CN115677900A - 一种高温高密度饱和盐水钻井液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗高温抗盐降滤失剂的制备和一种高温高密度饱和水基钻井液及其制备方法，所述抗高温抗盐降滤失剂由由2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N‑乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵在引发剂引发下聚合共聚而成。本发明还提供了含有本发明所述的抗高温抗盐滤失剂的高温高密度饱和盐水钻井液，并通过改变钻井液体系的粒径级配关系，使该饱和盐水钻井液在高温(220℃)、高密度(2.4g/cm3)下，表现出了良好的流变性和失水造壁性，能够满足深井钻探要求。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气技术领域，尤其涉及一种高温高密度饱和盐水钻井液及其制备方法。
背景技术
当前，在浅层油气资源过度开发的背景下，油气勘探开发面临着油气目标复杂、安全环保严格、油气需求锐增的三重压力，我国已将钻探目标从浅层向深层、超深层发展，从浅滩向深水发展，深层、超深层油气勘探开发将会成为我国保障能源安全极为重要的战略布局拓展方向。我国深部储层普遍深度超过5000m，井底温度180～260℃，且大多地区存在大段盐膏层。目前，大庆、南海、四川、塔里木、大港等油田都在实施超深井钻井。因此，性能优异的抗高温高密度饱和盐水钻井液体系是深部盐膏地层钻探成功的关键因素。
而大量钻井实践表明，高密度饱和盐水钻井液体系在高温下普遍存在流变性能调控难、高温高压滤失量大、固相加重材料沉降等难题。在钻井现场，高密度饱和盐水钻井液容易出现“加重增稠—处理降黏—加重材料沉降(引发井下复杂，同时使钻井液密度降低)—再次加重”的恶性循环，钻井液的流变性能和高温沉降稳定性能难以兼顾。此外，处理剂高温降解失效是导致钻井液的高温高压滤失量增大和流变性能变化的主要原因之一。因此，随着我国油气资源勘探向深部地层挺进，研发出性能优良、高温稳定性突出的高温高密度饱和盐水钻井液体系对深部超高温、高密度、盐膏层、高压盐水层等地层安全、高效钻进有着极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗高温抗盐降滤失剂及其制备方法和一种兼具抗温能力强、高密度下流变性能好、且抗盐污染能力强等特点的高温高密度饱和盐水钻井液。
实现上述目的，本发明技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种抗高温抗盐降滤失剂，所述抗高温降滤失剂由一种单体组合物共聚而成，所述单体组合物含有2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵。
在所述单体组合物中，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的摩尔比为1:(0.5～5):(1～4):(1～4)。
在优选情况下，为了进一步提高抗高温降滤失剂的热稳定性能和抗盐性能，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的摩尔比为1:(2～3.5):(1.5～3):(1.5～3)。
所述抗高温抗盐降滤失剂分子结构基本组成：①通过引入具有优良抗温能力和抗盐钙能力的阴离子聚合反应单体2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸和对苯乙烯磺酸钠，以增强聚合物的抗温耐盐性；②引入非离子N-乙烯基吡咯烷酮单体，该单体侧链上常带有内酰胺基强吸附性基团，并且有一定的极性，易于为粘土粒子所吸附，形成一定的溶剂化膜，从而获得稳定的胶体，保持钻井液的综合性能；③引入具有阳离子基团的二甲基二烯丙基氯化铵，不仅提高了聚合物分子链的刚性，还增强了聚合物在黏土颗粒上的吸附能力，改善钻井液的降滤失性能。
第二方面，本发明提供了所述抗高温降滤失剂的制备方法，该方法包括：在作为溶剂的水和引发剂的存在下，将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵进行聚合反应。
