本发明涉及钻井技术领域，具体地涉及一种抗高温降滤失剂及其制备方法和水基钻井液及其应用。
背景技术：
石油天然气作为一种战略资源，对一个国家的经济安全和稳定发展有着重要影响。随着我国石油天然气需求的快速增加和浅层油气资源的日趋枯竭，我国经济与工业增长对外石油依存度不断提高，严峻的能源形势，迫切需要新的可接替油气资源。根据第二次全国油气资源评价结果，我国石油资源总量为940亿吨，常规天然气资源量为38万亿m3，剩余油气资源主要分布在深层。我国深部储层普遍深度超过5000m，目前最深近9000m，井底温度180～260℃，且大多地区存在大段盐膏层。目前，大庆、南海、吉林、新疆、塔里木、大港等油田都在实施超深井钻井。抗超高温高密度高矿化度(饱和nacl、cacl2≥1％)钻井液是深部盐膏地层钻探成功的关键，但现有高密度高矿化度钻井液难以满足高密度、大段盐膏层条件下抗超高温要求，钻井工程中面临一系列因钻井液高温失效导致的井壁坍塌、卡钻及井喷等重大技术难题。深层钻探时，钻井液高温失效导致携岩与悬浮加重材料困难，难以有效支撑井壁，易引发井塌、卡钻、井喷等重大安全事故，甚至导致井眼报废。目前使用水基钻井液钻含盐膏层超高温井，主要采用加大化学处理剂用量来维持钻井液性能，不但成本高、处理剂消耗量大、处理频繁，而且钻井复杂事故多、钻速慢、钻井周期长、生产安全和公众安全风险大，严重影响钻井质量、速度和效益，甚致影响地质目的实现。
因此，对抗高温高矿化度高密度水基钻井液研究具有重要的现实意义。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有高密度高矿化度水基钻井液存在的上述缺陷，提供了一种抗高温降滤失剂及其制备方法和水基钻井液及其应用。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种抗高温降滤失剂，所述抗高温降滤失剂由一种单体组合物共聚而成，所述单体组合物含有二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯。
第二方面，本发明提供了上述抗高温降滤失剂的制备方法，该方法包括：在作为溶剂的水、表面活性剂和引发剂的存在下，将二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯进行聚合反应。
第三方面，本发明提供了一种水基钻井液，该水基钻井液含有本发明所述的抗高温降滤失剂、磺甲基酚醛树脂、磺化褐煤树脂、磺化沥青、氯化钾、石墨、膨润土和水。
第四方面，本发明提供了本发明所述的水基钻井液在深部盐膏地层钻井中的应用。
在本发明所述的水基钻井液中，通过引入抗高温降滤失剂、磺甲基酚醛树脂、磺化褐煤树脂，使得本发明所述的水基钻井液适用于深部盐膏地层钻探，能够表现出较好的抑制、流变及降滤失性能。
其中，抗高温降滤失剂分子主链为c-c键，侧链含有c-s及c-n等抗氧化能力强的结构。选用具有c＝c不饱和双键的单体进行共聚得到主链为c-c链的聚合物，由于c-c单键的平均键能大(347.3kj.mol-1)，不易发生高温降解；引入磺酸基(-so3h)，可增厚粘土颗粒表面的水化膜，有效地保持高温下吸附位置，提高钻井液的热稳定性，且不与ca2+反应生成沉淀，能起到抗盐抗钙的作用，磺酸基还可以通过增加粘土颗粒表面的负电荷密度，使得ζ电位升高，增大粘土颗粒间的静电斥力，提高高温下钻井液的静电稳定性；引入苯环等基团，可以在一定程度抑制分子链的水解，提高处理剂的热稳定性和抗盐性。
抗高温降滤失剂与磺甲基酚醛树脂和磺化褐煤树脂发生超分子作用，在高温高矿化度条件下缔合成动态物理网架结构，使得大分子基团存在较多的物理交联点，保护了体系中存在的细微粒，并限制了交联网络结构中自由水的流动，从而降低了钻井液体系的滤失量。动态物理网架结构还可以通过亲水性磺酸盐基团、酰胺基团吸附在泥饼表面，使泥饼致密，进一步降低钻井液滤失量。
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。
第一方面，本发明提供了一种抗高温降滤失剂，所述抗高温降滤失剂由一种单体组合物共聚而成，所述单体组合物含有二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯。
