本发明涉及钻井液技术领域，尤其涉及一种水基钻井液用包被剂及其制备方法。
背景技术：
钻井液是钻井的“血液”，在钻井作业中起着非常重要的作用。地下钻井作业的严酷环境促进了对钻井液的研究和开发，要求能够在钻井过程中完成以下多项关键任务：悬浮、压力控制、岩层稳定性、浮力、润滑和冷却。
钻井液处理剂(添加剂)是指用于改善和稳定钻井液性能或为满足钻井液某种性能需求而加入的化学添加剂。基于作用可包括：包被剂、降滤失剂、抑制剂、提切剂、堵漏剂、消泡剂、润滑剂等等。
其中，包被剂是一种比较重要的添加剂，能有效地包被钻屑，防止钻屑，防止井壁垮塌，有利于井壁稳定，提高钻井速度，同时还有兼有降失水、改善流型及增加润滑性等功能。
目前，常用的钻井液用包被剂，其主要成分为聚丙烯酰胺类的聚合物。如中国专利申请cn201510309011公开了一种速溶型阳离子聚丙烯酰胺类包被剂。中国专利申请cn201510848970公开了一种水基钻井液用包被剂。
上述包被剂产品均为固体型(颗粒或粉末)，由于在现场应用时需缓慢加入且长时间搅拌才能充分分散，客观上降低了钻井液的工作效率。基于此类问题，包被剂产品在后续研发中提出了乳液形式的包被剂。
如中国专利申请cn201410383100公开了一种钻井液用微乳液聚合强包被剂，由丙烯酸钾、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸经过自由基共聚而成。以乳液形式聚合而成，可直接加入钻井液中，且无漂浮结块的现象。
技术实现要素：
本发明提供一种水基钻井液用包被剂及其制备方法，为乳液型包被剂产品，在钻井时可直接施加到钻井液中，分散性良好，现场使用方便。抗盐可以达饱和，抗温可达150℃以上。普适性强，适用于传统膨润土钻井液与无固相钻井液体系。且制备容易，反应条件温和。
本发明提供一种水基钻井液用包被剂，以甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为核心原料聚合得到，丙烯酰胺体系中引入乙烯基吡咯烷酮，通过对单体自由基聚合与环结构单体共混制备得到反相乳液状聚合物。通过自组装可以形成大量的微结构，从而提升钻井液的粘度。在熵驱动下，外界小分子电解质与环结构单体相容，保证了其优良的抗盐能力，抗盐可以达饱和。流变参数可达到理想范围。
本发明提供一种水基钻井液用包被剂，包括如下重量份的组分：
甲基丙烯酸5-15份；丙烯酰胺2-8份；乙烯基吡咯烷酮8-15份；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵1-6份；氢氧化钾4-8份；氯化钾4-8份；过硫酸钾0.01-0.1份；司盘-801-6份；烷基酚聚氧乙烯醚0.1-0.3份；水25-40份；白油15-30份。
进一步地，包括如下重量份的组分：
甲基丙烯酸10-11份；丙烯酰胺4-6份；乙烯基吡咯烷酮11-13份；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵2-4份；氢氧化钾6-6.5份；氯化钾5份；过硫酸钾0.03-0.05份；司盘-803～4份；烷基酚聚氧乙烯醚0.18～0.2份；水30-32份；白油20-23份。
进一步地，本发明还提供一种上述任一水基钻井液用包被剂的制备方法，具体包括以下步骤：
常温条件下，向反应釜中依次加入水、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、氢氧化钾、氯化钾、烷基酚聚氧乙烯醚，混合，制备水相；
依次加入白油、司盘-80，混合，制备油相；
将所得水相和油相混合，得乳状基液；
将所得乳状基液置于反应釜中，充氮后加入过硫酸钾作为引发剂进行反应，反应结束后冷却，即可得到所述钻井液用包被剂。
进一步地，冷却后所得钻井液用包被剂为油包水乳液状。
本发明具有如下优势：
1、本发明所述包被剂具有良好的抗盐性能，能够应对高矿化度地层。
2、本发明所述包被剂具备优异的抗温能力，在高盐、高温环境下能稳定地发挥作用；单剂抗温可达120℃，加入钻井液中液可抗温150℃以上。
3、本发明所述包被剂具有良好的增粘效果，可提高体系的粘度，增加悬浮岩屑的能力。
4、本发明所述包被剂具有良好的包被抑制性，可有效抑制岩屑水化膨胀，提高体系的抑制性。
5、本发明所述包被剂具有良好的配伍性，适用于淡浆和盐水浆，应用更加广泛；适用于传统膨润土钻井液与无固相钻井液体系。
