CN112094628B - 抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂及其制备方法和应用 - Google Patents

抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及油田化学领域，具体涉及一种抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂及其制备方法和应用。该抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂包括溶剂和共聚物，共聚物包括第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元，第一结构单元为乙烯基酯疏水单体，第二结构单元为酸酐单体，第三结构单元为丙烯酸单体，第四结构单元为N‑乙烯基吡咯烷酮单体。其制备方法分为两步，第一步四种结构单体混合反应后得到第一物料，第二步在第一物料中加入引发剂、通入保护气体，共聚反应后得到抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂。本发明提供的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂具有抗高温、抗盐、抗钙的优点，在深井超深井的钻探过程中可有效降低水基钻井液的滤失量。

Description

抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及油田化学技术领域，是一种抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着油气资源需求的增大，深井超深井油气资源的勘探开发越来越引起重视。在深井超深井的钻探过程中，经常遭遇高温高盐钙恶劣环境。水基钻井液一旦受到高盐钙污染，流变、滤失性能急剧变化，导致钻井液无法满足钻探需求，甚至引起井下复杂事故。随着井深的增加，地层温度逐渐上升，过高的温度常常导致钻井液处理剂失效，因此研发抗高温钻井液处理剂十分有必要。
此外，由于高温储层盖层常常为较厚的盐膏层，在打开储层之前，需穿过盐膏层，钻井液遭遇盐钙侵污染无法避免，而盐钙离子会严重影响膨润土颗粒水化，严重时导致钻井液絮凝，滤失量激增，钻井液无法流动，大大影响钻井施工进度。
钻井液抗盐钙侵能力主要受降滤失剂影响，降滤失剂的抗盐钙能力强弱很大程度上决定了钻井液体系是否抗盐钙。
共聚物降滤失剂是目前钻井液领域最常用的降滤失剂类型，国内外研发了系列共聚物降滤失剂，取得了很多的研究成果，但在面对高温高盐钙条件下，降滤失效果仍存在一定的局限性，抗温能力有限、抗盐侵能力有限。
发明内容
本发明提供了一种抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂及其制备方法和应用，克服了上述现有技术之不足，其具有抗高温、抗盐、抗钙的优点，在深井超深井的钻探过程中可有效降低水基钻井液的滤失量。
本发明的技术方案之一是通过以下措施来实现的：一种抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，包括溶剂和共聚物，共聚物包括第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元，第一结构单元为乙烯基酯疏水单体，第二结构单元为酸酐单体，第三结构单元为丙烯酸单体，第四结构单元为N-乙烯基吡咯烷酮单体，其中，每100重量份数的组合物中共聚物的含量为10份至30份，按照下述步骤得到：第一步，在溶剂存在下，将所需量的乙烯基酯疏水单体、酸酐单体、丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮单体在5℃至40℃混合反应10min至60min，得到第一物料；第二步，将所需量的引发剂加入第一物料中，再通入保护气体20min至60min，加热至50℃至70℃，进行共聚反应6h至10h，得到抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂。
下面是对上述发明技术方案之一的进一步优化或/和改进：
上述酸酐单体为马来酸酐、戊二酸酐、乙二酸酐或丁二酸酐中的一种以上。
上述按照重量份数计，乙烯基酯疏水单体：酸酐单体：丙烯酸单体：N-乙烯基吡咯烷酮单体＝1:(0.8至1.2):(4至6):(2至4)。
上述溶剂为去离子水。
上述乙烯基酯疏水单体为丙烯酸丙酯、丙烯酸异辛酯或丙烯酸正戊酯中的一种以上。
上述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈和偶氮二异庚腈中的一种以上。
上述引发剂的用量为乙烯基酯疏水单体、酸酐单体、丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮单体总用量的0.03％至0.08％。
本发明的技术方案之二是通过以下措施来实现的：一种抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂的制备方法，其特征在于按照下述步骤进行：第一步，在溶剂存在下，将所需量的乙烯基酯疏水单体、酸酐单体、丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮单体在5℃至40℃混合反应10min至60min，得到第一物料；第二步，将所需量的引发剂加入第一物料中，再通入保护气体20min至60min，加热至50℃至70℃，进行共聚反应6h至10h，得到抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂。
