水基钻井液的降滤失方法及降滤失剂的制备方法

摘要

本发明涉及水基钻井液的降滤失方法及降滤失剂的制备方法，其中的降滤失方法包括：(1)将聚合单体溶解在水中，调节pH值为8～12；(2)在上述溶液中加入自由基聚合引发剂，搅拌下，在30℃～80℃之间反应1～5小时；(3)将步骤(2)得到的聚合物水溶液在50℃～200℃之间处理1～10小时；(4)将步骤(3)得到的聚合物水溶液加入到水基钻井液中。采用本发明的方法，既可以保证降滤失的效果，又不会影响钻井液体系的流变学参数。

说明书

技术领域

本发明涉及油田水基钻井液的降滤失方法及降滤失剂的制备方法。

背景技术

在钻井过程中，由于压差作用的存在，钻井液中的水分不可避免地通过 井壁滤失到地层中。如果滤失量过大，一方面会造成井壁失稳，另一方面会 造成给旋转钻造成较大的扭矩，易导致压差卡钻。控制滤失量是钻井液的重 要性能之一，通过加入降滤失剂可以控制钻井液的滤失量。降滤失剂可分为 颗粒材料、天然高分子及其改性产品和合成聚合物三类，其中的合成聚合物 可分为加成聚合物和缩聚聚合物两类。加成聚合物降滤失剂是由含有不饱和 双键的单体聚合而成，通常是由两种以上的单体聚合而成。加成聚合物的单 体主要有：①阴离子单体：丙烯酸(AA)、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、 衣康酸(IA)、甲基丙烯酸(MAA)、对苯乙烯丙磺酸等；②阳离子单体：3- 甲基丙烯酰胺氧丙基三甲基氯化铵(MPTMA)、二甲基二烯丙基氯化铵 (DMDAAC)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(MOTAC)、丙烯酰胺基乙基二 甲基氯化铵(AEDMAC)、2-羟基-3-甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵(HMOPTA) 等；③非离子单体：马来酸酐、丙烯酰胺(AM)、N，N-二甲基丙烯酰胺(DMAM)、 N，N-二乙基丙烯酰胺(DEAM)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)等。

井壁失稳一直是影响钻井顺利进行的主要因素，特别是面对井深4500m 以上的深井和井深超过6000m的超深井。在深井和超深井中，井温可达150 ℃以上，加之钻遇盐膏层，使得钻井液在高温高矿化度情况下如何满足钻井 基本需求成为一个重要问题。合成聚合物降滤失剂可以按照温度等要求进行 分子设计，能够更好的满足对降滤失剂耐温和耐盐的要求。

增加聚合物的分子量有利于提高降滤失剂的降滤失性能，但是分子量太 高会导致降滤失剂粘度过大，造成加剂困难，并且加入降滤失剂后，会显著 改变钻井液体系的流变学参数，进而影响钻井液的性能，此时需要加入其它 添加剂来调控钻井液体系的流变学参数。

现有技术中，对降滤失剂的研究很多，制备方法也很丰富，但仍需在保 证降滤失剂性能的前提下，进一步解决降滤失剂的增稠问题。

发明内容

本发明提供了一种水基钻井液的降滤失方法，该方法既可以保证降滤失 的效果，又不会影响钻井液体系的流变学参数。

本发明提供了一种水基钻井液的降滤失方法，包括：

(1)将聚合单体溶解在水中，调节pH值为8～12；

(2)在上述溶液中加入自由基聚合引发剂，搅拌下，在30℃～80℃之间 反应1～5小时；

(3)将步骤(2)得到的聚合物水溶液在50℃～200℃之间处理1～10 小时；

(4)将步骤(3)得到的聚合物水溶液加入到水基钻井液中；

所述的聚合单体至少选自以下单体中的两种，其中至少有一种单体含有 酰胺基，至少有另一种单体含有羧基、酸酐基或磺酸基：丙烯酸、2-丙烯酰 胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯丙磺酸、衣康酸、甲基丙烯酸、3-甲基丙烯 酰胺氧丙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲 基氯化铵、丙烯酰胺基乙基二甲基氯化铵、2-羟基-3-甲基丙烯酰氧丙基三 甲基氯化铵、丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N-二乙基丙烯酰胺和N- 乙烯基-2-吡咯烷基。