6、本发明所述包被剂，其产品性状为油包水乳液状，分散性良好，现场使用方便，且制备容易，反应条件温和。
与现有技术相比，现有技术存在钻井液高动塑比与高塑性粘度的矛盾、流变参数较难达到理想范围等问题。本发明提供一种新的水基钻井液体系和技术，大幅度改善钻井液性能。
与现有技术相比，乳液型包被剂产品，一般分子量均较高，较高的分子量有助于吸附在钻屑颗粒和井壁粘土矿物表面，形成包被，阻止和减弱自由水分子与钻屑和井壁周围的粘土矿物相接触，起到包被抑制作用。然而过高的分子量，易于导致在使用过程抗温能力、抗盐能力和抗剪切能力低等较差。本发明提供的乳液型水基钻井液包被剂，具有较高的分子量，且具有较好的抗温能力、抗盐能力和抗剪切能力，解决了分子量与抗温能力、抗盐能力和抗剪切能力之间的矛盾。
与现有技术相比，包被剂通常需要“多次少量”的在钻井过程分批加入到钻井液中，而本发明提供的乳液形式的包被剂可单次在钻井前直接将所需量的包被剂一次性加入到钻井液中，操作更为便捷，不影响使用效果。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种乳液型包被剂，包括如下重量份的组分：
甲基丙烯酸5-15份；丙烯酰胺2-8份；乙烯基吡咯烷酮8-15份；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵1-6份；氢氧化钾4-8份；氯化钾4-8份；过硫酸钾0.01-0.1份；司盘-801-6份；烷基酚聚氧乙烯醚(op-10)0.1-0.3份；水25-40份；白油15-30份。
本发明又一实施例中，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的重量份≤丙烯酰胺的重量份＜甲基丙烯酸的重量份≤乙烯基吡咯烷酮的重量份。
具体地，本发明又一实施例中，包被剂包括如下重量份的组分：
甲基丙烯酸10-11份；丙烯酰胺4-6份；乙烯基吡咯烷酮11-13份；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵2-4份；氢氧化钾6-6.5份；氯化钾5份；过硫酸钾0.03-0.05份；司盘-803～4份；烷基酚聚氧乙烯醚0.18～0.2份；水30-32份；白油20-23份。
本发明实施例提供的一种水基钻井液用包被剂，以甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵为核心原料聚合得到，丙烯酰胺体系中引入乙烯基吡咯烷酮，构成一种自组装原理制备的聚合物，通过对单体自由基聚合与环结构单体共混制备得到反相乳液状聚合物。通过自组装可以形成大量的微结构，从而提升钻井液的粘度，流变参数可达到理想范围。在熵驱动下，外界小分子电解质与环结构单体相容，保证了其优良的抗盐能力，抗盐可以达饱和。
本发明实施例提供的包被剂为乳液形式的包被剂产品。高聚物做成乳液形式方便了现场操作，解决了固体形式的包被剂产品现场使用时溶解起来会很困难的问题。
一般来讲，在现场使用中，现场地层大部分都含有盐，包被剂的加入都采取“少食多餐”的原则，即经常性的细流加入，要求经常、均匀地加入，以保证钻井液中始终保持一定的含量，吸附在钻屑表面，抑制其分散。但本发明实施例提供的包被剂，溶解性好，溶解迅速，可以单次在钻井前直接将所需量的包被剂一次性加入到钻井液中，操作更为便捷，不影响使用效果。
本发明又一实施例中，包被剂的组分中包括如下重量份的钾盐成分：氢氧化钾6-6.5份、氯化钾5份、过硫酸钾0.03-0.05份。在该组合和配比下，k+进入主相层，配合高聚物的特异性分子结构，提高分子机构的稳定性，提高抗盐抗温能力。
本发明实施例提供的包被剂，添加量可以为0.1％-0.4％(w/v，g/ml)，例如可以为0.1％、0.25％、0.3％、0.4％等等。添加量为0.1％-0.4％(w/v，g/ml)指的是，每100ml泥浆(钻井液)中添加有0.1-0.4g的包被剂。
在本发明又一实施例中，包被剂的添加量为0.1％-0.4％(w/v，g/ml)，以单次加入的方式在钻井前直接加入到钻井液中，无需多次分批加入，溶解性好，溶解迅速，可确保钻井液中保持一定的含量，吸附在钻屑表面，保持其“包被”效果。
本发明又一实施例中，提供一种上述任一水基钻井液用包被剂的制备方法，具体可以包括以下步骤：
常温条件下，向反应釜中依次加入水、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、氢氧化钾、氯化钾、烷基酚聚氧乙烯醚，混合，制备水相；
