一种钻井液流型调节剂及其制备方法

摘要

本发明提供一种钻井液流型调节剂及其制备方法，由丙烯酰胺、丙烯酸盐、有机功能单体在引发剂、催化剂的作用下共聚而成，所述有机功能单体为2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的混合物，所述催化剂为过渡金属催化剂；所述丙烯酰胺、丙烯酸盐、有机功能单体的质量比为13～15:2～4:3～9。本发明的产品具有较强的抗盐、膏及其他污染能力；抑制能力强，防塌效果好；劣质固相含量低，润滑性好，可满足井斜角小于20°的自然造斜井、定向井的施工要求；抗温能力强，能使盐水钻井液体系的抗温能力达到150℃以上。

权利要求

1.一种钻井液流型调节剂，其特征在于，由丙烯酰胺、丙烯酸盐、有机功能单体在引发剂、催化剂和助剂的作用下共聚而成，所述有机功能单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的混合物，所述催化剂为过渡金属催化剂，过渡金属催化剂可降低整个体系的引发温度至16℃以下；

所述丙烯酰胺、丙烯酸盐、有机功能单体的质量比为13 15:2 4:3 9；所述2-丙烯酰胺~ ~ ~基-2-甲基丙磺酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为2 7:1 2；

~ ~

所述丙烯酸盐为丙烯酸钾，所述丙烯酸钾由丙烯酸与氢氧化钾制得；

所述引发剂为过硫酸铵与中高温还原剂组成的氧化还原体系，所述助剂包括尿素和发泡剂。

2.根据权利要求1所述的钻井液流型调节剂，其特征在于，所述丙烯酰胺、丙烯酸盐、有机功能单体的质量比为15:2.27～3.8:3.2 7.86；所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸与丙烯~酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为2.2 6.53:1 1.33。

~ ~

3.根据权利要求1所述的钻井液流型调节剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将去离子水、丙烯酰胺、丙烯酸、氢氧化钾、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、尿素、催化剂混合均匀后加入聚合槽中，调节pH为6 7；

~

2）在氮气的保护下，向聚合槽中加入引发剂、发泡剂后密闭反应得到共聚胶块；

3）将共聚胶块依次经过绞碎、干燥、粉碎，得到成品。

4.根据权利要求3所述的钻井液流型调节剂的制备方法，其特征在于，所述聚合槽为带有隔离膜的金属聚合槽；所述发泡剂为无机盐。

5.根据权利要求3所述的钻井液流型调节剂的制备方法，其特征在于，按质量份数计，具体包括以下步骤：

1）将3.5 3.8份的氢氧化钾用10份的去离子水溶解得到氢氧化钾溶液；

~

2）将2.0～4.0份的丙烯酸和2.0～7.0份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸混合物投入反应器中，向反应其中滴加氢氧化钾溶液，滴加完毕后用氨水调pH为6 7；

~

3）再向反应器中投入13～15份的丙烯酰胺、1～2份的丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.3～0.35份的尿素、3ppm催化剂、34份的去离子水，混合均匀后将反应器中的溶液倒入聚合槽中；

4）向聚合槽中加入160ppm的引发剂、0.50～0.55份的发泡剂，在氮气的保护下密闭反应2 3h后得到共聚胶块；

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5）将共聚胶块绞碎，在100～120℃下干燥后粉碎，得到成品。

说明书

一种钻井液流型调节剂及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及化工产品制造技术领域，具体涉及一种钻井液流型调节剂及其制备方法。

背景技术

[0002] 江汉盆地为典型的内陆断陷盐湖盆地地层特性：特殊的沉积环境，地层盐膏发育，部分区块纯盐层累计厚度达1800米以上；卤水丰富；地温梯度高；蒙脱石含量高；膏质泥岩发育，水敏性强；地层水化分散性强、坍塌压力高。随着盐间非砂岩、低渗透、岩性圈闭等特殊油藏的开发，大斜度井、定向井数量增多。

[0003] 根据江汉盆地特殊的地面及地质条件，钻井作业中一般使用饱和盐水、复合盐水配制聚合物钻井液。但随着含盐量的增加，电解质浓度增加，聚合物的水化基团的酸性越弱，去水化作用越强，使处理剂失效；同时使钻井液中粘土颗粒的双电层被压缩，水化膜变薄，粘土颗粒之间形成絮凝，导致体系固相含量降低，粘度、切力下降，钻井液性能变差，从而携带能力降低，严重影响钻井速度。因此，为适应江汉特色的盐水钻井液体系，需要开发能够抗温、抗饱和盐水的钻井液处理剂。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种钻井液流型调节剂及其制备方法，通过在有机功能单体中引入有机磺酸基团和阳离子基团使调节剂分子具有链刚性和空间网状结构，产品具有较强的抗盐、膏及其他污染能力，钻井过程中，性能稳定，易于调整，能满足江汉特色的盐水钻井液体系的钻井作业需要。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种钻井液流型调节剂，由丙烯酰胺、丙烯酸盐、有机功能单体在引发剂、催化剂和助剂的作用下共聚而成，所述有机功能单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的混合物，所述催化剂为过渡金属催化剂。