本发明的技术方案之三是通过以下措施来实现的：一种抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂在水基钻井液降滤失剂方面的应用。
本发明制备方法简便、易操作，得到的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂具有极好的抗温性、抗盐性、抗钙性，具有抗高达180℃的高温的能力，且在含饱和盐的钻井液以及含重量比20％氯化钙的钻井液中均具有良好的降滤失性能。其配伍性好、抗污染能力强，并且生产工艺简单，成本低。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
本发明中所提到各种化学试剂和化学用品如无特殊说明，均为现有技术中公知公用的化学试剂和化学用品；本发明中的百分数如没有特殊说明，均为质量百分数；本发明中的溶液若没有特殊说明，均为溶剂为水的水溶液，例如，盐酸溶液即为盐酸水溶液；本发明中的常温、室温一般指15℃到25℃的温度，一般定义为25℃。
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实施例1：该抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，包括溶剂和共聚物，共聚物包括第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元，第一结构单元为乙烯基酯疏水单体，第二结构单元为酸酐单体，第三结构单元为丙烯酸单体，第四结构单元为N-乙烯基吡咯烷酮单体，其中，每100重量份数的组合物中共聚物的含量为10份至30份，按照下述步骤得到：第一步，在溶剂存在下，将所需量的乙烯基酯疏水单体、酸酐单体、丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮单体在5℃至40℃混合反应10min至60min，得到第一物料；第二步，将所需量的引发剂加入第一物料中，再通入保护气体20min至60min，加热至50℃至70℃，进行共聚反应6h至10h，得到抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂。
实施例2：该抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，包括溶剂和共聚物，共聚物包括第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元，第一结构单元为乙烯基酯疏水单体，第二结构单元为酸酐单体，第三结构单元为丙烯酸单体，第四结构单元为N-乙烯基吡咯烷酮单体，其中，每100重量份数的组合物中共聚物的含量为10份或30份，按照下述步骤得到：第一步，在溶剂存在下，将所需量的乙烯基酯疏水单体、酸酐单体、丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮单体在5℃或40℃混合反应10min或60min，得到第一物料；第二步，将所需量的引发剂加入第一物料中，再通入保护气体20min或60min，加热至50℃或70℃，进行共聚反应6h或10h，得到抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂。
本发明中，所述第一步混合反应在搅拌下进行，使得所述混合反应均匀，搅拌转速为8000-10000rpm。
在所述第二步的共聚反应中，保护气体只要不与混合反应中的各单体反应即可，可以为氮气或氩气。
单体总用量是指乙烯基酯疏水单体(例如各实例中的丙烯酸丙酯、丙烯酸异辛酯和丙烯酸正戊酯等)、酸酐单体(例如各实例中的马来酸酐、戊二酸酐、乙二酸酐和丁二酸酐等)、丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮单体的总用量。
为了实现更优的降滤失效果，每100重量份数的组合物中共聚物的含量优选为10份至25份，更优选为15份至20份。
实施例3：作为上述实施例的优化，酸酐单体为马来酸酐、戊二酸酐、乙二酸酐或丁二酸酐中的一种以上。
实施例4：作为上述实施例的优化，按照重量份数计，乙烯基酯疏水单体：酸酐单体：丙烯酸单体：N-乙烯基吡咯烷酮单体＝1:(0.8至1.2):(4至6):(2至4)。
实施例5：作为上述实施例的优化，溶剂为去离子水。
实施例6：作为上述实施例的优化，乙烯基酯疏水单体为丙烯酸丙酯、丙烯酸异辛酯或丙烯酸正戊酯中的一种以上。
实施例7：作为上述实施例的优化，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈和偶氮二异庚腈中的一种以上。
实施例8：作为上述实施例的优化，保护气体为不与混合反应中的各结构单体反应的气体。
实施例9：作为上述实施例的优化，引发剂的用量为乙烯基酯疏水单体、酸酐单体、丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮单体总用量的0.03％至0.08％。
实施例10：该抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂在水基钻井液降滤失剂方面的应用。
