CN110483686B - 环保型阳离子降滤失组合物及降滤失剂 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种环保型阳离子降滤失组合物及降滤失剂。以重量份计，组合物包括：9～12份的烯基酰胺、3～4份的苯酚类化合物、1.0～1.5份的烯基磺酸盐、0.5～1.5份的废旧腈纶水解铵盐以及1.2～3.5份的链转移剂。烯基酰胺是形成降滤失剂的主链结构起到骨架作用的基础单体；苯酚类化合物在高盐高钙环境中保护粘土颗粒，提高了其抗盐侵入、钙侵的能力；磺酸盐使用在降滤失剂的侧链中引入亲水性能最强的磺酸基，使得降滤失剂在高温下分子仍具有很强的水化能力和抗盐性。废旧腈纶水解铵盐增强了降滤失剂的抗温和抗盐能力。由于废旧腈纶水解铵盐中的废旧腈纶为废料，其成本较低，因此可以降低降滤失剂的成本。

Description

环保型阳离子降滤失组合物及降滤失剂
技术领域
本发明涉及钻井液材料技术领域，具体而言，涉及一种环保型阳离子降滤失组合物及降滤失剂。
背景技术
钻井液的滤失性指在一定的温度下，当井筒内钻井液压力大于地层孔隙压力时，钻井液中的自由相扩散到地层中去。进入到地层中的自由相会带来一系列的问题，尤其是对于泥页岩含量高的地层很容易引起井壁的坍塌，而且还会造成储层的污染，当钻井液中的一些表面活性剂进入地层后会造成地层的润湿反转，给原油的开采带来很大的困难，所以控制钻井液的滤失量尤为重要。目前在常规钻井中控制钻井液滤失量主要是通过加入降滤失剂来实现的。
由于能源需求，特别是石油天然气消耗量的迅速增加，油气井钻探深度不断增加，深井超深井的数目随之增多。钻井过程中地质条件变得更为复杂，高温、高压、高盐地层环境使得钻井液的失水、流变性能等控制变得困难。在钻井过程中对钻井液的要求也越来越严格，钻井液性能的好坏直接影响到能否安全、迅速和经济地钻井，一种好的钻井液体系应具有良好的降滤失性能以及成膜性。
降滤失剂是钻井液处理剂的重要剂种，根据其来源主要分为纤维素类、腐植酸类、丙烯酸类、淀粉类和树脂类等。在市场上，抗盐降滤失剂大多以有机聚合物为主，加入一些无机化合物、辅助聚合物等。虽然目前也有一些抗高温降滤失剂品种，但是或者存在成本过高、制备复杂的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种环保型阳离子降滤失组合物及降滤失剂，以解决现有技术中抗高温降滤失剂成本高的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种环保型阳离子降滤失组合物，以重量份计，组合物包括：9～12份的烯基酰胺、3～4份的苯酚类化合物、1.0～1.5份的烯基磺酸盐、0.5～1.5份的废旧腈纶水解铵盐以及1.2～3.5份的链转移剂。
进一步地，上述组合物中，烯基酰胺的重量份为9.5～10.5，废旧腈纶水解铵盐的重量份为0.7～1.2。
进一步地，上述烯基酰胺选自丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-乙烯基乙酰胺、N-乙烯基甲基乙酰胺、N-乙烯基乙基乙酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺中的一种或多种。
进一步地，上述苯酚类化合物具有结构通式(I)
Figure BDA0002149455220000021
其中，R1、R2和R3各自独立地选自-H、-CONH2、-SO3K、-SO3Na、-COOH和-CN中的任意一种。
进一步地，上述烯基磺酸盐选自烯丙基磺酸盐、苯乙烯磺酸盐、2-丙烯酰胺基烷基磺酸盐中的任意一种。
进一步地，上述废旧腈纶水解铵盐在95℃下测量的粘度为15～19/m Pa·s。
进一步地，上述组合物还包括引发剂，优选引发剂的重量份为0.04～0.1，优选引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
进一步地，上述链转移剂选自叔十二烷基硫醇、正十二烷基硫醇、异丙醇、异丁醇、巯基乙醇、巯基乙酸、戊烯、3-巯基丙酸异辛酯中的任意一种或多种。
根据本发明的另一方面，提供了一种环保型阳离子降滤失剂，采用降滤失组合物制备而成，该降滤失组合物为上述任一种的组合物。
进一步地，上述降滤失剂的制备方法包括：将烯基酰胺、苯酚类化合物、烯基磺酸盐和腈纶水解铵盐溶解在水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在5～6.5之间，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至50～90℃后在搅拌条件下加入引发剂和链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
