CN108676129A - 一种梳型结构两性离子聚合物降滤失剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梳型结构两性离子聚合物降滤失剂及其制备方法。降滤失剂由以下重量份的单体共聚而成：2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸20～40份，聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯5～30份，N,N‑二甲基丙烯酰胺10～60份，二甲基二烯丙基氯化铵5～20份。该降滤失剂含有季氨基、酰胺基、磺酸基等分子基团，其中磺酸基具有较强的水化能力，酰胺基和季铵盐对黏土具有强吸附能力，提高了降滤失剂高温条件下的吸附稳定性；由大分子单体聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯和其他单体接枝共聚得到的产物呈梳型特殊结构，可进一步提高抗剪切性能和高温稳定性，在保证降滤失性能的同时，抗温抗盐效果好，可有效应用于高温复杂地层环境的钻井液中。

Description

一种梳型结构两性离子聚合物降滤失剂及其制备方法

技术领域

本发明属于钻井液用添加剂领域，具体涉及一种梳型结构两性离子聚合物降滤失剂及其制备方法。

背景技术

随着石油工业的发展和对石油需求的不断增长，钻井深度不断增加，随之遇到的高温复杂地层及井下复杂情况也越来越多。钻井液被称为钻井工艺的“血液”，是钻井技术的重要组成部分，具有抗高温抗盐性能的钻井液在钻井过程中发挥着越来越重要的作用。降滤失剂是钻井液的重要剂种之一，其作用是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量，以维持井壁稳定，从而保证井下安全。

如何制备具有良好抗温性和抗盐性的降滤失剂是石油工作者研究的重点之一。申请公布号为CN101864030A的专利公开了一种抗高温抗盐降滤失剂的制备方法，该方法是以C6-C10烷烃为连续相，以丙烯酰胺、丙烯酸和苯乙烯磺酸钠三种单体溶于水相并加入乳化剂用反相微乳液聚合的方法得到抗高温抗盐两性降滤失剂；该制备方法中，三种初始单体应严格控制在一定比例范围，反相微乳液聚合比例若不合适，体系难以形成微乳液或者会降低聚合物的使用性能，工业大规模生产的稳定性难以得到保障。

授权公告号为CN100595254C的专利公开了一种两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，该制备方法是以水溶液聚合的方法得到抗高温抗盐两性降滤失剂，但是生产工艺复杂，生产效率低，难以符合大规模生产的条件。授权公告号为CN104926986B的专利公开了一种用于钻井液的两性离子聚合物的制备方法，该制备方法是以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、1,3-丙磺酸内酯和丙烯酰胺为单体经聚合反应制备而成，该两性离子聚合物虽具有较好的抗盐抗钙能力，但抗温能力较差，无法应用于高温地层中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种梳型结构两性离子聚合物降滤失剂，从而解决现有降滤失剂不能兼具优良降滤失性能和抗温抗盐性能的问题。

本发明的第二个目的在于提供上述降滤失剂的制备方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种梳型结构两性离子聚合物降滤失剂，由以下重量份的单体共聚而成：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸20～40份，聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯5～30份，N,N-二甲基丙烯酰胺10～60份，二甲基二烯丙基氯化铵5～20份。

聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯由于其具有优良相容性的聚乙二醇链段，在各种医用生物材料的表面改性和新型高效减水剂等材料合成研究中广泛应用。将此大分子单体作为梳型聚合物的支链以增强分子整体结构的刚性，保证钻井液具有较好的流变性能和抗高温性能。其结构式如下：

本发明的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、N,N-二甲基丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵在水溶液中接枝共聚而成一种多元共聚物，所得共聚物含有季氨基、酰胺基、磺酸基等分子基团，其中磺酸基具有较强的水化能力(特别是高温抗钙、镁污染能力)，酰胺基和季铵盐对黏土具有强吸附能力，提高了降滤失剂高温条件下的吸附稳定性；产物呈梳型特殊结构，可进一步提高抗剪切性能和高温稳定性，在保证降滤失性能的同时，抗温抗盐效果好，可有效应用于高温复杂地层环境的钻井液中。

