CN114621736B - 一种环境友好型钻井液封堵剂、钻井液以及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种环境友好型钻井液封堵剂、钻井液以及制备方法，所述钻井液封堵剂为微晶纤维素的改性产品；所述环境友好型钻井液封堵剂制备方法包括以下步骤：向微晶纤维素中加入无水乙醇和/或水溶液，得到反应溶液；向反应溶液中加入碱性溶液调节pH为11～13，在20℃～50℃条件下搅拌1h～2h，进行碱化处理，再加入酸性溶液调节pH为8～10，调节温度为60℃～90℃，并在搅拌条件下加入反应试剂，继续反应3h～7h，得到混合溶液；将混合溶液冷却至室温，过滤得到环境友好型钻井液封堵剂。本发明的有益效果：以天然高分子材料为主体开展了研究；同时满足环境保护要求。

Description

一种环境友好型钻井液封堵剂、钻井液以及制备方法
技术领域
本发明属于石油与天然气领域，具体来讲，涉及一种环境友好型钻井液封堵剂、钻井液以及制备方法。
背景技术
石油钻井过程中，钻井液及其滤液会通过地层层理、裂缝、孔隙等进入地层深部，从而导致地层黏土矿物水化膨胀、裂缝扩展贯通、地层胶结强度降低、油气储层伤害等。为了有效阻止钻井液及其滤液进入地层，最直接有效的方法是在钻井液中添加封堵剂，实现地层裂缝、孔隙有效封堵，从而达到稳定井壁、保护油气储层等目的。
目前，石油钻井中常用的封堵剂主要有沥青类、石蜡类、聚合醇类、无机颗粒等封堵材料，其性能的好坏直接影响钻井液稳定井壁和保护油气储层的效果。沥青、石蜡类封堵剂在一定温度压力下可软化变形，易被挤入井壁微裂缝、孔喉结构，实现地层有效封堵；聚合醇类封堵剂则通过浊点效应，当到达一定温度以后，发生相分离，形成微粒封堵地层孔隙、微裂缝；碳酸钙封堵剂主要为刚性封堵材料，通过桥接作用实现孔隙、裂缝封堵。在实际应用中，乳化石蜡封堵剂存在软化点低、有效含量低、低温下易破乳等问题；聚合醇类封堵剂浊点效应下产生的粒子量少，无固相粒子，无法满足防塌封堵需要；单一刚性封堵剂在井筒液柱压力和钻井液流体力学作用下容易再次脱离，达不到理想封堵效果；沥青类封堵剂是目前公认较为理想的封堵剂，但存在荧光级别高以及环保方面问题。
公开号CN109825266A的中国专利公开了一种强抑制高封堵双保型钻井液及其制备方法，由钻井组合物、有膨润土、聚丙烯酰胺钾盐、聚阴离子纤维素、预糊化淀粉、乳化石蜡、封堵剂、黄原胶、pH调节剂、加重剂、岩屑。公开号CN109306262A的中国专利公开了一种用于大斜度井的钻井液及其制备方法和应用，由聚阴离子纤维素、包被剂、羧甲基淀粉、聚醚多元醇、聚合醇、封堵剂、配浆料以及余量的水。然而，目前国内高分子封堵剂相关研发和应用成果相对较少。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明目的之一在于提供一种环境友好型钻井液封堵剂、钻井液。本发明的另一目的在于提供一种环境友好型钻井液封堵剂、钻井液的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供一种环境友好型钻井液封堵剂，所述钻井液封堵剂的结构通式为：
其中，R1表示H、碳原子数为3～18的烷基(即，C3～C18烷基)、-Y1Z、-Y2COO-和-CH2CH(OH)Y3中的至少一种；R2表示H、碳原子数为3～18的烷基(即，C3～C18烷基)、-Y1Z、-Y2COO-和-CH2CH(OH)Y3中的至少一种；R3表示H、碳原子数为3～18的烷基(即，C3～C18烷基)、-Y1Z、-Y2COO-和-CH2CH(OH)Y3中的至少一种；R1、R2、R3不同时为H；Y1表示-CH2CH(OH)CH2O(CH2)3-、-CH2OCH2CH2-和碳原子数为1～8的亚烷基(即，C1～C8亚烷基)中的一种；Z表示-Si(CH3)3、-Si(CH3O)3和-Si(CH3CH2O)3中的一种；Y2表示碳原子数为1～4亚烷基(即，C1～C4亚烷基)中的一种；Y3表示碳原子数为1～12烷基(即，C1～C12烷基)中的一种。
在本发明的一个示例性实施例中，所述钻井液封堵剂可为微晶纤维素的改性产品。
