本发明涉及石油工业的钻井领域，具体地，涉及一种梳型多糖类化合物及其制备方法和作为包被剂的应用及水基钻井液及其应用。
背景技术：
包被剂是水基钻井液处理剂中非常重要的一种处理剂，它不仅可以通过吸附作用包被岩屑，防止岩屑分散，利于固控过程中岩屑的排除，同时包被剂对泥页岩等有强抑制作用，阻止其水化膨胀，有利于井壁稳定。此外，在盐水钻井液体系中，包被剂也会起到部分提切、润滑作用，具有多功能性。高分子量聚丙烯酰胺类聚合物作为常用的包被剂，包被、抑制性突出，但一直存在着抗温、抗盐性不足等缺陷。由于高分子量聚丙烯酰胺分子链为柔性长链，其在高剪切作用下极易降解，导致其分子量降低，从而失去包被性能。将耐温耐盐单体如N-乙烯基吡咯烷酮、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸接枝到聚丙烯酰胺上是较为常用的聚丙烯酰胺类包被剂的改性方法，但引入这些单体后聚合物的分子量会大幅度降低，导致其包被性能下降。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有的包被剂难以兼具较好的包被性能、抗温性能和抗盐性能的缺陷，提供了一种具有优良的包被性能、抗温性能和抗盐性能的梳型多糖类化合物及其制备方法和作为包被剂的应用及水基钻井液及其应用。为了实现上述目的，本发明提供一种梳型多糖类化合物，所述梳型多糖类化合物的主链由磺化多糖类化合物提供，所述梳型多糖类化合物的侧链由下式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物提供，其中，所述磺化多糖类化合物为磺化的淀粉、磺化的纤维素类化合物或磺化的黄原胶：式(1)式(2)其中，R1、R1'、R2和R2'各自独立地选自H和C1-C6的烷基。本发明还提供了一种梳型多糖类化合物的制备方法，该方法包括：(1)在含水溶剂中，将多糖类化合物与磺化剂进行磺化反应，得到磺化多糖类化合物；(2)在含水溶剂中，在接枝共聚催化剂存在下，将磺化多糖类化合物、式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物进行接枝共聚反应；其中，所述多糖类化合物为淀粉、纤维素类化合物和黄原胶中的一种或多种；式(1)式(2)其中，R1、R1'、R2和R2'各自独立地选自H和C1-C6的烷基。本发明还提供了上述方法制得的梳型多糖类化合物。本发明还提供了上述梳型多糖类化合物在钻井液中作为包被剂的应用。本发明还提供一种含有上述梳型多糖类化合物作为包被剂的水基钻井液。本发明还提供上述水基钻井液在油气钻井中的应用。本发明提供的梳型多糖类化合物，通过主链的磺化多糖类化合物和侧链的丙烯酸类和丙烯酰胺类单元的协同作用，能够在钻井液中作为包被剂时发挥良好的包被性能，且还具有优良的抗温性能和抗盐性能。特别是，本发明所得的梳型多糖类化合物溶解性好，更适用于水基钻井液。本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。具体实施方式以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本发明提供一种梳型多糖类化合物，所述梳型多糖类化合物的主链由磺化多糖类化合物提供，所述梳型多糖类化合物的侧链由下式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物提供，其中，所述磺化多糖类化合物为磺化的淀粉、磺化的纤维素类化合物或磺化的黄原胶：式(1)式(2)其中，R1、R1'、R2和R2'各自独立地选自H和C1-C6的烷基。根据本发明，所述梳型多糖类化合物可以认为是在磺化多糖类化合物的主链上接枝上由式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物提供的侧链，该侧链可以是式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物共聚链，也可以是分别是式(1)所示的化合物提供的均聚链和和式(2)所示的化合物的均聚链。所述梳型多糖类化合物在用于钻井液作为包被剂时，通过分子链上的极性基团对岩屑的多点吸附作用，有效地将高度分散的岩屑聚并成为大粒径颗粒并在固控过程中除去，发挥优良的包被作用，同时上述梳型多糖类化合物还能够在保证较好的包被作用下获得优良的抗温和抗盐性能。并且，相比于线性的聚合物包被剂来说，本发明的梳型多糖类化合物不仅能够获得更高的包被性能、抗温性能和抗盐性能，还能够获得更好的水溶性，这样便更加适用于水基钻井液。根据本发明，其中，上述C1-C6的烷基例如可以为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、正己基等。为了能够更好地发挥所述梳型多糖类化合物作为包被剂的作用，优选情况下，R1、R1'、R2和R2'各自独立地选自H、甲基、乙基、正丙基、异丙基和正丁基。