CN113493554A - 一种钻井液用纳米防塌抑制剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钻井液用纳米防塌抑制剂及其制备方法，包括以下步骤：将γ‑甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子、季铵盐单体、双键封端的聚乙二醇，加入溶剂中搅拌均匀，在惰性气氛保护下加入引发剂，在60～80℃反应3～7小时，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物在70～90℃烘干，即得到钻井液用纳米防塌抑制剂。本发明通过静电吸附、氢键作用、浊点效应、化学交联等的协同作用，同时起到页岩抑制和井壁防塌作用，加入少量处理剂即可明显提高钻井液的抑制性能和防塌性能，减少钻井事故。

Description

一种钻井液用纳米防塌抑制剂及其制备方法
技术领域
本发明属于钻井液抑制剂技术领域，具体涉及到一种钻井液用纳米防塌抑制剂及其制备方法。
背景技术
钻井是石油勘探、石油开发的一个至关重要的环节和手段。随着油气钻井向着超深井、高温井、高压井、大位移井和深水井等高难度不断推进，钻井过程中，面临起下钻遇阻、卡钻、泥页岩吸水膨胀、井眼失稳等复杂情况日益增加，这对钻井液及其处理剂具有更高需求，特别是对钻井液的抑制性能和防塌性能提出新的要求。
目前，钻井液的抑制性能和防塌性能，分别通过加入抑制剂和防塌剂，提高钻井液的抑制性能和防塌性能。加入程序多，工序繁琐。而且适用于深层、超深层高温、高矿化度条件下的抑制剂和防塌剂，极度缺乏。因此，为了进一步有效开发深层、超深层等复杂油气藏，亟需研发具有耐温、耐酸碱、耐矿化度条件，并且兼具抑制性能和防塌性能的防塌抑制剂。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有的抑制剂存在的缺陷，提供一种钻井液用纳米防塌抑制剂及其制备方法，可有效解决现有钻井液用防塌剂、抑制剂存在的不耐高温、酸碱性和矿化度，无法同时具有防塌性能和抑制性能的问题。
为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，包括以下步骤：将硅烷偶联剂修饰的二氧化硅纳米粒子、季铵盐单体和双键封端的聚乙二醇，加入溶剂中搅拌均匀，在惰性气氛保护下加入引发剂，在60～80℃反应3～7h，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物于70～90℃条件下烘干，制得钻井液用纳米防塌抑制剂。
进一步地，将硅烷偶联剂修饰的二氧化硅纳米粒子、季铵盐单体、双键封端的聚乙二醇，加入溶剂后，浓度范围为3.5～37wt％。
进一步地，引发剂、乙醇以及溶剂的重量比为0.1～3:20～35:11～15。
进一步地，硅烷偶联剂修饰的二氧化硅纳米粒子与季铵盐单体和双键封端的聚乙二醇质量之和的比例为2.5～4.5：1。
进一步地，硅烷偶联剂修饰的二氧化硅纳米粒子通过以下方法制得：将质量比为1.0～2.5：1的硅烷偶联剂和二氧化硅纳米粒子混于混合溶剂中，在20～45℃温度下反应4～6小时，制得。
进一步地，硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，混合溶剂由乙醇与水按1:1的质量比混合得到。
进一步地，季铵盐单体与双键封端的聚乙二醇的摩尔比为1.5～2.4：1。
进一步地，季铵盐单体为二甲基二烯丙基氯化铵、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和三羟乙基烯丙基氯化铵中的一种或两种。
进一步地，双键封端的聚乙二醇为聚乙二醇分子一端含双键的聚合物，包括烯丙基聚乙二醇、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯和聚乙二醇丙烯酸酯中的一种或两种。
进一步地，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或四氢呋喃。
进一步地，引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧化二苯甲酰。
采用钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法制备得到的钻井液用纳米防塌抑制剂。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、通过本发明提供的方法制备的纳米防塌抑制剂具有产品纯度高、改善效果明显等特点；
2、纳米防塌抑制剂同时具有抑制性能和防塌性能，作为钻井液处理剂，只需一次加入，即可实现多种工作，使用工序简单；
3、使用过程中，纳米防塌抑制剂表面的季铵盐官能团与黏土具有静电相互作用，可以吸附在岩屑、井壁黏土表面，将数个粘土颗粒通过静电吸附作用、氢键作用等结合在聚合物分子链上，有效抑制岩屑分散和黏土膨胀；
4、纳米防塌抑制剂表面的聚乙二醇分子链，在高温条件下，通过浊点效应，对井壁微小孔隙进行有效封堵，并通过疏水效应，防止钻井液流体进入地层，提升井壁稳定性能，防止井壁垮塌；
5、纳米防塌抑制剂结构中的羟基与地层岩石，在地层温度环境条件下通过化学反应，形成化学交联结构，将井壁岩石与纳米防塌抑制剂紧密结合在一起，起到强化井壁稳定性能，防止钻井过程井壁坍塌；
6、通过静电吸附、氢键作用、浊点效应、化学交联等的协同作用，同时起到页岩抑制和井壁防塌作用，加入少量处理剂即可明显提高钻井液的抑制性能和防塌性能；
7、通过本发明提供的方法制备的纳米防塌抑制剂耐温度性能为110～175℃，耐矿化度为40000～160000mg/L，耐地层水的pH值为4.5～11.5。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。
因此，以下对提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，包括以下步骤：将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子、二甲基二烯丙基氯化铵、烯丙基聚乙二醇，加入N,N-二甲基甲酰胺中使溶质浓度为3.5wt％并搅拌均匀，在N2气氛保护下加入偶氮二异丁腈，在60℃反应3h，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物在70℃烘干，即得到钻井液用纳米防塌抑制剂；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子通过以下方法制得：将质量比为1：1的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和二氧化硅纳米粒子混于乙醇与水(质量比1:1)的混合溶剂中，在20℃温度下反应4h，制得；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子与二甲基二烯丙基氯化铵和烯丙基聚乙二醇质量之和的比例为2.5：1，二甲基二烯丙基氯化铵与烯丙基聚乙二醇的摩尔比为1.5：1。