在所述单体组合物中，二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯的摩尔比为1：(0.5-3)：(1-5)：(0.5-5)：(0.5-4)。在优选情况下，为了进一步提高抗高温降滤失剂的热稳定性能和抗盐性能，二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯的摩尔比为1：(1.5-2.5)：(3-5)：(1-3)：(1-3)。
第二方面，本发明提供了所述抗高温降滤失剂的制备方法，该方法包括：在作为溶剂的水、表面活性剂和引发剂的存在下，将二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯进行聚合反应。
本发明所述的方法中，相对于100重量份的水，所述表面活性剂的用量可以为0.1-0.5重量份，所述引发剂的用量可以为8-12重量份，所述二甲基二烯丙基氯化铵的用量可以为1-10重量份；
本发明所述的方法中，甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯的用量摩尔比可以为1：(0.5-3)：(1-5)：(0.5-5)：(0.5-4)，优选为1：(1.5-2.5)：(3-5)：(1-3)：(1-3)。
本发明所述的方法中，为了进一步提高抗高温降滤失剂的热稳定性能和抗盐性能，优选情况下，所述引发剂为水溶性偶氮类引发剂，进一步优选为偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸和偶氮二异丙基咪唑啉中的至少一种。
在本发明所述的方法中，为了进一步提高抗高温降滤失剂的热稳定性能和抗盐性能，优选情况下，所述表面活性剂为硫酸脂类表面活性剂，进一步优选为十二烷基硫酸钠。
在本发明所述的方法中，所述聚合反应的条件可以包括：ph为6.5-7.5，温度为40-60℃，时间为5-8h。为了进一步提高抗高温降滤失剂的热稳定性能和抗盐性能，最优选地，所述聚合反应的条件包括：ph为7，温度为50℃，时间为6h。
在本发明所述的方法中，反应结束后均需对产物进行后处理，如可以采用丙酮反复提纯，然后烘干(如在100℃下)、粉碎，即得粉末状抗高温降滤失剂。
在一种具体实施方式中，所述抗高温降滤失剂的制备方法包括：将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于去离子水中，再依次加入丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵和十二烷基硫酸钠，搅拌10-30min，例如用氢氧化钠调节溶液ph值为7，在搅拌下加入对甲基苯乙烯，在反应温度下、在氮气保护下反应20-40min，然后加入偶氮二异丁脒盐酸盐，反应3-8h，制得粘稠状液体产物。将所得产物用丙酮反复提纯，然后烘干、粉碎，即得粉末状抗高温降滤失剂。
在本发明中，所述偶氮二异丁脒盐酸盐可以以水溶液的形式加。使用的偶氮二异丁脒盐酸盐水溶液的浓度可以为0.5-2重量％，最优选为1重量％。
第三方面，本发明提供了一种水基钻井液，该水基钻井液含有本发明所述的抗高温降滤失剂、磺甲基酚醛树脂、磺化褐煤树脂、磺化沥青、磺化褐煤、氯化钾、石墨、膨润土和水。
在本发明所述的水基钻井液中，相对于100重量份的水，所述抗高温降滤失剂的含量为2-4重量份、所述磺甲基酚醛树脂的含量为3-5重量份、所述磺化褐煤树脂的含量为3-5重量份、所述磺化沥青的含量为3-5重量份、所述磺化褐煤的含量为3-5重量份、所述氯化钾的含量为1-3重量份、所述石墨的含量为1-3重量份、所述膨润土的含量为2-5重量份。
在本发明所述的水基钻井液中，所述磺化褐煤树脂可以为本领域的常规选择，例如由中国石油集团工程技术研究院提供，牌号为spnh。
在本发明所述的水基钻井液中，所述磺化褐煤可以为本领域的常规选择，例如由中国石油集团工程技术研究院提供，牌号为smc。
在本发明所述的水基钻井液中，所述磺化沥青可以为市售产品，例如购自中国石油集团钻井工程技术研究院。
在本发明所述的水基钻井液中，所述磺甲基酚醛树脂可以为本领域的常规选择，例如购自中国石油集团工程技术研究院，牌号为smp-ii的磺甲基酚醛树脂产品。
在本发明所述的水基钻井液中，所述膨润土可以为本领域的常规选择，例如可以选用购自新疆中非夏子街膨润土有限公司。
本发明中，对于水基钻井液的制备方法没有特别的限定，只要按前述含量将各组分混合即可。