实施例11：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为丙烯酸异辛酯：马来酸酐：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：1：5：3的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的20％的单体组合，搅拌均匀，加入单体总用量的0.05％的引发剂(过硫酸钾)；第二步，将其倒入三口烧瓶中，将三口烧瓶置于水浴锅中，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达65℃后，反应8h，得到降滤失剂XZ-1。
实施例12：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为丙烯酸异辛酯：戊二酸酐：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：1：5：3的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的15％的单体组合，搅拌均匀，加入单体总用量的0.03％的引发剂(偶氮二异丁腈)；第二步，将其倒入三口烧瓶中，将三口烧瓶置于水浴锅中，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达55℃后，反应10h，得到降滤失剂XZ-2。
实施例13：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为丙烯酸正戊酯：乙二酸酐：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：1：4：4的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的20％的单体组合，搅拌均匀，得到第一物料；第二步，第一物料中加入单体总用量的0.08％的引发剂(硫酸铵)，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达70℃后，反应6h，得到降滤失剂XZ-3。
实施例14：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为丙烯酸丙酯：丁二酸酐：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：1：6：2的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的20％的单体组合，搅拌均匀，得到第一物料；第二步，第一物料中加入单体总用量的0.05％的引发剂(偶氮二异丁腈)，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达65℃后，反应8h，得到降滤失剂XZ-4。
实施例15：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为丙烯酸异辛酯：马来酸酐：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：1：5：3的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的10％的单体组合，搅拌均匀，得到第一物料；第二步，第一物料中加入单体总用量的0.05％的引发剂(过硫酸钾)，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达65℃后，反应8h，得到降滤失剂XZ-5。
实施例16：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为丙烯酸异辛酯：马来酸酐：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：1：5：3的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的30％的单体组合，搅拌均匀，得到第一物料；第二步，第一物料中加入单体总用量的0.05％的引发剂(过硫酸钾)，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达65℃后，反应8h，得到降滤失剂XZ-6。
实施例17：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为丙烯酸异辛酯：马来酸酐：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：2：2：5的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的20％的单体组合，搅拌均匀，得到第一物料；第二步，第一物料中加入单体总用量的0.05％的引发剂(过硫酸钾)，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达65℃后，反应8h，得到降滤失剂XZ-7。
实施例18：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为丙烯酸异辛酯：乙酸酐：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：1：5：3的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的20％的单体组合，搅拌均匀，得到第一物料；第二步，第一物料中加入单体总用量的0.05％的引发剂(过硫酸钾)，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达65℃后，反应8h，得到降滤失剂XZ-8。
