CN116218486B - 一种钻完井液用可降解携砂剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钻完井液用可降解携砂剂及其制备方法，携砂剂由以下质量百分比的物质组成：脂肪族聚酯类聚合物36‑60%，高分子共聚物36‑60%，改性纳米二氧化硅0.5‑3%，扩链剂0.1‑1%，抗水解剂0.5‑2%，抗氧剂0.5‑2%。本发明采用脂肪族聚酯类聚合物和高分子共聚物这两种可降解高分子材料，通过两者复配，优化携砂剂高温降解性能，改性纳米二氧化硅可以提高耐温性，扩链剂用于提高熔体强度，促进共混体系的稳定，抗水解剂可以提高聚合物对水解作用的稳定性。该携砂剂能有效分散于钻完井液中，通过在钻完井液内部建立网架结构，实现对井底岩屑清扫、悬浮、缠绕等功效，从而大大提高钻完井液的携岩清砂能力。
Description
技术领域
本发明属于石油与天然气开采技术领域，具体涉及一种钻完井液用可降解携砂剂及其制备方法。
背景技术
井眼净化是大位移定向井、水平井施工所面临的技术难题，由于受井斜角、环空返速、钻具转速、机械钻速、钻完井液性能等影响，导致井筒流体携岩能力不足，岩屑易于在井眼中堆积形成岩屑床，造成钻具摩阻扭矩增加，起下钻不顺利，电测、下套管困难，严重时引发卡钻事故，直接威胁井下安全。因此，如何有效地将井底岩屑携带出地面，保持井眼清洁，防止岩屑床的形成，是大斜度定向井、水平井能否顺利施工的关键。
针对大斜度定向井、水平井钻完井液携岩能力不足导致的井眼清洁问题，目前现场常用的工艺技术手段是采用稠浆段塞和/或重浆段塞的方式进行循环举砂，均取得一定的效果。但是，在上述技术的应用过程中同样存在着一定的弊端：采用稠浆举砂时，由于稠浆中含有高分子增粘聚合物，该高分子增粘聚合物可溶解在钻完井液，导致其与钻完井液混合以后，造成钻完井液黏切增大，特别对于高密度钻完井液影响尤为显著；同时，由于稠浆的黏度显著高于钻井液，使其在水平段近井壁处的流速降低，岩屑运移效率不高或者只能够使岩屑运移至一定距离并不能够携带出来。此外，采用重浆段塞进行举砂时，当遇到薄弱地层或地层压力低时，存在压漏地层的风险，导致复杂事故的发生。
国家知识产权局于2021年7月23日公开了公开号为CN113150752A，专利名称为穿越用高效携砂剂的发明专利，该专利由交联剂A、交联剂B、聚丙烯酰胺、NFA25及NAT20反应后得到凝胶体，由于凝胶体黏度高可有效降低颗粒的沉降速度，却无法有效实现对井底岩屑的清扫、缠绕等作用，同时与钻完井液混合以后，会导致钻完井液黏度显著上升，影响流体性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻完井液用可降解携砂剂及其制备方法，克服现有技术中存在的上述技术问题。
本发明的另一个目的在于提供一种钻完井液用可降解携砂剂的制备方法，通过纺丝得到丝状纤维。
为此，本发明提供的技术方案如下：一种钻完井液用可降解携砂剂，由以下质量百分比的物质组成：脂肪族聚酯类聚合物36-60%，高分子共聚物36-60%，改性纳米二氧化硅0.5-3%，扩链剂0.1-1%，抗水解剂0.5-2%，抗氧剂0.5-2%。
所述脂肪族聚酯类聚合物的相对分子量不小于2万，所述脂肪族聚酯类聚合物为聚乳酸、聚乙醇酸或聚丁二酸丁二醇酯。
所述高分子共聚物的相对分子量不小于2万，所述高分子共聚物为聚乳酸-聚丁二酸丁二醇酯共聚物、聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物或聚丙交酯乙交酯共聚物。
所述改性纳米二氧化硅为纳米二氧化硅经硅烷偶联剂改性后得到。
所述扩链剂为环氧类扩链剂ADR–4370F、六亚甲基二异氰酸酯或二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或几种。
所述抗水解剂为聚碳化二亚胺、季戊四醇二亚磷酸双十八酯或双[2,4-二叔丁基苯基]季戊四醇二亚磷酸酯。
所述抗氧剂为四（3,5-二叔丁基-4-羟基）苯丙酸季戊四醇酯或三（2,4-二叔丁基）亚磷酸苯酯。
