CN107814870A - 一种抗高温钻井液用球形聚合物处理剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钻井液用球形聚合物处理剂。本发明提供的钻井液用球形聚合物处理剂，由包含以下质量份的原料制备得到：油相40～56份；水相40～56份；引发剂2～5份；交联剂2～5份。本发明得到的钻井液用球形聚合物处理剂外观呈三维球形，且粒径分布在100～500nm。由实施例1～3的实验结果可知，本发明得到的钻井液用球形聚合物处理剂在膨润土浆中经过高温老化后，粘度略有降低，滤失量略有升高，而常见的聚丙烯酰胺和黄原胶高温老化后无粘度且无降滤失效果；本发明得到的钻井液用球形聚合物处理剂添加到钻井液中能够明显的维持钻井液的粘度在正常范围内，并且滤失量较低；而常见的聚丙烯酰胺和黄原胶高温老化后无粘度，并且滤失量非常大。

Description

一种抗高温钻井液用球形聚合物处理剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及钻井技术领域，尤其涉及一种抗高温钻井液用球形聚合物处理剂及其制备方法。
背景技术
随着世界能源需求的不断增长和浅层油气资源的渐次枯竭，未来油气勘探的重心将逐步转向深部地层或超深地层，深井和超深井钻探已经成为今后钻探工业发展的一个重要方向。深井和超深井作业面临的一个最突出问题就是井下高温(＞180℃)和超高温环境，而确保深井和超深井顺利开发的一项关键技术就是高性能钻井液。
高性能钻井液主要通过其中添加的各类处理剂来提升其性能，具体的如润滑剂、降粘剂、堵漏剂、增粘剂、消泡剂等等。其中，聚合物钻井液处理剂是所有处理剂中发展最快、水平最高、应用效果最好、用量最大的一类处理剂。
钻井液性能与聚合物处理剂密切相关，并在很大程度上决定了高温深井和超深井作业的进度、安全和效率。常用钻井液用聚合物处理剂受温度影响较大，在高温下易发生断裂、降解，导致处理剂功能失效。例如聚丙烯酰胺类处理剂，其抗温仅能达到150℃，超过此温度就会失效；而如黄原胶、槐树胶等生物聚合物，其抗温最高也仅为150℃。所以，在高温深井钻井中，使用传统聚合物处理剂的钻井液经井下高温循环后，钻井液性能通常会恶化，导致泥饼变厚、造壁性能差、滤失量增加等问题，甚至会造成重晶石等加重材料沉降而导致钻井报废等重大事故。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗高温钻井液用球形聚合物处理剂及其制备方法，本发明提供的钻井液用球形聚合物处理剂具有优异的抗高温性能。
本发明提供了一种钻井液用球形聚合物处理剂，由包含以下质量份的原料制备得到：
所述油相包含白油和乳化剂，所述乳化剂和白油的质量比为3～5:100；
所述水相包含2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和丙烯酰胺，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和丙烯酰胺的质量比为(30～40):(20～40):(20～40):(10～20)。
优选的，所述乳化剂包含司盘和油酸二乙醇酰胺，所述司盘和油酸二乙醇酰胺的质量比为(40～50):(40～60)。
优选的，所述乳化剂还包含气相二氧化硅；
所述气相二氧化硅和司盘的质量比为(0,10]:[40,50]。
优选的，所述引发剂为过氧化物类引发剂和过硫酸盐中的一种或几种。
优选的，所述交联剂为亚甲基双丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺和双丙酮丙烯酰胺中的一种或几种。
本发明提供了一种所述钻井液用球形聚合物处理剂的制备方法，包含如下步骤：
将油相和水相混合进行一级加热处理，得到油水混合物；
将所述油水混合物和引发剂混合进行二级加热处理，得到包括引发剂的混合物；
将所述包括引发剂的混合物和交联剂混合进行聚合反应，得到钻井液用球形聚合物处理剂。
优选的，所述一级加热处理的温度为40～50℃；
所述一级加热处理的时间为1～3小时。
优选的，所述二级加热处理的温度为60～80℃；
所述二级加热处理的时间为1～3小时。
优选的，所述聚合反应的温度为40～50℃；
所述聚合反应的时间为4～5小时。
本发明提供了一种钻井液用球形聚合物处理剂。本发明提供的钻井液用球形聚合物处理剂，由包含以下质量份的原料制备得到：油相40～56份；水相40～56份；引发剂2～5份；交联剂2～5份；所述油相包含白油和乳化剂，所述乳化剂和白油的质量比为3～5:100；所述水相包含2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和丙烯酰胺，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和丙烯酰胺的质量比为(30～40):(20～40):(20～40):(10～20)。本发明得到的钻井液用球形聚合物处理剂具有优异的抗高温性能、抗盐性和一定的降滤失效果。由实施例1～3的实验结果可知，本发明得到的钻井液用球形聚合物处理剂粒径分布在100～500nm，在膨润土浆中经过高温老化后，粘度略有降低，滤失量略有升高，而常见的聚丙烯酰胺和黄原胶高温老化后无粘度且无降滤失效果；本发明得到的钻井液用球形聚合物处理剂添加到钻井液中能够明显的维持钻井液的粘度在正常范围内，并且滤失量较低；而常见的聚丙烯酰胺和黄原胶高温老化后无粘度，并且滤失量非常大。
