CN116715806B - 一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油化工技术领域，公开了一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂及其制备方法，通过优化降滤失剂的分子结构，在降滤失剂主链中引入刚性异氰脲酸环结构，侧链引入含刚性琥珀酰亚胺的琥珀酰亚胺磺酸基团，同时使用交联剂进行交联，使制备的降滤失剂具有三维网络结构，提高了降滤失剂分子链的刚性和交联密度，不仅能够大幅度提高降滤失剂的抗温能力，同时还可使分子链不易发生内旋转和蜷曲，进而降滤失剂分子链中的水化基团不易相互靠近，起到阻止金属离子侵入的效果，可以使降滤失剂在高盐环境中保护黏土颗粒，从而有效提高了降滤失剂的抗盐侵性能。
Description
技术领域
本发明涉及石油化工技术领域，具体涉及一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂及其制备方法。
背景技术
随着工业化的不断发展，石油的需求量不断增加，常规油气也逐渐开始向陆地深层和复杂地层方向发展，这就对钻井技术提出了更高的要求。钻井液作为油气钻井工程的重要组成部分，是实现安全、高效钻井，以及保护油气层、提高油气产量的重要保证。由于井壁中存在压差，在钻井过程中，钻井液会流向井壁的空隙处，造成钻井液的流失，致使井壁表面逐渐形成致密的滤饼，伴随着钻井液的不断流失，滤饼会越来越厚，最终会导致井的孔径缩小，引起卡钻甚至井壁塌陷，不仅会造成储层污染，加大原油开采难度，还可能会造成安全隐患。研究发现，在钻井液中加入降滤失处理剂，促进滤饼的形成，提高滤饼的坚固程度，可控制钻井液向地层滤失的速率，从而保证钻井液性能的稳定。
由于在深井和超深井的钻探中，钻井液需要在高温、高压和高矿化度等条件下保持其原有性能，这就需要解决常规降滤失剂抗温抗盐性能较差的问题。申请号为CN202110357835.2的发明专利公开了一种抗温抗盐水基钻井液降滤失剂及其制备方法，使用丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和含刚性苯环的两性离子单体为原料，经自由基共聚反应，制得的降滤失剂分子侧链含有苯环和吡咯烷酮刚性结构，同时还含有季铵阳离子和磺酸基团，具有良好的耐温抗盐能力，因此，可以通过对降滤失剂的分子结构进行设计，制备具有抗温抗盐性能的降滤失剂，对陆地深层和复杂地层的油气开采工作具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂及其制备方法，解决了常规降滤失剂抗温抗盐性能较差的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将丙烯酸、丙烯酰胺、异氰脲酸二烯丙基酯和阳离子单体溶解在有机溶剂中，形成单体反应混合液；
步骤二：升高体系温度至40-50℃，通氮气除氧，加入引发剂，保温2-4h，形成链式中间体；
步骤三：将体系温度降至15-25℃，向体系中加入交联剂，恒温搅拌2-3h后，停止搅拌；
步骤四：继续向体系中加入N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠盐和有机锡催化剂，升高温度至65-70℃，保温搅拌4-8h后，蒸发溶剂，降温出料，获得胶液状物料；
步骤五：依次使用盐酸和去离子水洗涤胶液状物料，再将其置于真空干燥箱中真空干燥，粉碎，获得抗温抗盐型降滤失剂。
进一步地，制备所述钻井液用抗温抗盐型降滤失剂采用如下重量份的原料：丙烯酸20-25份、丙烯酰胺30-45份、异氰脲酸二烯丙基酯5-12份、阳离子单体15-25份、引发剂0.005-0.01份、交联剂4-10份、N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠盐3.5-8份、有机锡催化剂0.1-0.2份。
进一步地，步骤一中，所述阳离子单体为（3-丙烯酰胺丙基）三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或者丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的任意一种。