所述硅烷偶联剂为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或4-氨基丁基三乙氧基硅烷中的一种或两种。
一种钻完井液用可降解携砂剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）将配方量的脂肪族聚酯类聚合物和高分子共聚物在60-120℃条件下真空干燥12-24h；
步骤2）将干燥后的脂肪族聚酯类聚合物、高分子共聚物和配方量的扩链剂、抗水解剂、抗氧剂加入高速共混机中进行共混，混合均匀后通过双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，制得可降解复合材料，共混温度范围160-200℃；
步骤3）将可降解复合材料在80-120℃条件下真空干燥12-24h，然后通过熔融纺丝一牵伸两步法制备纤维，即得钻完井液可降解携砂剂；其中，纺丝温度在180-240℃，牵伸温度在60-90℃之间，热定型温度在120-160℃之间，纺丝速度在800-1600r/min之间。
本发明的有益效果是：
本发明提供的这种钻完井液用可降解携砂剂，采用脂肪族聚酯类聚合物和高分子共聚物这两种可降解高分子材料，通过两者复配，优化携砂剂高温降解性能、降低成本，通过加入改性纳米二氧化硅可以提高耐温性，扩链剂用于提高熔体强度，促进共混体系的稳定，抗水解剂可以在加工过程中，提高聚合物对水解作用的稳定性，抗氧剂可以减少氧化作用对聚合物的影响。
本发明提供的这种钻完井液用可降解携砂剂能有效分散于钻完井液中，通过在钻完井液内部建立网架结构，实现对井底岩屑清扫、悬浮、缠绕等功效，从而大大提高钻完井液的携岩清砂能力。同时，该携砂剂具可降解性，经一定时间、温度作用后可实现无害化降解，滞留井底的携砂剂不会对井下工具造成影响；具不溶性，并且其降解后的产物对钻完井液性能影响较小；具环保性，其废弃物分解周期短且均为对人体、自然等无害物质。
下面将做进一步详细说明。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
现介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。
本发明提供了一种钻完井液用可降解携砂剂，由以下质量百分比的物质组成：脂肪族聚酯类聚合物36-60%，高分子共聚物36-60%，改性纳米二氧化硅0.5-3%，扩链剂0.1-1%，抗水解剂0.5-2%，抗氧剂0.5-2%。
所述脂肪族聚酯类聚合物的相对分子量不小于2万，所述脂肪族聚酯类聚合物为聚乳酸、聚乙醇酸或聚丁二酸丁二醇酯。
所述高分子共聚物的相对分子量不小于2万，所述高分子共聚物为聚乳酸-聚丁二酸丁二醇酯共聚物、聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物或聚丙交酯乙交酯共聚物。
所述改性纳米二氧化硅为纳米二氧化硅经硅烷偶联剂改性后得到。
所述扩链剂为环氧类扩链剂ADR–4370F、六亚甲基二异氰酸酯或二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或几种。
所述抗水解剂为聚碳化二亚胺、季戊四醇二亚磷酸双十八酯或双[2,4-二叔丁基苯基]季戊四醇二亚磷酸酯。
所述抗氧剂为四（3,5-二叔丁基-4-羟基）苯丙酸季戊四醇酯或三（2,4-二叔丁基）亚磷酸苯酯。
所述硅烷偶联剂为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或4-氨基丁基三乙氧基硅烷中的一种或两种。
实施例1：
本实施例提供了一种钻完井液用可降解携砂剂，由以下质量百分比的物质组成：脂肪族聚酯类聚合物60%，高分子共聚物36%，改性纳米二氧化硅1.5%，扩链剂1%，抗水解剂1%，抗氧剂0.5%。
在本实施例中，脂肪族聚酯类聚合物为聚乳酸；高分子共聚物为聚乳酸-聚丁二酸丁二醇酯共聚物；改性纳米二氧化硅经硅烷偶联剂甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷处理后得到；扩链剂为环氧类扩链剂ADR–4370F；抗水解剂为聚碳化二亚胺；抗氧剂为四（3,5-二叔丁基-4-羟基）苯丙酸季戊四醇酯。
