CN116410425A - 一种强化悬浮能力的功能聚合物及钻井液 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强化悬浮能力的功能聚合物及钻井液，功能聚合物可用于强化油基或合成基钻井液悬浮能力，其包括连接在一起的刚性链段和柔性链段；其中，所述刚性链段由苯乙烯和/或取代苯乙烯均聚得到；所述柔性链段为聚烯烃链段。本发明提供的油溶性功能聚合物、钻井液，通过在油基/合成基钻井液中，使用该特殊结构的功能聚合物，增加了低剪切速率的粘度，可在含有有机膨润土和不含有机膨润土两类油基/合成基钻井液中应用，为复杂地质条件下的高温深井超深井、长水平段水平井的优质快速钻进提供了一种技术支撑。

Description

一种强化悬浮能力的功能聚合物及钻井液
技术领域
本发明涉及石油天然气、地热等开发行业钻井工程技术领域，尤其涉及一种强化悬浮能力的功能聚合物及钻井液。
背景技术
在油气资源勘探开发过程中，通过钻井技术，形成油气开采的必需的通道，是实现油气资源资源利用的第一阶段。因此，钻井技术对于油气资源高效开发具有决定性意义。在石油钻井工程中，钻井液能够携带岩屑、润滑钻具、冷却钻头等重要作用，被誉为“钻井工程的血液”。
油基/合成基钻井液是一类重要的钻井液类型，与水基钻井液相比，具有更好的抑制性、润滑性、高温稳定性、抗污染性、储层保护等优势，在泥页岩、巨厚盐膏层、页岩储层、高温深层钻井过程中应用越来越广泛，是我国当前深层油气资源、页岩油气资源等领域非常具有发展潜力的技术领域。
钻井液的流变性及其对加重材料、岩屑的悬浮稳定能力是非常重要的，能够有效悬浮加重材料、岩屑的基础上，良好的流变性能够进一步提高机械钻速、降低环空压耗、减少井下漏失和复杂，在高温高压条件下尤为重要。
目前，在油基/合成基钻井液中目前常用的增加悬浮能力的材料有以下几类，一是亲有机改性的粘土矿物，主要包括长链阳离子季铵盐改性的蒙脱石、凹凸棒土、海泡石等，这是使用最为广泛的一类物质，这类材料在增加油基/合成基钻井液悬浮能力同时，增加了较多的活性颗粒，颗粒间的内摩擦增加，另外，高温条件下，表面活性剂解吸附，造成流变性恶化；二是聚合脂肪基酰胺，这类材料能够与有机粘土复合使用，能够显著提升悬浮能力，由于这类材料分子主链是缩聚而成，在高温条件下易于水解，难以在较高温度下使用；三是多元脂肪酸类，这类材料在油包水型油基/合成基钻井液中能够有效提高悬浮性能，这类材料的添加量和流变性能变化规律具有较高的不确定性，一般在较低加量下使用。
因此，现有的钻井液在满足复杂地质条件下的深井超深井、长水平段水平井方面仍然存在进步空间。
基于此，现有技术仍然有待改进。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种强化悬浮能力的功能聚合物及钻井液，以解决现有技术的钻井液仍不能满足复杂地质条件的技术问题。
本发明实施例所公开的一种强化悬浮能力的功能聚合物，包括连接在一起的刚性链段和柔性链段；
其中，所述刚性链段由苯乙烯和/或取代苯乙烯均聚得到；
所述柔性链段为聚烯烃链段。
进一步地，所述油溶性功能聚合物为二嵌段共聚物，并且，至少一端为所述刚性链段。
进一步地，所述油溶性功能聚合物为三嵌段共聚物或多嵌段共聚物，并且，两端均为所述刚性链段。
进一步地，所述刚性链段为：
Figure BDA0003443726770000021
或者/>
Figure BDA0003443726770000022
其中，R1为H或-CH3，R2为甲基或叔丁基。
进一步地，所述聚烯烃链段包括聚乙烯、聚丙烯、聚(乙烯-丙烯)、聚(异)丁烯链段，聚丁二烯、聚异戊二烯及其氢化结构链段中的至少一种。
进一步地，所述油溶性功能聚合物的分子量为5～25×104g/mol。
进一步地，以质量百分含量计，所述刚性链段为20～50％。
另一方面，本发明实施例还公开了一种钻井液，为油基或合成基钻井液，其包括上述的功能聚合物。