本发明的另一方面提供了一种环境友好型钻井液封堵剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：向微晶纤维素中加入无水乙醇和/或水溶液，得到反应溶液；向反应溶液中加入碱性溶液调节pH为11～13，在20℃～50℃条件下搅拌1h～2h，进行碱化处理，再加入酸性溶液调节pH为8～10，调节温度为60℃～90℃，并在搅拌条件下加入反应试剂，继续反应3h～7h，得到混合溶液；将混合溶液冷却至室温，过滤得到环境友好型钻井液封堵剂。
在本发明的一个示例性实施例中，所述制备方法还可包括所述混合溶液冷却至室温的步骤后，采用乙醇溶液对环境友好型钻井液封堵剂进行洗涤、抽滤、干燥、粉化。
在本发明的一个示例性实施例中，所述反应试剂可为环氧化试剂和/或卤化试剂。
在本发明的一个示例性实施例中，所述环氧化试剂的结构通式可为：
其中，R4表示-Y4Z、碳原子数为1～12烷基(即，C1～C12烷基)中的一种；Y4表示-CH2O(CH2)3-、碳原子数为1～8亚烷基(即，C1～C8亚烷基)中的一种；Z表示-Si(CH3)3、-Si(CH3O)3和-Si(CH3CH2O)3中的一种。
在本发明的一个示例性实施例中，所述卤化试剂的结构通式可为：
其中，X表示Cl、Br、I中的一种；R5表示碳原子数为1～18烷基(即，C1～C18烷基)、-Y2COO-和-Y5Z中的一种；Y2表示碳原子数为1～4亚烷基(即，C1～C4亚烷基)中的一种；Y5选自-CH2OCH2CH2-、碳原子数为1～8亚烷基(即，C1～C8亚烷基)中的一种；Z选自-Si(CH3)3、-Si(CH3O)3和-Si(CH3CH2O)3中的一种。
在本发明的一个示例性实施例中，所述碱性溶液可包括氢氧化钾或氢氧化钠溶液，所述酸性溶液可包括盐酸、硫酸和磷酸中的一种。
本发明的又一方面提供了一种钻井液的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：采用如上述的环境友好型钻井液封堵剂制备方法得到环境友好型钻井液封堵剂；以水为基准，按质量百分数计，1～4％土、0.1～0.3％氢氧化钠、2～5％抗高温降滤失剂、1～3％所述环境友好型钻井液封堵剂、15～30％甲酸钠、0.1～0.2％聚丙烯酰胺钾盐和加重材料，加重至使用密度，并混合均匀。
本发明的再一方面提供了一种钻井液，所述钻井液由上述钻井液的制备方法得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：
1)以天然高分子材料为主体开展了研究；
2)满足环境保护要求。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例详细地描述本发明的环境友好型钻井液封堵剂、钻井液以及制备方法。
由于我国环保形势的日趋严峻，钻井液技术向着绿色发展已成为必然。为减少钻井液对环境的污染，人们普遍以天然高分子材料为主体开展了广泛研究，经多年发展，取得了长足进步，但目前，对于较好的环境友好型封堵剂产品仍然较少。因此，为满足环境保护要求，本发明提供了一种环境友好型钻井液封堵剂、钻井液以及制备方法。
第一示例性实施例
在本发明的第一示例性实施例中，提供了一种环境友好型钻井液封堵剂，所述钻井液封堵剂的结构通式为：
其中，R1表示H、碳原子数为3～18的烷基(即，C3～C18烷基)、-Y1Z、-Y2COO-和-CH2CH(OH)Y3中的至少一种；R2表示H、碳原子数为3～18的烷基(即，C3～C18烷基)、-Y1Z、-Y2COO-和-CH2CH(OH)Y3中的至少一种；R3表示H、碳原子数为3～18的烷基(即，C3～C18烷基)、-Y1Z、-Y2COO-和-CH2CH(OH)Y3中的至少一种；R1、R2、R3不同时为H；Y1表示-CH2CH(OH)CH2O(CH2)3-、-CH2OCH2CH2-和碳原子数为1～8的亚烷基(即，C1～C8亚烷基)中的一种；Z表示-Si(CH3)3、-Si(CH3O)3和-Si(CH3CH2O)3中的一种；Y2表示碳原子数为1～4亚烷基(即，C1～C4亚烷基)中的一种；Y3表示碳原子数为1～12烷基(即，C1～C12烷基)中的一种。
在本发明的示例性实施例中，钻井液封堵剂为微晶纤维素的改性产品。
第二示例性实施例