依次加入白油、司盘-80，混合，制备油相；
将所得水相和油相混合，得乳状基液；
将所得乳状基液置于反应釜中，充氮后加入过硫酸钾作为引发剂进行反应，反应结束后冷却，即可得到所述钻井液用包被剂。
进一步地，在充氮后加入过硫酸钾作为引发剂进行反应的过程中，该反应在60～80℃下恒温进行20h～50h，例如在70℃下恒温进行20h。
需要说明的是，在制备水相的步骤中，要严格根据水、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、氢氧化钾、氯化钾、烷基酚聚氧乙烯醚的顺序，依次加入到反应釜中，最后混合制备水相。
在本发明的包被剂产品中，在丙烯酰胺、甲基丙烯酸体系中引入了乙烯基吡咯烷酮，通过反向乳液聚合制备得到油包水乳液状包被剂产品。在制备过程中，遵从上述顺序制备水相、油相，而后将水相和油相混合，通过反相乳液状聚合即可，制备过程简单，反应条件温和。
制得的产品为一种自组装原理制备的聚合物，通过自组装可以形成大量的微结构，从而提升钻井液的粘度，流变性上即表现为优良的增黏。在熵驱动下，外界小分子电解质与环结构单体相容，保证了其优良的抗盐能力。同时该产品为高分子量聚合物，以吸附水中的悬浮颗粒，使细颗粒形成比较大的絮团，起到絮凝悬浮颗粒作用，同时由于固体颗粒被絮凝，较少了固体颗粒中的粘土成分，减少了粘土的水化分散，从而起到包被抑制作用。
下文以具体实施例进一步详细阐述本发明实施例提供的水基钻井液用包被剂及其制备方法。
所用原料如甲基丙烯酸、丙烯酰胺等等可通过购买得到。
实施例1
一种水基钻井液用包被剂，以重量份数计，包括：
甲基丙烯酸11份，丙烯酰胺5份，乙烯基吡咯烷酮11份，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵2份，氢氧化钾6份，氯化钾5份，过硫酸钾0.04份，司盘80：3份，op-10：0.18份，水32份，白油23份。
制备过程：常温25℃条件下，向反应釜中依次加入上述重量份数将水、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、氢氧化钾、氯化钾、op-10混合制备水相，以及将白油、司盘80混合制备油相；将水相、油相充分混合得到乳状基液；将乳液置于反应釜中，充氮后加入引发剂，在70℃下恒温反应20h；冷却后即可得到产品，取样检测，入库。
按照生产工艺得到最终得到自由流动的液体，即为本实施例产品。
根据通用检测方法(企标)测定其表观粘度和相对膨胀降低率。本实施例生产的钻井液用包被剂，表观粘度的检测加量为1％，相对膨胀降低率的加量为0.4％。
抗盐抗温性能检测
检测过程：配制质量浓度4％左右的土浆加入该包被剂，再加入盐(氯化钠)(300ml4％土浆+0.4％包被剂(实施例1)+30％氯化钠)，高速搅拌20分钟，测表观粘度。同时将配好的浆装入老化罐，在150℃条件下滚动老化16h，然后冷却在常温条件测表观粘度。
包被剂抗盐抗温性能评价
备注：老化条件150℃×16h
由检测结果可知，该包被剂抗盐大于30％，抗温大于150℃。通常情况下，对于乳液型包被剂的抗温性能，120℃是一个临界值，多数包被剂高于120℃时，结构被分解，粘度降低，但本发明实施例的包被剂，其抗温性能突破了120℃，可达到150℃。
溶解性能检测
检测过程：
配制质量浓度4％左右的土浆加入该包被剂，观察包被剂的溶解情况。在搅拌的情况下迅速溶解，1分钟内迅速溶解。
包被剂的加入通常采取“少食多餐”的原则，即经常性的细流加入。而本发明实施例的包被剂，溶解性好，可直接加入，在搅拌的情况下1分钟内即可迅速溶解，现场使用时无需分批多次加入。
体系评价：
配方：400ml1％坂土浆+0.5％naoh+0.3％复合降滤失剂+0.3％包被剂+0.5％降滤失剂+2％抑制剂+1％流型调节剂+5％kcl+4％细目钙+重晶石+30％nacl(密度：1.50g/cm3)
体系性能评价
备注：老化条件150℃×16hapi：常温hthp：150℃
实施例2
一种水基钻井液用包被剂，以重量份数计，包括：
甲基丙烯酸11份，丙烯酰胺6份，乙烯基吡咯烷酮13份，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵3份，氢氧化钾6份，氯化钾5份，过硫酸钾0.03份，司盘80：3.5份，op-10：0.2份，水32份，白油23份。