本发明所述的方法中，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的用量摩尔比可以为1:(0.5～5):(1～4):(1～4)，优选为1:(2～4):(1.5～3):(1.5～3)。
本发明所述的方法中，优选引发剂为亚硫酸氢钠、过硫酸铵的混合物，二者摩尔比为1:1，发剂用量为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的总重量的0.1～1％，优选为0.6％。
在本发明所述的方法中，所述聚合反应的条件可以包括：pH为6.0-8.0，温度为40-60℃，时间为4-8h。为了进一步提高抗高温降滤失剂的热稳定性能和抗盐性能，优选，所述聚合反应的条件包括：pH为7，温度为55℃，时间为6h。
在本发明中，N-乙烯基吡咯烷酮、二甲基二烯丙基氯化铵、对苯乙烯磺酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸可购自成都化夏化学试剂有限公司；
亚硫酸氢钠和过硫酸铵可购自成都化夏化学试剂有限公司。
所述抗高温抗盐降滤失剂的制备步骤如下：
S1、将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于去离子水中，用氢氧化钠溶液调节pH为7；
S2、按照2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的用量摩尔比为1:(2～3.5):(1.5～3):(1.5～3)的比例，依次加入对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮、二甲基二烯丙基氯化铵，搅拌20-40min；
S3、在氮气保护下，将单体反应液升温至55℃并反应20-40min，然后加入亚硫酸氢钠、过硫酸铵的混合物，反应6h，得到胶液状产物；
S4、将步骤S3所得产物用无水乙醇与丙酮反复提纯，在100℃下用烘箱烘干12h，粉碎，即得到钻井液用抗高温降滤失剂。
第三方面，本发明提供了一种高温高密度饱和盐水钻井液，包括以重量份计的100份清水、3～5份膨润土、0.1～0.2份碳酸钠、0.5～1.5份本发明所述的抗高温抗盐降滤失剂、3～5降滤失剂、3～5降粘剂、1～2份纳米封堵剂、0.5～1份高温保护剂、0.5～0.8份氢氧化钠、30份氯化钠、以及与加重至所需密度相适应的重晶石；其中，
优选，所述抗高温抗盐降滤失剂由上述制备步骤制成。
优选，所述降滤失剂为偶联酚醛树脂，购自四川正蓉实业有限公司，牌号为ZR-13。
优选，所述降粘剂为磺化褐煤，购自成都川锋化学工程有限责任公司，牌号为SMC。
优选，所述纳米封堵剂为石墨烯，购自四川西南石大金牛石油科技有限公司，牌号为SMXFT。
优选，所述高温保护剂为聚丙烯酸钠，购自成都化夏化学试剂有限公司，牌号为聚丙烯酸钠。
优选，所述重晶石为API重晶石与超微重晶石混合物，复配重量比例为API重晶石：超微重晶石＝8：2；API重晶石购自四川海沃石油工程技术有限公司，牌号为API重晶石；超微重晶石购自毫微粉体工业有限公司织金矿产品加工厂，牌号为SE10E。
优选，所述膨润土购自新疆中非夏子街膨润土有限公司。
所述碳酸钠、氢氧化钠和氯化钠购自成都市科龙化工试剂厂。
一种上述抗高温高密度饱和盐水钻井液的制备方法，制备步骤如下：
S1、在12000r/min的转速下，向清水中边搅拌边加入膨润土和碳酸钠，搅拌30min，而后在25℃下养护24h；
S2、向其中加入抗高温降滤失剂，在12000r/min的转速下搅拌40min；
S3、依次向其中加入降滤失剂、降粘剂、纳米封堵剂、高温保护剂、氢氧化钠、氯化钠，在12000r/min的转速下搅拌60min；
S4、最后按照重量比例API重晶石：超微重晶石为8：2的比例进行加重，调整钻井液密度至2.4g/cm3，在12000r/min的转速下搅拌60min，制得抗高温高密度饱和盐水钻井液。
有益效果：
与现有技术相比，该抗高温高密度饱和盐水钻井液的有益效果在于：
(1)利用大幅度提高高温条件下降滤失剂在钻井液中黏土表面吸附量的原理，进行降滤失剂分子设计，研制出抗温220℃、抗盐(饱和)的新型降滤失剂；
