一种钻井液降失水剂的合成方法
技术领域
本发明涉及一种钻井液降失水剂的合成方法,属石油钻井液化学品水溶性高分子材料合成类制备方法技术领域。
背景技术
钻井液降失水剂在石油钻井中是一类用量最大的钻井液处理剂,它在油田固井工程中占有及其重要的地位。在钻井过程中,钻井液的滤液侵入地层会引起泥页岩水化膨胀,严重时导致井壁不稳定和各种井下复杂情况的产生,钻遇产油层时还会造成油气层损害。加入降失水剂的目的,就是要通过在井壁上形成低渗透率、柔韧、薄而致密的滤饼,尽可能降低钻井液的滤失水量,从而保持水泥浆有适当水灰比。它对于安全高效钻井有着重要的作用。
目前,油田的开发已向深海、复杂地形、深井和超深井等特殊井方向发展,对降失水剂在耐高温和抗盐方面也提出了新的要求。
常用的油田降失水剂主要有两大类,即微粒材料降失水剂和水溶性高分子降失水剂,水溶性高分子降失水剂又包括天然高分子及其改性降失水剂和合成聚合物类降失水剂。
水溶性天然高分子改性降失水剂具有价格低廉、市场广阔和可生物降解等特点,在石油钻井工业中应用广泛。常用于油井水泥降失水剂的是纤维素醚类,主要包括羧甲基纤维素(CMC)、羟乙基纤维素(HEC)、羧甲基羟乙基纤维素(CMHEC)等。但此类纤维素材料的使用温度低、有一定的候凝现象、用量大时使水泥浆粘度过大而难于输送。
聚合物类降失水剂是降失水剂的开发热点和难点,国内外不断有新的产品推出。聚合物类降失水剂通常有两种以上的单体共聚生成,常用的阴离子单体有:2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸、衣康酸等;阳离子单体有:3-甲基丙烯酰胺氧丙基三甲基氯化铵等;非离子单体有:丙烯酰胺(AM)、N,N-二甲基丙烯酰胺(NNDMA)、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-甲基-N-乙烯基乙酰胺(VMAA)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)、丁二烯、甲基乙烯基醚(MVE)、甲基丙烯酸酯、顺丁烯二酸酐(MA)、苯乙烯、乙烯基咪唑等。
目前,耐温抗盐型聚合物类降失水剂,主要以改性的丙烯酰胺类单体为基础合成的共聚物产品。
2003年Keith A.Bair等人(Polymeric fluid loss additives andmethod of use thereof,US 6590050,2003.07)开发出了一种含有烯丙氧基联接的聚合物降失水剂。这种降失水剂是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸(AHPS)的三元共聚物,或这3种单体再加上N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)或丙烯酸(AA)的四元共聚物。此聚合物降失水剂有良好的耐温抗盐性能,82.2℃条件下API失水量可控制到20mL左右,176.7℃时API失水量可控制到40mL以下。
2005年卢甲晗等人(油井水泥抗高温抗盐降失水剂的室内研究,钻井液与完井液2005,22(增刊)67~68)推出2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)三元共聚物降失水剂G310,该剂为抗温抗盐型降失水剂,50℃失水量可控制到30mL以下,175℃可控制到100mL以内。
2007年杨小华,王中华(两性离子磺酸盐聚合物钻井液处理剂的制备方法,CN200710180497.X)开发出来一种两性离子磺酸盐聚合物钻井液降失水剂。这种降失水剂是2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)和2-羟基-3-甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵的四元共聚物。该产品具有较强的耐温抗盐和降滤失能力。
