CN1140743A - 抑制粘土水化膨胀的防塌润滑剂 - Google Patents
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本发明涉及一种用于石油钻井液中抑制粘土水化膨胀的防塌润滑剂及其合成方法。其特征是三羟烷基胺与醚化试剂在碱催化下发生醚化和缩合反应，再经季胺化反应制得通式为(I)的阳离子缩聚物，具有抑制粘土水化膨胀，稳定井壁，润滑钻具，防止泥包钻头等多种功能，以及加量少，无毒无荧光，抗泡，不损害油层，与阴离子处理剂相容，化学和热稳定性高等优点。
Description
本发明涉及一种用于石油钻井液中抑制地层粘土水化膨胀的防塌润滑剂及其合成方法，以及该处理剂在石油钻井液中抑制粘土矿物水化膨胀，稳定井壁，润滑钻具，防止泥包钻头的使用和应用，该处理剂是一种有机阳离子缩合物，属于有机化学化工领域。
在石油钻井过程中常因钻屑水化膨胀分散使钻井液固相含量过高，粘切过大而发生粘附卡钻，或井壁粘土水化膨胀引起缩颈卡钻，或泥包钻头降低机械铂速，增大钻头损耗。为此人们越来越广泛地采用阳离子类处理剂抑制粘土水化膨胀分散，用润滑剂降低钻具摩阻，提高钻井液的润滑性。目前国内广泛使用的是油基类润滑剂，可乳化分散在钻井液中，其优点是用量少，一般是0.3-3％，降摩阻润滑效果好，但它不能同时抑制粘土水化膨胀分散，存在着加量不断增大的趋势，同时，因含油和有毒，影响钻井液的直接排放，不能用于海洋和湖泊的钻探，或因有荧光不能用于探井。八十年代后期国外发展了使用低分子量的聚乙二醇(PEG)或丙二醇(PPG)单烷基醚作抑制性水基钻井液润滑剂，具有抑制粘土水化膨胀，润滑钻具，防止泥包钻头等多种功能，以及无毒无荧光等优点，不足之处是抑制性和润滑性不够强，加量大，一般大于10％，配合KCl或PHP使用，才能使用量降为5％。美国专利US5350740披露了使用三羟烷基胺的季胺盐或季胺化缩聚物作水基钻井液粘土水化膨胀抑制剂，具有无毒无荧光，与阴离子处理剂相容的优点，不足之处是缺少润滑性。
本发明的目的在于避免上述现有技术的不足之处，以三羟烷基胺为起始原料，通过增加醚化试剂，调整碱的用量，改进反应温度，使醚化与缩合反应同时进行，再经季胺化反应制得一种原料价廉易得，生产工艺简单，化学稳定性和热稳定性高，无毒易配伍，既有阳离子类的强抑制性，又有非离子和油脂类的高润滑性的抑制地层粘土水化膨胀的防塌润滑剂及其制备方法。
本发明提供了一种用于石油钻井液中能有效地抑制地层粘土矿物水化膨胀分散的防塌润滑剂，它由通式(I)表示的三羟烷基胺的醚化缩合季胺盐和反应中产生的少量无机盐和水组成。它与钻井液配伍性好，无毒无荧光，不污染环境，加量少，抑制性强，润滑性好，抗泡抗酸碱盐，耐温达200℃，特别适用于海洋和内陆湖泊的石油钻井液，能明显地提高钻井质量和效率，降低综合成本。其中R＝C4-18的烷基，n＝2或3，x＝1-15，y≥0，z≥1的整数，
范围为5-20％(摩尔分数)，Q＝C1-4的烷基，或C2-3的羧烷基，或C2-3羟烷基，或水溶性季胺化羟烷基，A是阴离子基因，如Cl-，Br-。
本发明的防塌润滑剂是以三羟烷基胺(即三乙醇胺，三异丙醇胺)为起始剂，烷基硫酸酯(如十二烷基硫酸酯，十六烷基硫酸酯等)或烷基聚氧烷基醚硫酸酯(如十二烷基聚氧乙烯醚硫酸酯，丁基聚氧丙烯醚硫酸酯等)或它们的钠盐为醚化试剂，卤代化合物(如氯甲烷，氯乙烷，氯乙醇，氯乙酸等)为烷基化试剂，碱(如NaOH，KOH等)为催化剂，水为溶剂，按下述工艺方法制备：
(1)醚化与缩合反应：三羟烷基胺与醚化试剂在碱催化下，于140-280℃进行醚化脱水缩合，反应2-24小时，较好为160-250℃反应，2-10小时。三羟烷基胺与醚化试剂和碱的摩尔比为1～1.5∶1∶2.0-2.3。