其中，式(1)所示的化合物的具体实例例如可以为以下式所示的化合物中的一种或多种：式(1-1)中：R1和R1'为H(也称作丙烯酰胺)；式(1-2)中：R1为甲基，R1'为H(也称作甲基丙烯酰胺)；式(1-3)中：R1为乙基，R1'为H(也称作乙基丙烯酰胺)；式(1-4)中：R1为H，R1'为甲基(也称作2-丁烯酰胺)。其中，式(2)所示的化合物的具体实例例如可以为以下式所示的化合物中的一种或多种：式(2-1)中：R2和R2'为H(也称作丙烯酸)；式(2-2)中：R2为甲基，R2'为H(也称作甲基丙烯酸)。根据本发明，所述磺化多糖类化合物为磺化的淀粉、磺化的纤维素类化合物或磺化的黄原胶。这些磺化的多糖类化合物可以是市售品，也可以采用本发明中下文描述的过程进行制备。可以认为磺化的多糖类化合物是多糖类化合物上形成了一些磺酸基或其它含硫基团的结构，这是本领域的常规认知，本发明在此不再赘述。其中，所述磺化的纤维素类化合物为磺化的羧甲基纤维素、磺化的羟甲基纤维素、磺化的羧乙基纤维素、磺化的羟乙基纤维素、磺化的羟丙基纤维素或磺化的羟丙基甲基纤维素。根据本发明，尽管本发明对磺化后的多糖类化合物上的含硫基团(如磺酸基、硫酸酯基、硫醇基等)的含量没有特别的限定，但是为了能够获得更加适用于包被剂的梳型多糖类化合物，优选地，所述磺化多糖类化合物中，含硫基团的含量为20-35重量％，优选为25-30重量％。根据本发明，所述梳型多糖类化合物的分子量可以在较宽范围内变动，为了能够获得更加适用于包被剂的梳型多糖类化合物，优选地，所述梳型多糖类化合物的重均分子量为9,000,000-15,000,000g/mol，优选为9,500,000-14,500,000g/mol，更优选为10,000,000-13,500,000g/mol，更进一步优选为12,000,000-13,500,000g/mol。根据本发明，优选地，所述梳型多糖类化合物中，由式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物提供的结构单元的含量为80-95重量％，优选为85-92重量％，更优选为88-92重量％。当提供侧链的式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物的结构单元和提供主链的磺化多糖类化合物的结构单元满足上述重量比下，能够更好地发挥梳型多糖类化合物中各个基团的协同作用，获得水溶性高，且包被性能、抗温性能和抗盐性能更为优良的梳型多糖类化合物。根据本发明，尽管式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物提供的结构单元的摩尔比可以在较宽范围内变动，但是优选地，式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物提供的结构单元的摩尔比为1：0.2-1，优选为1：0.2-0.5，更优选为1：0.24-0.4(例如1：0.25-0.33)，更进一步优选为1：0.27-0.33。当式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物提供的结构单元的摩尔比在该范围内时，能够获得更有利于与主链配合发挥包被剂性能的侧链，如上所述，可以认为该侧链是式(1)所示的化合物提供的均聚链和式(2)所示的化合物的均聚链，但是更优选是式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物形成的共聚链，特别是无规线性共聚链。该数个侧链接枝在磺化多糖类化合物上，形成梳型结构，也即形成本发明的梳型多糖类化合物。本发明还提供了一种梳型多糖类化合物的制备方法，该方法包括：(1)在含水溶剂中，将多糖类化合物与磺化剂进行磺化反应，得到磺化多糖类化合物；(2)在含水溶剂中，在接枝共聚催化剂存在下，将磺化多糖类化合物、式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物进行接枝共聚反应；其中，所述多糖类化合物为淀粉、纤维素类化合物和黄原胶中的一种或多种；式(1)式(2)其中，R1、R1'、R2和R2'各自独立地选自H和C1-C6的烷基。其中，式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物及其基团如上文中所描述的，在此不再赘述。根据本发明，步骤(1)中将通过所述磺化反应提供上文中所描述的磺化多糖类化合物，因此，所述多糖类化合物可以根据所需的磺化多糖类化合物进行选择，即为淀粉、纤维素类化合物和黄原胶中的一种或多种。根据本发明，所述淀粉的数均分子量通常为2万-200万，其可以为本领域常规的各种天然淀粉，例如土豆淀粉、绿豆淀粉、红薯淀粉、小麦淀粉等中的一种或多种。其中，所述淀粉任选含有其在酸中的分解产物，例如可以含有糊精、麦芽糖及其更低分子量的葡萄糖中的一种或多种。