2007年郑华武(抗盐抗高温降失水剂,CN200710056710.6)开发出来一种抗盐抗高温降失水剂。这种降失水剂是丙烯酰胺、丙烯、2-甲基-2-丙烯酰氧丙基磺酸(AMPS)的三元聚物。此聚合物在120℃时失水量为60mL。
但是,以上方法有以下缺点:(1)单体浓度低,一方面使聚合速率较慢,收率较低;另一方面与向溶剂链转移的双重作用使聚合物分子量不高;除净聚合物中残留溶剂困难;(2)得到的聚合产物还要剪切造粒,再经过烘干粉碎至粉末状得到产品,浪费了时间和能源;(3)在油田使用过程中,还需要对产品用溶剂进一步溶解。既浪费溶剂,增加生产的成本,又在使用和回收过程中对环境造成污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻井液降失水剂的合成方法。本发明包含以下步骤:
(1)配制油相溶液,所述油相溶液包含乳化剂和油,所述乳化剂为选自非离子乳化剂油包水型(W/O)乳化剂山梨糖醇酐脂肪酸酯(Span)与水包油型(O/W)乳化剂聚氧乙烯山梨糖醇酐脂肪酸酯(Tween)或辛烷基酚聚氧乙烯醚(OP)中的一种复合使用,所述油选自白油、液体石蜡、煤油或汽油。
(2)配制水相溶液,将选自富马酸、马来酸、衣康酸或丙烯酸的第一单体,选自N,N-二甲基丙烯酰胺,N,N-二乙基丙烯酰胺或丙烯酰胺第二单体和选自对乙烯基苯磺酸钠、丙烯磺酸钠、3-烯丙氧基-2-羟基-1-丙磺酸钠、2-丙烯酰氧基-2-甲基丙磺酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸或甲基丙烯磺酸钠的第三单体按物质的量比1∶1~5∶1~5溶于水中,调节溶液pH值,加入引发剂配制成水相溶液。
(3)室温下将水相溶液滴加到油相溶液中,在搅拌下升温至40~70℃连续搅拌1~7小时,即得钻井液降失水剂。
在本发明方法中,所述复合乳化剂的亲油亲水平衡值(HLB)为3~6,且所述乳化剂在所述油相中的重量含量是6~15%。
在本发明方法中,所述水相中还包括pH调节剂,所述pH调节剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾或碳酸钠,所述pH调节剂将所述水相溶液pH值调节为8~11。
在本发明方法中,所述引发剂为自由基引发剂或氧化还原引发剂,选自过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠、焦亚硫酸钠-过硫酸钠、过硫酸铵-亚硫酸氢钠、硫代硫酸钠-过硫酸钾或过硫酸钾-亚硫酸氢钠。所述引发剂加入的物质的量为所述三种单体物质的量总和的0.1~0.3%。
在本发明方法中,所述第一单体、所述第二单体和所述第三单体的总质量占所述原料水相溶液质量的45~65%。
在本发明方法中,所述水相溶液体积占总的溶液体积分数为50~90%。
聚合物类降失水剂主要是靠吸附作用降低失水量。丙烯酰胺吸附能力强,水溶性好,用于聚合物降失水剂可以保证聚合物强大的吸附功能,降低失水量。磺酸基的高活性单体能提高耐温抗二价及高价金属离子的能力。马来酸、富马酸或丙烯酸中含有羧酸基,可增加水化基团与吸附能力,通过吸附、架桥、聚集及水化,提高聚合物的降失水性能。
与现有技术相比,本发明方法具有以下有益效果:
1、在生产中无废气、废物、废渣的产生,对环境没有污染;聚合速率快,分子量高,分布均匀;产品无需溶剂溶解,可以直接用于油田钻井液中,降低了采油成本。
2、本发明的工艺过程条件温和、易于控制、步骤简单,后续处理环保型,反应过程节约型。
3、本发明产品具有较强的耐温抗盐和降失水性能。在淡水、盐水、饱和食盐水及含钙盐水钻井液中均具有较强的降失水性,可以适用于多种复杂泥浆。
为说明本产品的性能,将合成的产品分别加入淡水基浆和复合盐水基浆中进行降失水性能测试。
淡水基浆的配制:
在336mL水中加入14g钠膨润土,高速搅拌0.5小时;然后室温下养护24小时,即得含膨润土量为4%的淡水基浆。