(2)季胺化反应：上述三羟烷基胺的醚化缩合产物与烷基化试剂在适量水中于50-150℃，0.1-10MPa下，反应2-24小时，然后冷却至室温，用无机酸(如HCl)调节反应产物的PH为6.5-8，就得到抑制粘土水化膨胀的防塌润滑剂(简称CSL)，烷基化试剂的用量为起始剂摩尔数的80-90％，水为起始剂重量的60-100％。
本发明的防塌润滑剂的使用方法是以0.2-5％最好是0.3-3％的用量直接用来配制成各种对环境和油层无损害的石油钻井液，包括用淡水、海水和盐水配制的钻井液和完井液，可明显地改善石油钻井液的流变性和润滑性，稳定井壁，防止泥包钻头，提高钻井质量和效率，降低综合成本。
下面用实例来进一步说明，但并不限制本发明
实施例1
将三乙醇胺，十二烷基硫酸酯和KOH溶夜，以摩尔比为1.25∶1∶2.1加入反应釜中，搅拌混合，减压加热脱水至120℃，N2搅拌，升温至230℃脱水反应4小时，冷却至室温，加入三乙醇胺质量的60％的蒸馏水和三乙醇胺摩尔数的90％的氯乙烷，在90℃8MPa压力下反应5小时，冷却至50℃用盐酸调节PH为6.5-8，得浓度约80％的液体产品CSL-1
实施例2
将三乙醇胺，丁基聚氧丙烯醚硫酸酯和NaOH溶液以摩尔为1.1∶1∶2.05加入反应釜，搅拌混合，减压加热脱水至110-120℃，N2搅拌，升温至200℃脱水反应5小时，冷却至室温，加入三乙醇胺重量的80％的蒸镏水，和三乙醇胺摩尔数的90％的氯乙醇，回流煮沸反应24小时，冷却至室温调节PH为6.5-8，得液体产品CSL-2
实施例3
采用实施例2相似的反应工艺和物料配比，不同的是用氯乙酸钠代替氯乙醇，得到液体产品CSL-3
实施例4
为验证CSL系列防塌润滑剂对粘土水化彭胀分散的抑制能力和对钻具的润滑效果，分别考查了钻屑在CSL溶液中的热滚分散性能，钠搬土在CSI溶液中的高速剪切分散造浆性能，以及CSL对泥浆和钻具的粘附性能的影响，并与KCL、NW系小阳离子聚沉剂和低分子量聚丙二醇(PPG)单丁醚作了对比，结果分别见表1、2、3。
表1、钻屑热滚回收试验
| 溶液样品 | 回收本％ |
| 蒸镏水 | 13.85％ |
| 5％KCL | 30.28 |
| 0.5％NW-1 | 85.13 |
| 0.5％CSL-3 | 97.52 |
| 5％PPG | 82.63 |
表2、粘土造浆试验
| 溶液样品 | 搬土加量％ | AY(mPas) | PV(mPas) | YP(Pa) |
| 蒸镏水 | 15 | 120 | 20 | 100 |
| 5％KCL | 15 | 16 | 10 | 6 |
| 2.5％NW-1 | 15 | 9.5 | 6 | 3.5 |
| 2.5％CSL-2 | 15 | 4 | 3 | 1 |
| 5％PPG | 15 | 18 | 15 | 3 |
表3、CSL的润滑性能
| 样品 | 降摩阻率％ |
| 基桨＝5％搬土＋蒸镏水＋50％重晶石 | |
| 基桨＋5％PPG | 43.81 |
| 基桨＋2.5CSL－2 | 79.75 |
| 基桨＋2.5％CSL－1 | 71.83 |
Claims (5)
1、一种抑制地层粘土水化膨胀的防塌润滑剂，其特征在于它由通式为(I)的阳离子缩聚物与少量无机盐和水组成。其中R＝C4-18的烷基，n＝2或3，x＝1-15，Y≥0的整数，Z≥1的整数，
的范围为5-20％，(摩尔分数)，Q＝C1-4的烷基，或C2-3的羟烷基，或C2-2的羧烷基，或水溶性季胺化羟烷基，A是阴离子基团，如C1-，Br-。