实施例19：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为丙烯酸异辛酯：马来酸酐：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：1：5：3的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的5％的单体组合，搅拌均匀，得到第一物料；第二步，第一物料中加入单体总用量的0.05％的引发剂(过硫酸钾)，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达65℃后，反应8h，得到降滤失剂D-XZ-1。
实施例20：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为丙烯酸异辛酯：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：1：3的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的20％的单体组合，搅拌均匀，得到第一物料；第二步，第一物料中加入单体总用量的0.05％的引发剂(过硫酸钾)，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达65℃后，反应8h，得到降滤失剂D-XZ-2。
实施例21：第一步，常温下，在烧杯中加入40份去离子水，按照重量份数比为马来酸酐：丙烯酸：N-乙烯基吡咯烷酮＝1：5：3的比例，加入占去离子水和单体组合总重量的20％的单体组合，搅拌均匀，得到第一物料；第二步，第一物料中加入单体总用量的0.05％的引发剂(过硫酸钾)，通氮气30分钟后，开启水浴锅，待水浴锅到达65℃后，反应8h，得到降滤失剂D-XZ-3。
根据本发明中实施例11至21的实施例，得到的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂和对比抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂对钻井液进行的流变性、滤失量、封堵性能和抑制性能的测试评价。
1.钻井液的配制
(1)基浆的配制
量取400mL蒸馏水置于搅拌器中，加入0.8g碳酸钠后搅拌溶解，边搅拌边加入16g钻井液用膨润土，在10000rpm下搅拌20min，并静置水化48h以上，得到400mL的重量比4％膨润土基浆。
(2)淡水钻井液
向各个300mL上述基浆中分别加入重量比1％的降滤失剂XZ-1至XZ-6以及对比降滤失剂D-XZ-1和D-XZ-2，在12000rpm下搅拌30分钟，得到淡水钻井液。
取250mL该淡水钻井液装入老化罐中，在180℃下老化16h。
(3)饱和盐钻井液
向各个300mL上述基浆中分别加入重量比1％的降滤失剂XZ-1至XZ-6以及对比降滤失剂D-XZ-1和D-XZ-2，在12000rpm下搅拌30分钟，然后加入108g氯化钠固体，使氯化钠为饱和状态，得到饱和盐钻井液。
(4)含钙钻井液
向各个300mL上述基浆中分别加入重量比1％的降滤失剂XZ-1至XZ-6以及对比降滤失剂D-XZ-1和D-XZ-2，在12000rpm下搅拌30分钟，然后加入60g氯化钙固体，使得氯化钙占基浆的质量分数为重量比20％，得到含钙钻井液。
2.钻井液流变性测试
钻井液流变性及滤失量测试根据GB29170-2012，具体测试步骤的设计如下：
将待测钻井液倒入样品杯后，放置在仪器的样品杯托架上，调节高度使钻井液的液面处于转筒的测量线处，在实验室，钻井液在测定前应用高速搅拌器搅拌5min，测定温度在24±3℃。
将粘度计的转速调至600rpm，待读数稳定后读取并记录。
将粘度计的转速调至300rpm，待读数稳定后读取并记录。
按相同方法读取并记录200rpm、100rpm、6rpm、3rpm的读数。
在600rpm下搅拌10s，静止10s后在3rpm下读取并记录最大读数，即为初切力；再在600rpm下搅拌10s，并静止10min后读取并记录在3rpm下的最大读数，即得终切力。
使用以下公式计算表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)、动切力(YP)、初切力(G')和终切力(G")。
AV＝φ600÷2
PV＝φ600-φ300
YP＝(φ300-PV)÷2
G'＝φ3I÷2
G"＝φ3F÷2
式中：φ600表示600rpm下的读数；φ300表示300rpm下的读数；φ3I表示静止10s后3rpm下的读数；φ3F表示静止10min后3rpm下的读数。
3.钻井液滤失量测试
常温中压(API)滤失量FLAPI测试
在洁净、干燥的压滤仪内放一张干燥的滤纸，将垫圈等按顺序装配好。
将已用高速搅拌器搅拌1min后的钻井液倒入压滤器中，使钻井液液面距顶部为1cm，盖好盖并把刻度量筒放在滤失仪流出口下面。
迅速加压并计时，所加压力为690±35Kpa。压力源可用气、二氧化碳气体或压缩空气，禁用氧气。
当滤出时间到30min时，将滤失仪流出口上的残流液滴收集到量筒中，移去量筒，读取并记录所采集的滤液的体积(单位ml)，同时测定并记录钻井液的温度。关闭压力源，放掉压滤器中的压力，取下压滤器，倾去其中的钻井液，小心取出带有泥饼的滤纸，用水冲去滤饼表面的浮泥，用钢板尺测量并记录滤饼厚度(单位：mm)，观察并记录滤饼质量好坏(硬、软、韧、松等)。
4.降滤失效果评价
(1)淡水钻井液的降滤失效果评价。分别测量常温以及在180℃下老化16h后淡水钻井液的流变性和滤失量，测试数据详见表1。