复合盐水基浆的配制:在400mL水中加入16g钠膨润土,16g氯化钠和48g氯化钙,低速搅拌1小时,于室温下养护24小时,即配成复合盐水基浆。
钻井液降失水性能测试:
将所合成的共聚物加入基浆中,高速搅拌5min,于室温下养护24小时,用ZNS-2型中压滤失仪测定钻井液的降失水性能,以失水量的大小评价产物的降失水能力,失水量越小则降失水性能越强。
具体实施方式
实施例1
将乳化剂Span-60 0.90g,OP-10 0.15g(复合乳化剂HLB值为6.0)和20mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将单体丙烯酸12.5mL,丙烯酰胺11.40g与丙烯磺酸钠23.10g溶于30mL水中,用1mol/L NaOH溶液调节溶液pH值为8.0,将0.09g过硫酸钾加入单体水溶液中,最后定容至80mL为水相溶液。室温下将水相溶液加到三口烧瓶中,搅拌下半小时内升温至50℃,连续搅拌1小时,即得乳液产品。
实施例2
将乳化剂Span-80 1.40g,Tween-85 0.30g(复合乳化剂HLB值为5.5)和20mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将单体丙烯酸6.0mL,丙烯酰胺13.00g与丙烯磺酸钠26.50g溶于30mL水中,用1mol/L NaOH溶液调节溶液pH值为8.0,将0.12g过硫酸钾加入到单体溶液中,最后定容至80mL的水相溶液。室温下将水相溶液加到三口烧瓶中,搅拌下半小时内升温至50℃,连续搅拌1小时,即得乳液产品。
实施例3
将乳化剂Span-80 1.90g,Tween60 0.10g(复合乳化剂HLB值为4.8)和20mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将单体富马酸3.5mL,丙烯酰胺14.2g与丙烯磺酸钠22.8g溶于30mL水中,用1mol/L KOH溶液调节溶液pH值为8.5,将0.10g过硫酸钠加入单体水溶液中,最后定容至80mL的水相溶液。室温下将水相溶液加到三口烧瓶中,搅拌下半小时内升温至55℃,连续搅拌4小时,即得乳液产品。
实施例4
将乳化剂Span-80 0.80g,OP-10 0.06g(复合乳化剂HLB值为5.0)和10mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将单体富马酸4.0mL,丙烯酰胺8.0g与对乙烯基苯磺酸钠41.0g溶于40mL水中,用1mol/L碳酸钠溶液调节溶液pH值为8.5,将0.13g过硫酸钠加入单体水溶液中,最后定容至90mL为水相溶液。室温下将水相溶液加到三口烧瓶中。搅拌下半小时内升温至55℃,连续搅拌4小时,即得乳液产品。
实施例5
将乳化剂Span-80 1.0g,Tween-85 0.23g(复合乳化剂HLB值为5.5)和10mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将单体富马酸6.0mL,甲基丙烯酰胺34.0g与对乙烯基苯磺酸钠15.2g溶于30mL水中,用1mol/L碳酸钠溶液调节溶液pH值为8.5,最后定容至80mL为水相溶液。将0.25g过硫酸铵加入水相中,室温下将水相溶液加到三口烧瓶中,在搅拌下半小时内升温至60℃,连续搅拌5小时,即得乳液产品。
实施例6
将乳化剂Span-60 2.8g,Tween-81 0.20g(复合乳化剂HLB值为5.0)和40mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将马来酸1.5mL,甲基丙烯酰胺8.5g与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸20.7g加入20mL水中,用1mol/L碳酸钠溶液调节溶液pH值为8.5,将0.05g过硫酸铵加入单体水溶液中,最后定容至60mL为水相溶液。室温下将水相溶液加到三口烧瓶中,在搅拌下半小时内升温至60℃,连续搅拌6小时,即得乳液产品。
