CN111004351A - 一种微泡钻井液用泡沫增强剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种微泡钻井液用泡沫增强剂，包括式I结构的化合物。本发明提供的泡沫增强剂相对分子质量较低，这种化合物具有良好的表面活性和较低的空间位阻，能够与钻井液中的表面活性剂协同作用，增加表面活性剂在微泡壁的排列密度和微泡壁厚，提高对微泡中空气核密封性，增强微泡在高温高压条件下的稳定性和抗压缩性，防止空气在井底高压条件下从微泡中逸出，提高微泡钻井液的防漏性能。本发明还提供了一种微泡钻井液泡沫增强剂的制备方法及其应用。

Description

一种微泡钻井液用泡沫增强剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及微泡钻井液技术领域，尤其涉及一种微泡钻井液用泡沫增强剂及其制备方法和应用。
背景技术
目前，国内油田在储气库等低压易漏地层钻井过程中，由于地层压力系数低，往往采用泡沫钻井液来降低钻井液密度，减少钻井液漏失。但是常规泡沫钻井液中，由于泡沫粒径相对较大，易影响泥浆泵的上水效率，并且需要配套的注入气体的设备如压缩机，钻井成本相对较高。针对这些问题，国内一些油田先后开展了在近平衡条件下使用的可循环微泡钻井液的研究，与常规钻井液相比，微泡钻井液具有密度低，现场不用添加注入气体的设备，能有效防止低压破碎、高渗透率砂岩及裂缝性漏失，具有保护油气层，降低钻井成本等优势。
微泡钻井液的最大优势在于其中的微泡可在井底聚集，封堵井壁微裂缝，从而达到防止(或减少)钻进液漏失的目的。因此，微泡在井底高压条件下必须保持一定的抗压缩性，防止泡沫壁破裂，从而影响微泡钻井液的防漏性能。现有技术中的微泡钻井液体系均是采用黄原胶、LV-CMC和HV-PAC混合物等具有增粘作用的物质提高微泡的稳定性，虽然具有一定的效果，但是微泡钻井液在高温高压下的稳定性和抗压缩性存在不足，在井底高压条件下，泡沫壁可能破裂，导致空气从微泡中扩散出来，造成微泡钻井液密度升高，防漏性能下降，影响钻井液施工安全。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微泡钻井液用泡沫增强剂及其制备方法和应用，本发明提供的微泡钻井液用泡沫增强剂能够使微泡钻井液具有较好的高温高压稳定性和抗压缩性。
本发明提供了一种微泡钻井液用泡沫增强剂，包括式I结构的化合物：
Figure BDA0001821353360000021
式I中，R1为-COONa或-CONH2；
R2为-CONHC(CH3)2CH2SO3Na或-COOCH(CH2CH3)CH2SO3Na；
n为11、13、15、17或21；
x、y和z的比值为(0.5～2):(4～8)：(1～4)；
所述式I结构的化合物的平均相对分子质量为2～10万。
在本发明中，所述x代表
Figure BDA0001821353360000022
单元的摩尔含量；y代表
Figure BDA0001821353360000023
单元的摩尔含量；z代表
Figure BDA0001821353360000024
单元的摩尔含量。
在本发明中，所述x、y和z的比值优选为(1～1.5)：(5～7)：(2～3)，更优选为(1.2～1.3)：6：2.5。
在本发明中，所述式I结构化合物的平均相对分子质量优选为3～8万，更优选为4～6万。
本发明提供的微泡钻井液用泡沫增强剂的关键在于其平均相对分子质量较小，仅仅为2～10万，现有技术所公开的此成分化合物相对分子量较大，则其表面活性会较弱，由于空间位阻效应，很难于与钻井液中的表面活性剂发挥协同作用，增加微泡壁厚，提高对微泡中空气核密封性，导致微泡在高温高压下的稳定性和抗压缩性存在不足，在井底高压条件下，泡沫壁可能破裂导致空气从微泡中扩散出来，造成微泡钻井液密度升高，防漏性能下降。而本发明提供的泡沫增强剂相对分子质量较低，这种化合物具有良好的表面活性和较低的空间位阻，能够与钻井液中的表面活性剂协同作用，增加表面活性剂在微泡壁的排列密度和微泡壁厚，提高对微泡中空气核密封性，增强微泡在高温高压条件下的稳定性和抗压缩性，防止空气在井底高压条件下从微泡中逸出，提高微泡钻井液的防漏性能。
在本发明中，所述微泡钻井液用泡沫增强剂优选为微泡钻井液用泡沫增强剂溶液，所述微泡钻井液用泡沫增强剂溶液的固含量优选为10～30％，更优选为15～25％，最优选为20％。
本发明提供了一种上述技术方案所述的微泡钻井液用泡沫增强剂的制备方法，包括：
在引发剂的作用下，将乙烯基阳离子单体A溶液、乙烯基单体B溶液和乙烯基单体C溶液和相对分子质量调节剂进行反应，得到微泡钻井液用泡沫增强剂。
在本发明中，所述微泡钻井液用泡沫增强剂的制备方法优选为：
将乙烯基阳离子单体A溶解于水中待用；
将乙烯基单体B和乙烯基单体C溶解于水中待用；
将引发剂溶解于水中待用；
将乙烯基阳离子单体A溶液、乙烯基单体B溶液和乙烯基单体C溶液和相对分子质量调节剂混合后升温，得到混合物；