进一步地，所述钻井液中，所述功能聚合物的加入量与油水总体积的比值为5-20kg/L。
采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的强化悬浮能力的功能聚合物及钻井液，通过在油基/合成基钻井液中，使用特殊结构的油溶性聚合物，增加了低剪切速率的粘度，可在含有有机膨润土和不含有机膨润土两类油基/合成基钻井液中应用，为复杂地质条件下的高温深井超深井、长水平段水平井的优质快速钻进提供了一种技术支撑。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明实施例进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本发明一些实施例所公开了一种强化悬浮能力的功能聚合物，用于强化油基或合成基钻井液悬浮能力。包括连接在一起的刚性链段和柔性链段；其中，所述刚性链段由苯乙烯和/或取代苯乙烯均聚得到；所述柔性链段为聚烯烃链段。其中，所述油溶性功能聚合物可以为二嵌段共聚物，至少一端为所述刚性链段。所述油溶性功能聚合物也可以为三嵌段共聚物或多嵌段共聚物，两端均为所述刚性链段。
刚性链段主要有苯乙烯、取代苯乙烯单体均聚链段，优选为苯乙烯的均聚链段；柔性链段主要是由烯烃、二烯烃等均聚或共聚组成。将具有上述特征油溶性聚合物加入到由柴油、矿物油和人工合成基础油为基础油的油包水型钻井液中，可以有效提高钻井液的悬浮稳定性，最高抗温能力可达到220℃以上。本发明同时提供了含有该结构特征油溶性聚合物的油基/合成基钻井液，所述的油基/合成基钻井液中包含的必要组分有基础油、主乳化剂、辅乳化剂、亲有机改性粘土矿物、多聚酰胺基脂肪酸、氯化钙或硝酸铵钙溶液、氧化沥青类或液体树脂类封堵降滤失剂、亲有机改性褐煤类降滤失剂、加重材料等。在组成结构特点上具有刚性链段在一端的二嵌段共聚物、刚性链段在两端的三嵌段共聚物，或刚性链段在两端并由柔性链段连接的多嵌段共聚物，进一步优选为刚性链段在两端的三嵌段共聚物。
所述刚性链段可以为：
Figure BDA0003443726770000041
或者/>
Figure BDA0003443726770000042
其中，R1为H或-CH3，R2为甲基或叔丁基。
所述聚烯烃链段主要是聚烯烃链段，包括聚乙烯、聚丙烯、聚(乙烯-丙烯)、聚(异)丁烯链段，聚丁二烯、聚异戊二烯及其氢化结构链段中的至少一种。优选为聚(乙烯-丙烯)、聚丁二烯和聚异戊二烯及其氢化结构链段；
三嵌段结构时，所述油溶性功能聚合物的分子量为5～25×104g/mol。以质量百分含量计，苯乙烯或取代苯乙烯的质量范围为20～50％，选为30～40％。
本发明实施例还公开了一种钻井液，为油基或合成基钻井液，上述的强化悬浮能力的功能聚合物。还包括必要组分有基础油、主乳化剂、辅乳化剂、亲有机改性粘土矿物、流型调节剂、碱度调节剂、氯化钙或硝酸铵钙溶液、氧化沥青类封堵降滤失剂、改性液体树脂类封堵降滤失剂、亲有机改性褐煤类降滤失剂、加重材料等。
高密度油基/合成基钻井液中，所述油溶性功能聚合物的加入量与油水总体积的比值为5-20kg/L。基础油与氯化钙体积比可以为85：15～95：5，以基础油和氯化钙溶液总体积1立方米计，主乳化剂30～50kg，辅乳化剂10～30kg，润湿剂5～30kg，亲有机改性粘土矿物0～50kg，降滤失剂30～70kg，流型调节剂为5～15kg，碱度调节剂30～50kg，特殊结构油溶性聚合物5～20kg，氧化沥青类封堵降滤失剂0-30kg，液体树脂类封堵剂0-20kg，亲有机改性褐煤降滤失剂0-50kg，在上述组成基础上，用按一定比例复合的重晶石加重至所需密度，重晶石所用规格主要有API重晶石、5000目超细硫酸钡和12000目超细硫酸钡。
所述的基础油为柴油、矿物油和人工合成的超低芳烃含量的环保型基础油，本发明一些实施例中所用的基础油为0#柴油、3#矿物油和人工合成的环保型溶剂油ESCAID 110(埃克森美孚化工公司生产)。