实施例7
将乳化剂Span-60 4.8g,Tween-81 0.30g(复合乳化剂HLB值为5.0)和50mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将马来酸5.0mL,N,N-二甲基丙烯酰胺6.7g与丙烯磺酸钠14.0g加入20mL水中,用1mol/L KOH溶液调节溶液pH值为9.0,将0.14g过硫酸铵加入单体水溶液中,最后定容至50mL为水相溶液。室温下将水相溶液加入三口烧瓶中,搅拌下半小时内升温至60℃,连续搅拌6小时,即得乳液产品。
实施例8
将乳化剂Span-60 4.10g,Tween-80 0.13g(复合乳化剂HLB值为5.0)和50mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将马来酸4.0mL,丙烯酰胺7.7g与3-烯丙氧基-2-羟基-1-丙磺酸钠23.6g加入20mL水中,用1mol/L NaOH溶液调节溶液pH值为9.0,将0.15g过硫酸铵加入单体水溶液中,最后定容至46mL为水相溶液。室温下将水相溶液加到三口烧瓶中,搅拌下半小时内升温至60℃,半小时内分三次将5mL含0.095g亚硫酸氢钠的溶液加入水相溶液中后,连续搅拌7小时,即得乳液产品。
实施例9
将乳化剂Span-60 2.50g,Tween-80 0.08g(复合乳化剂HLB值为5.0)和30mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将衣康酸2.0mL,N,N-二甲基丙烯酰胺3.0g与3-烯丙氧基-2-羟基-1-丙磺酸钠29.5g溶于20mL水中,用1mol/L NaOH溶液调节溶液pH值为10.0,将0.10g过硫酸铵加入单体水溶液中,最后定容至66mL为水相溶液。室温下将水相溶液加到三口烧瓶中,搅拌下半小时内升温至50℃,在半小时内分三次将5mL含0.09g硫代硫酸钠的水溶液加入水相溶液中后,连续搅拌7小时,即得乳液产品。
实施例10
将乳化剂Span-80 0.75g,OP-10 0.05g(复合乳化剂HLB值为5.2)和10mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将单体衣康酸4.5mL,丙烯酰胺7.7g与对乙烯基苯磺酸钠41.0g溶于40mL水中,用1mol/L碳酸钠溶液调节溶液pH值为10.5,将0.15g过硫酸钠加入单体水溶液中,最后定容至86mL为水相溶液。室温下将水相溶液加到三口烧瓶中。搅拌下半小时内升温至50℃,在半小时内分三次将5mL含0.02g焦亚硫酸钠的水溶液加入水相溶液中后,连续搅拌4小时,即得乳液产品。
实施例11
将乳化剂Span-60 4.10g,Tween-80 0.10g(复合乳化剂HLB值为4.9)和50mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将衣康酸4.0mL,丙烯酰胺12.7g与3-烯丙氧基-2-羟基-1-丙磺酸钠10.9g加入20mL水中,用1mol/L NaOH溶液调节溶液pH值为11.0,将0.06g过硫酸钾加入单体水溶液中,最后定容至46mL为水相溶液。室温下将水相溶液加到三口烧瓶中,搅拌下半小时内升温至50℃,在半小时内分三次将5mL含0.06g硫代硫酸钠的水溶液加入水相溶液中后,连续搅拌6小时,即得乳液产品。
实施例12
将乳化剂Span-65 2.10g,Tween-81 0.30g(复合乳化剂HLB值为3.0)和50mL液体石蜡加入三口烧瓶中,室温下搅拌溶解,配成油相。将衣康酸5.5mL,N,N-二甲基丙烯酰胺6.7g与丙烯磺酸钠14.0g加入20mL水中,用1mol/L碳酸钠溶液调节溶液pH值为11.0,将0.15g过硫酸钠加入单体水溶液中,最后定容至46mL为水相溶液。室温下将水相溶液加入三口烧瓶中,搅拌下半小时内升温至50℃,在半小时内分三次将5mL含0.12g焦亚硫酸钠的水溶液加入水相溶液中后,连续搅拌6小时,即得乳液产品。