附图说明
图1为实施例1得到的钻井液用球形聚合物处理剂的TEM扫描图；
图2为实施例2得到的钻井液用球形聚合物处理剂的TEM扫描图；
图3为实施例3得到的钻井液用球形聚合物处理剂的TEM扫描图；
图4为实施例1～3得到的钻井液用球形聚合物处理剂的红外光谱图。
具体实施方式
本发明提供了一种钻井液用球形聚合物处理剂，由包含以下质量份的原料制备得到：
所述油相包含白油和乳化剂，所述乳化剂和白油的质量比为3～5:100；
所述水相包含2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和丙烯酰胺，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和丙烯酰胺的质量比为(30～40):(20～40):(20～40):(10～20)。
在本发明中，制备钻井液用球形聚合物处理剂的原料包含40～56份油相，优选为43～53份，更优选为45～50份。在本发明中，所述油相包含白油和乳化剂，所述乳化剂和白油的质量比为3～5:100，在本发明的实施例中，所述乳化剂和白油的质量比具体的可以为3:100、4:100或5:100。
在本发明中，所述乳化剂优选包含司盘和油酸二乙醇酰胺，所述司盘和油酸二乙醇酰胺的质量比优选为(40～50):(40～60)，更优选为(42～48):(43～57)，最优选为(44～46):(48～53)。
在本发明中，所述乳化剂优选还包含气相二氧化硅；所述气相二氧化硅和司盘的质量比优选为(0,10]:[40,50]，更优选为[2,8]:[42,48]，最优选为[4,6]:[44,46]。
以40～56份油相为基准，本发明制备钻井液用球形聚合物处理剂的原料包含40～56份水相，优选为43～53份，更优选为45～50份。在本发明中，所述水相包含2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和丙烯酰胺；所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和丙烯酰胺的质量比为(30～40):(20～40):(20～40):(10～20)，优选为(32～38):(25～35):(25～35):(12～18)，更优选为(34～36):(28～32):(28～32):(14～16)。
以40～56份油相为基准，本发明制备钻井液用球形聚合物处理剂的原料包含2～5份引发剂，在本发明的实施例中，所述引发剂的质量份数具体的可以为2份、3份、4份或5份。在本发明中，所述引发剂优选为过氧化物类引发剂和过硫酸盐中的一种或几种；所述过硫酸盐优选为过硫酸铵或过硫酸钾；所述过氧化物类引发剂优选为过氧化苯甲酰。在本发明中，当所述引发剂优选为过硫酸铵、过氧化苯甲酰和过硫酸盐中的两种或者三种时，所选物质的添加量优选相等。在本发明中，所述过硫酸盐优选为过硫酸钾和/或过硫酸钠。
以40～56份油相为基准，本发明制备钻井液用球形聚合物处理剂的原料包含2～5份交联剂，在本发明的实施例中，所述交联剂的质量份数具体的可以为2份、3份、4份或5份。在本发明中，所述交联剂优选为亚甲基双丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺和双丙酮丙烯酰胺中的一种或几种。在本发明中，当所述交联剂优选为亚甲基双丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺和双丙酮丙烯酰胺中的两种或者三种时，所选物质的添加量优选相等。
本发明对上述所有的原料物质的来源没有特殊限定，采用市售的上述原料物质即可。
本发明还提供了上述技术方案所述钻井液用球形聚合物处理剂的制备方法，包含如下步骤：
将油相和水相混合进行一级加热处理，得到油水混合物；
将所述油水混合物和引发剂混合进行二级加热处理，得到包括引发剂的混合物；
将所述包括引发剂的混合物和交联剂混合进行聚合反应，得到钻井液用球形聚合物处理剂。
本发明将油相和水相混合进行一级加热处理，得到油水混合物。在本发明中，所述一级加热处理的温度优选为40～50℃，更优选为42～48℃，最优选为44～46℃；所述一级加热处理的时间优选为1～3小时，具体的可以为1小时、2小时或3小时。在本发明中，所述一级加热处理得到预热的稳定油水混合物体系，油水混合形成的乳液为聚合反应提供“球形微反应器”，利于球形聚合物生成。