步骤(1)中，以聚合单体和水的总质量为基准，聚合单体的用量为 20～40％。

步骤(1)中，聚合单体优选为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺 和对苯乙烯丙磺酸，各种单体的质量比为1∶2～4∶2～4。

步骤(1)中，聚合单体优选为丙烯酸、丙烯酰胺和对苯乙烯丙磺酸， 各种单体的质量比为1∶2～4∶1～3。

步骤(1)中，聚合单体优选为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺 和丙烯酸，四种单体的质量比为1∶2～4∶1～3。

步骤(1)中，聚合单体优选为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺 和N，N-二甲基丙烯酰胺，各种单体的质量比为1∶1～3∶1～3。

步骤(1)中，聚合单体优选为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、 N，N-二甲基丙烯酰胺和丙烯酸，各种单体的质量比为2∶1～2∶2～4∶2～4。

步骤(1)中，可以使用NaOH、KOH或CaOH₂来调节pH值。

步骤(2)中，所述的自由基聚合引发剂包括过氧化合物引发剂、偶氮 引发剂和氧化还原引发剂，优选使用氧化还原引发剂。氧化还原引发剂是利 用氧化剂和还原剂之间的电子转移所生成的自由基引发聚合反应。所述的氧 化还原引发剂包括过氧化苯甲酰/蔗糖、叔丁基过氧化氢/焦亚硫酸钠、过氧 化苯甲酰/N，N-二甲基苯胺。过硫酸铵/亚硫酸氢钠、过硫酸钾/亚硫酸氢钠、 亚硫酸氢钠和过硫酸钠、过氧化氢/酒石酸、过硫酸铵/硫酸亚铁、过氧化氢/ 硫酸亚铁、过氧化苯甲酰//N，N-二乙基苯胺、过氧化苯甲酰/焦磷酸亚铁、 过硫酸钾/硝酸银、过硫酸盐/硫醇、异丙苯过氧化氢/氯化亚铁、过硫酸钾/ 氯化亚铁、过氧化氢/氯化亚铁和异丙苯过氧化氢/四乙烯亚胺，优选使用亚 硫酸氢钠/过硫酸铵、亚硫酸氢钠/过硫酸钠或亚硫酸氢钠/过硫酸钾。

优选的情况下，步骤(3)处理过程中，不使用搅拌或者采用无剪切的 搅拌方式。

优选的情况下，步骤(3)中，在密封状态下对聚合物水溶液进行处理。

一种降滤失剂的制备方法，包括：将聚合物水溶液在50℃～200℃之间 处理1～10小时；所述的聚合物为用于水基钻井液降滤失剂的聚合物。

所述的聚合物水溶液中，聚合物的质量百分浓度优选为20～40％。

所述的聚合物含有A和B两种基团，A是酰胺基，B是羧基、酸酐基和 磺酸基中的一种或几种；所述的聚合物的聚合单体可选自丙烯酸、2-丙烯酰 胺基-2-甲基丙磺酸、对苯乙烯丙磺酸、衣康酸、甲基丙烯酸、3-甲基丙烯 酰胺氧丙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲 基氯化铵、丙烯酰胺基乙基二甲基氯化铵、2-羟基-3-甲基丙烯酰氧丙基三 甲基氯化铵、丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰胺、N，N-二乙基丙烯酰胺和N- 乙烯基-2-吡咯烷基中的至少两种。

优选的情况下，对聚合物水溶液进行处理时，不使用搅拌或者采用无剪 切的搅拌方式。

优选的情况下，在密封状态下对聚合物水溶液进行处理。

所述的聚合物的数均分子量优选在10万～200万之间，更优选在50万～ 120万之间。

所述的聚合物为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和对苯乙烯丙磺 酸的共聚物，三种单体的质量比为1∶2～4∶2～4。

所述的聚合物为丙烯酸、丙烯酰胺和对苯乙烯丙磺酸的共聚物，三种单 体的质量比为1∶2～4∶1～3。

所述的聚合物为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和丙烯酸的共聚 物，三种单体的质量比为1∶2～4∶1～3。

