CN114106793B - 一种耐高温水基恒流变流型调节剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耐高温水基恒流变流型调节剂及其制备方法，由A组份、B组份、C组份三种聚合物共混组成；A组份为聚乙二醇，分子量为20000‑600000，质量份数50‑75份；B组份为聚四氢呋喃，分子量为3000，质量份数5‑10份；C组份为含多重氢键的聚乙二醇粉末颗粒，分子量为40000‑400000，质量份数20‑40份。本发明流型调节剂在2‑120℃范围内具有恒流变特性，该流型调节剂可耐160℃高温，可耐20wt％的氯化钠溶液和50wt％的甲酸钾溶液，具有较好的恒流变性、耐温性、抗盐性和携砂能力。

Description

一种耐高温水基恒流变流型调节剂及其制备方法
技术领域
本发明属于钻井调节剂技术领域，具体涉及一种耐高温水基恒流变流型调节剂及其制备方法。
背景技术
随着钻井深度的增加，井下压力与温度也随之升高，油基钻井液体系能够抗高温，但是在排放时会对环境造成一定的污染；常规水基钻井液流变性能受温度影响较大，尤其是在海底低温条件下，钻井液的粘度和切力剧增，甚至发生胶凝，严重影响深水钻井作业的顺利进行，并大幅增加了钻井成本。在高温下，高分子增粘剂降解严重，钻井液的粘度减小，造成钻井液洗井困难，甚至失去携岩的功能。因此合成具有恒流变且耐高温的流型调节剂具有重要意义。目前，钻井液的恒流变特性主要通过两种方式实现：(1)低浓度有机土复配聚合物流型调节剂，在低温下有机土的空间搭接起主导作用，而高温下则表现为聚合物分子主链扩展，二者协同确保钻井液流变性的稳定；(2)利用温敏性聚合物与有机土制备具有温度响应的网状结构，通过温度调节网状结构强度来补偿钻井液流变性变化。合成基钻井液以烯烃、酯类单体及其混合物为连续相，具有成本高、现场配制不便、潜在环境污染风险等不利因素，在一定程度上限制了其应用。目前水基或者合成基钻井液体系的恒流变性温度范围为4℃至65℃，恒流变温度较窄，具有一定的局限性。因此开发新型流变调节剂，在更高温度范围内粘度变化对温度不敏感的恒流变性水基钻井液是必要的。CN109054782A公开了一种温敏聚合物流变调节剂，可以实现4～75℃范围内粘度参数基本不变。
此外钻完井用流型调节剂需要无机盐加重，一般密度要达到1.5-2.0g/cm3，因此无机盐的含量非常高，一般达到近饱和状态，要求流型调节剂具有优异的抗盐性。常用的耐高温流型调节剂体系为聚苯乙烯磺酸钠体系，但该体系的抗盐性一般，高盐溶度容易析出，不适用于完井液体系。
综上所述，开发耐高温、抗盐、恒流变的流型调节剂在钻完井液中有着重要应用，目前没有报道。
申请号201910392177.3提供一种恒流变环保型合成基钻井液及其制备方法。所述恒流变环保型合成基钻井液，可包含以重量份数计的以下组分：以油相和水相的总重量为100重量份数计，其中，油相60～90重量份，水相10～40重量份；主乳化剂1.0～5.0重量份；辅乳化剂0.5～3.0重量份；流型调节剂0～2重量份；亲油胶体1～4重量份；降滤失剂1～5重量份；氧化钙1～3重量份。本发明使用易生物降解的合成基油和高性能乳化剂为主要组分，配制1.05～1.6g/cm3的合成基钻井液，该合成基钻井液抗温180℃，粘度和切力受温度和压力影响较小，具有流变性好、悬浮稳定性好、易生物降解等特点。本发明的钻井液破乳电压达到1000V以上，具有优良的乳化稳定性、流变性和沉降稳定性。该技术的缺点：1)恒流变温度范围窄：4-65℃；2)合成机及油基钻井液存在环境污染风险；3)合成机及油基钻井液乳化体系，抗盐性相对较差，容易破乳。
申请号201811501140.1提供流型调节剂以及大温差恒流变油基钻井液，所述流型调节剂含有组分A、组分B、组分C和组分D；所述组分A为含有由二聚脂肪酸提供的结构单元、由二元胺类化合物提供的结构单元和由脂肪胺聚氧乙烯醚提供的结构单元的第一共聚物；所述组分B为含有长链二元酸提供的结构单元、二元胺类化合物提供的结构单元和由二元醇类化合物提供的端基的第二共聚物；所述组分C为含有由二聚脂肪酸提供的结构单元和由脂肪胺聚氧乙烯醚提供的结构单元的第三共聚物；所述组分D为醚类化合物。本发明所提供的含有所述流型调节剂的大温差恒流变油基钻井液可以在2～120℃内保持动切力满足现阶段深水钻井的安全钻井需求。该技术的缺点：1)油基体系，环境污染严重，2)含有主乳化剂和辅乳化剂，在高盐环境，有破乳的风险，耐盐性较差，3)油气开采过程中，地质环境复杂，有些环境不适合用油基砖井液。
