CN112175592B - 水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂及其制法 - Google Patents

水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂及其制法 Download PDF

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Abstract

一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂及其制备方法，采用丙烯酰胺、阳离子单体为原料，以过硫酸铵‑亚硫酸氢钠为引发剂，通过水溶液自由基聚合工艺制得阳离子聚丙烯酰胺，然后加氢氧化钠水溶液将其进行部分水解，最后再与三乙醇胺进行酯化反应，得枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂；枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂分子量适中，具有树状分子结构，能够实现对岩屑的三围立体包裹，并且含有阳离子吸附基团，吸附性能强且持久，能够有效抑制岩屑分散。

Description

水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂及其制法
技术领域
本发明属于石油天然气钻井领域，具体涉及一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂及其制备方法。
背景技术
包被抑制剂是水基钻井液中一种应用广泛其非常重要的处理剂，包被抑制剂的加入可以有效防止黏土水化分散，该处理剂通过静电作用和氢键作用很快的吸附在黏土和钻屑的表面，将其缠绕包裹起来，防止钻屑与水分子接触发生水化分散；并且这种包被膜又能减缓钻屑颗粒由于机械碰撞而发生的破碎，促使粘土颗粒不再分散成更细小颗粒，通过使用固控设备及时将钻屑颗粒分离出钻井液，确保钻井液性能稳定。包被剂在钻井液中通过有效地抑制钻屑、井壁的水化分散，起到维持井壁稳定、清除无用固相、维持低固相的目的。
目前，油田钻井液体系中常用的包被剂为阴离子聚合物包被剂，分子量较大，大多数都在300-500万之间，这种高分子量的包被剂在使用过程中会出现絮凝现象，破坏泥浆的流变性能，从而造成滤失量增大。并且由于分子量过大，在使用过程中溶解困难，一部分加入钻井液来不及完全溶解就被固控设备除掉，造成处理剂的浪费。由于为阴离子型聚合物包被剂，故其在黏土和钻屑表面的吸附性若，因此其作用持效性短。
针对阴离子型包被剂存在的吸附性若的问题，科研工作者开发出阳离子型包被剂，但所开发的阳离子型包被剂均为线性分子，这种线性分子虽然能够长效的吸附在黏土和钻屑表面，但它们是以线条的方式对钻屑进行包裹，分子与分子之间也只是通过氢键等进行连接，并没有实现全方位的包裹。
因此，为增强包被抑制效果，实现对钻屑的全方位包裹，需要一种枝状结构的包被剂，实现对钻屑表面进行三维立体包裹。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂。
本发明的目的之二在于提供一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。
本发明的水基钻井液用枝状聚阳离子丙烯酰胺类包被剂具有如下结构式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中A为阳离子单体，所述阳离子单体选自二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的一种，（x+y）：z=（9~34）:1，x：y=（3~8）：2。
本发明的水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂具有30万-150万的粘均分子量，10%-20%（wt）的阳离子度。
本发明的水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂的制备方法包括以下几个步骤：
（1）采用丙烯酰胺、阳离子单体为原料，以过硫酸铵-亚硫酸氢钠为引发剂，通过水溶液自由基聚合工艺制得阳离子聚丙烯酰胺，然后通过加入氢氧化钠水溶液将其进行部分水解，得部分水解阳离子聚丙烯酰胺；
（2）将上述部分水解阳离子聚丙烯酰胺与三乙醇胺在催化剂的作用下进行酯化反应，得枝状离子聚丙烯酰胺类包被剂。
所述单体质量浓度为25%-40%；丙烯酰胺、阳离子单体的质量的比为80-90： 10-20。
所述引发剂过硫酸铵-亚硫酸氢钠的加量为单体总质量的0.05%~0.2%。
所述聚合温度为40-50℃，反应时间为3~4h。
所述阳离子聚丙烯酰胺的水解度为20%-40%。
所述阳离子聚丙烯酰胺水解反应温度70℃~100℃，水解时间2h-4h。
所述部分水解阳离子聚丙烯酰胺的粘均分子量为10万~50万。
所述三乙醇胺的加量为部分水解阳离子聚丙烯酰胺质量的2-5倍；
所述酯化反应温度为150-180℃，反应时间3-5h。
所述催化剂为对甲基苯磺酸、磷酸、浓硫酸的一种，加量为部分水解阳离子聚丙烯酰胺质量的0.1%～1%。
本发明的有效益果和特点
本发明制备的水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂分子量适中，具有树状分子结构，能够实现对岩屑的三围立体包裹，并且含有阳离子吸附基团，吸附性强且持久，有效抑制岩屑分散。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明发明的内容，但本发明的内容不仅限于下面的实施例。
实施例1
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺85g、二甲基二烯丙基氯化铵15g、去离子水290g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.1g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至40℃反应3h，然后加入含有10g氢氧化钠的水溶液50g，在70℃下反应2h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为20%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入200g三乙醇胺和0.2g浓硫酸，在150℃下反应3h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被1#。（x+y）：z=12.85：1，x：y=8：2，粘均分子量45万，阳离子含量15%（wt）。
实施例2
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺80g、二甲基二烯丙基氯化铵20g、去离子水290g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.12g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至40℃反应3h，然后加入含11g氢氧化钠的水溶液50g，在80℃下反应2h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为25%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入500g三乙醇胺和0.2g浓硫酸，在180℃下反应2h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被2#。（x+y）：z=9：1，x：y=3：1，粘均分子量36万，阳离子含量20%（wt）。
实施例3