制备过程：常温25℃条件下，向反应釜中依次加入上述重量份数将水、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、氢氧化钾、氯化钾、op-10混合制备水相，以及将白油、司盘80混合制备油相；将水相、油相充分混合得到乳状基液；将乳液置于反应釜中，充氮后加入引发剂，在70℃下恒温反应20h；冷却后即可得到产品，取样检测，入库。
按照生产工艺得到最终得到自由流动的液体，即为本实施例产品。
本实施例生产的钻井液用包被剂，表观粘度的检测加量为1％，相对膨胀降低率的加量为0.4％。
抗盐抗温性能检测
检测过程：配制4％左右的土浆加入该包被剂，再加入盐(氯化钠)(300ml4％土浆+4％包被剂(实施例2)+30％氯化钠)，高速搅拌20分钟，测表观粘度。同时将配好的浆装入老化罐，在150℃条件下滚动老化16h，然后冷却在常温条件测表观粘度。
包被剂抗盐抗温性能评价
备注：老化条件150℃×16h
由检测结果可知，该包被剂抗盐大于30％，抗温大于150℃。
溶解性能检测
检测过程：
配制4％左右的土浆加入该包被剂，观察包被剂的溶解情况。在搅拌的情况下迅速溶解，1分钟内迅速溶解。
体系评价：
配方：400ml1％坂土浆+0.5％naoh+0.3％复合降滤失剂+0.3％包被剂+0.5％降滤失剂+2％抑制剂+1％流型调节剂+5％kcl+4％细目钙+重晶石+30％nacl(密度：1.50g/cm3)
体系性能评价
备注：老化条件150℃×16hapi：常温hthp：150℃
对比例1
一种水基钻井液用包被剂，以重量份数计，包括：
甲基丙烯酸13份，丙烯酰胺10份，乙烯基吡咯烷酮10份，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵3份，氢氧化钾6份，氯化钾5份，过硫酸钾0.03份，司盘80：3.5份，op-10：0.2份，水32份，白油23份。
制备过程：常温25℃条件下，向反应釜中依次加入上述重量份数将水、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、氢氧化钾、氯化钾、op-10混合制备水相，以及将白油、司盘80混合制备油相；将水相、油相充分混合得到乳状基液；将乳液置于反应釜中，充氮后加入引发剂，在70℃下恒温反应20h；冷却后即可得到产品，取样检测，入库。
按照生产工艺得到最终得到自由流动的液体，即为所得包被剂产品。
根据通用检测方法(企标)测定其表观粘度和相对膨胀降低率。其中，表观粘度的检测加量为1％，相对膨胀降低率的加量为0.4％。
抗盐抗温性能检测
检测过程：配制4％左右的土浆加入该包被剂，再加入盐(氯化钠)(300ml4％土浆+4％包被剂(普通)+30％氯化钠)，高速搅拌20分钟，测表观粘度。同时将配好的浆装入老化罐，在150℃条件下滚动老化16h，然后冷却在常温条件测表观粘度。
包被剂抗盐抗温性能评价
备注：老化条件150℃×16h
该包被剂在温度150℃，盐30％的情况下，粘度降低严重，结构降解。
溶解性能检测
检测过程：
配制4％左右的土浆加入该包被剂，观察包被剂的溶解情况。溶解时间的加量为1分钟。在搅拌的情况下溶解，大约在5分钟内溶解。
对比例2
一种水基钻井液用包被剂，以重量份数计，包括：
甲基丙烯酸11份，丙烯酰胺6份，n-甲基吡咯烷酮13份，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵3份，氢氧化钾6份，氯化钾5份，过硫酸钾0.03份，司盘80：3.5份，op-10：0.2份，水32份，白油23份。
制备过程：常温25℃条件下，向反应釜中依次加入上述重量份数将水、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、n-甲基吡咯烷酮、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、氢氧化钾、氯化钾、op-10混合制备水相，以及将白油、司盘80混合制备油相；将水相、油相充分混合得到乳状基液；将乳液置于反应釜中，充氮后加入引发剂，在70℃下恒温反应20h；冷却后即可得到产品，取样检测，入库。
按照生产工艺得到最终得到自由流动的液体，即为所得包被剂产品。
根据通用检测方法(企标)测定其表观粘度和相对膨胀降低率。其中，表观粘度的检测加量为1％，相对膨胀降低率的加量为0.4％。