CN111732942A提供超高温超高密度水基钻井液完井液用流型调节剂及其制备方法，由烯基苯磺酸盐、强亲水性阳离子烯基季铵盐和含有特定长链结构的烯丙基聚氧乙烯醚经水溶液自由基聚合反应生成的具有梳型结构的两性离子聚羧酸盐类多元共聚物，生成的多元共聚物分子链中含有7-20个结构单元，重均分子量范围在6500-12500。这种聚羧酸盐流型调节剂能够大幅降低超高温超高密度水基钻井液完井液的黏度和切力，改善水基钻井液完井液中固相加重材料分散状态，改善超高温超高密度水基钻井液完井液的流变性，明显降低超高温水基钻井液完井液的表面张力，增大超高温超高密度水基钻井液的润滑性能，且兼具泥页岩抑制性能和高温稳定性能，能够抗251℃以上的高温。该技术的缺点：不具备恒流变特性、耐盐性差。
发明内容
本发明提供一种耐高温水基恒流变流型调节剂及其制备方法，解决以下的问题：
(1)油基或者合成基钻井液环境污染严重、高盐环境下、乳化剂存在破乳风险、抗盐性差；
(2)水基钻井液耐温性差，恒流变温度范围窄。
一种耐高温水基恒流变流型调节剂的制备方法，包括以下步骤：
由A组份、B组份、C组份三种聚合物共混组成；
A组份为聚乙二醇，分子量为20000-600000，质量份数50-75份；
B组份为聚四氢呋喃，分子量为3000，质量份数5-10份；
C组份为含多重氢键的聚乙二醇粉末颗粒，分子量为4000-40000，质量份数20-40份。
所述的C组份的化学结构式如下所示：
Figure BDA0003380579820000031
其中，其中n为70到900之间的任意数字，
端基的2-脲基-4[1H]-嘧啶酮之间可以形成四重氢键二聚体，因此该组份是以长链超分子聚合物的形式存在，聚乙二醇单元为亲水基团，在高温下四重氢键解离，释放聚乙二醇，提升水溶液的粘度。
所述的C组份的合成过程如下所示：
Figure BDA0003380579820000032
所述的C组份的粉末颗粒尺寸为10-100微米。
优选的流型调节剂化学组成为：A组份：75份，B组份：5份，C组份：20份，
本发明技术方案带来的有益效果：
1)组份A和组份B可以和水分子形成氢键，室温或者低温下在水溶液中溶解度较好，随着温度的升高其溶解度下降，组份C在室温或者低温下不溶于水，但可以在水中悬浮，随着温度的升高分子间的四重氢键解离，释放聚乙二醇单元，其溶解度增加，因此组份A、B、C协同作用，可以确保该流行调节剂在水溶液中的黏度随温度变化而保持恒定，起到恒流变的效果
2)该流型调节剂在2-120℃范围内具有恒流变特性，在此温度范围内，粘度变化小于10％，0℃和120℃下的动切力比值在0.8-1.2之间；
3)该流型调节剂可耐160℃高温，在160℃下老化72h，粘度小于下降小于20％，2℃和160℃下的动切力比值小于3；
4)该流型调节剂具有优异的抗盐特性，在20wt％氯化钠溶液或者50wt％的甲酸钾溶液中，粘度变化极小，小于5％；
5)该流型调节剂适用于水基钻/完井液，特别是在一些大温差(2-160℃)环境下，具有较好的恒流性和携砂能力。
具体实施方式
结合实施例说明本发明的具体技术方案。
实施例1
将六亚甲基二异氰酸酯100g,2-氨基-4-羟基-6-甲基嘧啶10g，在80℃下反应24小时，将反应后的产物用正己烷洗涤3次烘干，将烘干的产物10g,分子量为5000的氨基封端的聚乙醇170g在DMF溶剂中80℃反应2小时，烘干，冷冻粉碎，过筛，等到组份C；
实施例2
将制备的组份C 30份，分子量为20000的组份A60份、分子量为3000的组份B10份机械搅拌混合均匀
实施例3:将实施例2中的流行调节剂50g分散在450ml水中搅拌，待组份A和组份B完全溶解后，测试该溶液在2℃,25℃,80℃和120℃下的表观黏度和塑形粘度并计算动切力。
实施例4:将实施例2中的流行调节剂50g,氯化钠120g,分散在450ml水中搅拌，待组份A、组份B和氯化钠完全溶解后，测试该溶液在2℃,25℃,80℃和120℃下的表观黏度和塑形粘度并计算动切力。
实施例5:将实施例4的溶液在160℃下老化72小时，测试该溶液老化前后在25℃下的表观黏度和塑形粘度并计算动切力。
实施例6：将实施例2中制备的组份C 20份，分子量为300000的组份A 70份、分子量为3000的组份B10份机械搅拌混合均匀
实施例7:将实施例6中的流行调节剂30g,氯化钠120g,分散在470ml水中搅拌，待组份A、组份B和氯化钠完全溶解后，测试该溶液在2℃,和160℃下的表观黏度和塑形粘度并计算动切力。
实施例8：将实施例2中制备的组份C 30份，分子量为500000的组份A 60份、分子量为3000的组份B10份机械搅拌混合均匀
实施例9:将实施例8中的流行调节剂30g,甲酸钾500g,分散在470ml水中搅拌，待组份A、组份B和甲酸钾完全溶解后，测试该溶液在2℃,25℃,80℃和120℃下的表观黏度和塑形粘度并计算动切力。