在本发明的第二示例性实施例中，提供了一种环境友好型钻井液封堵剂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：向微晶纤维素中加入无水乙醇和/或水溶液，得到反应溶液；向反应溶液中加入碱性溶液调节pH为11～13，在20℃～50℃条件下搅拌1h～2h，再加入酸性溶液调节pH为8～10，调节温度为60℃～90℃，并在搅拌条件下加入反应试剂，继续反应3h～7h，得到混合溶液；将混合溶液冷却至室温，过滤得到环境友好型钻井液封堵剂。
其中，将微晶纤维素中的-OH进行碱化处理，pH太低不能彻底碱化，其反应活性低；温度较高时，强碱条件下对其结构有一定的破坏作用。同时，随碱化时间增加，其反应活性提高，直至到达稳定，继续增加反应时间无意义。
其中，反应温度增加，可提高化学反应活性，温度太高不利于产物生成；随反应时间增加，能反应更完全，直至达到平衡。
合理的pH条件，能保障反应的正常进行，有利于反应产物的生成。第一次调节pH值为11～13，反应溶液进行碱化，促进微晶纤维素活化；第二次调节pH值为8～10，提供碱性条件，促进反应进行。
在本发明的示例性实施例中，制备方法还包括所述混合溶液冷却至室温的步骤后，采用乙醇溶液对环境友好型钻井液封堵剂进行洗涤、抽滤、干燥、粉化。
可选地，反应完以后，混合溶液中就已经生成了封堵剂，但是纯度不高。后期还可以进行洗涤、抽滤、干燥和粉化中的一种或多种，以提高纯度，并形成成品。
在本发明的示例性实施例中，反应试剂可以为环氧化试剂和/或卤化试剂。
在本发明的示例性实施例中，环氧化试剂的结构通式可以为：
其中，R4表示-Y4Z、碳原子数可以为1～12烷基(即，C1～C12烷基)中的一种；Y4表示-CH2O(CH2)3-、碳原子数可以为1～8亚烷基(即，C1～C8亚烷基)中的一种；Z表示-Si(CH3)3、-Si(CH3O)3和-Si(CH3CH2O)3中的一种。
在本发明的示例性实施例中，卤化试剂的结构通式可以为：
其中，X表示Cl、Br、I中的一种；R5表示碳原子数为1～18烷基(即，C1～C18烷基)、-Y2COO-和-Y5Z中的一种；Y2表示碳原子数为1～4亚烷基中的一种；Y5选自-CH2OCH2CH2-、碳原子数为1～8亚烷基(即，C1～C8亚烷基)中的一种；Z选自-Si(CH3)3、-Si(CH3O)3和-Si(CH3CH2O)3中的一种。
在本发明的示例性实施例中，碱性溶液包括氢氧化钾或氢氧化钠溶液，酸性溶液包括盐酸、硫酸和磷酸中的一种。
第三示例性实施例
在本发明的第三示例性实施例中，提供了一种钻井液的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
采用如上述的环境友好型钻井液封堵剂制备方法得到环境友好型钻井液封堵剂；以水为基准，按质量百分数计，1～4％土、0.1～0.3％氢氧化钠、2～5％抗高温降滤失剂、1～3％环境友好型钻井液封堵剂、15～30％甲酸钠、0.1～0.2％聚丙烯酰胺钾盐和加重材料，加重至使用密度，并混合均匀。
其中，加重材料包括重晶石、碳酸钙。
可选地，在常温条件下，搅拌混合即可。
可选地，土需在水中充分水化以后才添加其他的材料，水化时间16h以上。
可选地，聚丙烯酰胺钾盐的英文为KPAM。
第四示例性实施例
在本发明的第四示例性实施例中，提供了一种钻井液，钻井液由上述钻井液的制备方法得到。
示例1
本示例环境友好型钻井液封堵剂，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取20g微晶纤维素于250mL水溶液中；
(2)采用质量浓度50％氢氧化钠溶液调节反应溶液pH为11，在20℃条件下搅拌1h，进行碱化处理；
(3)采用质量浓度10％硫酸溶液调节反应溶液pH为8，调节温度至60℃，并在搅拌条件下加入10g 3-缩水甘油基氧基丙基三甲氧基硅烷，继续反应3h；
(4)反应结束，冷却至室温，沉淀过滤反应产物；
(5)采用乙醇溶液对反应产物进行洗涤、抽滤、干燥、粉化，即得到本发明环境友好型钻井液封堵剂。
示例2
本示例环境友好型钻井液封堵剂，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取20g微晶纤维素于250mL无水乙醇溶液中；
(2)采用质量浓度50％氢氧化钠溶液调节反应溶液pH为13，在30℃条件下搅拌2h，进行碱化处理；