第四方面，本发明提供了本发明所述的水基钻井液在深部盐膏地层钻井中的应用。
实施例
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但并不因此限制本发明。以下制备例、实施例和对比例中，如无特别说明，所用材料均可商购获得，所用的方法均为本领域的常规方法。
磺化褐煤smc、磺化褐煤树脂spnh、磺甲基酚醛树脂smp-ii和磺化沥青由中国石油集团工程技术研究院提供。
聚合物包被剂jt888、石墨和氯化钾购自成都春峰石油科技有限公司。
膨润土购自新疆中非夏子街膨润土有限公司
抗高温降滤失剂按照以下制备例得到。
二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯购自成都格雷西亚化学技术有限公司
十二烷基硫酸钠、偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐和偶氮二异丙基咪唑啉购自成都格雷西亚化学技术有限公司。
制备例1
在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，将5g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于100g去离子水中，再按照二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯的摩尔比为1：2：4：2：2的比例，依次加入丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵和对甲基苯乙烯，加入十二烷基硫酸钠0.3g，用氢氧化钠调节溶液ph为7，将反应装置密封后，冲入氮气充分搅拌，加入质量浓度为1％的偶氮二异丁脒盐酸盐10g，于50℃反应6h，得粘稠状液体产物。将所得产物用丙酮反复提纯，并于100℃下烘干粉碎，即得粉末状抗高温降滤失剂a1。
制备例2
在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，将1g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于100g去离子水中，再按照二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯的摩尔比为1：1.5：3：1：1的比例，依次加入丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵和对甲基苯乙烯，加入十二烷基硫酸钠0.1g，用氢氧化钠调节溶液ph为6.5，将反应装置密封后，冲入氮气充分搅拌，加入质量浓度为1％的偶氮二异丁脒盐酸盐3g、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐5g，于40℃反应8h，得粘稠状液体产物。将所得产物用丙酮反复提纯，并于100℃下烘干粉碎，即得粉末状抗高温降滤失剂a2。
制备例3
在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，将10g2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶于100g去离子水中，再按照二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-二甲基丙烯酰胺和对甲基苯乙烯的摩尔比为1：2.5：5：3：3的比例，依次加入丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵和对甲基苯乙烯，加入十二烷基硫酸钠0.5g，用氢氧化钠调节溶液ph为7.5，将反应装置密封后，冲入氮气充分搅拌，加入质量浓度为1％的偶氮二异丙基咪唑啉12g，于60℃反应5h，得粘稠状液体产物。将所得产物用丙酮反复提纯，并于100℃下烘干粉碎，即得粉末状抗高温降滤失剂a3。
对比制备例1
按照制备例1的方法制备抗高温降滤失剂，不同的是，不加入二甲基二烯丙基氯化铵，制得抗高温降滤失剂da1。
对比制备例2
按照制备例1的方法制备抗高温降滤失剂，不同的是，不加入丙烯酰胺，制得抗高温降滤失剂da2。
对比制备例3
按照制备例1的方法制备抗高温降滤失剂，不同的是，不加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，制得抗高温降滤失剂da3。