在本发明的一些实施方式中，所述的主乳化剂为BZ-OPE(HT)；所述的辅乳化剂为BZ-OSE(HT)；所述的亲有机改性粘土矿物为亲有机改性的硅酸镁锂BZ-CHT；所述流型调节剂为多聚酰胺基脂肪酸BZ-MOD；所述的碱度调节剂为氢氧化钙或氧化钙；所述的特殊结构的油溶性功能聚合物为聚(取代)苯乙烯-聚烯烃-聚(取代)苯乙烯的嵌段聚合物BZ-PRM；所述沥青类封堵降滤失剂为BZ-OSL，所述的液体树脂类封堵降滤失剂为BZ-FLA，所述的亲有机改性褐煤类降滤失剂为BZ-OFL，加重材料为复合了不同粒径的重晶石，其中主要粒度规格为API重晶石、5000目超细硫酸钡。
本发明实施例所提供的具有特殊结构的油溶性功能聚合物，聚(取代)苯乙烯的刚性链段在聚合物链的两端，可以在柴油、矿物油和人工合成的超低芳烃含量的环保型基础油中形成动态的微观网略结构，可以有效提升油基/合成基钻井液的悬浮能力，由于聚合物主链段上只含有碳碳键结构，侧链无易降解的基团，抗温能力突出，至少达到220℃以上，部分实施例中可以代替亲有机改性粘土矿物，形成无有机土的油基/合成基钻井液。实施例测试结果充分表明，含有上述功能聚合物的油基/合成基钻井液具有良好的悬浮稳定性，抗温能力至少可达220℃，仅用重晶石加重，最高密度可达2.8g/cm3，具有较高的工业价值和经济价值。
下面采用具体实施例对本发明进行详细阐述，在对本发明具体实施例做详细阐述之前，对本发明中所采用的具体材料进行说明：
主乳化剂：主要采用由中国石油集团渤海钻探工程有限公司泥浆技术服务分公司(以下简称渤海钻探泥浆公司)所生产的油基钻井液用主乳化剂聚酰胺BZ-OPE(HT)，主要组分为聚合脂肪酸酰胺；
辅乳化剂：主要采用渤海钻探泥浆公司所生产的油基钻井液用辅乳化剂聚酰胺基胺BZ-OSE(HT)，主要组分为含有多个胺基的聚合脂肪酸酰胺基胺；
亲有机改性粘土矿物：主要采用渤海钻探泥浆公司所使用的抗高温油基钻井液提粘剂亲有机改性硅酸镁锂BZ-CHT，主要组分为长碳链季铵盐阳离子表面活性剂改性的锂皂石；
碱度调节剂：主要采用市售氢氧化钙或氧化钙；
特殊结构油溶性聚合物：主要采用渤海钻探泥浆公司所使用的油基钻井液聚合物增稠剂聚烯烃衍生物BZ-PRM，根据组分不同，分别记作：BZ-PRM(a)、BZ-PRM(b)、BZ-PRM(c)、BZ-PRM(d)和BZ-PRM(e)。
沥青类封堵降滤失剂：主要采用渤海钻探泥浆公司所使用的油基钻井液降滤失剂BZ-OSL，主要组分是复合改性氧化沥青；
液体树脂类封堵降滤失剂：主要采用渤海钻探泥浆公司所发明的改性妥尔油沥青树脂封堵降滤失剂BZ-FLA(中国发明专利公开号为CN112694872A)，主要组分为马来酸酐改性妥尔油沥青树脂与有机溶剂的复合物。
亲有机改性褐煤类降滤失剂：主要采用渤海钻探泥浆公司所使用的油基钻井液降滤失剂BZ-OFL，主要组分为长链脂肪胺与褐煤中腐殖酸反应产物。
流型调节剂：主要采用渤海钻探泥浆公司所发明的油基钻井液用流型调节剂聚合酰胺基脂肪酸BZ-MOD，主要组分为多元胺与混合多元脂肪酸(二元脂肪酸和三元脂肪酸)缩聚而成的多酰胺脂肪酸；
重晶石：主要采用市售的API重晶石、5000目超细硫酸钡，其中，API重晶石占比为0～100％，5000目超细硫酸钡占比0～30％。
实施例1：BZ-PRM(a)组分为聚苯乙烯-聚(乙烯-丙烯)-聚苯乙烯，苯乙烯含量30％。
实施例2：BZ-PRM(b)组分为聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯，苯乙烯含量20％。
实施例3：BZ-PRM(c)组分为聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯，苯乙烯含量40％。
实施例4：BZ-PRM(d)组分为聚(α-甲基苯乙烯)-聚异丁烯-聚(α-甲基苯乙烯)，α-甲基苯乙烯含量50％。
本发明所提供的的高温高密度油基/合成基钻井液的制备程序如下：
(1)量取基础油，分别加入主乳化剂、辅乳化剂、流型调节剂，在11000±300RPM(转/分)搅拌5～10min；