(2)基于处理剂之间的高温下“适度交联”作用，抵消或部分抵消处理剂的高温降解，以解决温度升高处理剂用量必然大幅度增加的难题，改善高温下钻井液的性能，并减少处理剂的消耗量和加量；
(3)通过引入超微重晶石，调整重晶石的粒径级配，使得钻井液体系具备较宽的粒径分布范围，既有利于使得加重颗粒形成多级有效充填，实现颗粒紧密堆积而改善滤饼质量，也有利于发挥较小颗粒的“轴承减阻”而改善流变性，最终实现高密度钻井液综合性能的有效改善；
(4)成功建立了新型抗高温220℃高密度饱和盐水钻井液体系，该体系具有抗温能力强，黏度不高且易控制，高温高压失水低等特点，能够满足深井、超深井钻探要求，为促进我国深井高温高密度水基钻井液技术发展提供借鉴和依据，且具有良好的推广应用前景。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
制备例1：
S1、将10g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于150g去离子水中，用氢氧化钠溶液调节pH为7；
S2、按照2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的用量摩尔比为1:3:2:2的比例，依次加入对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮、二甲基二烯丙基氯化铵，搅拌30min；
S3、在氮气保护下，将单体反应液升温至55℃并反应30min，然后加入亚硫酸氢钠、过硫酸铵的混合物0.3g，反应6h，得到胶液状产物；
S4、将步骤S3所得产物用无水乙醇与丙酮反复提纯，在100℃下用烘箱烘干12h，粉碎，即得到钻井液用抗高温抗盐降滤失剂A1。
制备例2：
S1、将5g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于150g去离子水中，用氢氧化钠溶液调节pH为6；
S2、按照2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的用量摩尔比为1:2:1.5:1.5的比例，依次加入对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮、二甲基二烯丙基氯化铵，搅拌20min；
S3、在氮气保护下，将单体反应液升温至40℃并反应20min，然后加入亚硫酸氢钠、过硫酸铵的混合物0.15g，反应4h，得到胶液状产物；
S4、将步骤S3所得产物用无水乙醇与丙酮反复提纯，在100℃下用烘箱烘干12h，粉碎，即得到钻井液用抗高温抗盐降滤失剂A2。
制备例3：
S1、将15g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于150g去离子水中，用氢氧化钠溶液调节pH为8；
S2、按照2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的用量摩尔比为1:4:3:3的比例，依次加入对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮、二甲基二烯丙基氯化铵，搅拌40min；
S3、在氮气保护下，将单体反应液升温至60℃并反应40min，然后加入亚硫酸氢钠、过硫酸铵的混合物0.8g，反应8h，得到胶液状产物；
S4、将步骤S3所得产物用无水乙醇与丙酮反复提纯，在100℃下用烘箱烘干12h，粉碎，即得到钻井液用抗高温抗盐降滤失剂A3。
对比制备例1：
按照制备例1的方法制备抗高温抗盐降滤失剂，不同的是，不加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，制得抗高温抗盐降滤失剂DA1。
对比制备例2
按照制备例1的方法制备抗高温抗盐降滤失剂，不同的是，不加入对苯乙烯磺酸钠，制得抗高温抗盐降滤失剂DA2。
对比制备例3
按照制备例1的方法制备抗高温抗盐降滤失剂，不同的是，不加入N-乙烯基吡咯烷酮，制得抗高温抗盐降滤失剂DA3。
对比制备例4