抗盐抗温性能检测
检测过程：配制4％左右的土浆加入该包被剂，再加入盐(氯化钠)(300ml4％土浆+4％包被剂(普通)+30％氯化钠)，高速搅拌20分钟，测表观粘度。同时将配好的浆装入老化罐，在150℃条件下滚动老化16h，然后冷却在常温条件测表观粘度。
包被剂抗盐抗温性能评价
备注：老化条件150℃×16h
该包被剂在温度150℃，盐30％的情况下，粘度降低严重，结构降解。
对比例3
一种水基钻井液用包被剂，以重量份数计，包括：
甲基丙烯酸11份，丙烯酰胺6份，n-甲基吡咯烷酮13份，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵3份，氢氧化钾10份，过硫酸钾0.1份，司盘80：3.5份，op-10：0.2份，水32份，白油23份。
制备过程：常温25℃条件下，向反应釜中依次加入上述重量份数将水、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、n-甲基吡咯烷酮、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、氢氧化钾、氯化钾、op-10混合制备水相，以及将白油、司盘80混合制备油相；将水相、油相充分混合得到乳状基液；将乳液置于反应釜中，充氮后加入引发剂，在70℃下恒温反应20h；冷却后即可得到产品，取样检测，入库。
按照生产工艺得到最终得到自由流动的液体，即为所得包被剂产品。
根据通用检测方法(企标)测定其表观粘度和相对膨胀降低率。其中，表观粘度的检测加量为1％，相对膨胀降低率的加量为0.4％。
抗盐抗温性能检测
检测过程：配制4％左右的土浆加入该包被剂，再加入盐(氯化钠)(300ml4％土浆+4％包被剂(普通)+30％氯化钠)，高速搅拌20分钟，测表观粘度。同时将配好的浆装入老化罐，在150℃条件下滚动老化16h，然后冷却在常温条件测表观粘度。
包被剂抗盐抗温性能评价
备注：老化条件150℃×16h
该包被剂在温度150℃，盐30％的情况下，粘度降低严重，结构降解。
现场应用
本发明作为包被抑制剂使用于超分子聚合物水基钻井液体系中，按照原配方在钻井液中加入0.3％的包被剂、0.5％的降滤失剂、1％的流型调节剂、2％的抑制剂。
包被剂——本发明实施例2的包被剂；
降滤失剂——
以重量份数计，包括：丙烯酰胺18份；2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸5份，甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵4份，甲酸钠3份，氢氧化钠0.6份，过硫酸铵0.04份，司盘80：5份，司盘20：0.25份，水40份，白油24份。
流型调节剂——
以重量份数计，包括：丙烯酸22份；甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯6份，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵11份，氢氧化钾8份，乙酸钠0.02份，过硫酸铵0.04份，司盘80：3份，吐温80：0.1份，水35份，白油16份。
抑制剂——
以重量份数计，包括：烯丙基磺酸钠2份；二甲基二烯丙基氯化铵20份，氢氧化钾3份，氯化钠5份，过硫酸钾0.2份，水70份。
在克拉玛依现场试验五口井(井号：td77063、t77066、t77076、7872a、玛湖046)，现场累计进尺5995m，单价236元/m，合计费用149.9709万元。无漏失、无复杂、无事故；累计施工时间1780h，复杂时间仅为3.33h，井下复杂时率0.19％，七区平均机械钻速为6.9m/h，玛湖机械钻速为9.72m/h，提高40％左右，玛湖046井二开较设计工期提前11天完钻。施工过程中超分子聚合物钻井液体系性能稳定、携带能力强、返出岩屑棱角清晰，现场施工维护简单，起下钻顺畅，钻进施工顺利。
解决了以前未解决的技术难题(易漏、易垮塌等)，钻井液性能稳定、起下钻正常、无掉块垮塌现象等，达到了预期目标。本发明实施例的包被剂具有优良的包被抑制能力，成本低、对环境无污染，满足了安全、高效、环保钻井的需要，具有很好的推广应用前景。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。