CN115703865A - 一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井液制备技术领域，具体涉及一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，包括油相物料配制步骤、水相物料配制步骤和反应制备步骤，本发明这种抗温反相乳液聚合物增粘提切剂性能稳定、溶解速度快，使用方便；反相乳液聚合物增粘提切剂分子中含有多种强缔合基团，可形成较强的缔合结构，能有效提高大斜度井和水平井钻井液的粘度和切力，减轻钻屑和重晶石沉降作用；反相乳液聚合物增粘提切剂分子中含有多种刚性基团，耐温抗盐能力突出；反相乳液聚合物增粘提切剂重均分子量较低，对钻井液粘度的影响较小。

Description

一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法

技术领域

本发明属于钻井液制备技术领域，具体涉及一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法。

背景技术

大斜度井和大位移水平井钻井液技术为影响大斜度井和大位移水平井成败的关键因素，其关键技术之一为保持井眼清洁，因为这是大斜度井和大位移水平井能否顺利施工的关键。

目前提高大斜度井和大位移水平井钻井液携岩能力的常用措施是通过添加黄原胶、丙烯酰类聚合物等高分子增粘提切剂，来调整钻井液切力、低剪切速率粘度等流变参数，但随着石油勘探开发向深层拓展，井底温度越来越高，对钻井液高分子增粘提切剂的抗温性能提出了更高要求，而现有的黄原胶、聚丙烯酰类等高分子增粘提切剂抗温性能较差，已不能完全满足高温下大斜度井和大位移水平井钻井液的携岩要求，故研发适用于深层大斜度井和大位移水平井的抗温增粘提切剂深受钻井液工作者的重视。

为提高增粘提切剂的耐温抗盐能力，国内外研究者通过使用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸等单体等耐温单体，研制了多种抗温增粘提切剂。如现有技术中，公开号为CN106608946A、公开时间为2017年5月3日、名称为“用于钻井液增粘剂共聚缔合物及其制备方法”的中国发明专利文献，公开了一种用于钻井液增粘剂共聚缔合物及其制备方法，所述共聚缔合物含有结构单元A、结构单元B、结构单元C和结构单元D，所述结构单元A为N,N-二甲基丙烯酰胺，所述结构单元B为两性离子单体N-甲基二烯丙基丙磺酸盐（MAPS），所述结构单元C为结构单元B与阳离子聚胺的离子缔合体，所述结构单元D为淀粉，以所述共聚缔合物的总量为基准，所述N,N-二甲基丙烯酰胺的含量为6~45重量%，所述两性离子单体N-甲基二烯丙基丙磺酸盐的总含量为5~35重量%，所述阳离子聚胺的含量为2~30重量%，所述淀粉的含量为5~35重量%。再如，公开号为CN105754562A、公开时间为2016年7月13日、名称为“一种大位移井钻井液增粘提切剂及其制备方法和应用”的中国发明专利申请文献，公开了一种大位移井钻井液增粘提切剂及其制备方法和应用，以该大位移井钻井液增粘提切剂的总重量为100重量份计，该大位移井钻井液增粘提切剂包括45重量份~55重量份的丙烯酰胺、25重量份~35重量份的丙烯酸、30重量份~60重量份的阳离子单体溶液、4重量份~10重量份的质量浓度为5%的亚硫酸氢钠溶液、4重量份~10重量份的质量浓度为5%的过硫酸铵溶液。再如，公开号为CN 110016324A、公开时间为2019年7月16日、名称为“一种耐高温水基钻井液提切剂及其制备方法”的中国发明专利申请文献，公开了石油钻井工作液领域的一种耐高温水基钻井液提切剂及其制备方法，该提切剂包含共聚的以重量百分比计的以下组分：40％～80％的单体A；10％～20％的单体B；5％～20％的单体C；5％～20％的单体D；所述单体A选自丙烯酰胺、N ,N-二甲基丙烯酰胺、异丁基丙烯酰胺和丙烯腈中至少一种；所述单体B选自N-乙烯基吡咯烷酮；所述单体C选自甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵中至少一种；所述单体D选自两亲性大分子单体C18PEGMA；该发明的耐高温水基钻井液用提切剂具有良好的提切性能和耐温性能，耐温能力可达到150℃。