应用本发明的技术方案，烯基酰胺是形成降滤失剂的主链结构起到骨架作用的基础单体；苯酚类化合物使主链增加了苯环结构，利用苯环结构的刚性减弱了分子因高温的运动而引起的高温解吸附作用，而且苯环结构可有效阻碍金属阳离子的侵入，从而在高盐高钙环境中保护粘土颗粒，提高了其抗盐侵入、钙侵的能力；磺酸盐使用在降滤失剂的侧链中引入亲水性能最强的磺酸基，使得降滤失剂在高温下分子仍具有很强的水化能力和抗盐性。废旧腈纶水解铵盐的碳链可以和其它组分进行聚合，而且可以作为阳离子单体，使得降滤失剂的吸附性基团由阴离子型的烯胺基变为阳离子型季胺基团，进而形成更稳定的静电吸附，同时由于废旧腈纶水解铵盐中具有酰胺基、羧基和环亚胺等基团，增强了降滤失剂的抗温和抗盐能力。因此，采用上述各组分形成的混合物制备的降滤失剂具有抗高温和抗盐能力，同时，由于废旧腈纶水解铵盐中的废旧腈纶为废料，其可来源于旧衣物、纺织物边角料等，其成本较低，因此可以降低降滤失剂的成本。进一步地，通过上述链转移剂的添加，控制聚合形成的降滤失剂的链段长度，进而控制降滤失剂的粘度和成膜性能。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
如本申请背景技术所分析的，现有技术的抗高温降滤失剂成本过高，为了解决该问题，本申请提供了一种环保型阳离子降滤失组合物及降滤失剂。
在本申请一种典型的实施方式中，提供了一种环保型阳离子降滤失组合物，以重量份计，该组合物包括：9～12份的烯基酰胺、3～4份的苯酚类化合物、1.0～1.5份的烯基磺酸盐、0.5～1.5份的腈纶水解铵盐以及1.2～3.5份的链转移剂。
上述组合物中，烯基酰胺是形成降滤失剂的主链结构起到骨架作用的基础单体；苯酚类化合物使主链增加了苯环结构，利用苯环结构的刚性减弱了分子因高温的运动而引起的高温解吸附作用，而且苯环结构可有效阻碍金属阳离子的侵入，从而在高盐高钙环境中保护粘土颗粒，提高了其抗盐侵入、钙侵的能力；磺酸盐使用在降滤失剂的侧链中引入亲水性能最强的磺酸基，使得降滤失剂在高温下分子仍具有很强的水化能力和抗盐性。废旧腈纶水解铵盐的碳链可以和其它组分进行聚合，而且可以作为阳离子单体，使得降滤失剂的吸附性基团由阴离子型的烯胺基变为阳离子型季胺基团，进而形成更稳定的静电吸附，同时由于废旧腈纶水解铵盐中具有酰胺基、羧基和环亚胺等基团，增强了降滤失剂的抗温和抗盐能力。因此，采用上述各组分形成的混合物制备的降滤失剂具有抗高温和抗盐能力，同时，由于废旧腈纶水解铵盐中的废旧腈纶为废料，其可来源于旧衣物、纺织物边角料等，其成本较低，因此可以降低降滤失剂的成本。进一步地，通过上述链转移剂的添加，控制聚合形成的降滤失剂的链段长度，进而控制降滤失剂的粘度和成膜性能。
在本申请一种优选的实施例中，上述组合物中，烯基酰胺的重量份为9.5～10.5，废旧腈纶水解铵盐的重量份为0.7～1.2。在所形成的降滤失剂的主链结构稳定的前提下，将废旧腈纶水解铵盐的重量适当提高，可以进一步发挥铵盐的抗温和抗盐能力。
用于本申请的烯基酰胺可以有多种，为了进一步降低成本和制作难度，优选上述烯基酰胺选自丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-乙烯基乙酰胺、N-乙烯基甲基乙酰胺、N-乙烯基乙基乙酰胺和N,N-亚甲基双丙烯酰胺中的一种或多种。
本申请的苯酚类化合物主要是用于提供苯环，为了提高其聚合活性，优选上述苯酚类化合物具有结构通式(I)
Figure BDA0002149455220000041
其中，R1、R2和R3各自独立地选自-H、-CONH2、-SO3K、-SO3Na、-COOH和-CN中的任意一种。
用于本申请的烯基磺酸盐可以选用现有技术中已有的烯基磺酸盐材料，为了更便于废旧腈纶水解铵盐的性能发挥，优选一些结构相对简单的烯基磺酸盐，即烯基磺酸盐选自烯丙基磺酸盐、苯乙烯磺酸盐、2-丙烯酰胺基烷基磺酸盐中的任意一种。上述2-丙烯酰胺基烷基磺酸盐中的烷基可以选自短链烷基，比如碳个数为3～8的烷基。上述烯基磺酸盐可以选用常用的钠盐或钾盐。
为了废旧腈纶水解铵盐在95℃下测量的粘度为15～19/m Pa·s。通过对废旧腈纶水解铵盐粘度的控制，使得其链段较短进而更容易与其它成本进行聚合形成链段相对较短的降滤失剂。
为了提高聚合效率，优选上述组合物还包括引发剂，优选引发剂的重量份为0.04～0.1，优选引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
另外，为了提高链转移效率，优选上述链转移剂选自叔十二烷基硫醇、正十二烷基硫醇、异丙醇、异丁醇、巯基乙醇、巯基乙酸、戊烯、3-巯基丙酸异辛酯中的任意一种或多种。
在本申请另一种典型的实施方式中，提供了一种环保型阳离子降滤失剂，采用降滤失组合物制备而成，该降滤失组合物为上述任一种的组合物。基于本申请的组合物性能，使得本申请的降滤失剂具有抗高温和抗盐能力，且成本较低。
利用上述组合物制备降滤失剂的方法可以参考现有技术，或者根据物质反应原理来拟定。在一种优选的实施例中，上述降滤失剂的制备方法包括：将烯基酰胺、苯酚类化合物、烯基磺酸盐和腈纶水解铵盐溶解在水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在5～6.5之间，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至50～90℃后在搅拌条件下加入引发剂和链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
以下将结合实施例和对比例，进一步说明本申请的有益效果。