所述的聚合物为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和N，N-二甲基 丙烯酰胺的共聚物，三种单体的质量比为1∶1～3∶1～3。

所述的聚合物为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺、N，N-二甲基丙 烯酰胺和丙烯酸的共聚物，四种单体的质量比为2∶1～2∶2～4∶2～4。

所述的聚合物水溶液可采用以下方法制备：

(1)将单体溶解在水中，调节pH值为8～12；

(2)在上述溶液中加入自由基聚合引发剂，搅拌下，在30℃～80℃之间 反应1～5小时。

步骤(1)中，可使用NaOH、KOH或CaOH₂来调节pH值。

步骤(2)中，所述的自由基聚合引发剂包括过氧化合物引发剂、偶氮 引发剂和氧化还原引发剂，优选使用氧化还原引发剂。氧化还原引发剂是利 用氧化剂和还原剂之间的电子转移所生成的自由基引发聚合反应。所述的氧 化还原引发剂包括过氧化苯甲酰/蔗糖、叔丁基过氧化氢/焦亚硫酸钠、过氧 化苯甲酰/N，N-二甲基苯胺。过硫酸铵/亚硫酸氢钠、过硫酸钾/亚硫酸氢钠、 亚硫酸氢钠和过硫酸钠、过氧化氢/酒石酸、过硫酸铵/硫酸亚铁、过氧化氢/ 硫酸亚铁、过氧化苯甲酰//N，N-二乙基苯胺、过氧化苯甲酰/焦磷酸亚铁、 过硫酸钾/硝酸银、过硫酸盐/硫醇、异丙苯过氧化氢/氯化亚铁、过硫酸钾/ 氯化亚铁、过氧化氢/氯化亚铁和异丙苯过氧化氢/四乙烯亚胺，优选使用亚 硫酸氢钠/过硫酸铵、亚硫酸氢钠/过硫酸钠或亚硫酸氢钠/过硫酸钾。

本发明还提供了由上述方法制备的降滤失剂。

采用本发明的方法，既可以保证降滤失的效果，又不会影响钻井液体系 的流变学参数。

具体实施方式

以下通过实施例进一步说明本发明。

实施例1

取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)50.0g、丙烯酰胺(AM)100.0g和 对苯乙烯丙磺酸(SSS)100.0g溶解于400.0g水中，以NaOH调节体系pH 为8.0。逐渐向体系加入亚硫酸氢钠2.0g、过硫酸钠2.0g，恒温35℃，反应 3小时，反应结束后，取样分析、评价。将所得产品放入反应釜中密封于120 ℃下恒温2小时，处理结束后自然降至室温，取样分析、评价。加热处理后 的样品，放置一周后，取样分析。

分析方法：将聚合物水溶液稀释至质量分数为0.1％，然后采用流变仪或 粘度计测试溶液粘度。

降滤失性能评价方法：采用钻井液测试程序GB/T 16783.1-2006评价降 滤失效果；以聚合物水溶液为基准，聚合物用量为0.6％。

分析及评价结果见表1。

表1

  未加热处理   加热处理   加热处理并放置一月   聚合物水溶液粘度/mPas   9.8   3.3   3.1   聚合物滤失量(室温)/mL   13.8   14.0   14.0   聚合物滤失量(180℃)/mL   16.7   17.0   17.0

与未加热处理相比，加热处理后聚合物水溶液粘度降低66％，降滤失性 能无明显变化，室温及180℃滤失量均较低，具有明显的降滤失效果，加热 处理后的样品，放置一月后，其粘度为与一月前相近，无明显粘度恢复，降 滤失性能保持不变。

实施例2

取丙烯酸酸(AA)50.0g、丙烯酰胺(AM)100.0g和对苯乙烯丙磺酸(SSS) 80.0g溶解于400.0g水中，以NaOH调节体系pH为9.0。逐渐向体系加入 亚硫酸氢钠1.8g、过硫酸钠1.8g，恒温35℃，反应4小时，反应结束后， 取样分析、评价。将所得产品放入反应釜中密封于130℃下恒温2小时，处 理结束后自然降至室温，取样分析、评价。加热处理后的样品，放置一周后， 取样分析。