但是，上述公开专利中的技术方案均为通过向增粘提切剂分子中引入耐温官能团来提高增粘提切剂分子的耐温性能，但由于对增粘提切剂的作用机理认识不够深入，难以同时兼顾增粘提切性能和抗温性能；其次，常用的增粘提切剂多为固体粉状产品，其在工业生产中需要烘干、粉碎等环节，特别是烘干过程中会导致产品发生降解、水解等副反应，使产品性能出现不同程度的降低；再次，由于增粘提切剂分子量较高，粉状产品在使用中溶解速度较慢，难以直接加入到钻井液中，而通过配置胶液使用则存在费时费力的问题；最后，常用的增粘提切剂对钻井液粘度的提升效果明显，但对动切力和低剪切速率粘度的提升能力不够，不能完全满足高温下大斜度井和大位移水平井钻井液的高效携岩需要。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本发明旨在提出一种适用于深层大斜度井和水平井钻井液的抗温反相乳液聚合物增粘提切剂及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于，包括油相物料配制步骤、水相物料配制步骤和反应制备步骤；

所述油相物料配制步骤，将油溶性乳化剂充分溶解于油相中获得油相物料；

所述水相物料配制步骤，将水溶性乳化剂、反应单体和引发剂溶于去离子水中获得水相物料，所述水溶性乳化剂、反应单体和引发剂的质量比例为（0.5~15）: （5~75）:（0.03~15）；

所述反应制备步骤，将所述水相物料配制步骤中得到的水相物料按照设定的速率加入到所述油相物料配制步骤得到的油相物料中并同时进行搅拌和通入氮气，并在50~90℃的温度下反应1~7h进行均匀乳化后终止反应，得到反应液，向反应液中加入表面活性剂并均匀搅拌，得到重均分子量为500000~1000000的抗温反相乳液聚合物增粘提切剂。

优选地，所述油相物料配制步骤中，所述油溶性乳化剂为山梨糖醇脂肪酸酯。

更为优选地，所述油相物料为白油、煤油、正己烷、苯、甲苯和二甲苯中的一种或几种的混合物。

进一步的，所述水相物料配制步骤中，水溶性乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、N-十六烷基-N-乙基吗啉基乙基硫酸钠和纯月桂基硫酸钠中的一种或几种的混合物。

更为具体的，所述水相物料配制步骤中，反应单体包括烯基磺酸、烯基酰胺、烯基疏水单体和烯基刚性单体；

所述烯基磺酸为乙烯基磺酸、甲基烯丙基磺酸、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸和苯乙烯磺酸钠中的一种或几种的混合物；

所述烯基酰胺为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-乙烯基甲酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-双取代丙烯酰胺和N-（2-羟丙基）丙烯酰胺中的一种或几种的混合物；

所述烯基疏水单体为丙烯酸十八酯、烯丙基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基二烯丙基氯化铵、十六烷基二烯丙基氯化铵、十八烷基二烯丙基氯化铵、十二烷基二甲基二烯丙基溴化铵、十六烷基二烯丙基溴化铵和十八烷基二烯丙基溴化铵中的一种或几种的混合物；

所述烯基刚性单体选自N-乙烯基吡咯烷酮、N-丙烯酰吗啉、N-丙烯酰吡咯烷和N-乙烯基己内酰胺中的一种或几种的混合物。

更为优选地，所述水相物料配制步骤中，烯基磺酸、烯基酰胺、烯基疏水单体、烯基刚性单体的重量比为（10~30）：（20~50）：（10~30）：（5~30）。

进一步的，所述水相物料配制步骤中，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸和偶氮二异丙基咪唑啉中的一种或几种的混合物。

更进一步的，所述引发剂的重量是反应单体总重量的0.1~0.5%；

优选地，所述反应制备步骤中，表面活性剂为非离子型表面活性剂聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯。

更为优选地，所述反应制备步骤中，将水相物料加入至油相物料时的搅拌、以及向反应液中加入表面活性剂并均匀搅拌，均是通过搅拌设备在600~800转/分的搅拌速度下进行的。