对比例1
本对比例提供了一种钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，包括以下步骤：将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子、二甲基二烯丙基氯化铵、烯丙基聚乙二醇，加入N,N-二甲基甲酰胺中搅拌均匀，在N2气氛保护下加入偶氮二异丁腈，在40℃反应3h，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物在70℃烘干，即得到钻井液用纳米防塌抑制剂；上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子通过以下方法制得：将质量比为1：1的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和二氧化硅纳米粒子混于乙醇与水(质量比1:1)的混合溶剂中，在20℃温度下反应4h，制得；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子与二甲基二烯丙基氯化铵和烯丙基聚乙二醇醇质量之和的比例为2.5：1，二甲基二烯丙基氯化铵与烯丙基聚乙二醇的摩尔比为1.5：1。
实施例2
本实施例提供了一种钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，包括以下步骤：
将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、聚乙二醇丙烯酸酯，加入N,N-二甲基甲酰胺中使溶质浓度为3.5wt％搅拌均匀，在N2气氛保护下加入偶氮二异丁腈，在70℃反应5h，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物在80℃烘干，即得到钻井液用纳米防塌抑制剂；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子通过以下方法制得：将质量比为1：1的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和二氧化硅纳米粒子混于乙醇与水(质量比1:1)的混合溶剂中，在30℃温度下反应4小时，制得；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子与甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和聚乙二醇丙烯酸酯质量之和的比例为2.5：1，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与聚乙二醇丙烯酸酯的摩尔比为1.5：1。
对比例2
本对比例提供了一种钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，包括以下步骤：
将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、聚乙二醇丙烯酸酯，加入N,N-二甲基甲酰胺中使溶质浓度为3.5wt％搅拌均匀，在N2气氛保护下加入偶氮二异丁腈，在70℃反应2h，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物在80℃烘干，即得到钻井液用纳米防塌抑制剂；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子通过以下方法制得：将质量比为1：1的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和二氧化硅纳米粒子混于乙醇与水(质量比1:1)的混合溶剂中，在30℃温度下反应4小时，制得；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子与甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和聚乙二醇丙烯酸酯质量之和的比例为2.5：1，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与聚乙二醇丙烯酸酯的摩尔比为1.5：1。
实施例3
本实施例提供了一种钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，包括以下步骤：
将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯，加入N-甲基吡咯烷酮中使溶质浓度为3.5wt％搅拌均匀，在N2气氛保护下加入偶氮二异丁腈，在80℃反应7小时，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物在90℃烘干，即得到钻井液用纳米防塌抑制剂；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子通过以下方法制得：将质量比为1：1的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和二氧化硅纳米粒子混于乙醇与水(质量比1:1)的混合溶剂中，在45℃温度下反应4小时，制得；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯质量之和的比例为2.5：1，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯的摩尔比为1.5：1。
对比例3
本对比例提供了一种钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，包括以下步骤：
将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯，加入N-甲基吡咯烷酮中搅拌均匀，在N2气氛保护下加入偶氮二异丁腈，在80℃反应1小时，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物在50℃烘干，即得到钻井液用纳米防塌抑制剂；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子通过以下方法制得：将质量比为1：1的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和二氧化硅纳米粒子混于乙醇与水(质量比1:1)的混合溶剂中，在45℃温度下反应4小时，制得；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯质量之和的比例为2.5：1，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯的摩尔比为1.5：1。