[0007] 根据以上方案，所述丙烯酰胺、丙烯酸盐、有机功能单体的质量比为13～15:2～4:3～9；所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为2～7:1～2。

[0008] 根据以上方案，所述丙烯酰胺、丙烯酸盐、有机功能单体的质量比为15:2.27～3.8:3.2～7.86；所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸与丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量比为2.2～6.53:1～1.33。

[0009] 根据以上方案，所述丙烯酸盐为丙烯酸钾，所述丙烯酸钾由丙烯酸与氢氧化钾制得。

[0010] 根据以上方案，所述引发剂为过硫酸铵与中高温还原剂组成的氧化还原体系，所述助剂包括尿素、发泡剂。

[0011] 一种钻井液流型调节剂的制备方法，包括以下步骤：

[0012] 1)将去离子水、丙烯酰胺、丙烯酸、氢氧化钾、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、尿素、催化剂混合均匀后加入聚合槽中，调节pH为6～7；

[0013] 2)在氮气的保护下，向聚合槽中加入引发剂、发泡剂后密闭反应得到共聚胶块；

[0014] 3)将共聚胶块依次经过绞碎、干燥、粉碎，得到成品。

[0015] 根据以上方案，所述聚合槽为带有隔离膜的金属聚合槽；所述发泡剂为无机盐。

[0016] 根据以上方案，按质量份数计，具体包括以下步骤：

[0017] 1)将3.5～3.8份的氢氧化钾用10份的去离子水溶解得到氢氧化钾溶液；

[0018] 2)将2.0～4.0份的丙烯酸和2.0～7.0份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸混合物投入反应器中，向反应其中滴加氢氧化钾溶液，滴加完毕后用氨水调pH为6～7；

[0019] 3)再向反应器中投入13～15份的丙烯酰胺、1～2份的丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.3～0.35份的尿素、3ppm催化剂、34份的去离子水，混合均匀后将反应器中的溶液倒入聚合槽中；

[0020] 4)向聚合槽中加入160ppm的引发剂、0.50～0.55份的发泡剂，在氮气的保护下密闭反应2～3h后得到共聚胶块；

[0021] 5)将共聚胶块绞碎，在100～120℃下干燥后粉碎，得到成品。

[0022] 本发明的有机功能单体中的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸含有有机磺酸基团、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵含有阳离子基团，有机磺酸基团对盐不敏感、增强了流型调节剂分子链的刚性，提高了热稳定性；阳离子基团使流型调节剂分子链与粘土颗粒的吸附速度与强度显著提高，实现完整包被、抑制粘土水化；丙烯酸盐中的羧酸水化基团使粘土颗粒表面形成了溶剂化层，从而粘土颗粒之间形成静电排斥作用，减弱了絮凝，提高了体系的稳定性；钾离子的存在，使聚合物具有了反聚电解质效应，在高盐环境下粘度反而增大。因此在高温、高盐的环境下，钻井液体系在具有强抑制性的同时保持了良好的流变性，并且与钻井液中的降滤失剂羧甲基纤维素钠盐(CMC)，羧甲基淀粉(CMS)体系配伍性好；过渡金属催化剂可降低整个体系的引发温度至16℃以下，延长诱导期，利于分子链增长。

[0023] 本发明的有益效果是：

[0024] 1)本发明的有机功能单体中引入有机磺酸基团和阳离子基团使调节剂分子具有链刚性和空间网状结构；过渡金属催化剂的使用降低引发温度，以及降低引发的剂的用量；

[0025] 2)本发明的产品具有较强的抗盐、膏及其他污染能力；抑制能力强，防塌效果好，钻井过程中，性能稳定，易于调整，可满足复杂地质环境下的钻井作业需要；抑制能力强，防塌效果好，能有效控制地质水敏性粘土、矿物水化膨胀、分散造奖；劣质固相含量低，润滑性好，可满足井斜角小于20°的自然造斜井、定向井的施工要求；

[0026] 3)本发明的产品抗温能力强，添加本发明产品后能使盐水钻井液体系的抗温能力达到150℃以上。

具体实施方式

[0027] 下面结合实施例对本发明的技术方案进行说明。

[0028] 实施例1：

[0029] 本发明提供一种钻井液流型调节剂A及其制备方法，包括如下步骤：

[0030] 1)将3.8g的氢氧化钾用10g的去离子水溶解得到氢氧化钾溶液；

[0031] 2)将3.8g的丙烯酸和2.2g的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸混合物投入反应器中，向反应其中滴加氢氧化钾溶液，滴加完毕后用氨水调pH为6.5；