有益效果：

与现有技术方案相比，本发明所提供的这种技术方案的有益效果如下：

1、本发明这种技术方案所提供的抗温反相乳液聚合物增粘提切剂为针对深层高温大斜度井和水平井钻井液，通过选用特定的原料物质、采用反相乳液聚合的方式进行制备，制备出的提切剂具有性能稳定、溶解速度快、使用方便等特点；

2、本发明这种抗温反相乳液聚合物增粘提切剂分子中含有多种强缔合基团，可缔合形成较强的网络结构，能有效提高大斜度井和水平井钻井液的粘度和切力，减轻钻屑和重晶石沉降作用。

3、本发明这种抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的分子中含有多种刚性基团，耐温抗盐能力突出，非常适合深层高温大斜度井和水平井钻井液环境使用，克服了现有技术中黄原胶、聚丙烯酰类等高分子增粘提切剂抗温性能较差的缺陷，兼顾了增粘提切性能和抗温性能。

4、本发明这种抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的重均分子量在500000~1000000，相比较于现有技术中的丙烯酰类聚合物，本发明这种抗温增粘提切剂的分子量较低，其对钻井液粘度的影响较小，主要通过缔合结构实现提高钻井液粘切。

5、本发明这种抗温反相乳液聚合物增粘提切剂，性能稳定、溶解速度快，使用方便；反相乳液聚合物增粘提切剂分子中含有多种强缔合基团，可形成较强的缔合结构，能有效提高大斜度井和水平井钻井液的粘度和切力，减轻钻屑和重晶石沉降作用；反相乳液聚合物增粘提切剂分子中含有多种刚性基团，耐温抗盐能力突出；反相乳液聚合物增粘提切剂重均分子量较低，对钻井液粘度的影响较小。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

作为本发明一种具体的实施方案，本实施例提供了一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，包括油相物料配制步骤、水相物料配制步骤和反应制备步骤，针对深层高温大斜度井和水平井钻井液，本方法制备的抗温反相乳液聚合物增粘提切剂能够保证有效使用的抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法。

具体的，所述油相物料配制步骤，将油溶性乳化剂充分溶解于油相中获得油相物料，优选的，所述油相物料为白油、煤油、正己烷、苯、甲苯和二甲苯中的一种或几种的混合物。

所述水相物料配制步骤，将水溶性乳化剂、反应单体和引发剂溶于去离子水中获得水相物料，其中，所述水溶性乳化剂、反应单体和引发剂的质量比例为（0.5~15）: （5~75）: （0.03~15）；进一步的，所述油溶性乳化剂为山梨糖醇脂肪酸酯，水溶性乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、N-十六烷基-N-乙基吗啉基乙基硫酸钠和纯月桂基硫酸钠中的一种或几种的混合物。

更为具体的，所述水相物料配制步骤中，反应单体包括烯基磺酸、烯基酰胺、烯基疏水单体和烯基刚性单体，烯基磺酸、烯基酰胺、烯基疏水单体、烯基刚性单体的重量比为（10~30）：（20~50）：（10~30）：（5~30）；其中，所述烯基磺酸为乙烯基磺酸、甲基烯丙基磺酸、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸和苯乙烯磺酸钠中的一种或几种的混合物；所述烯基酰胺为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、 N-乙烯基甲酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-双取代丙烯酰胺和N-（2-羟丙基）丙烯酰胺中的一种或几种的混合物；所述烯基疏水单体为丙烯酸十八酯、烯丙基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基二烯丙基氯化铵、十六烷基二烯丙基氯化铵、十八烷基二烯丙基氯化铵、十二烷基二甲基二烯丙基溴化铵、十六烷基二烯丙基溴化铵和十八烷基二烯丙基溴化铵中的一种或几种的混合物；所述烯基刚性单体选自N-乙烯基吡咯烷酮、N-丙烯酰吗啉、N-丙烯酰吡咯烷和N-乙烯基己内酰胺中的一种或几种的混合物。

进一步的，所述引发剂的重量是反应单体总重量的0.1~0.5%，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸和偶氮二异丙基咪唑啉中的一种或几种的混合物。