实施例10：将实施例9的溶液在160℃下老化72小时，测试该溶液老化前后在25℃下的表观黏度和塑形粘度并计算动切力。
表1：实施例3在不同温度下的流变性能
2℃ 25℃ 80℃ 120℃
Θ<sub>300</sub> 52 49 47 47
Θ<sub>600</sub> 64 62 60 58
AV(mpa·s) 32 31 30 29
PV(mpa·s) 12 13 13 11
YP(mpa·s) 20 18 17 18
从表1可以得出以下结论：该流型调节剂在2-120℃范围内，溶液的表观粘度、塑性黏度及动切力基本保持不变，说明该流型调节剂在2-120℃范围内具有很好的恒流变特性。
表2：实施例4在不同温度下的流变性能
2℃ 25℃ 80℃ 120℃
Θ<sub>300</sub> 40 38 37 36
Θ<sub>600</sub> 54 52 50 46
AV(mpa·s) 27 26 25 23
PV(mpa·s) 14 14 13 10
YP(mpa·s) 13 12 12 13
从表2可以得出以下结论：在19.4wt％的氯化钠水溶液中，该流型调节剂在2-120℃范围内，溶液的表观粘度、塑性黏度及动切力基本保持不变，说明该流型调节剂不仅在2-120℃范围内具有很好的恒流变特性，同时具有很好的抗盐性，其流变性能受盐浓度影响不大。
表3：实施例5在160℃老化前后的流变性能
Θ<sub>300</sub> Θ<sub>600</sub> AV(mpa·s) PV(mpa·s) YP(mpa·s)
老化前 38 52 26 14 12
老化后 36 50 25 14 11
从表3可以得出以下结论：该流型调节剂在160℃老化72小时后，其水溶液的流变性能与老化前基本不发生变化，说明该流型调节剂具有优异的耐高温性能，可以在160℃甚至更高温度下长期使用。
表4：实施例7在不同温度下的流变性能
Figure BDA0003380579820000051
Figure BDA0003380579820000061
从表4可以得出以下结论：该流型调节剂在160℃下仍具有一定的粘度，说明在此温度下的仍具有很好的携砂能力，此外，该流型调节剂在12℃和160℃下的动切力比值为2，说明在2-160℃范围内流变性能变化不大，仍具有一定的恒流变性能。
表5：实施例9在不同温度下的流变性能
2℃ 25℃ 80℃ 120℃
Θ<sub>300</sub> 78 70 68 64
Θ<sub>600</sub> 110 100 96 90
AV(mpa·s) 55 50 48 45
PV(mpa·s) 32 30 28 26
YP(mpa·s) 23 20 20 19
从表5可以得出以下结论：在50wt％的甲酸钾水溶液中，该流型调节剂在2-120℃范围内，溶液的表观粘度、塑性黏度及动切力基本保持不变，说明该流型调节剂不仅在2-120℃范围内具有很好的恒流变特性，同时具有优异的抗盐性，其流变性能受盐浓度影响不大。
表6：实施例10在不同温度下的流变性能
Figure BDA0003380579820000062
从表6可以得出以下结论：在高盐浓度下，该流型调节剂在160℃老化72小时后，其水溶液的流变性能与老化前基本不发生变化，说明该流型调节剂具有优异的耐高温性能和抗盐性，可以在160℃甚至更高温度下，高盐浓度下长期使用。

Claims (4)

1.一种耐高温水基恒流变流型调节剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
由A组份、B组份、C组份三种聚合物共混组成；
A组份为聚乙二醇，分子量为20000-600000，质量份数50-75份；
B组份为聚四氢呋喃，分子量为3000，质量份数5-10份；
C组份为含多重氢键的聚乙二醇粉末颗粒，分子量为4000-40000，质量份数20-40份；
所述的C组份的化学结构式如下所示：其中n为70到900之间的任意数字；
Figure FDA0003707964140000011
2.根据权利要求1所述的一种耐高温水基恒流变流型调节剂的制备方法，其特征在于：所述的C组份的合成过程如下所示：
Figure FDA0003707964140000012
3.根据权利要求1所述的一种耐高温水基恒流变流型调节剂的制备方法，其特征在于：所述的C组份的粉末颗粒尺寸为10-100微米。
4.一种耐高温水基恒流变流型调节剂，其特征在于：根据权利要求1到3任一项所述的制备方法所得。
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