上述梳型结构两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，包括以下步骤：

1)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、N,N-二甲基丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵溶于水中，得到单体溶液；

2)在保护气氛下，加入引发剂进行共聚反应，即得。

步骤1)中，先将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸加水溶解，再加入聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯搅拌均匀，再加入N,N-二甲基丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵，在N₂保护35～50℃下搅拌均匀，即得所述单体溶液。

步骤1)中，向单体溶液中加入pH值调节剂调节体系pH值为6～8。pH值调节剂为氢氧化钠、氢氧化剂、氨水中的一种或多种组合。

步骤1)中，单体溶液中，各单体的质量浓度之和为20～45％。

步骤2)中，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的至少一种与亚硫酸氢钠的混合物。优选的，亚硫酸氢钠在引发剂中的质量百分比为25％～50％。

步骤2)中，引发剂在聚合体系中的浓度为0.5％～5％。

步骤2)中，所述共聚反应是先在35～50℃下聚合0.5～1.5h，再在75～85℃下聚合2.5～3.5h。

步骤2)中，共聚反应后过滤，收集过滤产物，洗涤、干燥，即得所述降滤失剂。洗涤所用洗液为丙酮；所述干燥是在100～110℃下真空干燥8～12h。

本发明的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，制备工艺简单，对设备的要求低，生产稳定性好，成本低廉，容易实现大规模工业化生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例中，聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯的数均分子量为400-2000。

实施例1

本实施例的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂，由以下重量份的单体共聚而成：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸40份，聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯20份，N,N-二甲基丙烯酰胺30份，二甲基二烯丙基氯化铵10份；制备过程如下：

1)将40份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和300份蒸馏水加入到反应器中，搅拌至充分溶解；再加入20份聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯，搅拌均匀，加入质量浓度为20％的氢氧化钠溶液，调节体系pH值为6；然后加入30份N,N-二甲基丙烯酰胺和10份二甲基二烯丙基氯化铵，在40℃搅拌均匀，得到各单体质量浓度之和为25％的单体溶液；

2)通氮气保护30min，然后加入引发剂(过硫酸铵与亚硫酸氢钠质量比为2：1的混合物，引发剂在体系中的浓度为3％)，在40℃下聚合1h，然后升温至80℃聚合3h，得到反应产物；

3)将反应产物用丙酮洗涤，过滤并收集过滤产物，在105℃下真空干燥10h，粉碎即得白色粉末状降滤失剂。

实施例2

本实施例的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂，由以下重量份的单体共聚而成：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸30份，聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯10份，N,N-二甲基丙烯酰胺50份，二甲基二烯丙基氯化铵10份；制备过程如下：

1)将30份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和400份蒸馏水加入到反应器中，搅拌至充分溶解；再加入10份聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯，搅拌均匀，加入质量浓度为20％的氢氧化钠溶液，调节体系pH值为7；然后加入50份N,N-二甲基丙烯酰胺和10份二甲基二烯丙基氯化铵，在35℃搅拌均匀，得到各单体质量浓度之和为20％的单体溶液；

2)通氮气保护30min，然后加入引发剂(过硫酸钾与亚硫酸氢钠质量比为3：2的混合物，引发剂在体系中的浓度为1％)，在35℃下聚合1.5h，然后升温至75℃聚合3.5h，得到反应产物；

3)将反应产物用丙酮洗涤，过滤并收集过滤产物，在100℃下真空干燥11h，粉碎即得白色粉末状降滤失剂。

实施例3

本实施例的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂，由以下重量份的单体共聚而成：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸30份，聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯5份，N,N-二甲基丙烯酰胺60份，二甲基二烯丙基氯化铵5份；制备过程如下：

1)将30份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和300份蒸馏水加入到反应器中，搅拌至充分溶解；再加入5份聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯，搅拌均匀，加入质量浓度为20％的氢氧化钠溶液，调节体系pH值为8；然后加入60份N,N-二甲基丙烯酰胺和5份二甲基二烯丙基氯化铵，在50℃搅拌均匀，得到各单体质量浓度之和为25％的单体溶液；