所述反应制备步骤，将所述水相物料配制步骤中得到的水相物料按照设定的速率加入到所述油相物料配制步骤得到的油相物料中并同时进行搅拌和通入氮气，并在50~90℃的温度下反应1~7h进行均匀乳化后终止反应，得到反应液，向反应液中加入表面活性剂并在600~800转/分的搅拌速度下均匀搅拌，得到重均分子量为500000~1000000的抗温反相乳液聚合物增粘提切剂，表面活性剂为非离子型表面活性剂聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯。

更为具体的，为更好的说明本发明技术方案这种制备方法所制备得到的抗温反相乳液聚合物增粘提切剂相较于现有技术有更为优异的效果和功能，以下通过几个具体的实验组数据和对照组数据来进行对比说明。

实验组1

将4.5g的乳化剂失水山梨醇脂肪酸酯Span-60加入到装有200mL正己烷的三口烧瓶中并搅拌均匀，得到油相物料。

将9.5g的N,N-二甲基丙烯酰胺、2.5g丙烯酸十八酯、2.5g烯丙基三甲基氯化铵、5.5g乙烯基吡咯烷酮和2g十二烷基硫酸钠加入到50mL蒸馏水再，并用质量浓度为20%的氢氧化钠水溶液调节单体混合液的pH值至中性，得到水相物料。

在搅拌设备600转/分的搅拌速度下，将上述的水相物料加入到装有油相物料的三口烧瓶中，持续搅拌30min，得到反应乳液，并通人氮气驱氧30min，边搅拌边加热至温度为60℃，加入40mg偶氮二异丁基脒盐酸盐，反应5h，向反应液中加入5.5g的表面活性剂Tween80，继续在600转/分的搅拌速度下搅拌10 min，得到抗温反相乳液聚合物增粘提切剂。

实验组1得到的聚合物重均分子量约为80万，室温下，1wt％抗温反相乳液聚合物增粘提切剂水溶液的表观粘度为50mPa·s。

实验组2

将3g的乳化剂失水山梨醇脂肪酸酯Span-80加入到装有200mL白油的三口烧瓶中并搅拌均匀，得到油相物料。

将6.5g的N,N-二甲基丙烯酰胺、5.5g2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸、2.5g十六烷基二烯丙基氯化铵、4.5g乙烯基吡咯烷酮和2.5g十二烷基苯磺酸钠，加入到50mL蒸馏水，并用质量浓度为20%的氢氧化钠水溶液调节单体混合液的pH值至中性，得到水相物料。

在搅拌设备800转/分的搅拌速度下，将水相物料加入到装有油相物料的三口烧瓶中，持续搅拌30min，得到反应乳液，并通人氮气驱氧30min，边搅拌边加热至温度为60℃，加入50mg偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐，反应6h，向反应液中加入3.5g的表面活性剂Tween 80，继续在800转/分的搅拌速度下，搅拌10 min，得到抗温反相乳液聚合物增粘提切剂。

实验组2得到的聚合物重均分子量约为95万，室温下，1wt％抗温反相乳液聚合物增粘提切剂水溶液的表观粘度为60mPa·s。

对照组

采用雪弗龙菲利普斯公司抗温聚合物增粘提切剂，型号为HE300。

将上述实验组1、实验组2和对照组的抗温聚合物增粘提切剂产品在膨润土浆中的抗温增粘提切性能进行评价，产品加入时，高速搅拌机转速为3000转/分，实验组1、实验组2加入后立刻测性能，对照组加入后需继续搅拌15min。室温下和170℃下老化16h后，按《GB/T16783.1-2014 石油天然气工业 钻井液现场测试》规定，采用青岛同春石油仪器公司ZNN-D6型六速旋转粘度计测定各浆的表观粘度、动切力和低剪切速率粘度等流变参数。