在本发明中，所述一级加热处理优选在搅拌条件下进行，所述搅拌的速率优选为900～1100rpm/min，更优选为950～1050rpm/min，最优选为980～1030rpm/min。
得到所述油水混合物后，本发明将所述油水混合物和引发剂混合进行二级加热处理，得到包括引发剂的混合物。在本发明中，所述二级加热处理的温度优选为60～80℃，更优选为65～75℃，最优选为68～73℃；所述二级加热处理的时间优选为1～3小时，具体的可以为1小时、2小时或3小时。
得到所述包括引发剂的混合物后，本发明将所述包括引发剂的混合物和交联剂混合进行聚合反应，得到钻井液用球形聚合物处理剂。在本发明中，所述聚合反应的温度优选为40～50℃，更优选为42～48℃，最优选为44～46℃；所述聚合反应的时间优选为4～5小时。
本发明选择先添加引发剂再添加交联剂的加料方式，先加入引发剂产生活性自由基引发聚合反应；反应进行到一定阶段再加入交联剂构造球形聚合物内核，增强结构稳定性。
下面结合实施例对本发明提供的钻井液用球形聚合物处理剂及其制备方法和钻井液进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
在下述实施例中，所述份如无特殊说明均为质量份。
实施例1
将12.5g的司盘80、10g油酸二乙醇酰胺和2.5g的气相二氧化硅混合得到乳化剂，将500g白油和25g乳化剂混合，得到油相。
将196.875g的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、262.5g的N,N-二乙基丙烯酰胺、131.25g的甲基丙烯酸和65.625g的丙烯酰胺混合，得到水相。
将32.8125g过硫酸铵和32.8125g过硫酸钠混合，得到引发剂。
称取65.625g双丙酮丙烯酰胺作为交联剂。
将油相和水相混合，在40℃下加热处理1.5小时，得到油水混合物；
将所述油水混合物和引发剂混合，在60℃下加热处理2小时，得到包括引发剂的混合物；
将所述包括引发剂的混合物和交联剂混合，在50℃下聚合5小时，得到钻井液用球形聚合物处理剂。
实施例2
将8g的司盘80和12g油酸二乙醇酰胺混合得到乳化剂，将500g白油和20g乳化剂混合，得到油相。
将148.56g的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、148.56g的N,N-二乙基丙烯酰胺、148.56g的甲基丙烯酸和148.56g的丙烯酰胺混合，得到水相。
称取18.57g过氧化苯甲酰作为引发剂。
将9.29g亚甲基双丙烯酰胺和9.29gN-羟乙基丙烯酰胺混合，得到交联剂。
将油相和水相混合，在40℃下加热处理1.5小时，得到油水混合物；
将所述油水混合物和引发剂混合，在80℃下加热处理2小时，得到包括引发剂的混合物；
将所述包括引发剂的混合物和交联剂混合，在50℃下聚合5小时，得到钻井液用球形聚合物处理剂。
实施例3
将10g的司盘80、12.5g油酸二乙醇酰胺和2.5g的气相二氧化硅混合得到乳化剂，将500g白油和25g乳化剂混合，得到油相。
将220.5g的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、147g的N,N-二乙基丙烯酰胺、294g的甲基丙烯酸和73.5g的丙烯酰胺混合，得到水相。
将13.125g过氧化苯甲酰和13.125g过硫酸钾混合，得到引发剂。
将13.125g双丙酮丙烯酰胺和13.125g亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂。
将油相和水相混合，在40℃下加热处理1.5小时，得到油水混合物；
将所述油水混合物和引发剂混合，在70℃下加热处理2小时，得到包括引发剂的混合物；
将所述包括引发剂的混合物和交联剂混合，在50℃下聚合4.5小时，得到钻井液用球形聚合物处理剂。
本发明分别对实施例1～3得到的钻井液用球形聚合物处理剂进行了TEM扫描测试，测试结果分别如图1～3所示。其中，图1为实施例1得到的钻井液用球形聚合物处理剂的TEM扫描图，图2为实施例2得到的钻井液用球形聚合物处理剂的TEM扫描图，图3为实施例3得到的钻井液用球形聚合物处理剂的TEM扫描图。由图1～3可知，本发明得到的钻井液用球形聚合物处理剂外观呈三维球形，且粒径分布在100～500nm。
本发明分别对实施例1～3得到的钻井液用球形聚合物处理剂进行了红外光谱测试，测试结果分别如图4所示。由图4可知，波数3425cm-1处的吸收峰归属于-NH2中N-H的伸缩振动，2925cm-1和2854处的吸收峰归属于-CH2-、-CH3的伸缩振动，2185cm-1处的吸收峰为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸中的C＝C双键，1666cm-1处的吸收峰属于酰胺基中的羰基(C＝O)的伸缩振动；1554cm-1为氨基吸收峰；1455cm-1处的吸收峰属于-CH2-中-C-H键的弯曲振动；1410cm-1处的吸收峰属于-CH2-、-CH3中-C-H键的弯曲振动，1173cm-1和1061cm-1处的吸收峰归属于-SO3-中S-O键的伸缩振动；664cm-1为-C-S键的伸缩振动吸收峰。红外图谱表明球形聚合物含有各种单体结构单元的特征吸收峰，说明共聚物为设计产物。