2、如权利要求1所述的抑制粘土水化膨胀的防塌润滑剂，其特征在于是以三羟烷基胺，醚化试剂(即烷基聚氧烷基醚硫酸单酯或烷基硫酸单酯或其钠盐)，烷基化试剂(即卤代化合物)，无机碱，无机酸和水为原料，经多步反应制得各种缩聚度的阳离子混合物，或两性离子混合物。
3、一种制备权利要求1所述的抑制地层粘土水化膨胀的防塌润滑剂的方法，其特征在于制备工艺按如下步骤进行：
(1)醚化与缩合反应：三羟烷基胺与烷基聚氧烷基醚硫酸单酯或烷基硫酸单酯在高温和碱催化下，使缩合与醚化反应同时进行，制备烷氧烷基二羟烷基胺缩合物或烷基聚氧烷基醚烷基二羟烷基胺缩合物。三羟烷基胺与醚化剂和碱的摩尔比为1～1.5∶1∶2.0-2.3，反应温度为140-280℃，160-250℃较好，反应时间为2-24小时，2-10小时较好，
(2)季胺化反应；三羟烷基胺的醚化缩合产物与烷基化试剂(卤代化合物)在适量水中发生季胺化反应，烷基化试剂的用量为三羟烷基胺摩尔数的80-90％，水为三羟烷基胺重量的50-100％，反应温度为50-150℃，压力为0.1-10MPa，反应时间为2-24小时，然后冷却至室温，再用无机酸调节反应产物的PH为6.5-8，就得到抑制粘土水化膨胀的防塌润滑剂。
4、如权利要求2所述的三羟烷基按是三乙醇胺，三异丙醇胺较好；醚化试剂是十二烷基硫酸酯，十六烷基硫酸酯，十八烷基硫酸酯，或十二烷基聚氧乙烯醚硫酸酯，十六烷基聚氧乙烯醚硫酸酯，十八烷基聚氧乙烯醚硫酸酯，或丁基聚氧丙烯醚硫酸酯或它们的钠盐较好；烷基化试剂是氯甲烷、氯乙烷、氯内烷、氯乙醇、氯乙酸较好，所说的碱是NaOH，KOH较好。
5、如权利要求1、2、3所述的抑制地层粘土水化膨胀的防塌润滑剂的使用和应用，其特征在于将它直接用于由淡水，海水或盐水配制的水基钻井液完井液中，其加量为0.2-5％，0.5-3％较好，具有抑制粘土水化膨胀，稳定井壁，润滑钻具，防止泥包钻头，调节钻井液流变性等多种功能，无毒无荧光，不损害油层，抗泡，耐酸碱盐，抗温达200℃，与阴离子处理剂配伍，特别适于海洋和内陆湖泊的石油钻探。
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|---|---|---|---|
| CN 96103771 CN1140743A (zh) | 1996-04-06 | 1996-04-06 | 抑制粘土水化膨胀的防塌润滑剂 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102051162A (zh) * | 2010-11-11 | 2011-05-11 | 中国石油天然气集团公司 | 一种防止泥包钻头处理剂及其制备方法 |
| CN105209403A (zh) * | 2013-03-15 | 2015-12-30 | 克利尔沃尔特国际有限责任公司 | 对环境友好的聚胺的持久性季盐及其作为粘土稳定剂的用途及其制备和使用方法 |
| CN111676003A (zh) * | 2020-07-22 | 2020-09-18 | 西南石油大学 | 一种环保型低分子量支化聚醚氨页岩插层抑制剂 |
| CN114716985A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-07-08 | 湖北菲特沃尔科技有限公司 | 一种小阳离子低聚防膨季铵盐粘土稳定剂及其制备方法 |
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1996
- 1996-04-06 CN CN 96103771 patent/CN1140743A/zh active Pending
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