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺90g、二甲基二烯丙基氯化铵10g、去离子水140g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.05g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至50℃反应3.5h，然后加人含21g氢氧化钠的水溶液80g，在90℃下反应2.5h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为40%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入300g三乙醇胺和0.2g浓硫酸，在160℃下反应4h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被3#。（x+y）：z=20.4：1，x：y=3：2，粘均分子量90万，阳离子含量10%（wt）。
实施例4
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺90g、丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵10g、去离子水230g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.07g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至45℃反应4h，然后加入含16g氢氧化钠的水溶液50g，在90℃下反应2.5h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为30%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入500g三乙醇胺和0.2g浓硫酸，在170℃下反应2.5h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被4#。（x+y）：z=34：1，x：y=7：3，粘均分子量66万，阳离子含量10%（wt）。
实施例5
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺88g、丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵12g、去离子水250g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.2g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至40℃反应3.5h，然后加入含10g氢氧化钠的水溶液50g，在80℃下反应3h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为20%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入350g三乙醇胺和0.2g磷酸，在160℃下反应4h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被5#。（x+y）：z=27.8：1，x：y=8：2，粘均分子量30万，阳离子含量12%（wt）。
实施例6
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺85g、丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵15g、去离子水290g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.1g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至50℃反应3h，然后加入含12g氢氧化钠的水溶液50g，在100℃下反应2.5h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为25%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入400g三乙醇胺和0.5g浓硫酸，在160℃下反应4h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被6#。（x+y）：z=21.46：1，x：y=3：1，粘均分子量75万，阳离子含量15%（wt）。
实施例7
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺90g、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵10g、去离子水290g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.2g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至50℃反应3.5h，然后加入含11g氢氧化钠的水溶液，在80℃下反应3h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为20%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入400g三乙醇胺和1g浓硫酸，在160℃下反应2h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被7#。（x+y）：z=26.24:1，x：y=8：2，粘均分子量54万，阳离子含量10%（wt）。
实施例8
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺80g、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵20g、去离子水290g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.15g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至50℃反应3h，然后加入含14g氢氧化钠的水溶液50g，在90℃下反应2.5h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为30%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入400g三乙醇胺和0.2g对甲基苯磺酸，在165℃下反应4h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被8#。（x+y）：z=11.66：1，x：y=7：3，粘均分子量60万，阳离子含量20%（wt）。
实施例9
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺82g、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵18g、去离子水290g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.05g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至45℃反应3h，然后加入含12g氢氧化钠的水溶液50g，在90℃下反应2.5h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为25%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入300g三乙醇胺和0.2g磷酸，在150℃下反应4h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被9#。（x+y）：z=13.28：1，x：y=3：1，粘均分子量150万，阳离子含量18%（wt）。
实施例10