分析方法：将聚合物水溶液稀释至质量分数为0.1％，然后采用流变仪或 粘度计测试溶液粘度。

降滤失性能评价方法：采用钻井液测试程序GB/T 16783.1-2006评价降 滤失效果；以聚合物水溶液为基准，聚合物用量为0.6％。

分析及评价结果见表1。

表2

  未加热处理   加热处理   加热处理并放置一月   聚合物水溶液粘度/mPas   10.0   3.0   3.0   聚合物滤失量(室温)/mL   14.2   14.5   14.5   聚合物滤失量(180℃)/mL   17.4   17.0   17.0

与未加热处理相比，加热处理后聚合物水溶液粘度降低70％，降滤失性 能无明显变化，室温及180℃滤失量均较低，具有明显的降滤失效果，加热 处理后的样品，放置一月后，其粘度为与一月前相近，无明显粘度恢复，降 滤失性能保持不变。

实施例3

取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)50.0g、丙烯酰胺(AM)80.0g和 丙烯酸(AA)100.0g溶解于400.0g水中，以NaOH调节体系pH为8.5。 逐渐向体系加入亚硫酸氢钠2.0g、过硫酸钠2.0g，恒温35℃，反应3小时。 反应结束后，取样分析、评价。将所得产品放入反应釜中密封于110℃下恒 温2小时后得目标产物。

表3

  未加热处理   加热处理   加热处理并放置一月   聚合物水溶液粘度/mPas   10.0   5.7   6.0   聚合物滤失量(室温)/mL   14.0   14.5   14.5   聚合物滤失量(180℃)/mL   17.0   17.2   17.5

与未加热处理相比，加热处理后聚合物水溶液粘度降低43％，降滤失性 能无明显变化，室温及180℃滤失量均较低，具有明显的降滤失效果，加热 处理后的样品，放置一月后，其粘度为与一月前相近，无明显粘度恢复，降 滤失性能保持不变。

实施例4

取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)50.0g、丙烯酰胺(AM)50.0g、N， N-二甲基双丙烯酰胺(DMAM)50.0g和丙烯酸(AA)80.0g溶解于400.0g 水中，以NaOH调节体系pH为10.0。逐渐向体系加入亚硫酸氢钠1.8g、过 硫酸钠1.8g，恒温40℃，反应5小时。反应结束后，取样分析、评价。将 所得产品放入反应釜中密封于120℃下恒温2小时后得目标产物。

表4

  未加热处理   加热处理   加热处理并放置一月   聚合物水溶液粘度/mPas   9.8   3.5   3.3   聚合物滤失量(室温)/mL   13.8   14.0   14.5   聚合物滤失量(180℃)/mL   17.2   17.8   17.5

与未加热处理相比，加热处理后聚合物水溶液粘度降低64％，降滤失性 能无明显变化，室温及180℃滤失量均较低，具有明显的降滤失效果，加热 处理后的样品，放置一月后，其粘度为与一月前相近，无明显粘度恢复，降 滤失性能保持不变。

实施例5

取2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)50.0g、丙烯酰胺(AM)40.0g、N， N-二乙基双丙烯酰胺(DEAM)60.0g和丙烯酸(AA)100.0g溶解于400.0 g水中，以NaOH调节体系pH为10.0。逐渐向体系加入亚硫酸氢钠1.8g、 过硫酸钠1.8g，恒温40℃，反应3小时。反应结束后，取样分析、评价。 将所得产品放入反应釜中密封于200℃下恒温2小时后得目标产物。

表5

  未加热处理   加热处理   加热处理并放置一月   聚合物水溶液粘度/mPas   10.0   1.6   1.8   聚合物滤失量(室温)/mL   14.0   15.0   15.0   聚合物滤失量(180℃)/mL   17.0   18.0   18.2

与未加热处理相比，加热处理后聚合物水溶液粘度大幅度降低84％，降 滤失性能无明显变化，室温及180℃滤失量均较低，具有明显的降滤失效果， 加热处理后的样品，放置一月后，其粘度为与一月前相近，无明显粘度恢复， 降滤失性能保持不变。