2)通氮气保护30min，然后加入引发剂(过硫酸铵与亚硫酸氢钠质量比为1：1的混合物，引发剂在体系中的浓度为4％)，在50℃下聚合0.5h，然后升温至85℃聚合2.5h，得到反应产物；

3)将反应产物用丙酮洗涤，过滤并收集过滤产物，在110℃下真空干燥8h，粉碎即得白色粉末状降滤失剂。

试验例

本试验例检测实施例1的降滤失剂在复合盐水基浆和盐水基浆中的降滤失性能和高温性能。对比例为市售丙烯酰胺类聚合物降滤失剂。

复合盐水基浆的配制为：1000mL蒸馏水+45.0g氯化钠+7.0g氯化钙+15g氯化镁作为复合盐水，取350mL复合盐水，在搅拌下加入3.15g碳酸钠和52.50g钙膨润土即为复合盐水基浆；盐水基浆的配制为：取不同氯化钠浓度的盐水350mL，在搅拌下加入35g评价土和1g碳酸氢钠，继续搅拌20min后，得到盐水基浆，控制基浆滤失量在80-90mL。

实施例1的降滤失剂在复合盐水基浆的性能评价结果如表1所示，测室温滤失量时，降滤失剂的加入质量分数为0.7％，测高温老化滤失量时，降滤失剂加量为1.5％，具体过程如下：

(1)常温滤失量测定：取养护好的复合盐水基浆，在一定转速下，向其中加入0.7％的降滤失剂，搅拌20min，室温养护24h。再搅拌20min，测API滤失量。

(2)高温滤失量测定：取养护好的复合盐水基浆，在一定转速下，向其中加入1.5％的降滤失剂，搅拌20min，室温养护6h。再搅拌20min，放入不锈钢老化罐在200℃老化16h后，取出冷却，搅拌20min，测API滤失量。

表1实施例1的降滤失剂在复合盐水基浆中的性能评价试验数据

序号	室温API滤失量/mL	200℃老化后API滤失量/mL
			实施例1	6.2	8.9
对比例	13.5	25.4

实施例1的降滤失剂在盐水基浆的性能评价结果如表2所示，取五种不同浓度的氯化钠盐水基浆350mL各两份，分别加入2.45g和5.25g实施例1的降滤失剂搅拌30min；其中五份在室温下养护24h，另五份在室温养护6h后，装入高温罐，在200℃下热滚16h，冷却至室温；将待测基浆高速搅拌(6000r/min)5min后，测定室温和200℃老化后的API滤失量。

表2实施例1的降滤失剂在盐水基浆中的性能评价试验数据

由表1和表2的性能评价结果可知，在复合盐水基浆和盐水基浆中，实施例1的降滤失剂在200℃高温下表现良好，具有优良的抗温抗盐和降滤失性能。

Claims (9)

1.一种梳型结构两性离子聚合物降滤失剂，其特征在于，由以下重量份的单体共聚而成：2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸20～40份，聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯5～30份，N,N-二甲基丙烯酰胺10～60份，二甲基二烯丙基氯化铵5～20份。

2.一种如权利要求1所述的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、N,N-二甲基丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵溶于水中，得到单体溶液；

2)在保护气氛下，加入引发剂进行共聚反应，即得。

3.如权利要求2所述的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，先将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸加水溶解，再加入聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯搅拌均匀，再加入N,N-二甲基丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵，在35～50℃下搅拌均匀，即得所述单体溶液。

4.如权利要求2所述的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤1)中，向单体溶液中加入pH值调节剂调节体系pH值为6～8。

5.如权利要求2所述的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，其特征在于，单体溶液中，各单体的质量浓度之和为20～45％。

6.如权利要求2所述的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的至少一种与亚硫酸氢钠的混合物。

7.如权利要求6所述的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，其特征在于，亚硫酸氢钠在引发剂中的质量百分比为25％～50％。

8.如权利要求6或7所述的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，其特征在于，引发剂在聚合体系中的浓度为0.5％～5％。

9.如权利要求2所述的梳型结构两性离子聚合物降滤失剂的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述共聚反应是先在35～50℃下聚合0.5～1.5h，再在75～85℃下聚合2.5～3.5h。