由表1可知，在基浆中加入本发明的XZ系列降滤失剂后，基浆热滚后的滤失量明显降低，降滤失效果明显。此外，XZ系列降滤失剂加入水基钻井液基浆中在180℃下老化16h后，表观粘度有所增大，主要是XZ系列降滤失剂为大分子聚合物材料，在水中会舒展长链，导致表观粘度上升。
(2)饱和盐钻井液的降滤失效果评价。分别测量常温以及在180℃下老化16h后饱和盐钻井液的流变性和滤失量，测试数据详见表2。
从表2可知，在饱和盐基浆中加入本发明的XZ系列降滤失剂后具有较好的降滤失性和抗饱和盐性。
(3)含钙钻井液的降滤失效果评价。分别测量常温以及在180℃下老化16h后含钙钻井液的流变性和滤失量。其中，该含钙钻井液中氯化钙占基浆的质量分数为重量比20％，测试数据详见表3。
从表3可知，在含重量比20％的CaCl2的基浆中加入本发明的XZ系列降滤失剂后具有较好的降滤失性和抗钙污染能力。
附表1至附表3中，AV为表观粘度、PV为塑性粘度、YP为动切力、G'为静切力、G"为终切力、FLAPI为API滤失量。
综上所述，本发明制备方法简便、易操作，得到的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂具有极好的抗温性、抗盐性、抗钙性，具有抗高达180℃的高温的能力，且在含饱和盐的钻井液以及含重量比20％氯化钙的钻井液中均具有良好的降滤失性能。其配伍性好、抗污染能力强，并且生产工艺简单，成本低。
以上技术特征构成了本发明的实施例，其具有较强的适应性和实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。
表1
Figure BDA0002634314680000061
表2
Figure BDA0002634314680000071
表3
Figure BDA0002634314680000072
Figure BDA0002634314680000081

Claims (9)

1.一种抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，其特征在于包括溶剂和共聚物，共聚物包括第一结构单元、第二结构单元、第三结构单元和第四结构单元，第一结构单元为乙烯基酯疏水单体，第二结构单元为酸酐单体，第三结构单元为丙烯酸单体，第四结构单元为N-乙烯基吡咯烷酮单体，其中，每100重量份数的组合物中共聚物的含量为10份至30份，按照下述步骤得到：第一步，在溶剂存在下，将所需量的乙烯基酯疏水单体、酸酐单体、丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮单体在5℃至40℃混合反应10min至60min，得到第一物料；第二步，将所需量的引发剂加入第一物料中，再通入保护气体20min至60min，加热至50℃至70℃，进行共聚反应6h至10h，得到抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂。
2.根据权利要求1所述的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，其特征在于酸酐单体为马来酸酐、戊二酸酐、乙二酸酐或丁二酸酐中的一种以上。
3.根据权利要求1或2所述的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，其特征在于按照重量份数计，乙烯基酯疏水单体：酸酐单体：丙烯酸单体：N-乙烯基吡咯烷酮单体＝1:(0.8至1.2):(4至6):(2至4)。
4.根据权利要求1或2所述的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，其特征在于溶剂为去离子水。
5.根据权利要求1或2所述的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，其特征在于在乙烯基酯疏水单体为丙烯酸丙酯、丙烯酸异辛酯或丙烯酸正戊酯中的一种以上。
6.根据权利要求1或2所述的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，其特征在于引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、偶氮二异丁腈和偶氮二异庚腈中的一种以上。
7.根据权利要求1或2所述的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，其特征在于保护气体为不与混合反应中的各结构单体反应的气体。
8.根据权利要求1或2所述的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂，其特征在于引发剂的用量为乙烯基酯疏水单体、酸酐单体、丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮单体总用量的0.03％至0.08％。
9.一种根据权利要求1所述的抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂的制备方法，其特征在于按照下述步骤进行：第一步，在溶剂存在下，将所需量的乙烯基酯疏水单体、酸酐单体、丙烯酸单体和N-乙烯基吡咯烷酮单体在5℃至40℃混合反应10min至60min，得到第一物料；第二步，将所需量的引发剂加入第一物料中，再通入保护气体20min至60min，加热至50℃至70℃，进行共聚反应6h至10h，得到抗高温抗盐钙水基钻井液降滤失剂。
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