(2)量取氯化钙溶液，缓慢加入到上述基础油中，在11000±300RPM(转/分)搅拌25～30min；
(3)加入碱度调节剂、亲有机改性粘土矿物，在11000±300RPM(转/分)搅拌10～15min；
(4)加入特殊结构油溶性聚合物，在11000±300RPM(转/分)搅拌10～15min；
(5)加入降滤失剂、封堵降滤失剂，在11000±300RPM(转/分)搅拌10～15min；
(6)加入重晶石，在11000±300RPM(转/分)搅拌30～45min。
1.油溶性功能聚合物的悬浮能力
将实施例1-4中四种特殊结构油溶性功能聚合物BZ-PRM(a)～BZ-PRM(d)，分别加入到油水比为90/10、密度为2.4g/cm3的柴油包水钻井液中，加量以油水总体积计5g/L。
柴油包水钻井液配方如下：
225mL0#柴油+5.0g主乳化剂BZ-OPE(HT)+7.5g辅乳化剂BZ-OSE(HT)+25mL氯化钙溶液(25％)+10.g氧化钙+5.0g亲有机改性硅酸镁锂BZ-CHT+1.25g特殊结构油溶性功能聚合物+5.0g沥青类封堵降滤失剂BZ-OSL+7.5g亲有机改性褐煤类降滤失剂BZ-OFL，配置完成后用密度为4.3g/cm3的API重晶石粉加重至2.4g/cm3。
将含有实施例1-4的柴油包水钻井液(实施例5-8)在180℃、16h条件下热滚，热滚前后按照GB/T16783.2规定的方法在65℃条件下测试钻井液流变性和电稳定性，热滚后在180℃、3.5MPa条件下测试高温高压滤失量，测量结果见下表1。
表1
Figure BDA0003443726770000081
Figure BDA0003443726770000091
注：
①BHR表示热滚前，AHR表示热滚后，热滚条件为180℃、16h；
②FLHTHP表示高温高压滤失量，测试条件为180℃、3.5MPa，30min滤失量；
③LSYP表示低剪切速率动切力，计算公式为
Figure BDA0003443726770000093
由上表结果可知，实施例5-8中，柴油包水钻井液的动切力YP、低剪切速率动切力LSYP等性能参数，与对比例1中相比，均有较大幅度的提高，增加一倍以上，可以看出本发明所提供的这种特殊结构的油溶性功能聚合物能够大幅度提高油基钻井液的悬浮能力，同时也提高了油包水型钻井液的乳化稳定性，并辅助降低高温高压滤失量。
2.油溶性功能聚合物在无有机土的逆乳化油基/合成基钻井液中的作用效果。
将实施例1中的BZ-PRM(a)加入到矿物油、合成基(埃克森美孚化工ESCAID 110)，加量为油水总体积计的10g/L。对比例2和3(含市售有机土，商品代号FH120)与实施例9和10(无有机土，含有BZ-PRM(a))配方组成见下表2。
表2
Figure BDA0003443726770000092
Figure BDA0003443726770000101
按配制程序配制后，在180℃、16h条件下热滚，并在老化前后按照GB/T16783.2测试钻井液性能。测试结果见下表3。
表3
Figure BDA0003443726770000102
由上表测试结果可知，无有机土的逆乳化油基钻井液(实施例9)和逆乳化合成基钻井液(实施例10)，与相应的对比例(含有机土的逆乳化油基/合成基钻井液)而言，老化后的动切力YP和低剪切速率动切力LSYP均有所增加，悬浮能力得到进一步的强化。结果表明，具有特殊结构的油溶性功能聚合物，不仅能够有效提高钻井液的悬浮能力，而且可以完全替代有机土，作为悬浮材料使用，且性能优于普通市售有机土。另外，上述无有机土的逆乳化油基钻井液另一特征是，没有使用氧化沥青类封堵降滤失剂和亲有机改性褐煤类降滤失剂，使用的液体树脂类封堵降滤失剂，且其加量也较传统的沥青类材料和有机褐煤类材料显著降低。
3.油溶性功能聚合物在超高温超高密度油基/合成基钻井液中的应用效果