其中，改性纳米二氧化硅的制备过程如下：
在pH为4~6的条件下，将硅烷偶联剂在乙醇溶液中充分水解，随后将纳米SiO2加入上述溶液中超声振荡处理，再经干燥、研磨，制得对应的改性纳米二氧化硅。
钻完井液用可降解携砂剂制备过程如下：
步骤1）将配方量的脂肪族聚酯类聚合物和高分子共聚物在60℃条件下真空干燥24h；
步骤2）将干燥后的脂肪族聚酯类聚合物、高分子共聚物和配方量的扩链剂、抗水解剂、抗氧剂加入高速共混机中进行共混，混合均匀后通过双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，制得可降解复合材料，共混温度范围160-180℃；
步骤3）将可降解复合材料在80℃条件下真空干燥24h，然后通过熔融纺丝一牵伸两步法制备纤维，即得钻完井液可降解携砂剂（Ⅰ型）；其中，纺丝温度为220℃，牵伸温度为85℃，热定型温度为120℃，纺丝速度为900r/min。
实施例2：
本实施例提供了一种钻完井液用可降解携砂剂，由以下质量百分比的物质组成：脂肪族聚酯类聚合物40%，高分子共聚物54%，改性纳米二氧化硅3%，扩链剂0.1%，抗水解剂1%，抗氧剂0.9%。
在本实施例中，脂肪族聚酯类聚合物为聚乙醇酸；高分子共聚物为聚丙交酯乙交酯共聚物；改性纳米二氧化硅经3-氨基丙基三乙氧基硅烷与4-氨基丁基三乙氧基硅烷处理后得到，两者质量比为1:1，改性方法同实施例1；扩链剂为环氧类扩链剂ADR–4370F；抗水解剂为季戊四醇二亚磷酸双十八酯；抗氧剂为四（3,5-二叔丁基-4-羟基）苯丙酸季戊四醇酯。
制备方法操作步骤为：
步骤1）将聚乙醇酸、聚丙交酯-乙交酯共聚物在100℃条件下真空干燥12h；
步骤2）将干燥好的聚乙醇酸与聚丙交酯-乙交酯共聚物，以及经3-氨基丙基三乙氧基硅烷与4-氨基丁基三乙氧基硅烷处理的改性纳米二氧化硅、环氧类扩链剂ADR–4370F、季戊四醇二亚磷酸双十八酯、四（3,5-二叔丁基-4-羟基）苯丙酸季戊四醇酯，按质量百分40：54：3：0.1：2：1：0.9加入高速共混机中进行共混，使各组分混合均匀，然后通过双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，制得可降解复合材料，共混温度范围170-190℃；
步骤3）将制备出的可降解复合材料在100℃条件下真空干燥12h，然后通过熔融纺丝一牵伸两步法制备纤维，即钻完井液可降解携砂剂（Ⅱ型），纺丝温度为230℃，牵伸温度为80℃，热定型温度为105℃，纺丝速度在1000r/min。
实施例3：
本实施例提供了一种钻完井液用可降解携砂剂，由以下质量百分比的物质组成：脂肪族聚酯类聚合物48%，高分子共聚物48%，改性纳米二氧化硅1%，扩链剂1%，抗水解剂1%，抗氧剂1%。
在本实施例中，脂肪族聚酯类聚合物为聚乳酸；高分子共聚物为聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物；改性纳米二氧化硅经硅烷偶联剂4-氨基丁基三乙氧基硅烷处理后得到，改性方法同实施例1；扩链剂为环氧类扩链剂ADR–4370F和六亚甲基二异氰酸酯的混合物，两者均为0.5%；抗水解剂为双[2,4-二叔丁基苯基]季戊四醇二亚磷酸酯；抗氧剂为三（2,4-二叔丁基）亚磷酸苯酯。
制备方法操作步骤为：
步骤1）将聚乳酸、聚乳酸-聚乙二醇共聚物在100℃条件下真空干燥12h；
步骤2）将干燥好的聚乳酸与聚乳酸-聚乙二醇共聚物，以及经4-氨基丁基三乙氧基硅烷处理的改性纳米二氧化硅、ADR–4370F、六亚甲基二异氰酸酯、双[2,4-二叔丁基苯基]季戊四醇二亚磷酸酯、三（2,4-二叔丁基）亚磷酸苯酯，按质量百分比48：48：1：0.5：0.5：1：1加入高速共混机中进行共混，使各组分混合均匀，然后通过双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，制得可降解复合材料，共混温度范围175-195℃；