进一步地，步骤一中，所述有机溶剂为环己烷、1,4-二氧六环、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺或者N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种。
进一步地，步骤二中，所述氮气的流速为0.8-1L/min。
进一步地，步骤二中，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠或者过硫酸铵中的任意一种。
进一步地，步骤三中，所述交联剂为5-异氰酸酯异酞酰氯。
进一步地，步骤四中，所述有机锡催化剂为辛酸亚锡或者二月桂酸二丁基锡中的任意一种。
进一步地，步骤五中，所述盐酸的质量百分浓度为5-10%。
通过上述技术方案，在引发剂的作用下，丙烯酸、丙烯酰胺、异氰脲酸二烯丙基酯和阳离子单体结构中的不饱和烯基可以发生自由基聚合反应，形成主链中含刚性异氰脲酸环和季铵盐基团，且具有直链结构的链式中间体，其结构中的异氰脲酸环中含有仲氨基，可以与交联剂结构中两当量酰氯基团发生酰胺化反应，并逐渐交联，使具有直链结构的链式中间体转变为三维交联结构，同时引入活性异氰酸酯基团，在有机锡催化剂的作用下，异氰酸酯基团可以与N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠盐结构中的羟基发生胺酯化反应，从而在三维交联网络的分子侧链中引入琥珀酰亚胺磺酸基团，制得抗温抗盐型降滤失剂。
一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂，采用上述制备方法制得。
本发明的有益效果：
（1）通过对降滤失剂的结构进行设计，在其主链中引入刚性异氰脲酸环结构，使降滤失剂的主链结构更加稳定，从而提高了降滤失剂的抗温性能。
（2）本发明利用交联剂的轻度交联，使制备的降滤失剂具有相互缠绕的三维交联网络结构，网络结构的存在使分子链的自由移动受到阻碍，在高温环境下分子链变化较小，避免了分子链受热发生运动导致功能基团发生降解的现象，可以抗更高的温度，进一步提高了降滤失剂的抗温性能。此外，具有三维交联网络结构的降滤失剂还能够阻止黏土粒子的聚集，减缓钻井液中大粒径粒子的沉降现象，同时可阻碍小粒径粒子的热运动，实现泥浆中的大小颗粒均匀分散在三维交联网络中，避免了黏土颗粒之间相互碰撞导致絮凝变大，起到稳定黏土胶体的作用，同时，交联结构的降滤失剂还能起到一定的堵塞作用，从而达到降低滤失量的效果。
（3）本发明通过在降滤失剂的侧链中引入琥珀酰亚胺磺酸基团，琥珀酰亚胺结构同样呈刚性，形成刚性侧基，利用琥珀酰亚胺刚性侧基的位阻效应，使降滤失剂分子链的空间体积增大，进而提高降滤失剂分子链的舒展性，进一步保障降滤失剂在高温环境中的稳定性，从而大大提高了降滤失剂的抗温性能。同时，侧链中引入的磺酸基团可以降低降滤失剂在钻井过程中对盐的敏感程度，从而使制备的降滤失剂具有良好的抗盐侵性能。
（4）本发明制备的降滤失剂结构中还含有季铵盐阳离子基团，可通过静电作用吸附在黏土表面，进而阻止黏土颗粒聚集，使胶体颗粒更加稳定，从而表现出良好的降滤失性能。
（5）本发明通过优化降滤失剂的分子结构，提高了降滤失剂分子链的刚性和交联密度，不仅能够大幅度提高降滤失剂的抗温能力，同时还可使分子链不易发生内旋转和蜷曲，进而降滤失剂分子链中的水化基团不易相互靠近，起到阻止金属离子侵入的效果，可以使降滤失剂在高盐环境中保护黏土颗粒，从而有效提高了降滤失剂的抗盐侵性能。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例2制备的降滤失剂的红外谱图。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将20份丙烯酸、30份丙烯酰胺、5份异氰脲酸二烯丙基酯和15份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵溶解在1,4-二氧六环中，形成单体反应混合液；
步骤二：升高体系温度至40℃，设置氮气流速为0.8L/min，通氮气除氧，加入0.005份过硫酸钠，保温2h，形成链式中间体；
步骤三：将体系温度降至15℃，向体系中加入4份5-异氰酸酯异酞酰氯，恒温搅拌2h后，停止搅拌；
步骤四：继续向体系中加入3.5份N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠盐和0.1份辛酸亚锡，升高温度至65℃，保温搅拌4h后，蒸发溶剂，降温出料，获得胶液状物料；
