一种用于井壁稳定的仿生聚合物及其制备方法和钻井液的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于井壁稳定的仿生聚合物及其制备方法和钻井液。该聚合物含有作为主链的羧甲基壳聚糖和接枝在主链上的源自多巴胺的基团。本发明的聚合物能够提高井壁泥页岩强度、封堵井壁泥页岩孔隙并降低钻井液滤失量，从而起到在钻井过程中稳定泥页岩地层井壁的作用。
【专利说明】一种用于井壁稳定的仿生聚合物及其制备方法和钻井液
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于井壁稳定的仿生聚合物及其制备方法和钻井液。
【背景技术】
[0002]随着国家对油气资源需求的不断扩大，复杂地层条件下的深井、超深井和页岩气井数量的不断增加，钻井液处理剂的性能必须能够满足更加严苛的要求。其中，井壁稳定性问题一直是钻井过程中难以得到彻底解决的一个世界性难题，井壁失稳所导致的井塌、缩径卡钻、钻头泥包等事故每年给石油工业造成大量的经济损失。
[0003]钻井过程中90%的井壁失稳发生在泥页岩地层，泥页岩中粘土因水化膨胀而导致泥页岩分散、剥落是导致井壁失稳的最根本的化学因素。随着当前页岩气开采已经成为国家的重要战略，如何确保泥页岩地层在钻井过程中保持稳定更加迫切地摆在了钻井液工作者面前。
[0004]在过去几十年的发展中，油基钻井液一直都是解决泥页岩水化膨胀问题的理想选择，然而随着当前环保法规的日益严格，油基钻井液的使用由于其对环境的严重损害而受到限制。因此，强页岩抑制性的水基钻井液重新成为了研究热点。
[0005]钻井液的抑制性强弱通常由其中的页岩抑制剂性能所决定，目前几乎所有的页岩抑制剂的抑制机理都是通过削弱粘土的水化膨胀程度而实现。
[0006]然而，现有普遍使用的抑制剂无法完全抑制粘土的水化膨胀。此外，钻井液通过页岩纳-微米级孔隙和微裂缝向地层深处传递压力也是导致井壁失稳的主要原因。但目前也并没有配套的钻井液封堵材料能够针对纳-微米级孔隙和微裂缝进行有效封堵。
[0007] 因此，寻找一种能够有效稳定井壁的技术是一个亟需解决的问题。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是为了克服现有技术中的上述缺陷而提供一种能够有效稳定井壁的聚合物以及含有该聚合物的钻井液。
[0009]海洋生物贻贝的足丝线能够在水环境下牢固的黏附在岩石表面，而足丝蛋白中包含的一种特殊的氨基酸衍生物——多巴胺被证明是贻贝足丝线具有强水下黏附性能的关键。当贻贝将足丝蛋白从体内分泌到海底岩石表面时，足丝蛋白通过多巴胺基团与海水中Fe3+离子发生交联固化反应，从而形成具有强黏附性和内聚力的足丝线，将贻贝粘附在岩石表面。受到贻贝蛋白强水下黏附性的启发，本发明的发明人发现，通过将多巴胺接枝到羧甲基壳聚糖上得到的仿生聚合物能够有效地稳定井壁。这可能是因为在钻井过程中，上述聚合物随钻井液与泥页岩井壁接触并吸附在泥页岩表面，并通过多巴胺基团与泥页岩表面Fe3+的络合作用，在井壁表面交联固化形成一层10ym-1mm厚度(随钻井液中聚合物浓度增加而增大)的具有较强黏附性的聚合物膜。该聚合物膜不仅能够有效阻止钻井液向地层的渗透，而且具有一定强度，能够部分抵消岩石所受的水化应力，从而起到封堵井壁泥页岩孔隙并提高泥页岩强度的作用。此外，这种带有大量支链的线性聚合物能够有效堵塞膨润土泥饼的毛细孔道，致使钻井液的滤失量极大降低。
[0010]第一方面，本发明提供了一种聚合物含有作为主链的羧甲基壳聚糖和接枝在主链上的源自多巴胺的基团。
[0011]优选地,该聚合物含有如式I所示的结构单元:
[0012]
【权利要求】
1.一种聚合物，其特征在于，该聚合物含有作为主链的羧甲基壳聚糖和接枝在主链上的源自多巴胺的基团。
2.根据权利要求1所述的聚合物，该聚合物含有如式I所示的结构单元:
式I中，R1和R2各自独立地为氢或
并且rI和R2不同时为氢；
R3为氢、碱金属、或者如式II所示的基团； η为I以上的整数，R4为碳原子数为2以上的亚烷基，R5为如式II所示的基团
3.根据权利要求1或2所述的聚合物，其中，该聚合物的重均分子量为50000g/mol-100000g/mol。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的聚合物，其中，R4为碳原子数为2-10的亚烷基，优选为碳原子数为2-6的亚烷基。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的聚合物，其中，该聚合物还含有如式III所示的结构单元:
6.根据权利要求5所述的聚合物,其中，式I所示的结构单元与式III所示的结构单元的摩尔比为1:0.05-0.15。
7.含有如式I所示的结构单元的聚合物的制备方法，该方法包括: (1)将含有式III所示的结构单元的聚合物与不饱和羧酸进行反应，制得含有如式VI所示结构单元的聚合物； (2)将步骤(1)所制得的聚合物与多巴胺进行缩合反应，制得含有如式I所示的结构单元的聚合物，
式III和式VI中，r3’为氢或碱金属； 式VI中，R6和R7各自独立地为
氢或OH并且R6和R7不同时为氢；nR4 ι为I以上的整数，R4为碳原子数为
2以上的亚烷基；
O 式I中，R1和R2各自独立地为氢或JJ5并且RjPR2不同时为氢；n
η ，为I以上的整数，R4为碳原子数为2以上的亚烷基，R5为源自多巴胺的基团；R3为氢、碱金属、或者源自多巴胺的基团。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述加成反应的条件包括:温度为50-90°C，优选为60-80°C;时间可以为1_10小时，优选为2_6小时；以含有式III所示的结构单元的聚合物的羟基计，含有式III所示的结构单元的聚合物与不饱和羧酸的摩尔比为1:0.1-1 ;优选为0.2-0.5 ;任选地在引发剂存在下进行，引发剂为硝酸铈铵、过硫酸钾和过硫酸铵中的一种或一种以上。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述不饱和羧酸的碳原子数为3-11，优选为3-7。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述缩合反应的条件包括:温度为10-50°C，优选为20-40°C ;时间为2-48小时，优选为6_36小时；步骤(1)所制得的聚合物以羧基计与多巴胺以胺基计的摩尔比为1:0.01-0.2，优选为1:0.02-0.1 ;任选地在催化剂存在下进行，催化剂为1-乙基-(3- 二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和/或N，N’ - 二异丙基碳二亚胺。
11.一种钻井液，其中，该钻井液含有权利要求1-6中任意一项所述的聚合物作为井壁强化剂。
12.根据权利要求11所述的钻井液，其中，以所述钻井液的重量为基准，所述聚合物的含量为1-7重量％，优选为3-5重量％。
13.根据权利要求11或12所述的钻井液，其中，所述钻井液还含有添加剂，所述添加剂为选自降滤失剂、增粘剂、降粘剂、增重剂、包被剂和润滑剂中的一种或多种。
【文档编号】C08F220/06GK104177517SQ201410062056
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】蒋官澄, 宣扬, 罗陶涛, 陶怀志, 贺海, 李颖颖 申请人:蒋官澄, 中国石油集团川庆钻探工程有限公司