在引发剂的作用下将所述混合物进行反应，得到反应产物；
将所述反应产物用碱性试剂调节pH值，得到微泡钻井液用泡沫增强剂溶液。
在本发明中，所述升温的温度优选为50～70℃，更优选为55～65℃，最优选为60℃。
在本发明中，所述反应的温度优选为90～100℃，更优选为92～98℃，最优选为94～96℃；所述反应的时间优选为0.5～2小时，更优选为1～1.5小时，最优选为1.2～1.3小时。
在本发明中，所述碱性试剂优选为氢氧化钠。在本发明中，所述pH调节优选调节至pH值为8～10，更优选为9。
在本发明中，所述乙烯基阳离子单体A为十二烷基二甲基烯丙基氯化铵、十四烷基二甲基烯丙基氯化铵、十六烷基二甲基烯丙基氯化铵、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵或二十二烷基二甲基烯丙基氯化铵中的一种。
在本发明中，所述乙烯基单体B为丙烯酸或丙烯酰胺。
在本发明中，所述乙烯基单体C为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸或2-丙烯酰氧基丁基磺酸。
在本发明中，所述乙烯基阳离子单体A、乙烯基单体B和乙烯基单体C的摩尔比优选为(0.5～2)：(4～8)：(1～4)，更优选为(1～1.5)：(5～7)：(2～3)，最优选为(1.2～1.3)：6：2.5。
在本发明中，所述引发剂优选为过硫酸铵或过硫酸铵钾。
在本发明中，所述引发剂的质量优选为乙烯基阳离子单体A、乙烯基单体B和乙烯基单体C总质量的0.2～2％，更优选为0.5～1％，最优选为0.6～0.7％。
在本发明中，所述相对分子质量调节剂优选为对苯二酚、巯基乙酸、异丙醇、硫酸铜、氯化铁、十二烷基硫醇或亚磷酸钠。
在本发明中，所述相对分子质量调节剂的质量优选为乙烯基阳离子单体A、乙烯基单体B和乙烯基单体C总质量的0.03～0.5％，更优选为0.05～0.4％，更优选为0.1～0.3％，最优选为0.2％。
本发明提供的泡沫钻井液用泡沫增强剂是一种高压条件下可提高微泡稳定性的聚合物，其相对分子质量较低使得这种物质具有良好的表面活性和较低的空间位阻，可与表面活性剂协同作用，增加表面活性剂在微泡壁的排列密度和微泡壁厚，提高对微泡中空气核密封性，增强微泡在高温高压条件下的稳定性和抗压缩性，防止空气在井底高压条件下从微泡中逸出，提高微泡钻井液的防漏性能。
本发明提供了一种上述技术方案所述的微泡钻井液用泡沫增强剂在微泡钻井液中的应用。在本发明中，所述微泡钻井液用泡沫增强剂可用于微泡钻井液，其可作为微泡钻井液的添加剂用于制备微泡钻井液。
本发明提供了一种微泡钻井液，包括上述技术方案所述的微泡钻井液用泡沫增强剂。本发明对所述微泡钻井液的成分没有特殊的限制，除上述微泡钻井液用泡沫增强剂外，采用本领域技术人员熟知的微泡钻井液成分即可。在本发明中，所述微泡钻井液优选还包括表面活性剂和水。在本发明中，所述表面活性剂优选为椰油酰基甲基牛磺酸钠。
在本发明中，所述表面活性剂在微泡钻井液中的质量含量优选为0.8～1.2g/100mL，更优选为1g/100mL。在本发明中，所述微泡钻井液用泡沫增强剂在微泡钻井液中的质量含量优选为0.2～0.4g/100mL，更优选为0.3g/100mL。
在本发明中，所述微泡钻井液优选还包括黄原胶。在本发明中，所述黄原胶在微泡钻井液中的质量含量优选为0.4～0.6g/100mL，更优选为0.5g/100mL。
本发明提供的微泡钻井液用泡沫增强剂能够与常规表面活性剂配伍，显著提高表面活性剂形成的泡沫在高温高压条件下的抗压缩性能，保证微泡在井底高压下稳定存在，提高微泡钻井液体系防漏性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例测试的压力变化对微泡钻井液体系密度的影响。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
实施例1
将10g十二烷基二甲基烯丙基氯化铵溶解于100g清水中待用，将80g丙烯酰胺和10g的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶解于250g清水中待用；将1g过硫酸铵溶解于50g的清水中待用；
将0.1g的巯基乙酸和上述十二烷基二甲基烯丙基氯化铵溶液、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液加入到反应器中并升温60℃，然后将上述过硫酸铵溶液加入到反应体系中，将体系升温至90℃反应1小时，用NaOH调整溶液pH值至8，得到固含量为20％的微泡钻井液用泡沫增强剂。
对本发明实施例1制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂进行结构检测，检测结果为，本发明实施例1制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂的结构为：