[0032] 3)再向反应器中投入15g的丙烯酰胺、1g的丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.3g的尿素、3ppm过渡金属催化剂、34g的去离子水，混合均匀后将反应器中的溶液倒入带有隔离膜的金属聚合槽中；

[0033] 4)向聚合槽中加入160ppm的引发剂、0.53g的发泡剂，在氮气的保护下密闭反应2h后得到共聚胶块；

[0034] 5)将共聚胶块绞碎，100℃干燥后粉碎得到成品A。

[0035] 实施例2：

[0036] 本发明提供一种钻井液流型调节剂B及其制备方法，包括如下步骤：

[0037] 1)将3.5g的氢氧化钾用10g的去离子水溶解得到氢氧化钾溶液；

[0038] 2)将2.27g的丙烯酸和6.53g的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸混合物投入反应器中，向反应其中滴加氢氧化钾溶液，滴加完毕后用氨水调pH为6.3；

[0039] 3)再向反应器中投入15g的丙烯酰胺、1g的丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.3g的尿素、3ppm过渡金属催化剂、34g的去离子水，混合均匀后将反应器中的溶液倒入带有隔离膜的金属聚合槽中；

[0040] 4)向聚合槽中加入160ppm的引发剂、0.53g的发泡剂，在氮气的保护下密闭反应3h后得到共聚胶块；

[0041] 5)将共聚胶块绞碎，110℃干燥后粉碎得到成品B。

[0042] 实施例3：

[0043] 本发明提供一种钻井液流型调节剂C及其制备方法，包括如下步骤：

[0044] 1)将3.5g的氢氧化钾用10g的去离子水溶解得到氢氧化钾溶液；

[0045] 2)将3.8g的丙烯酸和2.2g的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸混合物投入反应器中，向反应其中滴加氢氧化钾溶液，滴加完毕后用氨水调pH为6～7；

[0046] 3)再向反应器中投入15g的丙烯酰胺、1.2g的丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.3g的尿素、3ppm过渡金属催化剂、34g的去离子水，混合均匀后将反应器中的溶液倒入带有隔离膜的金属聚合槽中；

[0047] 4)向聚合槽中加入160ppm的引发剂、0.53g的发泡剂，在氮气的保护下密闭反应3h后得到共聚胶块；

[0048] 5)将共聚胶块绞碎，120℃干燥后粉碎得到成品C。

[0049] 实施例4：

[0050] 本发明提供一种钻井液流型调节剂D及其制备方法，包括如下步骤：

[0051] 1)将3.5g的氢氧化钾用10g的去离子水溶解得到氢氧化钾溶液；

[0052] 2)将3g的丙烯酸和4.5g的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸混合物投入反应器中，向反应其中滴加氢氧化钾溶液，滴加完毕后用氨水调pH为6～7；

[0053] 3)再向反应器中投入15g的丙烯酰胺、1.33g的丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、0.3g的尿素、3ppm过渡金属催化剂、34g的去离子水，混合均匀后将反应器中的溶液倒入带有隔离膜的金属聚合槽中；

[0054] 4)向聚合槽中加入160ppm的引发剂、0.53g的发泡剂，在氮气的保护下密闭反应3h后得到共聚胶块；

[0055] 5)将共聚胶块绞碎，120℃干燥后粉碎得到成品D。

[0056] 对本发明的产品钻井液流型调节剂泥浆性能进行测定：

[0057] 1、钻井液流型调节剂的配浆试验步骤：

[0058] a)饱和盐水基浆配制和测量

[0059] 在两个盛有350ml饱和盐水的样品杯中，加入1.75g无水碳酸氢钠和35.00g钻井液试验钠用膨润土，在高速搅拌器上搅拌20min，其间至少应中断一次以刮下粘附在杯壁上的粘土。

[0060] 将其中一个倒入养护罐中在25℃±3℃下密闭养护24h。

[0061] 将基浆倒入样品杯中，高速搅拌5min，用六速旋转转粘度计测定其在25℃±3℃时600r/min和300r/min的稳定读值，计算表观粘度AV和动切力YP。基浆的粘度和切力应符规定要求，否则增减钻井液试验用钠膨润土和无水碳酸氢钠的加量，直至达到要求；

[0062] b)试验浆的配制和测量

[0063] 向另一个样品杯中加入3.50g试样，继续高速搅拌20min，其间至少应中断一次以刮下粘附在杯壁上的试样。将试验浆倒入养护罐中在25℃±3℃下密闭养护，24h后将试验浆倒入样品杯中，高速搅拌5min，用六速旋转粘度计测定其在25℃±3℃时600r/min和300r/min的稳定读值，计算塑性粘度PV和动切力YP；