(3)采用质量浓度10％盐酸溶液调节反应溶液pH为10，调节温度至65℃，并在搅拌条件下加入13.5g 3-氯丙基三乙氧基硅烷与3-氯丙酸，继续反应7h。其中，加入3-氯丙酸前需采用氢氧化钠溶液中和至弱碱性，3-氯丙基三乙氧基硅烷与3-氯丙酸摩尔比为1：4；
(4)反应结束，冷却至室温，沉淀过滤反应产物；
(5)采用乙醇溶液对反应产物进行洗涤、抽滤、干燥、粉化，即得到本发明环境友好型钻井液封堵剂。
示例3
本示例环境友好型钻井液封堵剂，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取20g微晶纤维素于250mL质量比为1：1的乙醇和水中；
(2)采用质量浓度50％氢氧化钠溶液调节反应溶液pH为11，在35℃条件下搅拌2h，进行碱化处理；
(3)采用质量浓度10％盐酸溶液调节反应溶液pH为10，调节温度至75℃，并在搅拌条件下加入10g1,2-环氧己烷，继续反应5h；
(4)反应结束，冷却至室温，沉淀过滤反应产物；
(5)采用乙醇溶液对反应产物进行洗涤、抽滤、干燥、粉化，即得到本发明环境友好型钻井液封堵剂。
示例4
本示例环境友好型钻井液封堵剂，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取20g微晶纤维素于250mL无水乙醇溶液中；
(2)采用质量浓度50％氢氧化钠溶液调节反应溶液pH为11，在30℃条件下搅拌2h，进行碱化处理；
(3)采用质量浓度10％盐酸溶液调节反应溶液pH为10，调节温度至65℃，并在搅拌条件下加入9.6g氯代十二烷与5-氯戊酸，继续反应4h。其中，加入5-氯戊酸前需采用氢氧化钠溶液中和至弱碱性，氯代十二烷与5-氯戊酸摩尔比为1:2；
(4)反应结束，冷却至室温，沉淀过滤反应产物；
(5)采用乙醇溶液对反应产物进行洗涤、抽滤、干燥、粉化，即得到本发明环境友好型钻井液封堵剂。
以下通过试验来对示例1-4中环境友好型钻井液封堵剂进行产品性能评价。
1、钻井液性能测定
钻井液基础配方为3％土、0.2％氢氧化钠、3％抗高温降滤失剂、30％甲酸钠、0.2％KPAM、重晶石至密度1.5g/cm3、2％示例1-4(应用例1-4)，其中未添加任何示例环境友好型钻井液封堵剂的钻井液作为对比参照样(应用例5)。随后，在150℃条件下热滚16h后，取出并冷却至室温，测定其性能。
表1钻井液性能对比
从表1中可以看出，在150℃条件下热滚16h后，经本发明应用例1-4处理后的钻井液的高温高压滤失量均显著降低，说明所述的环境友好型钻井液封堵剂可有效降低钻井液的高温高压滤失量，具有良好的封堵效果，其中应用例2效果最优。
2、土浆滤失量测定
配制5份350ml质量浓度为5％的土浆，应用例6-9分别按1.5％质量浓度添加上述示例1-4中制备的环境友好型钻井液封堵剂，其中未添加任何示例封堵剂的土浆作为对比参照样(应用例10)。随后，将其在150℃条件下热滚16h后，取出并冷却至室温，测定其滤失量。
表2土浆滤失量对比
从表2中可以看出，在150℃条件下热滚16h后，经本发明应用例6-9处理后的土浆的API滤失量均显著降低，说明所述的环境友好型钻井液封堵剂可有效降低土浆的滤失量，具有良好的封堵效果，其中应用例7效果最优。
3、抗盐性能测定
配制5份350ml质量浓度为5％土、15％NaCl的基浆，应用例11-14分别按1.5％质量浓度添加上述示例1-4中制备的环境友好型钻井液封堵剂，其中未添加任何示例封堵剂的基浆作为对比参照样(应用例15)。随后，将其在150℃条件下热滚16h后，取出并冷却至室温，测定其滤失量。
表3基浆滤失量对比
样品 API滤失量(mL)
应用例11 200
应用例12 190
应用例13 254
应用例14 188
应用例15 320
从表3中可以看出，在150℃条件下热滚16h后，经本发明应用例11-14处理后的基浆的API滤失量均显著降低，这说明环境友好型钻井液封堵剂具有较强的抗盐污染能力，可有效降低基浆的滤失量，具有良好的封堵效果，其中以应用例14效果最优。
4、生物毒性测定
采用行业标准SY/T 6788-2010的发光细菌法测定本发明示例1-4的环境友好型钻井液封堵剂的生物毒性，封堵剂检测质量浓度为3％，测定结果如表4所示。
表4生物毒性测定
