专利名称：两性离子聚磺超高温钻井液的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油天然气勘探开发领域钻井工程中的抗高温聚磺钻井液体系，通过在聚磺钻井液体系中引入两性离子聚合物与高温保护剂，把该体系抗高温能力提升至250 °C。
背景技术：
随着浅层、中深层油气资源量的衰竭和油气需求量的日益增长，油气勘探向深层、超深层领域延伸成为必然趋势。然而深部油气藏钻探开发面临着高温超高温的严苛条件，对钻井液抗高温能力提出了更高的要求。常用的水基钻井液抗温能力不足成为制约超深井、超闻温井钻井的一大障碍。提闻水基钻井液抗闻温能力成为超闻温井钻探的关键技术之一。超高温水基钻井液的组成研究及抗温能力评价是实施超高温水基钻井液技术方案的科学基础。目如我国超深井、超闻温井米用的大多为聚横水基钻井液体系，这种体系处通剂构成包括高分子主聚物、稀释剂、磺化类降滤失剂，主聚物多为阴离子型高分子聚合物，稀释剂为阴离子型小分子聚合物，其分子链上包含吸附基团和水化基团两大功能性基团。吸附基团多为-OH、-CN、-CONH2，其作用机理是吸附基团通过氢键吸附在膨润土颗粒表面，水化基团(_C00_、-CH2SO3O水化为膨润土颗粒表面带来吸附水化膜，阻止粘土颗粒的聚集，保护膨润土颗粒的胶体分散状态，从而提供稳定的钻井液性能。因氢键的吸附强度不够高，高温解吸附趋势较强，因此所处理的聚磺钻井液抗高温能力一般限于200°C以下。温度超过200°C，常出现钻井液高温高压失水大幅上升、高温后流变性恶化，表现为高温胶凝或高温聚沉，严重者钻井液失去胶体特性，性能破坏，结构解体。超高温钻井液是超高温井钻井的重要技术保障，传统的聚磺水基钻井液抗温能力在200°C以下，难以满 足越来越多的超深井、超高温井的钻探需要，研究开发具备抗超高温能力的新型聚磺水基钻井液具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供两性离子聚磺超高温钻井液，通过在聚磺钻井液体系中引入两性离子聚合物与超高温稳定剂，把该体系抗高温能力提升至250°C，大大提升了聚磺水基钻井液的抗高温能力，克服了现有技术的缺陷和不足。为了达到上述技术目的，本发明提供以下技术方案。两性离子聚磺超高温钻井液，由以下组分按质量比组成:膨润土 4.0 6.0质量％，两性离子聚合物包被剂0.5 0.8质量％，两性离子聚合物稀释剂0.8 1.2质量％， 抗高温降滤失剂3 4质量％，抗高温复合降滤失剂3 4质量％，
高温稳定剂2 3质量％，烧碱0.2 0.3质量％，惰性封堵剂3 4质量％，其余为水。本发明中，所述两性离子聚合物包被剂为交联共聚物，以丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯磺酸钠、ニ甲基ニ烯丙基氯化铵为原料，以N1，N1，N2，N2-四烯丙基こニ胺为交联剂制备而成，分子量在200万左右。所述两性离子聚合物稀释剂为以丙烯酰胺、丙烯磺酸钠和ニ甲基ニ烯丙基氯化铵为原料制备的小分子量聚合物，分子量在2000左右，市售，产品代号XY-27。所述抗高温降滤失剂为磺甲基化酚醛树脂，简称磺化酚醛树脂。所述抗高温复合降滤失剂为磺甲基化腐植酸，简称磺化褐煤树脂。所述高温稳定剂为三氯化铝络合磺甲基化腐植酸，是铝盐与磺甲基化腐植酸生成的络合物。所述惰性封堵剂为超细碳酸钙，碳酸钙粉体粒径2 m < d < 5 m。上述物质除两性离子包被剂外，均为市售。本发明中，以蒙脱石为主要矿物成分的膨润土，具有水化性、膨胀性和分散性。在钻井液体系中高度分散为< 2 的胶体颗粒，在滲透性的地层表面可形成致密泥饼，稳定井壁和阻止固相、液相进ー步侵入地层。此外，膨润土胶体颗粒还可与高分子聚合物通过吸附、架桥形成空间网状结构，提供钻井液所需的粘度、切力、触变性、剪切稀释性等流变特性，实现钻井液携帯、悬浮岩屑和加重材料的功用。烧碱在两性离子聚磺超高温钻井液中主要提供0H_，提高钻井液的pH值，减缓膨润土颗粒的高温钝化和高温聚集趋势，增强抗高温复合降滤失剂的作用效能。