一种水溶性单体在非氧气环境下采用乳液聚合的方法合成,纳米处理剂的纳米级别分别为10-5000nm,其表面含油具有羧酸基或羧酸根亲水基团,具有核壳结构。本发明涉及到羧酸根改性的具有核壳结构的水溶性纳米粒子,纳米球粒径均一,能够稳定分散在钻井液中形成纳米处理剂添加的钻井液;2.该纳米处理剂无荧光,对录井不产生干扰,抗高温降滤失、极压润滑和抑制页岩膨胀的效果,且能对钻井液流变无显著影响,达到一剂多功能的目的;3.极压润滑系数降低率达74%,API滤失量7.5mL;4.该处理剂为复配型多功能产品。
中国专利CN105542730 A公开了一种钻井液处理剂及其体系。其特征及效果如下:1.该钻井液处理剂由5~15份阳离子抑制剂CPI,4~8份阳离子包被剂CPH-2,5~10份阳离子降滤失剂CPF-1,1~3份阳离子降滤失剂CPF和1~2份阳离子堵塞剂CPA组成,能够增加电势、稳定井壁和良好的耐盐性能;2.该处理剂为复配型多功能产品。
文献《AEDMAC_AM_AA两性共聚物降滤失剂的合成与性能》(精细石油化工进展,2002.12)该文介绍了一种AEDMAC_AM_AA两性共聚物降滤失剂的合成与性能,研究成果及结论主要有如下几方面内容:1.合成了丙烯酰胺基乙基二甲基氯化铵/丙烯酰胺/丙烯酸(AEDMAC/AM/AA)共聚物钻井液降滤失剂,评价了此共聚物钻井液性能。结果表明,AEDMAC/AM/AA共聚物具有良好的降滤失、防塌、保护油气层性能,抗温、抗盐污染能力强;2.具有良好的降滤失性能、较强的抑制、抗温(>150℃)、抗盐(达饱和)和抗高价金属离子(抗CaCl2>0.5%)污染能力。
文献《AM/AN/AA/淀粉四元接枝共聚物的合成与钻井液性能》(山东科学,2008.6)该文介绍了一种AM/AN/AA/淀粉四元接枝共聚物,研究成果及结论主要有如下几方面内容:1.采用丙烯酰胺、丙烯腈、丙烯酸为单体,在一定温度和引发剂作用下,与淀粉接枝共聚制得AM/AN/AA/淀粉四元接枝共聚物,初步评价了其钻井液性能。结果表明,AM/AN/AA/淀粉四元接枝共聚物在淡水钻井液、饱和盐水钻井液和复合盐水钻井液中均具有优良的降滤失作用和较好的耐温(抗温≥150℃)、抗盐(抗NaCl至饱和)和抗钙(≥20%)离子污染的能力,并对泥页岩具有较强的抑制包被性;2.AM/AN/AA/淀粉四元接枝共聚物加量0.7%时的包被抑制性达到82%。
以上专利和文献中多功能钻井液处理剂通常具备2~4种其它辅助功能,其主功能效果良好,但副功能效果不理想,远没有达到高效、简化钻井液体系、降低现场钻井液维护难度的目的。而且多数产品为复配物,为“一袋化”而非“一剂化”产品,缺乏使用一剂就能高效实现多种功能和效果的处理剂产品。
发明内容
为解决现有钻井液存在体系复杂、处理剂种类多、现场钻井液维护难度大等问题,本发明提供了一种钻井液处理剂及制备方法。通过制备一种同时具备降滤失、润滑和抑制作用的高效钻井液处理剂,提高钻井液处理剂的使用效能,达到简化钻井液体系、减少处理剂用量、降低现场钻井液维护处理难度的目的。本发明的钻井液处理剂具有良好的降滤失、润滑和抑制泥页岩膨胀的效果,耐温能力达到130℃,具有加量少,降低滤失量、润滑和抑制高效的特点,能够满足地层温度130℃以内井段钻进的需要。
本发明的目的之一是提供一种钻井液处理剂。
所述钻井液处理剂是由包括以下组分的原料制备而得:
各组分按重量份数计,
所述单体1为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、n-异丙基丙烯酰胺或烷醇酰胺中的一种;烷醇酰胺优选为十二烷基二乙醇酰胺;
所述单体2为烯丙基磺酸盐、苯乙烯磺酸盐或烷基烯基磺酸盐中的一种;优选为烯丙基磺酸钠或苯乙烯磺酸钠或C10-C20烷基烯基磺酸钠;
所述单体3为N-乙烯吡咯烷酮、丙烯酸或苯乙烯;
所述单体4为丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧丁基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或二甲基二烯丙基氯化铵;