按照制备例1的方法制备抗高温抗盐降滤失剂，不同的是，不加入二甲基二烯丙基氯化铵，制得抗高温抗盐降滤失剂DA4。
实施例1：
一种抗高温高密度饱和盐水钻井液F1的制备方法，制备步骤如下：
S1、在12000r/min的转速下，向100重量份清水中边搅拌边加入4重量份膨润土和0.15重量份碳酸钠，搅拌30min，而后在25℃下养护24h；
S2、向其中加入1重量份抗高温抗盐降滤失剂A1，在12000r/min的转速下搅拌40min；
S3、依次向其中加入4重量份降滤失剂、4重量份降粘剂、1.5重量份纳米封堵剂、0.8重量份高温保护剂、0.6重量份氢氧化钠、30重量份氯化钠，在12000r/min的转速下搅拌60min；
S4、最后按照重量比例API重晶石：超微重晶石为8：2的比例进行加重，调整钻井液密度至2.4g/cm3，在12000r/min的转速下搅拌60min，制得抗高温高密度饱和盐水钻井液F2。
实施例2
一种抗高温高密度饱和盐水钻井液F2的制备方法，制备步骤如下：
S1、在12000r/min的转速下，向100重量份清水中边搅拌边加入3重量份膨润土和0.1重量份碳酸钠，搅拌30min，而后在25℃下养护24h；
S2、向其中加入0.5重量份抗高温抗盐降滤失剂A2，在12000r/min的转速下搅拌40min；
S3、依次向其中加入3重量份降滤失剂、3重量份降粘剂、1重量份纳米封堵剂、0.5重量份高温保护剂、0.5重量份氢氧化钠、30重量份氯化钠，在12000r/min的转速下搅拌60min；
S4、最后按照重量比例API重晶石：超微重晶石为8：2的比例进行加重，调整钻井液密度至2.4g/cm3，在12000r/min的转速下搅拌60min，制得抗高温高密度饱和盐水钻井液F2。
实施例3
一种抗高温高密度饱和盐水钻井液F3的制备方法，制备步骤如下：
S1、在12000r/min的转速下，向100重量份清水中边搅拌边加入5重量份膨润土和0.2重量份碳酸钠，搅拌30min，而后在25℃下养护24h；
S2、向其中加入1.5重量份抗高温抗盐降滤失剂A3，在12000r/min的转速下搅拌40min；
S3、依次向其中加入5重量份降滤失剂、5重量份降粘剂、2重量份纳米封堵剂、1重量份高温保护剂、0.8重量份氢氧化钠、30重量份氯化钠，在12000r/min的转速下搅拌60min；
S4、最后按照重量比例API重晶石：超微重晶石为8：2的比例进行加重，调整钻井液密度至2.4g/cm3，在12000r/min的转速下搅拌60min，制得抗高温高密度饱和盐水钻井液F3。
对比例1
按照实施例1的方法，不同的是抗高温高密度饱和盐水钻井液中不加入抗高温抗盐降滤失剂A1，即按照以下配方配置水基钻井液DFl：100重量份清水、4重量份膨润土、0.15重量份碳酸钠、4重量份降滤失剂、4重量份降粘剂、1.5重量份纳米封堵剂、0.8重量份高温保护剂、0.6重量份氢氧化钠、30重量份氯化钠、以及与加重至所需密度相适应的重晶石。
对比例2
按照实施例1的方法制备抗高温高密度饱和盐水钻井液，不同的是，所用的抗高温抗盐降滤失剂为DA1，制得水基钻井液DF2。
对比例3
按照实施例1的方法制备抗高温高密度饱和盐水钻井液，不同的是，所用的抗高温抗盐降滤失剂为DA2，制得水基钻井液DF3。
对比例4
按照实施例1的方法制备抗高温高密度饱和盐水钻井液，不同的是，所用的抗高温抗盐降滤失剂为DA3，制得水基钻井液DF4。
对比例5
按照实施例1的方法制备抗高温高密度饱和盐水钻井液，不同的是，所用的抗高温抗盐降滤失剂为DA4，制得水基钻井液DF5。
对比例6
按照实施例1的方法制备抗高温高密度饱和盐水钻井液，不同的是，所用的重晶石为API重晶石，制得水基钻井液DF6。
对比例7
按照实施例1的方法制备抗高温高密度饱和盐水钻井液，不同的是，所用的重晶石为超微重晶石，制得水基钻井液DF7。
测试例1
参照GB/T16783.1-2014《石油天然气工业钻井液现场测试第一部分：水基钻井液》，对实施例1～3以及对比例1～7制备的抗高温高密度饱和盐水钻井液进行评价。
表1抗高温高密度饱和盐水钻井液性能测试结果