实施例4
本实施例提供了一种钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，包括以下步骤：
将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯，加入四氢呋喃中使溶质浓度为3.5wt％搅拌均匀，在N2气氛保护下加入偶氮二异丁腈，在60℃反应7小时，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物在90℃烘干，即得到钻井液用纳米防塌抑制剂；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子通过以下方法制得：将质量比为1：1的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和二氧化硅纳米粒子混于乙醇与水(质量比1:1)的混合溶剂中，在20℃温度下反应4小时，制得；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯质量之和的比例为2.5：1，丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯的摩尔比为1.5：1。
对比例4
本对比例提供了一种钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，包括以下步骤：
将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子和丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，加入四氢呋喃中搅拌均匀，在N2气氛保护下加入偶氮二异丁腈，在60℃反应7小时，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物在90℃烘干，即得到钻井液用纳米防塌抑制剂。
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子通过以下方法制得：将质量比为1：1的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和二氧化硅纳米粒子混于乙醇与水(质量比1:1)的混合溶剂中，在20℃温度下反应4小时，制得；
上述γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷修饰的二氧化硅纳米粒子与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵质量比为2.5：1。
将实施例1-4和对比例1-4的反应条件统计于表1中，如下表所示。
表1实施例1-4和对比例1-4的反应条件
Figure BDA0003216808290000091
采用Q/SH15000032-2013《钻井液用抑制防塌剂聚胺技术要求》进行各项性能检测，得到实施例1-4和对比例1-4的防塌抑制剂的性能如表2所示。
表2防塌抑制剂各项性能参数
Figure BDA0003216808290000101
通过上表可知，通过本发明提供的钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法制备的钻井液用纳米防塌抑制剂，在耐温度性能上达到110～175℃，在耐矿化度性能上能达到40000～160000mg/L，在耐地层水的pH值可以达到4.5～11.5的宽度，说明本发明提供的方法可以有效解决现有技术中钻井液用防塌剂、抑制剂存在的缺点，具有优异的耐高温和耐酸碱性能。并且本发明是通过严谨的配比和选材，才能达到本发明所提供的技术效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将硅烷偶联剂修饰的二氧化硅纳米粒子、季铵盐单体和双键封端的聚乙二醇，加入溶剂中搅拌均匀，在惰性气氛保护下加入引发剂，在60～80℃反应3～7h，冷却至室温后加入乙醇并过滤，将滤出物于70～90℃条件下烘干，制得钻井液用纳米防塌抑制剂。
2.如权利要求1所述的钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂修饰的二氧化硅纳米粒子与所述季铵盐单体和双键封端的聚乙二醇质量之和的比例为2.5～4.5：1。
3.如权利要求1所述的钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂修饰的二氧化硅纳米粒子通过以下方法制得：将质量比为1.0～2.5：1的硅烷偶联剂和二氧化硅纳米粒子混于混合溶剂中，在20～45℃温度下反应4～6小时，制得。
4.如权利要求3所述的钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，所述混合溶剂由乙醇与水按1:1的质量比混合得到。
5.如权利要求1或2所述的钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，其特征在于，所述季铵盐单体与双键封端的聚乙二醇的摩尔比为1.5～2.4：1。
6.如权利要求1所述的钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，其特征在于，所述季铵盐单体为二甲基二烯丙基氯化铵、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和三羟乙基烯丙基氯化铵中的一种或两种。
7.如权利要求1所述的钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，其特征在于，所述双键封端的聚乙二醇为聚乙二醇分子一端含双键的聚合物，包括烯丙基聚乙二醇、甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯和聚乙二醇丙烯酸酯中的一种或两种。
8.如权利要求1所述的钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，其特征在于，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或四氢呋喃。
9.如权利要求1所述的钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法，其特征在于，所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧化二苯甲酰。
10.采用权利要求1-9任一项所述的钻井液用纳米防塌抑制剂的制备方法制备得到的钻井液用纳米防塌抑制剂。
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