其中，所述纤维素类化合物为羧甲基纤维素、羟甲基纤维素、羧乙基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素和羟丙基甲基纤维素中的一种或多种。应当理解的是所述多糖类化合物通常为线性的大分子，可以认为以下所得的磺化后的多糖类化合物也是线性的大分子结构。根据本发明，所述多糖类化合物的分子量可以根据所需的磺化多糖类化合物进行选择，例如为了制备重均分子量为9,000,000-15,000,000g/mol(优选为9,500,000-14,500,000g/mol，更优选为10,000,000-13,500,000g/mol，更进一步优选为12,000,000-13,500,000g/mol)的梳型多糖类化合物，优选地，所述多糖类化合物的重均分子量为100,000-2,000,000g/mol，优选为150,000-1,000,000g/mol，例如为700,000-1,000,000g/mol。根据本发明，所述含水溶剂可以是单独的水，也可以是混溶有一些不影响本发明的反应的溶剂(例如为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇等中的一种或多种)的水的混合物，当然优选为水。为了能够制备适用于本发明所需的磺化多糖类化合物，优选地，步骤(1)中，相对于100重量份的所述多糖类化合物，含水溶剂的用量为1000-5000重量份，优选为2000-4000重量份。根据本发明，对所述磺化剂并无特别的限定，只要能够得到本发明的磺化多糖类化合物即可，可以采用本领域常规的各种磺化剂，优选地，所述磺化剂为氯磺酸、三氧化硫、1,3-丙磺酸内酯和浓硫酸(浓度例如为90重量％以上，特别是98重量％的浓硫酸)中的一种或多种。所述磺化剂的用量可以在较宽范围内变动，为了能够制得含硫基团的含量为20-35重量％(优选为25-30重量％)的磺化多糖类化合物，优选情况下，相对于100重量份的所述多糖类化合物，所述磺化剂的用量为20-40重量份，优选为25-35重量份，例如为28-30重量份。根据本发明，优选情况下，所述磺化反应的条件包括：温度为50-70℃(优选为55-65℃)，时间为8-20h(优选为10-12h)。根据本发明，为了促进所述多糖类化合物在含水溶剂中的溶解性，上述磺化反应还在助溶剂存在下进行，所述助溶剂例如可以为甲酸、乙酸、乙二酸和丙二酸中的一种或多种。其中，优选地，相对于100重量份的所述多糖类化合物，所述助溶剂的用量为8-20重量份，优选为10-15重量份。根据本发明，上述步骤(1)可以采用先将所述多糖类化合物和含水溶剂混合，而后引入磺化剂和任选的助溶剂混合并进行所述磺化反应的方式。根据本发明，尽管步骤(1)所得的磺化反应的产物不经过任何进一步的处理即可用于步骤(2)中，但是为了能够更有利于所述接枝共聚反应的进行，该步骤(1)还包括将所述磺化反应的产物进行固液分离(例如采用抽滤的方式)并干燥所得固相，从而得到磺化多糖类化合物的过程。根据本发明，步骤(2)中通过将磺化多糖类化合物、式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物进行接枝共聚反应，即可在磺化多糖类化合物上接枝上式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物形成的聚合物侧链，可以认为这里的磺化多糖类化合物在此并未发生自身聚合反应，仅是在步骤(1)所得的磺化多糖类化合物基础上，以该磺化多糖类化合物为主链再通过步骤(2)的接枝共聚反应接枝上式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物形成的聚合物侧链。尽管所述式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物的用量可以根据所需的梳型多糖类化合物上的侧链情况进行适当地选择，优选情况下，相对于100重量份的所述磺化多糖类化合物，式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物的总用量为500-1500重量份，优选为800-1000重量份，更优选为850-950重量份。为了能够获得能够与主链更好地配合的侧链，优选地，式(1)所示的化合物和式(2)所示的化合物的用量的摩尔比为1：0.2-1，优选为1：0.2-0.5，更优选为1：0.24-0.4(例如1：0.25-0.33)，更进一步优选为1：0.27-0.33。根据本发明，步骤(2)中的含水溶剂如上文所述的进行选择，而为了能够制备适用于本发明所需的梳型多糖类化合物，优选地，步骤(2)中，相对于100重量份的所述磺化多糖类化合物，含水溶剂的用量为5000-10000重量份，优选为6000-9000重量份，更优选为6500-8000重量份。根据本发明，所述接枝共聚催化剂可以采用本领域常规的用于接枝共聚的催化剂，为了更好地适用于本发明的磺化多糖类化合物...