[0064] c)饱和盐水浆滤失量测量

[0065] 在盛有350mL饱和盐水的样品杯中，加入1.00g碳酸氢钠和35.00g钻井液试验用评价土，高速搅拌20min，其间至少中断两次以玻璃棒刮下粘附在杯壁上的粘土。

[0066] 将基浆转入钻井液养护罐中，在25℃±3℃下养护24h。

[0067] 将养护后的基浆倒入样品杯中，高速搅拌5min，用钻井液滤失量仪测定其在690kPa下7.5min～30min之间的滤液体积，计算其滤失量FL；

[0068] d)1％浓度试验浆滤失量测量

[0069] 在盛有350mL饱和盐水的样品杯中，加入1.00g碳酸氢钠和35.00g钻井液试验用评价土，高速搅拌20min，其间至少中断两次以玻璃棒刮下粘附在杯壁上的粘土。

[0070] 加入3.50g试样，高速搅拌20min，其间至少中断二次以刮下粘附在杯壁上的试样。

[0071] 将试验浆转入钻井液养护罐中，在25℃±3℃下养护24h。

[0072] 将养护后的试验浆倒入样品杯中，高速搅拌5min，用钻井液滤失量仪测定其在690kPa下7.5min～30min之间的滤液体积，计算其滤失量FL。

[0073] 为了进一步测试产品性能，在温度120℃，热滚16h后再次进行测量，测量方法、步骤与上述常温下的方法、步骤相同。本发明产品的流型调节剂泥浆性能见表1：

[0074] 表1本发明产品的泥浆性能

[0075]

[0076]

[0077] 表中字母含义为：AV：钻井液的表观粘度，PV：钻井液的塑性粘度，FL：滤失量，YP/PV：动塑比。

[0078] 2、本发明产品的抑制性实验

[0079] 本发明产品抑制钻屑水化分散能力的测定：试验用荆沙组泥岩岩屑，按Q/SH0323-2009标准执行，测相对抑制率，数据见表2。

[0080] 量取350mL蒸馏水两份，其中一份加入1.05g碳酸钠，另一份加入1.5％试样和1.05g碳酸钠，高速搅拌5min。两份中均加入35.00g钙膨润土，高速搅拌20min，在120℃滚动
16h，冷却后高速搅拌5min，按GB/T16783.1—2006的规定测定100r/min下粘度计的读值(基浆100r/min读值应在110±10范围内，否则应更换钙膨润土)。

[0081] 表2流型调节剂

[0082]实施例 相对抑制率(％)
1.5％调节剂A 91.1
1.5％调节剂B 93.6
1.5％调节剂C 92.7
1.5％调节剂D 94.6

[0083] 上述结果及现场试用表明，本发明产品具有如下特性：1、较强的抗盐、膏及其他污染能力，钻井过程中，性能稳定，易于调整，可满足复杂地质环境下的钻井作业需要；2、抑制能力强，防塌效果好，能有效控制地质水敏性粘土、矿物水化膨胀、分散造浆；3、劣质固相含量低，润滑性好，可满足井斜角小于20°的自然造斜井、定向井的施工要求；4、抗温能力强，盐水钻井液体系的抗温能力达到150℃以上。

[0084] 3、现场应用实例

[0085] 通过室内大量实验数据评价，现场分别在钟市、马王庙、沔阳、江陵等地区试验4口井，①陵斜181井是口滚动勘探井，完井2200m，244.5mm套管下深550m，未封住下部的荆沙组和新沟嘴组(易水化分散及剥落坍塌等复杂)，二开使用盐水体系，使用流型调节剂A代替传统的增粘剂后，钻至荆沙组后砂样代表性好，无明显掉块现象，井下正常，泥浆性能稳定(数据见表3)。全井施工非常顺利，无任何复杂。②钟市地区易事故复杂多发生区块钟8斜-30、钟8斜-31井是两口整拖井，钟8斜-30二开盐水采用常规增粘剂等护胶剂，在施工中出现异常；而钟8斜-31井使用流型调节剂B后井下正常。③马84斜-7井是在马84斜-5井基础上的整拖井，二开堵采用盐水体系，后者使用流型调节剂C代替传统增粘剂，井下正常，而前者完井电测遇阻2280m(数据见表格)。④沔45斜-8、沔45斜-9井是整拖井，二开使用盐水体系，使用流型调节剂D维护性能，井下都正常。

[0086] 表3现场应用数据统计

[0087]

[0088] 通过各区块几口井的现场试验，本发明产品代替传统的增粘剂取得很好效果，可以现场推广应用。

[0089] 以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。