步骤五：依次使用质量百分浓度为5%的盐酸和去离子水洗涤胶液状物料，再将其置于真空干燥箱中真空干燥，粉碎，获得抗温抗盐型降滤失剂。
实施例2
一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将24份丙烯酸、40份丙烯酰胺、10份异氰脲酸二烯丙基酯和18份（3-丙烯酰胺丙基）三甲基氯化铵溶解在二甲基亚砜中，形成单体反应混合液；
步骤二：升高体系温度至45℃，设置氮气流速为0.8L/min，通氮气除氧，加入0.008份过硫酸钾，保温3h，形成链式中间体；
步骤三：将体系温度降至20℃，向体系中加入8份5-异氰酸酯异酞酰氯，恒温搅拌3h后，停止搅拌；
步骤四：继续向体系中加入7份N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠盐和0.2份二月桂酸二丁基锡，升高温度至70℃，保温搅拌6h后，蒸发溶剂，降温出料，获得胶液状物料；
步骤五：依次使用质量百分浓度为5%的盐酸和去离子水洗涤胶液状物料，再将其置于真空干燥箱中真空干燥，粉碎，获得抗温抗盐型降滤失剂。
实施例3
一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将25份丙烯酸、45份丙烯酰胺、12份异氰脲酸二烯丙基酯和25份丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵溶解在1,4-二氧六环中，形成单体反应混合液；
步骤二：升高体系温度至50℃，设置氮气流速为1L/min，通氮气除氧，加入0.01份过硫酸钠，保温4h，形成链式中间体；
步骤三：将体系温度降至25℃，向体系中加入10份5-异氰酸酯异酞酰氯，恒温搅拌3h后，停止搅拌；
步骤四：继续向体系中加入8份N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠盐和0.2份辛酸亚锡，升高温度至70℃，保温搅拌8h后，蒸发溶剂，降温出料，获得胶液状物料；
步骤五：依次使用质量百分浓度为10%的盐酸和去离子水洗涤胶液状物料，再将其置于真空干燥箱中真空干燥，粉碎，获得抗温抗盐型降滤失剂。
对比例1
一种钻井液用降滤失剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将24份丙烯酸、40份丙烯酰胺、10份异氰脲酸二烯丙基酯和18份（3-丙烯酰胺丙基）三甲基氯化铵溶解在二甲基亚砜中，形成单体反应混合液；
步骤二：升高体系温度至45℃，设置氮气流速为0.8L/min，通氮气除氧，加入0.008份过硫酸钾，保温3h，形成链式中间体；
步骤三：将体系温度降至20℃，向体系中加入8份5-异氰酸酯异酞酰氯，恒温搅拌3h后，停止搅拌，蒸发溶剂，出料，获得胶液状物料；
步骤四：依次使用质量百分浓度为5%的盐酸和去离子水洗涤胶液状物料，再将其置于真空干燥箱中真空干燥，粉碎，获得降滤失剂。
对比例2
一种钻井液用降滤失剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将24份丙烯酸、40份丙烯酰胺、10份异氰脲酸二烯丙基酯和18份（3-丙烯酰胺丙基）三甲基氯化铵溶解在二甲基亚砜中，形成单体反应混合液；
步骤二：升高体系温度至45℃，设置氮气流速为0.8L/min，通氮气除氧，加入0.008份过硫酸钾，保温3h，蒸发溶剂，出料，获得胶液状物料；
步骤三：依次使用质量百分浓度为5%的盐酸和去离子水洗涤胶液状物料，再将其置于真空干燥箱中真空干燥，粉碎，获得降滤失剂。
对本发明实施例1-实施例3以及对比例1-对比例2制备的降滤失剂进行测试：
①：淡水基浆的配置：向500mL纯化水中依次加入1g无水碳酸钠、10g降滤失剂和20g钻井液专用钠基膨润土，搅拌混合均匀，室温养护24h，形成淡水基浆；参考标准GB/T16783.1-2014《石油天然气工业钻井液现场测试第一部分：水基钻井液》，测试降滤失剂的滤失量，测试完成后，将淡水基浆置于260℃的温度环境中热滚老化处理16h后，再次测试滤失量，测试结果见下表：
②：复合盐水基浆的配置：向500mL纯化水中依次加入1g无水碳酸钠、10g降滤失剂、20g钻井液专用钠基膨润土、125g氯化钠，充分搅拌混合均匀，室温养护24h，形成复合盐水基浆，同样参考标准GB/T 16783.1-2014，测试降滤失剂在复合盐水基浆中的滤失量，测试结果见下表：