Figure BDA0001821353360000061
用乌氏粘度计在(25±0.2)℃下测定清水流出的时间，然后以清水为溶剂，精确称量本发明实施例1制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂加入清水中，静置溶解，待全部溶解均匀，在(25±0.2)℃下测试泡沫增强剂溶液流过乌氏粘度计的时间(降粘剂溶液的流出时间)，记录实验数据，根据下式计算泡沫增强剂的特性粘数：
Figure BDA0001821353360000062
其中，t0为清水的流出时间，t为降粘剂溶液的流出时间，
η为泡沫增强剂的特性粘数，c为泡沫增强剂溶液质量浓度(g/mL)。
泡沫增强剂的相对分子质量按照下式计算：
Figure BDA0001821353360000063
检测结果为，本发明实施例1制备得到的泡沫增强剂的相对分子质量为50000。
实施例2
将5g十四烷基二甲基烯丙基氯化铵溶解于50g清水中待用；将70g的丙烯酸和25g的2-丙烯酰氧丁基磺酸溶解于200g清水中待用；将0.2g过硫酸钾溶解于50g清水中待用；
将0.5g氯化铁、上述十四烷基二甲基烯丙基氯化铵溶液、上述丙烯酸和2-丙烯酰氧丁基磺酸溶液加入反应容器中并升温50℃，然后将过硫酸钾溶液加入反应体系中，将体系升温至95℃反应2小时，用NaOH调整溶液pH值至9，得到固相含量为25％的微泡钻井液用泡沫增强剂。
对本发明实施例2制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂进行结果检测，检测结果为，本发明实施例2制备的微泡钻井液用泡沫增强剂的结构式为：
Figure BDA0001821353360000071
按照实施例1的方法，对本发明实施例2制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂的平均分子量进行检测，检测结果为，本发明实施例2制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂的平均分子量为20000。
实施例3
将20g十六烷基二甲基烯丙基氯化铵溶液溶解于100g清水中待用；将40g丙烯酸和40g的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶解于800g清水中待用；将2g过硫酸铵溶解于100g清水中待用；
将0.03g十二烷基硫醇、上述十六烷基二甲基烯丙基氯化铵溶液、丙烯酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液加入反应容器中并升温至70℃，然后将上述过硫酸铵溶液加入到反应体系中，将体系升温至100℃反应0.5小时，用NaOH调整溶液pH值至10，得到固相含量为10％的微泡钻井液用泡沫增强剂。
对本发明实施例3制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂进行结构检测，检测结果为，本发明实施例3制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂的结构式为：
Figure BDA0001821353360000081
按照实施例1所述的方法测试本发明实施例3制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂的平均分子量，检测结果为，本发明实施例3制备得到的微泡钻井液的平均分子量为100000。
实施例4～9
按照实施例1的方法制备微泡钻井液用泡沫增强剂，与实施例1的区别在于，各原料成分以及用量不同，本发明实施例4～9制备微泡钻井液用泡沫增强剂的原料成分及用量如表1所示。
表1本发明实施例4～9制备微泡钻井液用泡沫增强剂的原料成分及用量
Figure BDA0001821353360000082
实施例10微泡钻井液用泡沫增强剂的性能评价
对表面活性剂起泡能力以及泡沫稳定性的影响：
在100mL水中加入1.0g的表面活性剂椰油酰基甲基牛磺酸钠和0.3g实施例1～9制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂，然后在高搅机10000r/min的转速下，高速搅拌5min，将泡沫浆倒入量筒中，记录泡沫体积，并记录泡沫体系析出50mL发泡基液所用的时间作为泡沫半衰期，检测结果如表2所示。
表2本发明实施例制备的微泡钻井液用泡沫增强剂的性能
Figure BDA0001821353360000091
对微泡抗压缩性能评价：
取本发明实施例1、实施例3和实施例7制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂进行检测：