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺88g、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵12g、去离子水290g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.08g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至50℃反应3h，然后加入含10g氢氧化钠的水溶液50g，在90℃下反应2.5h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为20%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入400g三乙醇胺和0.5g磷酸，在150℃下反应4h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被10#。（x+y）：z=21.38：1，x：y=8：2，粘均分子量120万，阳离子含量12%（wt）。
实施例11
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺80g、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵20g、去离子水200g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.1g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至45℃反应3h，然后加入含14g氢氧化钠的水溶液50g，在80℃下反应3h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为30%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入400g三乙醇胺和1g对甲基苯磺酸，在150℃下反应4h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被11#。（x+y）：z=11.66：1，x：y=7：3，粘均分子量75万，阳离子含量20%（wt）。
实施例12
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺85g、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵15g、去离子水290g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.05g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至50℃反应3h，然后加入含12g氢氧化钠的水溶液50g，在90℃下反应2.5h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为25%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入400g三乙醇胺和0.2g磷酸，在160℃下反应3.5h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被12#。（x+y）：z=15.4：1，x：y=3：1，粘均分子量105万，阳离子含量15%（wt）。
实施例13
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺87g、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵13g、去离子水300g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.1g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至40℃反应3h，然后加入含15g氢氧化钠的水溶液50g，在100℃下反应2h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为30%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入400g三乙醇胺和0.2g浓硫酸，在180℃下反应3h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被13#。（x+y）：z=18.19：1，x：y=7：3，粘均分子量99万，阳离子含量13%（wt）。
实施例14
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺90g、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵10g、去离子水250g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.2g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至50℃反应3h，然后加入含21g氢氧化钠的水溶液70g，在90℃下反应2.5h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为40%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入350g三乙醇胺和0.5g浓硫酸，在170℃下反应3h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被14#。（x+y）：z=24.46：1，x：y=3：2，粘均分子量30万，阳离子含量10%（wt）。
实施例15
将装有搅拌器、温度计、恒压漏斗和通气管的聚合反应器置于恒温水浴中，加入丙烯酰胺80g、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵20g、去离子水290g，搅拌使其完全溶解，通氮气30mim，使溶液内温度降到5℃以下，然后缓慢滴加含0.09g过硫酸铵-亚硫酸氢钠的水溶液10g，滴加完成后，缓慢升温至50℃反应4h，然后加入含12g氢氧化钠的水溶液50g，在80℃下反应2.5h，阳离子聚丙烯酰胺的水解度为25%，出料，烘干粉碎；在粉碎后的固体粉末中加入400g三乙醇胺和0.2g磷酸，在150℃下反应5h，过滤即得到枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被15#。（x+y）：z=10.87：1，x：y=3：1，粘均分子量120万，阳离子含量20%（wt）。
实施例16
包被抑制性能评价：通过岩屑滚动回收率实验评价钻井液用强力包被抑制剂抑制岩屑水化分散的能力，并与油田常用包被剂进行比较。具体方法如下：在300mL 0.3%（wt）的钻井液用强力包被抑制剂的水溶液中加入6-10目的岩屑50g，然后在120℃下热滚16h后过40目筛，清水漂洗，将岩屑烘干，称重，计算一次滚动回收率。在300mL去离子水中加入一次滚动后的岩屑，在120℃下热滚16h后过40目筛，清水漂洗，将岩屑烘干，称重，计算二次滚动回收率。在300mL去离子水中加入二次滚动后的岩屑，在120℃下热滚16h后过40目筛，清水漂洗，将岩屑烘干，称重，计算三次滚动回收率。结果见表1。
表1 岩屑滚动回收率实验
名称 一次滚动回收率/% 二次滚动回收率/% 三滚动回收率/%
清水 5.14 2.38 1.90
1<sup>#</sup> 95.55 94.5 94.16
2<sup>#</sup> 95.35 94.21 93.48
3<sup>#</sup> 95.96 94.4 93.8
4<sup>#</sup> 95.12 94.6 94.1
5<sup>#</sup> 94.15 93.85 91.45
6<sup>#</sup> 95.2 94.75 94.21
7<sup>#</sup> 94.4 94.1 93.8
8<sup>#</sup> 96.18 95.25 94.8
9<sup>#</sup> 96.9 95.45 94.4
10<sup>#</sup> 96.7 95.41 94.2
11<sup>#</sup> 95.42 94.59 94.3
12<sup>#</sup> 95.68 94.2 93.9
13<sup>#</sup> 95.41 94.49 94.12
14<sup>#</sup> 95.36 95.1 94.83
15<sup>#</sup> 96.14 95.82 95.2
16<sup>#</sup> 93.25 19.02 8.32
注：16#为油田常用聚合物包被剂。