所述引发剂1为偶氮二异丁腈、过硫酸铵、过氧化氢或过氧化二酰;
所述引发剂2为硫酸亚铁、亚硫酸氢钠、亚硫酸钠或二氧化硫;
所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂或氢氧化钙。
其中,单体1用于提高目标分子在钻屑表面的吸附性能,有助于提高对钻屑的包覆能力,单体2用于提高分子耐温和水化能力,单体3功能为提高分子耐温能力和降滤失效果,单体4用于提高分子在粘土表面吸附能力和改变吸附后固相表面的润湿性能,有助于增强润滑性能。
本发明的目的之二是提供一种钻井液处理剂的制备方法。
包括:
首先向水中加入所述用量的单体2、单体3,调节pH值后加入单体1和单体4,加引发剂反应,粉碎、烘干,制得所述钻井液处理剂。
优选:
常温下向水中加入单体2、单体3,搅拌至完全溶解后用pH调节剂将溶液pH调整至6.0~9.0。
加入单体1、单体4,将溶液温度降至35~45℃后向溶液中充氮气15~30分钟,在搅拌状态下先后向混合溶液中滴加引发剂1和引发剂2,搅拌均匀后密封、保持溶液温度在30~50℃,反应1~5小时后将凝胶状产物。
凝胶状产物经剪切、100~105℃下烘干4~8小时,粉碎后制得所述钻井液处理剂。
优选地,本发明可采用以下技术方案:
本发明所提出一种钻井液处理剂通过以下原料配方组分实现:
1)一种多功能钻井液处理剂,其特征在于按质量百分比组份如下:单体1丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺或n-异丙基丙烯酰胺或十二烷基二乙醇酰胺5.5-25份,单体2烯丙基磺酸钠或苯乙烯磺酸钠或C10-C20烷基烯基磺酸钠6-27份,单体3N-乙烯吡咯烷酮或丙烯酸或苯乙烯3-12份,单体4丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或丙烯酰氧丁基三甲基氯化铵或甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵2.5-6.5份,引发剂1偶氮二异丁腈或过硫酸铵或过氧化氢0.06-0.35份,引发剂2硫酸亚铁或亚硫酸氢钠或亚硫酸钠0.025-0.18份,pH调节剂氢氧化钠或氢氧化钾或氢氧化锂2.5-4.5份,水100份。
2)上述多功能钻井液处理剂制备方法及步骤如下:
首先向水中加入单体2、单体3,调节pH值后加入单体1和单体4,加引发剂恒温反应1~5小时后进行粉碎、烘干,制得多功能钻井液处理剂产品。具体步骤为:常温下向100份水中加入单体2、单体3,搅拌至完全溶解后用pH调节剂将溶液pH调整至6.0~9.0,向溶液中加入单体1、单体4,将溶液温度降至35~45℃后向溶液中充氮气15~30分钟,在搅拌状态下先后向混合溶液中滴加引发剂1和引发剂2,搅拌均匀后密封、保持溶液温度在30~50℃,恒温反应1~5小时后将凝胶状产物,经剪切、100~105℃下烘干4~8小时,粉碎后即制得多功能钻井液处理剂产品。
发明的效果:
本发明的钻井液处理剂具有良好的降滤失、润滑和抑制泥页岩膨胀的效果。其降滤失、页岩抑制及润滑性能分别达到降滤失剂、页岩抑制剂及润滑剂单剂主性能的92%以上,耐温能力达到130℃。该多功能钻井液处理剂具有加量少、高效的特点,具有良好的降滤失、润滑和抑制等效果,与其它处理剂配伍性好,能够满足温度在130℃以内地层钻进的需要。
附图说明
图1为本发明实施例1的钻井液处理剂与其他处理剂的降滤失对比图;
图2为本发明实施例1的钻井液处理剂与其他处理剂的润滑性对比图;
图3为本发明实施例1的钻井液处理剂与其他处理剂的抑制性对比图。
附图中的多功能即本发明实施例1制备的钻井液处理剂。
空白是指基浆(4%膨润土浆),与之对比的处理剂配方为基浆+1%处理剂。API和HTHP失水为按照《GB/T16783-1997水基钻井液现场测试程序》中3.2.2和3.3.2测试程序分别测试API滤失量和HTHP滤失量。
附图中作为与本发明的钻井液处理剂效果对比的降滤失剂、润滑剂、抑制剂均为目前钻井液体系中正在广泛应用、产品获得市场公认、而且室内优选出的效果良好的处理剂产品。其中降滤失剂为聚阴离子纤维素LV-PAC,润滑剂为机油/柴油复配类润滑剂,抑制剂为氯化钾KCl。上述优选处理剂均为规模应用的市售产品。