由表格中记录的测试数据可知，本发明实施例1-实施例3制备的降滤失剂具有良好的降滤失性能和抗温抗盐性能，而且实施例2制备的降滤失剂性能最佳。对比例1制备的降滤失剂侧链中未引入琥珀酰亚胺磺酸基团，因此分子链的刚性一般，抗温性能不佳，而且不含磺酸基团，无法起到良好的抗盐效果。对比例2制备的降滤失剂未经交联，且侧链中未引入琥珀酰亚胺磺酸基团，分子链交联密度较低，刚性不足，抗温抗盐效果较差。
采用溴化钾压片法，对本发明实施例2制备的降滤失剂进行红外性能测试，结果如图1所示，3320～3450cm-1处为N-H和O-H伸缩振动峰，2860～2950cm-1处为亚甲基和次甲基中C-H伸缩振动峰，1729cm-1处为羧基中C=O伸缩振动峰，1630～1660cm-1处为酰胺基中C=O伸缩振动峰，1402cm-1处为C-N伸缩振动峰，1341cm-1和1179cm-1处为磺酸基团中S=O不对称伸缩振动峰，1054cm-1处为磺酸基团中对称伸缩振动峰。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将丙烯酸、丙烯酰胺、异氰脲酸二烯丙基酯和阳离子单体溶解在有机溶剂中，形成单体反应混合液；
步骤二：升高体系温度至40-50℃，通氮气除氧，加入引发剂，保温2-4h，形成链式中间体；
步骤三：将体系温度降至15-25℃，向体系中加入交联剂，恒温搅拌2-3h后，停止搅拌；
步骤四：继续向体系中加入N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠盐和有机锡催化剂，升高温度至65-70℃，保温搅拌4-8h后，蒸发溶剂，降温出料，获得胶液状物料；
步骤五：依次使用盐酸和去离子水洗涤胶液状物料，再将其置于真空干燥箱中真空干燥，粉碎，获得抗温抗盐型降滤失剂。
2.根据权利要求1所述的一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，其特征在于，制备所述钻井液用抗温抗盐型降滤失剂采用如下重量份的原料：丙烯酸20-25份、丙烯酰胺30-45份、异氰脲酸二烯丙基酯5-12份、阳离子单体15-25份、引发剂0.005-0.01份、交联剂4-10份、N-羟基琥珀酰亚胺磺酸钠盐3.5-8份、有机锡催化剂0.1-0.2份。
3.根据权利要求1所述的一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述阳离子单体为（3-丙烯酰胺丙基）三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵或者丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述有机溶剂为环己烷、1,4-二氧六环、二甲基亚砜、N,N-二甲基甲酰胺或者N,N-二甲基乙酰胺中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述氮气的流速为0.8-1L/min。
6.根据权利要求1所述的一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤二中，所述引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠或者过硫酸铵中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述交联剂为5-异氰酸酯异酞酰氯。
8.根据权利要求1所述的一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述有机锡催化剂为辛酸亚锡或者二月桂酸二丁基锡中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤五中，所述盐酸的质量百分浓度为5-10%。
10.一种钻井液用抗温抗盐型降滤失剂，采用如权利要求1-9任意一项所述的制备方法制得。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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