Claims (9)

1.一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂，其特征在于所述枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂具有如下结构式：
Figure 727291DEST_PATH_IMAGE001
其中A为阳离子重复单元，该阳离子重复单元由阳离子单体得到，阳离子单体选自二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的一种，（x+y）：z=（9~34）:1，x：y=（3~8）：2；所述枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂具有30万-150万的粘均分子量，10%-20%（wt）的阳离子度。
2.根据权利要求1所述的一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂的制备方法，其特征在于包括以下几个步骤：
（1）采用丙烯酰胺、阳离子单体为原料，以过硫酸铵-亚硫酸氢钠为引发剂，通过水溶液自由基聚合反应制得阳离子聚丙烯酰胺，然后通过加入氢氧化钠水溶液将其进行部分水解，得部分水解阳离子聚丙烯酰胺；
（2）将上述部分水解阳离子聚丙烯酰胺与三乙醇胺在催化剂的作用下进行酯化反应，得枝状离子聚丙烯酰胺类包被剂。
3.根据权利要求2所述的一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂的制备方法，其特征在于所述阳离子单体质量浓度为25%-40%；丙烯酰胺、阳离子单体的质量的比为80-90：10-20；引发剂过硫酸铵-亚硫酸氢钠的加量为阳离子单体总质量的0.02%~0.1%。
4.根据权利要求2所述的一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂的制备方法，其特征在于聚合温度为40℃-50℃，反应时间为3~4h。
5.根据权利要求2所述的一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂的制备方法，其特征在于所述阳离子聚丙烯酰胺的水解度为20%-40%，水解反应温度70℃~100℃，水解反应时间2h-4h。
6.根据权利要求2所述的一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂的制备方法，其特征在于所述部分水解阳离子聚丙烯酰胺的粘均分子量为10万~50万。
7.根据权利要求2所述的一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂的制备方法，其特征在于所述三乙醇胺的加量为部分水解阳离子聚丙烯酰胺质量的2-5倍。
8.根据权利要求2所述的一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂的制备方法，其特征在于所述阳离子聚丙烯酰胺的酯化反应温度为150℃-180℃，反应时间3-5h。
9.根据权利要求2所述的一种水基钻井液用枝状阳离子聚丙烯酰胺类包被剂的制备方法，其特征在于所述阳离子聚丙烯酰胺的催化剂为对甲基苯磺酸、磷酸、浓硫酸的一种，加量为部分水解阳离子聚丙烯酰胺质量的0.1%～1%。
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