两性离子聚合物包被剂是以N1，N1，N2，N2-四烯丙基こニ胺为交联剂，以丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯磺酸钠和ニ甲基ニ烯丙基氯化铵为单体，四元共聚交联而成的新型聚合物包被剂，分子量在200万左右。其分子链上既含有-C00_、_S03_阴离子的强水化基团，也含有阳离子基团，而阳离子基团与带负电的粘土颗粒正负电性吸附，大大增强吸附强度，少量的阳离子基团就能提供由于大量非离子基团通过氢键吸附得到的效果，因而在分子链上能释放更多的空间让位于阴离子基团。更多、更强的阴离子基团水化，为粘土颗粒面带来更厚、更致密的吸附水化膜，使粘土颗粒的胶体性质更加稳定。因此两性离子聚合物包被剂的吸附能力和水化能力强于传统的阴离子型聚合物包被剂，能克服高温条件下的解吸附、去水化效应，因此抗高温能力更强。两性离子聚合物稀释剂是由丙烯酰胺、丙烯磺酸钠和ニ甲基ニ烯丙基氯化铵多元共聚而成的ー种小分子量聚合物，分子量在2000左右，分子链上除较大比例的阴离子基团、非离子基团外，还含有阳离子基团。有机阳离子基团能在带负电的粘土颗粒表面更快更牢的吸附，部分替代或拆散了两性离子聚合物包被剂与粘土颗粒吸附形成的空间网架结构，达到稀释的效果。这种有机阳离子基团与粘土颗粒的电性吸附强度远大于氢键吸附强度，因此可抗超高温的影响。另ー方面，吸附在粘土颗粒表面的稀释剂分子链上大量的阴离子基团和非离子基团水化带来的水化膜与溶剂化层阻止了粘土颗粒间的直接接触，尤其是具有强水化能力的磺酸盐基团，即使在超高温条件下仍具有很好的水化能力，为粘土颗粒提供足够的水化保护膜，因此在超高温条件下仍能保持粘土颗粒的适度分散，提高了钻井液体系的聚结稳定性。抗高温降滤失剂是磺化酚醛树脂及其改性物，分子量在10000左右。在磺化酚醛树脂的分子结构中含大量的-0H，能在粘土颗粒表面通过氢键发生多点吸附，分子链上的-CH2SO3-是ー种超强亲水基团，能形成较厚的水化膜和溶剂化层，可以有效抵抗高温去水化的影响，即使在超高温下仍然能够为粘土颗粒提供有效保护，阻止粘土颗粒的聚结，保持粘土颗粒的分散状态和胶体特性，有利于形成致密泥饼。此外磺甲基水化形成具有较高粘弹性的吸附溶剂化层也有很好的堵孔作用，大大降低钻井液失水。在超高温钻井液体系中，单ー的高温降滤失剂难以控制高温高压失水< 20ml/30min，本发明除磺化酚醛树脂外还复配了另ー种抗高温降滤失剂磺化褐煤树月旨，是褐煤与甲醛、亚硫酸钠在碱性条件下磺甲基化反应而成。降滤失机理与磺化酚醛树脂类似，均是利用强吸附基团吸附在粘土颗粒表面，在超高温条件下仍然处于强水化基团-CH2SO3-的较厚水化膜保护之下，保持粘土颗粒的分散状态，形成致密泥饼，降低滤失量。此外，磺化褐煤树脂与磺化酚醛树脂均可与高价金属离子络合，使处理剂与粘土形成更强的正电吸附，降低处理剂高温解吸附的趋势，提高处理剂的抗高温能力。本发明中的高温稳定剂采用由磺甲基化腐植酸与高价金属离子Al3+交联反应而成的产物。其主要作用是稳定钻井液的高温流变性能，避免钻井液高温稀释、高温稠化、高温胶凝或高温聚沉。腐植酸是一种复杂的、分子量不均、结构不同的羟基苯羧酸混合物。分子结构中有大量吸附基团如酚羟基、醇羟基，也有大量的强水化基团-COONa，在粘土颗粒表面有较强吸附能力与水化能力。通过络合反应引入金属离子后，得到的高温稳定剂吸附能力与水化能力进ー步增强，可以有效解决钻井液在超高温下流变性能的不稳定问题。高价金属离子的作用有以下三点。①与聚磺体系中的磺化酚醛树脂、磺化褐煤树脂形成络合物，并在高温下适度交联，分子量适度增加，抵消处理剂高温降解的影响，稳定钻井液高温流变性，避免钻井液高温稀释或钻井液中固相高温聚沉。②抑制粘土颗粒高温分散，避免钻井液高温稠化或高温胶凝。③增强 处理剂与粘土颗粒的电性吸附，降低处理剂高温解吸附趋势，保护粘土颗粒的胶体性质，控制聚磺钻井液的高温失水性能。惰性封堵剂的主要成分为碳酸钙，碳酸钙粉体粒径2 y m < d < 5 y m。其主要作用为增加钻井液中固相颗粒浓度，弥补超高温钻井液中固相颗粒的不足，与膨润土颗粒一起形成泥饼，改善泥饼质量，降低泥饼渗透率，从而达到降低钻井液高温高压失水的作用。因其在钻井液中呈惰性而基本不影响钻井液其它性能。