步骤3）将制备出的可降解复合材料在100℃条件下真空干燥12h，然后通过熔融纺丝一牵伸两步法制备纤维，即钻完井液可降解携砂剂（Ⅲ型），纺丝温度为220℃，牵伸温度为75℃，热定型温度为110℃，纺丝速度在800r/min。
实施例4：
本实施例提供了一种钻完井液用可降解携砂剂，由以下质量百分比的物质组成：脂肪族聚酯类聚合物36%，高分子共聚物60%，改性纳米二氧化硅0.5%，扩链剂1%，抗水解剂0.5%，抗氧剂2%。
在本实施例中，脂肪族聚酯类聚合物为聚丁二酸丁二醇酯；高分子共聚物为聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物；改性纳米二氧化硅经硅烷偶联剂3-氨基丙基三乙氧基硅烷处理后得到，改性方法同实施例1；扩链剂为二苯基甲烷二异氰酸酯；抗水解剂为季戊四醇二亚磷酸双十八酯；抗氧剂为三（2,4-二叔丁基）亚磷酸苯酯。
制备方法操作步骤为：
步骤1）聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸-聚乙二醇共聚物在80℃条件下真空干燥18h；
步骤2）将干燥好的聚丁二酸丁二醇酯与聚乳酸-聚乙二醇共聚物，以及经3-氨基丙基三乙氧基硅烷处理的改性纳米二氧化硅、二苯基甲烷二异氰酸酯、季戊四醇二亚磷酸双十八酯、三（2,4-二叔丁基）亚磷酸苯酯，按质量百分比36：60：0.5：1：0.5：2加入高速共混机中进行共混，使各组分混合均匀，然后通过双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，制得可降解复合材料，共混温度范围170-190℃；
步骤3）将制备出的可降解复合材料在80℃条件下真空干燥18h，然后通过熔融纺丝一牵伸两步法制备纤维，即钻完井液可降解携砂剂（Ⅳ型），纺丝温度为210℃，牵伸温度为90℃，热定型温度为115℃，纺丝速度为1100r/min。
性能测试：
对实施例1-4制备的钻完井液用可降解携砂剂（3mm）进行产品性能评价，同时采用纤维携砂剂聚丙烯纤维（3mm）与高分子聚合物携砂剂羟乙基纤维素作为参照对比。
1、携砂性：
配制聚合物溶液，配方为清水+0.15%黄原胶。随后，分别取500mL聚合物溶液，按0.2%质量百分比添加实施例1-4中制备的钻完井液用可降解携砂剂，其中未添加任何示例钻完井液用可降解携砂剂的聚合物溶液作为空白样，添加质量百分比0.2%聚丙烯纤维的聚合物溶液作为对比例1。将上述配置溶液置于500mL量筒中，测定相同岩屑颗粒从溶液表面直至沉入量筒底部所需时间，获取各自的沉降速度以及相对于空白样不同溶液的沉降速度降低率。结果见表1。
表1 携砂性能测定
从表1中可以看出，添加本发明示例1-4制备的钻完井液用可降解携砂剂均能有效提高溶液的携砂性能，其中，实施例2、3效果较为显著。与纤维类对比样1相比，实施例2、3沉降速度降低率与其相当。
2、高温降解性：
分别称取30g实施例1-4中制备的钻完井液用可降解携砂剂、聚丙烯纤维携砂剂置于300mL清水中，于120℃分别老化3h、6h后，采用20目筛网过筛，将筛网中剩余的钻完井液用可降解携砂剂放置烘箱中，于100℃烘干以后，称取剩余烘干样品重量，计算其高温降解率。其中，聚丙烯纤维携砂剂作为对比例2。结果见表2。
表2 高温降解性能
从表2中可以看出，由本发明示例1-4制备的钻完井液用可降解携砂剂，在高温条件均可发生降解，处理时间越长，其降解率越高；而对比例2很难降解。在实际应用中，可根据需要，选择具备不同降解率的钻完井液用可降解携砂剂，一方面可以避免携砂剂长时间滞留井底对钻具产生影响；另一方面，因其具可降解特性，便于后期废弃物处理。相反，对比样在高温条件下不具备降解特性，其测定数值均为样品处理过程中产生的损耗。
3、井浆性能影响评价：
分别取350mL井浆（密度2.07g/cm3），按0.5%加量添加实施例1-4中制备的钻完井液用可降解携砂剂、高分子聚合物羟乙基纤维素，于120℃老化16h后，测定井浆性能变化情况。其中，未添加钻完井液用可降解携砂剂的井浆样品作为空白样，添加增黏剂羟乙基纤维素的井浆样品作为对比例3（模拟稠浆）。测定结果见表3。
表3 井浆性能测定