将实施例1中的BZ-PRM(a)加入到柴油、矿物油、合成基(埃克森美孚化工ESCAID110)，加量为油水总体积计的5g/L，钻井液密度2.8g/cm3。
实施例11-14配方组成见下表4。
表4
项目 实施例11 实施例12 实施例13 实施例14
油水比 95/5 95/5 90/10 90/10
密度,g/cm3 2.8 2.8 2.8 2.8
基础油 柴油 3#白油 ESCAID110 ESCAID110
基础油体积，ml 190 190 180 180
BZ-OPE(HT)，g 5 5 5 5
BZ-OSE(HT)，g 12 12 12 12
BZ-CHT 1 1 1 0.5
BZ-PRM,g 1 1 0.5 0.5
CaO 6 6 6 6
BZ-OFL 10 10 10 10
BZ-OSL 4 4 4 4
氯化钙溶液(25％)，mL 10 10 20 20
API重晶石 770 770 880 880
6000目超细硫酸钡 330 330 220 220
按配制程序配制后，在220℃高温下，分别热滚16h和72h，并在老化前后按照GB/T16783.2测试钻井液性能。测试结果见下表5。
表5
Figure BDA0003443726770000121
注：
①BHR表示热滚前，AHR1表示热滚条件为220℃、16h，AHR2表示热滚条件为220℃、72h，；
②FLHTHP表示高温高压滤失量，测试条件为200℃、3.5MPa，30min滤失量；
由上表数据可知，本发明所提供的强化油基/合成基钻井液悬浮能力的方法，可用于超高温超高密度的油基/合成基钻井液中。经过72h的连续热滚老化，钻井液的动切力YP和低剪切速率动切力LSYP均保持较高的数值，表明含有特殊结构的油溶性功能聚合物可以使超高温超高密度的油基/合成基钻井液具有良好的悬浮稳定性，而不显著增加钻井液的流变性。
以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种强化悬浮能力的功能聚合物，其特征在于，包括连接在一起的刚性链段和柔性链段；
其中，所述刚性链段由苯乙烯和/或取代苯乙烯均聚得到；
所述柔性链段为聚烯烃链段。
2.根据权利要求1所述的功能聚合物，其特征在于，所述油溶性功能聚合物为二嵌段共聚物，并且，至少一端为所述刚性链段。
3.根据权利要求1所述的油溶性功能聚合物，其特征在于，所述油溶性功能聚合物为三嵌段共聚物或多嵌段共聚物，并且，两端均为所述刚性链段。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的功能聚合物，其特征在于，所述刚性链段为：
Figure FDA0003443726760000011
或者/>
Figure FDA0003443726760000012
其中，R1为H或-CH3，R2为甲基或叔丁基。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的功能聚合物，其特征在于，所述聚烯烃链段包括聚乙烯、聚丙烯、聚(乙烯-丙烯)、聚(异)丁烯链段，聚丁二烯、聚异戊二烯及其氢化结构链段中的至少一种。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的功能聚合物，其特征在于，所述油溶性功能聚合物的分子量为5～25×104g/mol。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的功能聚合物，其特征在于，以质量百分含量计，所述刚性链段为20～50％。
8.一种钻井液，为油基或合成基钻井液，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的功能聚合物。
9.根据权利要求8所述的钻井液，其特征在于，所述钻井液中，所述功能聚合物的加入量与油水总体积的比值为5-20kg/L。
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