概括起来说，本发明在聚磺水基钻井液中，用两性离子聚合物代替阴离子聚合物，利用两性离子聚合物分子链上的阳离子基团与带负电的粘土颗粒表面的电性吸附，增强聚合物处理剂与粘土颗粒的吸附强度，降低处理剂高温解吸附的趋势，大大提升聚磺钻井液的抗高温能力。同时引入高温稳定剂，利用高价金属离子与处理剂的络合交联作用、抑制粘土颗粒的高温分散作用及与粘土颗粒的电性吸附作用，大大提高处理剂在粘土颗粒表面的吸附强度，阻止粘土颗粒的高温聚结与高温分散，保持粘土颗粒的适度分散状态，改善聚磺钻井液的高温失水性能，稳定聚磺钻井液的高温流变性能。本发明两性离子聚合物包被剂的结构如下:
权利要求
1.两性离子聚磺超高温钻井液，由以下组分按质量比组成: 膨润土 4.0 6.0质量％， 两性离子聚合物包被剂0.5 0.8质量％， 两性离子聚合物稀释剂0.8 1.2质量％， 抗高温降滤失剂3 4质量％， 抗高温复合降滤失剂3 4质量％， 高温稳定剂2 3质量％， 烧碱0.2 0.3质量％， 惰性封堵剂3 4质量％， 其余为水； 所述两性离子聚合物包被剂为交联共聚物，以丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯磺酸钠、ニ甲基ニ烯丙基氯化铵为原料，以N1，N1，N2，N2-四烯丙基こニ胺为交联剂制备而成，分子量在200万左右；所述两性离子聚合物稀释剂为以丙烯酰胺、丙烯磺酸钠和ニ甲基ニ烯丙基氯化铵为原料制备的小分子量聚合物，分子量在2000左右； 所述抗高温降滤失剂为磺甲基化酚醛树脂； 所述抗高温复合降滤失剂为磺甲基化腐植酸； 所述高温稳定剂为三氯化铝络合磺甲基化腐植酸； 所述惰性封堵剂为超细碳酸钙，碳酸钙粉体粒径2 μm < d ≤ 5 μm。
2.如权利要求1所述的两性离子聚磺超高温钻井液，其特征在于，所述两性离子聚合物包被剂通过如下方法制备: (1)交联剂N1，N1，N2，N2-四烯丙基乙ニ胺的制备:冰浴下，将丙烯醛滴入乙ニ胺的甲醇溶液中，丙烯醛与乙ニ胺的摩尔比为2:1，乙ニ胺与甲醇的质量比为1:2，反应30min，。50°C真空干燥，得到N1，N2-ニ烯丙基亚胺乙ニ胺，将N1，N2-ニ烯丙基亚胺乙ニ胺溶于乙醇，滴加硼氢化钠的乙醇溶液，N1，N2- ニ烯丙基亚胺乙ニ胺与硼氢化钠的摩尔比为1:1.2，硼氢化钠与乙醇的质量比为1:2，室温反应3h，得到N1，N2-ニ烯丙基乙ニ胺，冰浴下将两倍摩尔量的氯丙烯滴入N1，N2- ニ烯丙基乙ニ胺，控制反应温度70°C，反应3h，得到交联剂N1, N1, N2, N2-四烯丙基乙ニ胺； (2)两性离子聚合物包被剂的制备:将丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯磺酸钠、ニ甲基ニ烯丙基氯化铵以摩尔比3:3:3:1配置成25%的水溶液，偶氮ニ异丁基咪盐酸盐为引发剂，其用量是总的单体质量的0.5%，交联剂N1，N1，N2，N2-四烯丙基乙ニ胺的用量是总的单体质量的。0.05%，在45°C下反应3h，得到两性离子聚合物包被剂。
全文摘要
本发明涉及两性离子聚磺超高温钻井液，由以下组分组成膨润土4.0～6.0质量%，两性离子聚合物包被剂0.5～0.8质量%，两性离子聚合物稀释剂0.8～1.2质量%，抗高温降滤失剂3～4质量%，抗高温复合降滤失剂3～4质量%，高温稳定剂2～3质量%，烧碱0.2～0.3质量%，惰性封堵剂3～4质量%，其余为水。两性离子聚合物包被剂以丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯磺酸钠、二甲基二烯丙基氯化铵为原料，以N1,N1,N2,N2-四烯丙基乙二胺为交联剂制备，两性离子聚合物稀释剂以丙烯酰胺、丙烯磺酸钠和二甲基二烯丙基氯化铵为原料制备。本发明在聚磺钻井液体系中引入两性离子聚合物与超高温稳定剂，提升了聚磺水基钻井液的抗高温能力。
文档编号C09K8/24GK103113862SQ20131007207
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者邓小刚, 张以明, 沈华, 王东明, 马丽华, 苟绍华 申请人:邓小刚, 张以明, 沈华