本发明分别对实施例1～3得到的钻井液用球形聚合物处理剂进行了粘均相对分子质量测试，测试结果显示聚合物粘均相对分子质量在6×105～9×105之间。
本发明分别对实施例1～3得到的钻井液用球形聚合物处理剂在膨润土浆中的性能进行了测试，结果如表1所示。
表1实施例1～3得到的钻井液用球形聚合物处理剂在膨润土浆中的性能。
由表1可知，本发明实施例1～3得到的钻井液用球形聚合物处理剂在膨润土浆中经过高温老化后，粘度略有降低，滤失量略有升高，而常见的聚丙烯酰胺和黄原胶高温老化后无粘度且无降滤失效果。
本发明还分别对实施例1～3得到的钻井液用球形聚合物处理剂在水基钻井液体系中的性能进行了测试。在空白钻井液中添加聚丙烯酰胺、黄原胶和本发明的钻井液用球形聚合物处理剂，在高温老化后查看性能，结果如表2所示。
表2实施例1～3得到的钻井液用球形聚合物处理剂在钻井液中的性能
注：标准滤失条件25℃、0.7MPa，高温高压滤失条件为150℃、3.5MPa。
由表2可知，本发明实施例1～3得到的钻井液用球形聚合物处理剂添加到钻井液中能够明显的维持钻井液的粘度在正常范围内，并且滤失量较低；而常见的聚丙烯酰胺和黄原胶高温老化后无粘度，并且滤失量非常大。
根据以上实施例能够知道，本发明提供了一种钻井液用球形聚合物处理剂。本发明提供的钻井液用球形聚合物处理剂，由包含以下质量份的原料制备得到：油相40～56份；水相40～56份；引发剂2～5份；交联剂2～5份。本发明得到的钻井液用球形聚合物处理剂外观呈三维球形，且粒径分布在100～500nm。由实施例1～3的实验结果可知，本发明得到的钻井液用球形聚合物处理剂在膨润土浆中经过高温老化后，粘度略有降低，滤失量略有升高，而常见的聚丙烯酰胺和黄原胶高温老化后无粘度且无降滤失效果；本发明得到的钻井液用球形聚合物处理剂添加到钻井液中能够明显的维持钻井液的粘度在正常范围内，并且滤失量较低；而常见的聚丙烯酰胺和黄原胶高温老化后无粘度，并且滤失量非常大。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钻井液用球形聚合物处理剂，由包含以下质量份的原料制备得到：
所述油相包含白油和乳化剂，所述乳化剂和白油的质量比为3～5:100；
所述水相包含2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和丙烯酰胺，所述2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、N,N-二乙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和丙烯酰胺的质量比为(30～40):(20～40):(20～40):(10～20)。
2.根据权利要求1所述的钻井液用球形聚合物处理剂，其特征在于，所述乳化剂包含司盘和油酸二乙醇酰胺，所述司盘和油酸二乙醇酰胺的质量比为(40～50):(40～60)。
3.根据权利要求2所述的钻井液用球形聚合物处理剂，其特征在于，所述乳化剂还包含气相二氧化硅；
所述气相二氧化硅和司盘的质量比为(0,10]:[40,50]。
4.根据权利要求1所述的钻井液用球形聚合物处理剂，其特征在于，所述引发剂为过氧化物类引发剂和过硫酸盐中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的钻井液用球形聚合物处理剂，其特征在于，所述交联剂为亚甲基双丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺和双丙酮丙烯酰胺中的一种或几种。
6.权利要求1～5任意一项所述的钻井液用球形聚合物处理剂的制备方法，包含如下步骤：
将油相和水相混合进行一级加热处理，得到油水混合物；
将所述油水混合物和引发剂混合进行二级加热处理，得到包括引发剂的混合物；
将所述包括引发剂的混合物和交联剂混合进行聚合反应，得到钻井液用球形聚合物处理剂。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述一级加热处理的温度为40～50℃；
所述一级加热处理的时间为1～3小时。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述二级加热处理的温度为60～80℃；
所述二级加热处理的时间为1～3小时。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的温度为40～50℃；
所述聚合反应的时间为4～5小时。
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