评价浆的组成如下：

淡水实验浆：3%膨润土+0.2%无水碳酸钠+1%增粘提切剂+0.1%无水亚硫酸钠。

盐水实验浆：3%膨润土+0.2%无水碳酸钠+1.3%增粘提切剂+5%氯化钠+0.1%无水亚硫酸钠。

评价结果如表1所示。采用GB/T 16783.1-2014：水基钻井液现场测试程序。

表1 抗温增粘提切剂及对比样品性能测试结果

表1测试结果表明，相比较于对照组，采用本发明技术方法制备的实验组1和实验组2的抗温反相乳液聚合物增粘提切剂溶解时间短，且配制的淡水实验浆和盐水实验浆均具有更好的增粘提切性能，且170℃热滚老化16h前后，表观粘度、动切力和低剪切速率粘度变化较小，抗温、抗盐能力优良；本发明的抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的分子量更低，配制的淡水、盐水实验浆的粘度的数值更低，且170℃热滚老化16h前后，流变参数的变化较小，高温稳定性更好。

Claims (10)

1.一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于：包括油相物料配制步骤、水相物料配制步骤和反应制备步骤；

所述油相物料配制步骤，将油溶性乳化剂溶解于油相中获得油相物料；

所述水相物料配制步骤，将水溶性乳化剂、反应单体和引发剂溶于去离子水中获得水相物料，所述水溶性乳化剂、反应单体和引发剂的质量比例为（0.5~15）: （5~75）: （0.03~15）；

所述反应制备步骤，将所述水相物料配制步骤中得到的水相物料按照设定的速率加入到所述油相物料配制步骤得到的油相物料中并同时进行搅拌和通入氮气，并在50~90℃的温度下反应1~7h进行均匀乳化得到反应液，向反应液中加入表面活性剂并均匀搅拌，得到重均分子量为500000~1000000的抗温反相乳液聚合物增粘提切剂。

2.如权利要求1所述的一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于：所述油相物料配制步骤中，所述油溶性乳化剂为山梨糖醇脂肪酸酯。

3.如权利要求1或2所述的一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于：所述油相物料为白油、煤油、正己烷、苯、甲苯和二甲苯中的一种或几种的混合物。

4.如权利要求1所述的一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于：所述水相物料配制步骤中，水溶性乳化剂为十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、N-十六烷基-N-乙基吗啉基乙基硫酸钠和纯月桂基硫酸钠中的一种或几种的混合物。

5.如权利要求1或4所述的一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于：所述水相物料配制步骤中，反应单体包括烯基磺酸、烯基酰胺、烯基疏水单体和烯基刚性单体；

所述烯基磺酸为乙烯基磺酸、甲基烯丙基磺酸、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、2-丙烯酰胺基十二烷基磺酸和苯乙烯磺酸钠中的一种或几种的混合物；

所述烯基酰胺为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、N-甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、 N-乙烯基甲酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-双取代丙烯酰胺和N-（2-羟丙基）丙烯酰胺中的一种或几种的混合物；

所述烯基疏水单体为丙烯酸十八酯、烯丙基三甲基氯化铵、十二烷基二甲基二烯丙基氯化铵、十六烷基二烯丙基氯化铵、十八烷基二烯丙基氯化铵、十二烷基二甲基二烯丙基溴化铵、十六烷基二烯丙基溴化铵和十八烷基二烯丙基溴化铵中的一种或几种的混合物；

所述烯基刚性单体选自N-乙烯基吡咯烷酮、N-丙烯酰吗啉、N-丙烯酰吡咯烷和N-乙烯基己内酰胺中的一种或几种的混合物。

6.如权利要求5所述的一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于：所述水相物料配制步骤中，烯基磺酸、烯基酰胺、烯基疏水单体、烯基刚性单体的重量比为（10~30）：（20~50）：（10~30）：（5~30）。

7.如权利要求1或4所述的一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于：所述水相物料配制步骤中，引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸和偶氮二异丙基咪唑啉中的一种或几种的混合物。

8.如权利要求7所述的一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于：所述引发剂的重量是反应单体总重量的0.1~0.5%。

9.如权利要求1所述的一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于：所述反应制备步骤中，表面活性剂为非离子型表面活性剂聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯。

10.如权利要求1或9所述的一种钻井液用抗温反相乳液聚合物增粘提切剂的制备方法，其特征在于：所述反应制备步骤中，将水相物料加入至油相物料时的搅拌、以及向反应液中加入表面活性剂并均匀搅拌，均是通过搅拌设备在600~800转/分的搅拌速度下进行的。