实施例13
在336mL水中加入14g钠膨润土,高速搅拌0.5小时;然后室温养护24h,即得含膨润土量为4%的淡水基浆。取240ml该淡水泥浆溶液放入ZNS-2型中压滤失仪中,分别测量0.69Mpa压力下30min时间内的失水量。即为淡水基浆的降失水量。
在240ml含膨润土量为4%的淡水基浆溶液中加入占泥浆质量分数3%的实施例1得到的1#产物,放入ZNS-2型中压滤失仪中,测量0.69Mpa压力下30min时间内的失水量,即得到1#产物加入淡水基浆中的降失水量。按照此方法分别测实施例2得到的2#产物、实施例3得到的3#产物、实施例4得到的4#产物、实施例5得到的5#产物、实施例6得到的6#产物、实施例7得到的7#产物、实施例8得到的8#产物、实施例9得到的9#产物、实施例10得到的10#产物、实施例11得到的11#产物、实施例12得到的12#产物加入淡水基浆中的降失水量。降失水实验结果如下:
表1 淡水泥浆中产品降失水性能
泥浆组成 |
FL(mL) |
泥浆组成 |
FL(mL) |
4%膨润土浆 |
30 |
4%膨润土浆+3%7#产品(实施例7) |
6.0 |
4%膨润土浆+3%1#产品(实施例1) |
6.0 |
4%膨润土浆+3%8#产品(实施例8) |
7.0 |
4%膨润土浆+3%2#产品(实施例2) |
5.6 |
4%膨润土浆+3%9#产品(实施例9) |
8.0 |
4%膨润土浆+2%1#产品(实施例3) |
6.5 |
4%膨润土浆+3%10#产品(实施例10) |
8.0 |
4%膨润土浆+3%4#产品(实施例4) |
7.0 |
4%膨润土浆+3%11#产品(实施例11) |
7.0 |
4%膨润土浆+3%5#产品(实施例5) |
6.5 |
4%膨润土浆+3%12#产品(实施例12) |
7.0 |
4%膨润土浆+3%6#产品(实施例6) |
7.0 |
|
|
其中,FL为失水量。
实施例14
在400mL水中加入16g钠膨润土,16g NaCl和48g CaCl2,低速搅拌1小时,于室温下养护24小时,即配成复合盐水基浆。取240ml该复合盐水泥浆溶液放入ZNS-2型中压滤失仪中,测量0.69Mpa压力下30min时间内的失水量。即得到复合盐水基浆的失水量。取240ml复合盐水泥浆溶液加入占泥浆质量分数6%的实施例1得到的1#产物,放入ZNS-2型中压滤失仪中,测量0.69Mpa压力下30min时间内的失水量,即得到1#产物加入复合盐水基浆中的失水量。按照此方法分别测实施例2得到的2#产物、实施例3得到的3#产物、实施例4得到的4#产物、实施例5得到的5#产物、实施例6得到的6#产物、实施例7得到的7#产物、实施例8得到的8#产物、实施例9得到的9#产物、实施例10得到的10#产物、实施例11得到的11#产物、实施例12得到的12#产物加入复合盐水基浆中的失水量。
表2 复合盐水泥浆中产品降失水性能
泥浆组成 |
FL(mL) |
泥浆组成 |
FL(mL) |
复合盐水泥浆 |
93.0 |
复合盐水泥浆+6%7#产品(实施例7) |
7.0 |
复合盐水泥浆+6%1#产品(实施例1) |
9.0 |
复合盐水泥浆+6%8#产品(实施例8) |
6.7 |
复合盐水泥浆+6%2#产品(实施例2) |
8.0 |
复合盐水泥浆+6%9#产品(实施例9) |
6.4 |
复合盐水泥浆+6%1#产品(实施例3) |
7.0 |
复合盐水泥浆+6%10#产品(实施例10) |
8.0 |
复合盐水泥浆+6%4#产品(实施例4) |
6.5 |
复合盐水泥浆+6%11#产品(实施例11) |
7.3 |
复合盐水泥浆+6%5#产品(实施例5) |
6.4 |
复合盐水泥浆+6%12#产品(实施例12) |
7.5 |
复合盐水泥浆+6%6#产品(实施例6) |
5.6 |
|
|
其中,FL为失水量。