从表1的测试结果中可以看出，实施例1～3制备的抗高温高密度饱和盐水钻井液具有良好的流变性和失水造壁性，在220℃老化后，流变性能变化较小，高温高压滤失量也控制在15mL以下；而对比例1的钻井液的配方中未添加上述抗高温抗盐降滤失剂，导致钻井液体系的抗温、抗盐能力降低，因此对比例1配制的钻井液体系经过220℃老化后流变性能明显变差，高温高压滤失量增大；对比例2～5的钻井液的配方中所添加的抗高温抗盐降滤失剂未按照实验设计制备，导致钻井液综合性能相较于实施例1～3有所降低；对比例6～7的钻井液的配方中添加的加重剂分别为API重晶石和超微重晶石，钻井液的黏度升高，滤失量增大，其中采用超微重晶石加重的钻井液体系含有大量的微小颗粒，导致流变性和失水造壁性失控。
Claims (7)
1.一种抗高温抗盐降滤失剂，其特征在于，由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵在引发剂引发下聚合共聚而成，其中2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的摩尔比为1:(2～3.5):(1.5～3):(1.5～3)。
2.权利要求1所述的抗高温降滤失剂的制备方法，其特征在于，该方法包括：在作为溶剂的水和引发剂的存在下，将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵进行聚合反应。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，优选引发剂为亚硫酸氢钠、过硫酸铵的混合物，二者摩尔比为1:1，发剂用量为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的总重量的0.1～1％，优选为0.6％。
4.根据权利要求1～3所述的方法，其特征在于，所述抗高温抗盐降滤失剂的制备步骤如下：
S1、将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于去离子水中，用氢氧化钠溶液调节pH为6.0～8.0；
S2、按照2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮和二甲基二烯丙基氯化铵的用量摩尔比为1:(2～3.5):(1.5～3):(1.5～3)的比例，依次加入对苯乙烯磺酸钠、N-乙烯基吡咯烷酮、二甲基二烯丙基氯化铵，搅拌20-40min；
S3、在氮气保护下，将单体反应液升温至40～60℃并反应20～40min，然后加入亚硫酸氢钠、过硫酸铵的混合物，反应4～6h，得到胶液状产物；
S4、将步骤S3所得产物用无水乙醇与丙酮反复提纯，在100℃下用烘箱烘干12h，粉碎，即得到钻井液用抗高温降滤失剂。
5.一种抗高温高密度饱和盐水钻井液，其特征在于，包括以重量份计的100份清水、3～5份膨润土、0.1～0.2份碳酸钠、0.5～1.5份权利要求1所述的抗高温抗盐降滤失剂、3～5降滤失剂、3～5降粘剂、1～2份纳米封堵剂、0.5～1份高温保护剂、0.5～0.8份氢氧化钠、30份氯化钠、以及与加重至所需密度相适应的重晶石。
6.根据权利要求5所述的水基钻井液，其特征在于，优选所述降滤失剂为降滤失剂为偶联酚醛树脂，优选所述降粘剂为磺化褐煤；优选所述纳米封堵剂为石墨烯；优选所述高温保护剂为聚丙烯酸钠；优选所述重晶石为API重晶石与超微重晶石混合物，复配重量比例为API重晶石：超微重晶石＝8：2。
7.一种如权利要求5所述的抗高温抗盐饱和水基钻井液的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
S1、在12000r/min的转速下，向清水中边搅拌边加入膨润土和碳酸钠，搅拌30min，而后在25℃下养护24h；
S2、向其中加入抗高温抗盐降滤失剂，在12000r/min的转速下搅拌40min；
S3、依次向其中加入降滤失剂、降粘剂、纳米封堵剂、高温保护剂、氢氧化钠、氯化钠，在12000r/min的转速下搅拌60min；
S4、最后按照重量比例API重晶石：超微重晶石为8：2的比例进行加重，调整钻井液密度至2.4g/cm3，在12000r/min的转速下搅拌60min，制得抗高温高密度饱和盐水钻井液。
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