在500g清水中加入1.5g实施例制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂，5g表面活性剂椰油酰基甲基牛磺酸钠和2.5g黄原胶，用搅拌器将处理剂混合均匀，在600转/min的条件下搅拌10min配制得到微泡体系，观察80℃下压力变化对体系密度的影响，检测结果如图1所示，由图1可知，本发明提供的微泡钻井液用泡沫增强剂可明显提高微泡的抗压缩性能，保证高温高压下微泡的稳定性，有利于提高微泡钻井液的防漏性能。
防漏性能评价：
室温下在可是砂床中分别加入体积相同的60～90目沙子，然后将实施例1、实施例3和实施例7制备的微泡钻井液用泡沫增强剂制备微泡钻井液：在500g清水中加入1.5g实施例制备得到的微泡钻井液用泡沫增强剂，5g表面活性剂椰油酰基甲基牛磺酸钠和2.5g黄原胶，用搅拌器将处理剂混合均匀，在600转/min的条件下搅拌10min配制得到微泡钻井液。
以不加微泡钻井液用泡沫增强剂的微泡钻井液做对比实验，将上述微泡钻井液加入到可视砂床模拟堵漏装置中(青岛新领机电科技有限公司FA-BX型可视砂床)进行检测实验，检测结果如表3所示。
表3本发明实施例制备的微泡钻井液封堵性能检测
泡沫增强剂 ρ/(g/cm<sup>3</sup>) 承压封堵情况
无 0.82 0.7Mpa滴流，漏失8mL
实施例1 0.83 0.7Mpa不漏，15cm砂床浸湿深度9.5cm
实施例3 0.81 0.7Mpa不漏，15cm砂床浸湿深度11cm
实施例7 0.81 0.7Mpa不漏，15cm砂床浸湿深度10cm
由表3可知，加入本发明提供的微泡钻井液用泡沫增强剂的微泡钻井液在可视砂床模拟堵漏装置中能显著降低钻井液漏失量。
由以上实施例可知，本发明提供了一种微泡钻井液用泡沫增强剂，包括式I结构的化合物。本发明提供的泡沫增强剂相对分子质量较低，这种化合物具有良好的表面活性和较低的空间位阻，能够与钻井液中的表面活性剂协同作用，增加表面活性剂在微泡壁的排列密度和微泡壁厚，提高对微泡中空气核密封性，增强微泡在高温高压条件下的稳定性和抗压缩性，防止空气在井底高压条件下从微泡中逸出，提高微泡钻井液的防漏性能。本发明还提供了一种微泡钻井液泡沫增强剂的制备方法及其应用。

Claims (10)

1.一种微泡钻井液用泡沫增强剂，包括式I结构的化合物：
Figure FDA0001821353350000011
式I中，R1为-COONa或-CONH2；
R2为-CONHC(CH3)2CH2SO3Na或-COOCH(CH2CH3)CH2SO3Na；
n为11、13、15、17或21；
x、y和z的比值为(0.5～2):(4～8)：(1～4)；
所述式I结构的化合物的平均相对分子质量为2～10万。
2.根据权利要求1所述的微泡钻井液用泡沫增强剂，其特征在于，所述x、y和z的比值为(1～1.5):(5～7)：(2～3)。
3.一种微泡钻井液用泡沫增强剂的制备方法，包括：
在引发剂的作用下，将乙烯基阳离子单体A溶液、乙烯基单体B溶液和乙烯基单体C溶液和相对分子质量调节剂进行反应，得到微泡钻井液用泡沫增强剂；
所述乙烯基阳离子单体A为十二烷基二甲基烯丙基氯化铵、十四烷基二甲基烯丙基氯化铵、十六烷基二甲基烯丙基氯化铵、十八烷基二甲基烯丙基氯化铵和二十二烷基二甲基烯丙基氯化铵中的一种；
所述乙烯基单体B为丙烯酸或丙烯酰胺；
所述乙烯基单体C为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸或2-丙烯酰氧基丁基磺酸。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述乙烯基阳离子单体A、乙烯基单体B和乙烯基单体C的摩尔比为(0.5～2)：(4～8)：(1～4)。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸铵钾。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述引发剂的质量为乙烯基阳离子单体A、乙烯基单体B和乙烯基单体C总质量的0.2～2％。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相对分子质量调节剂为对苯二酚、巯基乙酸、异丙醇、硫酸铜、氯化铁、十二烷基硫醇或亚磷酸钠。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相对分子质量调节剂的质量为乙烯基阳离子单体A、乙烯基单体B和乙烯基单体C总质量的0.03～0.5％。
9.一种微泡钻井液用泡沫增强剂在微泡钻井液中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述微泡钻井液包括：
水；
表面活性剂；
微泡钻井液用泡沫增强剂。
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