从表3中可以看出，经本发明示例1-4制备的钻完井液用可降解携砂剂，其完全降解后生成的产物对井浆性能影响较小，携岩清砂处理后可直接参与下步循环使用。相反，添加高分子聚合物羟乙基纤维素的对比样，其井浆黏度大幅提高，后期需对井浆性能进行维护处理或者作为废弃井浆直接处理，特别对于高密度钻完井液影响更为显著。
综上所示，本发明的钻完井液用可降解携砂剂通过在钻完井液内部建立网架结构，从而大大提高钻完井液的携岩清砂能力。同时，该携砂剂具可降解性，经一定时间、温度作用后可实现无害化降解；具不溶性，并且其降解后的产物对井浆性能影响较小；具环保性，其废弃物分解周期短且均为对人体、自然等无害物质。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种钻完井液用可降解携砂剂，其特征在于：由以下质量百分比的物质组成：脂肪族聚酯类聚合物36-60%，高分子共聚物36-60%，改性纳米二氧化硅0.5-3%，扩链剂0.1-1%，抗水解剂0.5-2%，抗氧剂0.5-2%；
所述脂肪族聚酯类聚合物的相对分子量不小于2万，所述脂肪族聚酯类聚合物为聚乳酸、聚乙醇酸或聚丁二酸丁二醇酯；
所述高分子共聚物的相对分子量不小于2万，所述高分子共聚物为聚乳酸-聚丁二酸丁二醇酯共聚物、聚乳酸-聚乙二醇嵌段共聚物或聚丙交酯乙交酯共聚物；
所述改性纳米二氧化硅为纳米二氧化硅经硅烷偶联剂改性后得到；
该可降解携砂剂制备过程如下：
步骤1）将配方量的脂肪族聚酯类聚合物和高分子共聚物在60-120℃条件下真空干燥12-24h；
步骤2）将干燥后的脂肪族聚酯类聚合物、高分子共聚物和配方量的扩链剂、抗水解剂、抗氧剂加入高速共混机中进行共混，混合均匀后通过双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，制得可降解复合材料，共混温度范围160-200℃；
步骤3）将可降解复合材料在80-120℃条件下真空干燥12-24h，然后通过熔融纺丝一牵伸两步法制备纤维，即得钻完井液可降解携砂剂；其中，纺丝温度在180-240℃，牵伸温度在60-90℃之间，热定型温度在120-160℃之间，纺丝速度在800-1600r/min之间。
2.根据权利要求1所述的一种钻完井液用可降解携砂剂，其特征在于：所述扩链剂为环氧类扩链剂ADR–4370F、六亚甲基二异氰酸酯或二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种钻完井液用可降解携砂剂，其特征在于：所述抗水解剂为聚碳化二亚胺、季戊四醇二亚磷酸双十八酯或双[2,4-二叔丁基苯基]季戊四醇二亚磷酸酯。
4.根据权利要求1所述的一种钻完井液用可降解携砂剂，其特征在于：所述抗氧剂为四（3,5-二叔丁基-4-羟基）苯丙酸季戊四醇酯或三（2,4-二叔丁基）亚磷酸苯酯。
5.根据权利要求1所述的一种钻完井液用可降解携砂剂，其特征在于：所述硅烷偶联剂为甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、3-氨基丙基三乙氧基硅烷或4-氨基丁基三乙氧基硅烷中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的一种钻完井液用可降解携砂剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1）将配方量的脂肪族聚酯类聚合物和高分子共聚物在60-120℃条件下真空干燥12-24h；
步骤2）将干燥后的脂肪族聚酯类聚合物、高分子共聚物和配方量的扩链剂、抗水解剂、抗氧剂加入高速共混机中进行共混，混合均匀后通过双螺杆挤出机进行熔融共混挤出造粒，制得可降解复合材料，共混温度范围160-200℃；
步骤3）将可降解复合材料在80-120℃条件下真空干燥12-24h，然后通过熔融纺丝一牵伸两步法制备纤维，即得钻完井液可降解携砂剂；其中，纺丝温度在180-240℃，牵伸温度在60-90℃之间，热定型温度在120-160℃之间，纺丝速度在800-1600r/min之间。
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