对比制备例4
按照制备例1的方法制备抗高温降滤失剂，不同的是，不加入n,n-二甲基丙烯酰胺，制得抗高温降滤失剂da4。
对比制备例5
按照制备例1的方法制备抗高温降滤失剂，不同的是，不加入对甲基苯乙烯，制得抗高温降滤失剂da5。
实施例1
水基钻井液fl：水100重量份、膨润土4重量份、抗高温降滤失剂(制备例1制备的抗高温降滤失剂a1)4重量份、磺甲基酚醛树脂smp-ⅱ5重量份、磺化褐煤树脂spnh5重量份、磺化沥青5重量份、磺化褐煤smc5重量份、氯化钾3重量份、石墨3重量份。
实施例2
水基钻井液f2：水100重量份、膨润土3重量份、抗高温降滤失剂3重量份(制备例2制备的抗高温降滤失剂a2)、磺甲基酚醛树脂smp-ⅱ4重量份、磺化褐煤树脂spnh4重量份、磺化沥青4重量份、磺化褐煤smc4重量份、氯化钾2重量份、石墨2重量份。
实施例3
水基钻井液f3：水100份、膨润土2重量份、抗高温降滤失剂(制备例3制备的抗高温降滤失剂a3)2重量份、磺甲基酚醛树脂smp-ⅱ3重量份、磺化褐煤树脂spnh3重量份、磺化沥青3重量份、磺化褐煤smc3重量份、氯化钾1重量份、石墨1重量份。
对比例1
按照实施例1的方法，不同的是水基钻井液中不加入抗高温降滤失剂a1，即按照以下配方配置水基钻井液dfl：水100重量份、膨润土4重量份、磺甲基酚醛树脂smp-ⅱ5重量份、磺化褐煤树脂spnh5重量份、磺化沥青5重量份、磺化褐煤树脂smc5重量份、氯化钾3重量份、石墨3重量份。
对比例2
按照以下配方配制对比水基钻井液df2：水100重量份、膨润土4重量份、聚合物包被剂jt8883重量份、磺甲基酚醛树脂smp-ⅱ5重量份、磺化褐煤树脂spnh5重量份、磺化沥青5重量份、磺化褐煤树脂smc5重量份、氯化钾3重量份、石墨3重量份。
对比例3
按照实施例1的方法制备水基钻井液，不同的是，所用的抗高温降滤失剂为da1，制得水基钻井液df3。
对比例4
按照实施例1的方法制备水基钻井液，不同的是，所用的抗高温降滤失剂为da2，制得水基钻井液df4。
对比例5
按照实施例1的方法制备水基钻井液，不同的是，所用的抗高温降滤失剂为da3，制得水基钻井液df5。
对比例6
按照实施例1的方法制备水基钻井液，不同的是，所用的抗高温降滤失剂da4，制得水基钻井液df6。
对比例7
按照实施例1的方法制备水基钻井液，不同的是，所用的抗高温降滤失剂为da5，制得水基钻井液df7。
测试例1
分别取400ml上述钻井液fl-f3和df1-df7，加入氯化钠至饱和、并加入1.0wt％cacl2，在5000rpm下搅拌20min后，装入老化罐，放入滚子炉中，在220℃下，恒温滚动16h后，取出冷却至室温，再在5000rpm下搅拌20min，然后按照gb/t16783.1-2006分别测定上述钻井液的表观粘度(av，mpa.s)、塑性粘度(pv，mpa.s)、动切力(yp，pa)、10s和10min静切力、中压api失水(fl，ml)和高温高压失水(flhthp，ml，220℃)，结果见表1。
表1
由表1的数据可知，在饱和氯化钠、1.0wt％cacl2条件下，本发明的水基钻井液仍然具有较低的api滤失量和高温高压滤失量，表明本发明的水基钻井液满足饱和氯化钠、1.0wt％cacl2条件下的抗高温(220℃)要求。
测试例2
分别取400ml上述钻井液fl-f3和df1-df7，加入氯化钠至饱和、并加入1.0wt％cacl2，用重晶石加重至密度为2.2g/cm3，在5000rpm下搅拌20min后，装入老化罐，放入滚子炉中，在220℃下，恒温滚动16h后，取出冷却至室温，再在5000rpm下搅拌20min，然后按照gb/t16783.1-2006分别测定上述钻井液的表观粘度(av，mpa.s)、塑性粘度(pv，mpa.s)、动切力(yp，pa)、10s和10min静切力、中压api失水(fl，ml)和高温高压失水(flhthp，ml，220℃)，结果见表2。
表2
由表2的数据可知，密度为2.2g/cm3、饱和氯化钠、1.0wt％cacl2条件下，本发明的水基钻井液具有较低的api滤失量和高温高压滤失量，表明本发明的水基钻井液满足高矿化度高密度条件下的抗高温(220℃)要求。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。