从表4中可以看出，发光细菌法测定的所述环境友好型钻井液封堵剂的EC50值均远大于行业标准SY/T 6788-2010中规定25000mg/L，即所述环境友好型钻井液封堵剂为无毒。
综上所示，本发明的环境友好型钻井液封堵剂可用于封堵地层中微米级孔、缝，可有效降低钻井液滤失量，具备良好的抗高温性能且钻井液配伍良好；同时，该钻井液封堵剂采用天然高分子材料为主体改性而成，生物毒性为无毒，具有较好的环保性能。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (9)

1.一种环境友好型钻井液封堵剂，其特征在于，所述钻井液封堵剂的结构通式为：
其中，R1表示H、碳原子数为12～18的烷基、-Y1Z、-Y2COO-和-CH2CH(OH)Y3中的至少一种；
R2表示H、碳原子数为12～18的烷基、-Y1Z、-Y2COO-和-CH2CH(OH)Y3中的至少一种；
R3表示H、碳原子数为12～18的烷基、-Y1Z、-Y2COO-和-CH2CH(OH)Y3中的至少一种；
R1、R2、R3不同时为H；
Y1表示-CH2CH(OH)CH2O(CH2)3-、-CH2OCH2CH2-和碳原子数为3～8的亚烷基中的一种；Z表示-Si(CH3)3、-Si(CH3O)3和-Si(CH3CH2O)3中的一种；Y2表示碳原子数为2～4亚烷基中的一种；Y3表示碳原子数为4～12烷基中的一种；
所述钻井液封堵剂为微晶纤维素的改性产品；
所述环境友好型钻井液封堵剂用于封堵地层中微米级孔、缝。
2.一种如权利要求1所述的环境友好型钻井液封堵剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
向微晶纤维素中加入无水乙醇和/或水溶液，得到反应溶液；
向反应溶液中加入碱性溶液调节pH为11～13，在20℃～50℃条件下搅拌1h～2h，进行碱化处理，再加入酸性溶液调节pH为8～10，调节温度为60℃～90℃，并在搅拌条件下加入反应试剂，继续反应3h～7h，得到混合溶液；
将混合溶液冷却至室温，过滤得到环境友好型钻井液封堵剂。
3.根据权利要求2所述的环境友好型钻井液封堵剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括所述混合溶液冷却至室温的步骤后，采用乙醇溶液对环境友好型钻井液封堵剂进行洗涤、抽滤、干燥、粉化。
4.根据权利要求2所述的环境友好型钻井液封堵剂的制备方法，其特征在于，所述反应试剂为环氧化试剂和/或卤化试剂。
5.根据权利要求4所述的环境友好型钻井液封堵剂的制备方法，其特征在于，所述环氧化试剂的结构通式为：
其中，R4表示-Y4Z、碳原子数为4～12烷基中的一种；
Y4表示-CH2O(CH2)3-；Z表示-Si(CH3)3、-Si(CH3O)3和-Si(CH3CH2O)3中的一种。
6.根据权利要求4所述的环境友好型钻井液封堵剂的制备方法，其特征在于，所述卤化试剂的结构通式为：
X-R5
其中，X表示Cl、Br和I中的一种；
R5表示碳原子数为12～18烷基、-Y2COO-和-Y5Z中的一种；
Y2表示碳原子数为2～4亚烷基中的一种；Y5选自-CH2OCH2CH2-、碳原子数为3～8亚烷基中的一种；Z选自-Si(CH3)3、-Si(CH3O)3和-Si(CH3CH2O)3中的一种。
7.根据权利要求2所述的环境友好型钻井液封堵剂的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液包括氢氧化钾或氢氧化钠溶液，所述酸性溶液包括盐酸、硫酸和磷酸中的一种。
8.一种钻井液的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
采用如权利要求2-7中任意一项所述的环境友好型钻井液封堵剂制备方法得到环境友好型钻井液封堵剂；
以水为基准，按质量百分数计，1～4％土、0.1～0.3％氢氧化钠、2～5％抗高温降滤失剂、1～3％所述环境友好型钻井液封堵剂、15～30％甲酸钠、0.1～0.2％聚丙烯酰胺钾盐和加重材料，加重至使用密度，并混合均匀。
9.一种钻井液，其特征在于，所述钻井液由权利要求8所述钻井液的制备方法得到。
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