具体实施方式
下面结合实施例,进一步说明本发明。
实施例所述单体1~单体4、引发剂1和2、pH调节剂均为市售产品。
实施例1:
钻井液处理剂包括如下组分:
单体1丙烯酰胺6.5份,单体2烯丙基磺酸钠8份,单体3N-乙烯吡咯烷酮4.0份,单体4丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵3.0份,引发剂1偶氮二异丁腈0.08份,引发剂2硫酸亚铁0.04份,pH调节剂氢氧化钠2.6份,水100份。
本实施例的多功能钻井液处理剂是通过以下方法制备得到:
首先向水中加入单体2烯丙基磺酸钠、单体3N-乙烯吡咯烷酮,调节溶液pH值后加入单体1丙烯酰胺和单体4丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵,加引发剂1和引发剂2恒温反应4小时后进行烘干、粉碎,制得多功能钻井液处理剂产品。具体步骤为:常温下向100份水中加入单体2烯丙基磺酸钠8份、单体3N-乙烯吡咯烷酮4.0份,搅拌至完全溶解后用2.6份pH调节剂氢氧化钠将溶液pH调整至7.0,向溶液中加入单体1丙烯酰胺6.5份、单体4丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵3.0份,将溶液温度降至40℃后向溶液中充氮气15分钟,在搅拌状态下先后向混合溶液中滴加引发剂1过硫酸铵0.08份和引发剂2硫酸亚铁0.04份,搅拌均匀后密封、保持溶液温度在40℃,恒温反应4小时后得凝胶状产物,经剪切、105℃下烘干8小时,粉碎后即制得多功能钻井液处理剂产品。
多功能钻井液处理剂滤失量、润滑性及抑制性分别按照《SY/T 5660-1995钻井液用包被剂PAC141、降滤失剂PAC142、降滤失剂PAC143》、《Q/SHCG 4-2011水基钻井液用润滑剂技术要求》、《SY/T 6335-1997钻井液用页岩抑制剂评价方法》中规定的程序进行测试。实施例1制备的多功能钻井液处理剂在4%土浆中经130℃老化16h后的API中压滤失量6.0mL,HTHP滤失量17.6mL,粘滞系数为0.0262,泥岩相对膨胀率为48.4%。
实施例2:
钻井液处理剂包括如下组分:
单体1甲基丙烯酰胺24份,单体2苯乙烯磺酸钠28份,单体3丙烯酸11份,单体4丙烯酰氧丁基三甲基氯化铵6.0份,引发剂1过硫酸铵0.31份,引发剂2亚硫酸氢钠0.16份,pH调节剂氢氧化钾4.4份,水100份。
本实施例的钻井液处理剂是通过以下方法制备得到:
首先向水中加入单体2苯乙烯磺酸钠、单体3丙烯酸,调节溶液pH值后加入单体1甲基丙烯酰胺和单体4丙烯酰氧丁基三甲基氯化铵,加引发剂恒温反应5小时后进行烘干、粉碎,制得多功能钻井液处理剂产品。具体步骤为:常温下向100份水中加入单体2苯乙烯磺酸钠28份、单体3丙烯酸11份,搅拌至完全溶解后用pH调节剂氢氧化钾4.4份将溶液pH调整至6.0,向溶液中加入单体1甲基丙烯酰胺24份、单体4丙烯酰氧丁基三甲基氯化铵6.0份,将溶液温度降至35℃后向溶液中充氮气30分钟,在搅拌状态下先后向混合溶液中滴加引发剂1过硫酸铵0.31份和引发剂2亚硫酸氢钠0.16份,搅拌均匀后密封、保持溶液温度在30℃,恒温反应5小时后将凝胶状产物,经剪切、100℃下烘干6小时,粉碎后即制得多功能钻井液处理剂产品。
钻井液处理剂滤失量、润滑性及抑制性分别按照《SY/T 5660-1995钻井液用包被剂PAC141、降滤失剂PAC142、降滤失剂PAC143》、《Q/SHCG 4-2011水基钻井液用润滑剂技术要求》、《SY/T 6335-1997钻井液用页岩抑制剂评价方法》中规定的方法进行测试。实施例2制备的多功能钻井液处理剂在4%土浆中经130℃老化16h后的API中压滤失量5.8mL,HTHP滤失量17.0mL,粘滞系数为0.0175,泥岩相对膨胀率为49.6%。
实施例3:
钻井液处理剂包括如下组分:
单体1十二烷基二乙醇酰胺15份,单体2十二烷基烯基磺酸钠21份,单体3苯乙烯8份,单体4甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵4.5份,引发剂1过氧化氢0.2份,引发剂2亚硫酸钠0.1份,pH调节剂氢氧化锂3.5份,水100份。
本实施例的钻井液处理剂是通过以下方法制备得到:
首先向水中加入单体2十二烷基烯基磺酸钠、单体3苯乙烯,调节溶液pH值后加入单体1十二烷基二乙醇酰胺和单体4甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵,加引发剂恒温反应5小时后进行烘干、粉碎,制得多功能钻井液处理剂产品。具体步骤为:常温下向100份水中加入单体2十二烷基烯基磺酸钠21份、单体3苯乙烯8份,搅拌至完全溶解后用pH调节剂氢氧化锂3.5份将溶液pH调整至9.0,向溶液中加入单体1十二烷基二乙醇酰胺15份、单体4甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵4.5份,将溶液温度降至45℃后向溶液中充氮气15分钟,在搅拌状态下先后向混合溶液中滴加引发剂1过氧化氢0.2份和引发剂2亚硫酸钠0.1份,搅拌均匀后密封、保持溶液温度在30℃,恒温反应5小时后将凝胶状产物,经剪切、105℃下烘干4小时,粉碎后即制得多功能钻井液处理剂产品。
钻井液处理剂滤失量、润滑性及抑制性分别按照《SY/T 5660-1995钻井液用包被剂PAC141、降滤失剂PAC142、降滤失剂PAC143》、《Q/SHCG 4-2011水基钻井液用润滑剂技术要求》、《SY/T 6335-1997钻井液用页岩抑制剂评价方法》中规定的方法进行测试。实施例3制备的多功能钻井液处理剂在4%土浆中经130℃老化16h后的API中压滤失量5.0mL,HTHP滤失量15.2mL,粘滞系数为0.0262,泥岩相对膨胀率为46.4%。
图1为本发明的钻井液处理剂与降滤失剂、润滑剂、抑制剂三种处理剂降滤失效果对比图。由图1可知,本发明的处理剂降滤失效果接近优选降滤失剂的降滤失效果,同时明显优于润滑剂和抑制剂的降滤失效果。
图2为本发明的处理剂与降滤失剂、润滑剂、抑制剂三种处理剂润滑效果对比图。润滑效果用粘滞系数进行表征。由图2可知,本发明的处理剂的润滑效果优于优选润滑剂的润滑效果,同时明显优于降滤失剂和抑制剂的润滑效果。
图3为本发明的处理剂与降滤失剂、润滑剂、抑制剂等三种处理剂抑制效果对比图。抑制效果用页岩膨胀率进行表征。由图3可知,本发明的处理剂抑制效果接近优选抑制剂的抑制效果,同时明显优于降滤失剂和润滑剂的抑制性能。
从图1-图3可以得出,本发明的钻井液处理剂具有良好的降滤失、润滑和抑制效果,其综合效果明显优于所述优选的单一功能处理剂的使用效果。
Claims (7)
3.如权利要求1所述的钻井液处理剂,其特征在于:
所述烷醇酰胺为十二烷基二乙醇酰胺;
所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂或氢氧化钙。
4.一种如权利要求1~3之一所述的钻井液处理剂的制备方法,其特征在于所述方法包括:
首先向水中加入所述用量的单体2、单体3,调节pH值后加入单体1和单体4,加引发剂反应,粉碎、烘干,制得所述钻井液处理剂。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于:
常温下向水中加入单体2、单体3,搅拌至完全溶解后用pH调节剂将溶液pH调整至6.0~9.0。
6.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于:
加入单体1、单体4,将溶液温度降至35~45℃后向溶液中充氮气15~30分钟,在搅拌状态下先后向混合溶液中滴加引发剂1和引发剂2,搅拌均匀后密封、保持溶液温度在30~50℃,反应1~5小时后将凝胶状产物。
7.如权利要求6所述的制备方法,其特征在于:
凝胶状产物经剪切、100~105℃下烘干4~8小时,粉碎后制得所述钻井液处理剂。
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