实施例1
将100g丙烯酰胺、35g苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的10g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
实施例2
将120g丙烯酰胺、30g苯酚、15g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的15g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和35g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
实施例3
将90g丙烯酰胺、40g苯酚、12g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的5g腈纶水解铵盐溶解在150g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和12g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
实施例4
将95g丙烯酰胺、35g苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的12g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
实施例5
将105g丙烯酰胺、35g苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的7g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
实施例6
将95g N,N-二乙基丙烯酰胺、35g苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的12g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
实施例7
将100g丙烯酰胺、35g苯酚、15g苯乙烯磺酸钠和粘度为17.6的10g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
实施例8
将100g丙烯酰胺、35g苯酚、15g 2-丙烯酰胺基辛基磺钠和粘度为17.6的10g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
实施例9
将100g丙烯酰胺、35g 4-羧基苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的10g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
实施例10
将100g N-乙烯基甲基乙酰胺、35g苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的10g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
对比例1
将100g丙烯酰胺、35g苯酚、10g烯丙基磺酸钠溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
对比例2
将100g丙烯酰胺、35g苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的20g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
对比例3
将100g丙烯酰胺、35g苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的2g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
对比例4
将100g丙烯酰胺、50g苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的10g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
对比例5
将80g丙烯酰胺、35g苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的10g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
对比例6
将150g丙烯酰胺、35g苯酚、10g烯丙基磺酸钠和粘度为17.6的10g腈纶水解铵盐溶解在200g水中，形成混合体系；调节混合体系的pH值在6左右，形成缓冲体系；将缓冲体系升温至80℃后在搅拌条件下加入0.8g过硫酸铵和15g链转移剂进行反应，得到降滤失剂。
对上述各实施例和对比例得到的降滤失剂的性能进行检测，检测方法如下：
1)淡水浆的检测
在两个高速搅拌器的样品杯中加入350mL蒸馏水、1.0g碳酸氢钠、0.28g碳酸钠、8.0g钻井液试验配浆用膨润土、24.5g钻井液试验用评价土，在高速搅拌器上搅拌20min，220℃下滚动养护16h，按照上述方法共形成17份基浆。在16份基浆与实施例1至10、对比例1至6一一对应，分别加入所形成的1.75g降滤失剂，另一份基浆作为空白样，在高速搅拌器上搅拌20min后，在220℃滚动养护16h。然后再高速搅拌5min，测定滤失量。按下式计算滤失量及滤失量降低率。计算结果见表1。
FL＝2×FL'
Figure BDA0002149455220000071
式中：
FL——滤失量，毫升(ml)；
FL′—7.5min～30min滤失量，单位为毫升(ml)；
f—滤失量降低率，百分数(％)；
FL1—基浆滤失量，单位为毫升(ml)；
FL2—加入试样后滤失量，单位为毫升(ml)。
2)盐水浆的检测
在两个高速搅拌器样品杯中加入4％盐水350mL，1.0g碳酸氢钠，1.12g碳酸钠，32.0g钻井液试验配浆用膨润土，24.5g钻井液试验用评价土，在高速搅拌器上搅拌20min，220℃下滚动养护16h，按照上述方法共形成17份基浆。在16份基浆与实施例1至10、对比例1至6一一对应，分别加入所形成的5.25g降滤失剂，另一份基浆作为空白样，再高速搅拌20min，220℃下滚动养护16h。再高速搅拌5min。按上式计算滤失量及滤失量降低率。计算结果见表1。
表1
Figure BDA0002149455220000081
根据表1中的数据可以看出，本申请的降滤失剂在高温(220℃)下的降滤失效果突出。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
烯基酰胺是形成降滤失剂的主链结构起到骨架作用的基础单体；苯酚类化合物使主链增加了苯环结构，利用苯环结构的刚性减弱了分子因高温的运动而引起的高温解吸附作用，而且苯环结构可有效阻碍金属阳离子的侵入，从而在高盐高钙环境中保护粘土颗粒，提高了其抗盐侵入、钙侵的能力；磺酸盐使用在降滤失剂的侧链中引入亲水性能最强的磺酸基，使得降滤失剂在高温下分子仍具有很强的水化能力和抗盐性。废旧腈纶水解铵盐的碳链可以和其它组分进行聚合，而且可以作为阳离子单体，使得降滤失剂的吸附性基团由阴离子型的烯胺基变为阳离子型季胺基团，进而形成更稳定的静电吸附，同时由于废旧腈纶水解铵盐中具有酰胺基、羧基和环亚胺等基团，增强了降滤失剂的抗温和抗盐能力。因此，采用上述各组分形成的混合物制备的降滤失剂具有抗高温和抗盐能力，同时，由于废旧腈纶水解铵盐中的废旧腈纶为废料，其可来源于旧衣物、纺织物边角料等，其成本较低，因此可以降低降滤失剂的成本。进一步地，通过上述链转移剂的添加，控制聚合形成的降滤失剂的链段长度，进而控制降滤失剂的粘度和成膜性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种环保型阳离子降滤失组合物，其特征在于，以重量份计，所述组合物包括：9~12份的烯基酰胺、3~4份的苯酚类化合物、1.0~1.5份的烯基磺酸盐、0.5~1.5份的废旧腈纶水解铵盐以及1.2~3.5份的链转移剂，
所述烯基酰胺选自丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二乙基丙烯酰胺、N-乙烯基乙酰胺、N-乙烯基甲基乙酰胺、N-乙烯基乙基乙酰胺中的一种或多种，
所述烯基磺酸盐选自烯丙基磺酸盐、2-丙烯酰胺基烷基磺酸盐中的任意一种，
所述废旧腈纶水解铵盐在95℃下测量的粘度为15~19/m Pa·s，
所述链转移剂选自叔十二烷基硫醇、正十二烷基硫醇、异丙醇、异丁醇、巯基乙醇、巯基乙酸、戊烯、3-巯基丙酸异辛酯中的任意一种或多种，
所述组合物还包括0.04~0.1份的引发剂。
2.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述组合物中，所述烯基酰胺的重量份为9.5~10.5，所述废旧腈纶水解铵盐的重量份为0.7~1.2。
3.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述苯酚类化合物具有结构通式（I）
Figure DEST_PATH_IMAGE002
通式（I）
其中，R1、R2和R3各自独立地选自-H、-CONH2、-SO3K、-SO3Na、-COOH和-CN中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的组合物，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵或过硫酸钾。
5.一种环保型阳离子降滤失剂，采用降滤失组合物制备而成，其特征在于，所述降滤失组合物为权利要求1至4中任一项所述的组合物。
6.根据权利要求5所述的降滤失剂，其特征在于，所述降滤失剂的制备方法包括：
将烯基酰胺、苯酚类化合物、烯基磺酸盐和废旧腈纶水解铵盐溶解在水中，形成混合体系；
调节所述混合体系的pH值在5~6.5之间，形成缓冲体系；
将所述缓冲体系升温至50~90℃后在搅拌条件下加入引发剂和链转移剂进行反应，得到所述降滤失剂。
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