一种抗高温的钻井液稀释剂及其制备方法与流程

主要以hco
3-和co
32-两种形式存在，随着co2侵入量增大，钻井液中的hco
3-和co
32-浓度增加，钻井液中oh-的浓度降低，使得钻井液ph值下降，导致常用钻井液处理剂尤其是稀释剂作用减弱，甚至失效，从而使得钻井液的性能恶化。
9.(1)hco
3-、co
32-浓度增加使得黏土颗粒形成细分散，钻井液黏度、切力大幅度上升。
10.(2)钻井液ph值降低，导致需要在碱性环境中才能有效发挥作用的钻井液处理剂功效下降，钻井液黏切控制困难。
11.(3)未溶解以气体状态存在的co2被钻井液包裹，形成细分散微泡，进一步增大钻井液切力，且初切与终切值接近，钻井液流变性能恶化。
12.本发明通过一种抗高温的钻井液稀释剂，稀释剂主剂包括以下原料：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、衣康酸和丙烯酰胺，这三者的摩尔比为2：3：3，以及改良剂和吸收剂。用于解决二氧化碳对钻井液的污染而导致钻井液稠度急剧增加的问题。
13.进一步地，改良剂包括氯化钙。
14.进一步地，吸收剂包括含硫基团和含氮基团制备的金纳米粒子水分散液。
15.进一步地，还包括氯化咪唑4～9份与三氯化铁2～6份制成的铁基离子液体，乙二醇二甲醚与铁基离子液体按4:1的比例进行配制。
16.进一步地，包括以下步骤：
17.s1：将三口烧瓶置于恒温水浴锅中，在三口烧瓶上分别固定好电动搅拌器以及温度计；
18.s2：向三口烧瓶中分别依次加入丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和衣康酸三种单体，再加入的蒸馏水拌使单体溶解混合；
19.s3：加入分子量调节剂甲酸钠，加入氢氧化钠调节反应ph值，加入0.3％的过硫酸铵为引发剂，通氮气30min后，加热到80℃后保持恒温反应；
20.s4：加入氯化钙，且持续保持搅拌；
21.s5：反应2h-5h后，得到具有粘度的共聚物。
22.因为阳离子与阴离子二者之间的库仑力十分微弱，以短程力为主，所以离子越大，其表面积越大，可以吸附更多的溶质分子。硫化氢分子是有极性分子,而二氧化碳分子是非极性分子,这就决定了硫化氢物理溶解于离子液体可以依靠静电力，所以硫化氢的溶解度较二氧化碳会更大。此外，吸收二氧化碳和硫化氢的过程中均有氢键的形成，并且硫化氢比二氧化碳的氢键要短。由于离子液体中离子之间具有短程力作用，导致了离子液体中一个分子只能吸附临近的几个分子，并形成牢固的氢键，当这些分子被硫化氢占据之后，能留给二氧化碳的分子就大大的减小了，这是造成后者溶解度的大幅降低的最主要原因。
23.通过氯化咪唑和三氯化铁配制的铁基离子液体，加入的大量离子液体可同时脱硫脱碳，增加对二氧化碳的吸收。
24.优选，三氯化铁4份可与烷基吡啶卤化盐2份充分混合反应，再通过液-固两相分离形成吡啶类铁基离子液体，将含有h2s和co2的气体通入到吡啶类铁基离子液体中，h2s被氧化成硫磺同时吸收co2。
25.进一步地，s5还包括以下子步骤：s51：得到共聚物后，加入含硫基团和含氮基团的金属纳米粒子水分散液。
26.进一步地，s51还包括以下子步骤：s52：加入氢氧化钾持续搅拌，搅拌速率3-7hz，
优选5hz，使得能增加反应物浓度可以使反应加速。
27.金属纳米粒子水分散液产生的二维阵列过程中引入多种弱碱性的含硫多氮分子，能够通过配位交联形成新型的金纳米阵列-弱碱吸收剂复合结构，且含硫多氮化合物位点和纳米金位点可分别对co2进行双功能吸收活化和催化转化，利用该复合结构进行的co2吸收测试显示，该材料在气相、液相中均具有较好的吸收效果。
28.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
29.现有技术中聚合物含有亲水基团，吸附在粘土表面，阻止了粘土的聚结，防止粘土形成空间网状结构，起到分散的作用，与现有技术相比，本发明不仅具有此效果，且通过金属纳米粒子水分散液的特性将co2等酸性气体进行吸收活化以及催化转化，在吸入co2的过程中，改性后的稀释剂通过成分中氯化钙补充的钙离子使co2生成caco3沉淀而将其除去，并且由于氢氧化钾的成分，使得hco
3-转变成co
32-，使得改性后的聚合物稀释剂具有耐酸碱的性能，承受力度更强。同时，具有弱碱结构的咪唑和铁基离子液体，进一步增强了稀释剂对co2的吸收和清除能力，同时还具有一定的除硫化氢的效果。
附图说明
30.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
31.图1为弱碱结构对co2的吸收原理示意图；
32.图2为共聚反应原理示意图；
33.图3为引发剂浓度对稀释剂降粘效果的影响；
34.图4为反应时间对稀释剂降粘效果的影响；
35.图5为ph值对稀释剂降粘效果的影响。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
37.实施例：
38.如图1至图5所示，本发明的稀释剂包括以下原料：2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、衣康酸和丙烯酰胺，以及改良剂和吸收剂，其中2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、衣康酸和丙烯酰胺的摩尔比为2：3：3。改良剂包括氯化钙，吸收剂包括含硫基团和含氮基团制备的金纳米粒子水分散液，还包括氯化咪唑4～9份与三氯化铁2～6份制成的铁基离子液体，乙二醇二甲醚与铁基离子液体按质量比4:1的比例进行配制。包括以下步骤：s1：将三口烧瓶置于恒温水浴锅中，在三口烧瓶上分别固定好电动搅拌器以及温度计；s2：向三口烧瓶中分别依次加入丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和衣康酸三种单体，再加入的蒸馏水拌使单体溶解混合，s3：加入分子量调节剂甲酸钠，加入氢氧化钠调节反应ph值，加入0.3％的过硫酸铵为引发剂，通氮气30min后，加热到80℃后保持恒温反应，s4：加入氯化钙，且持续保持搅拌；s5：反应2h-5h后，得到具有粘度的共聚物。
39.s5还包括以下子步骤：s51：得到共聚物后，加入含硫基团和含氮基团的金属纳米
粒子水分散液。
40.s51还包括以下子步骤：s52：加入氢氧化钾持续搅拌。
41.钻井液中的粘土颗粒在高温的作用下会出现自动分散的现象，其实质是水化分散，高温分散会使粘土颗粒在水基钻井液体系中的浓度增大，使得丧失了流动性而形成凝胶，且高温聚结使粘土颗粒相互结合形成网状结构，使钻井液动切力增大，当酸性气体的co2侵入水基钻井液后，与水反应生成hco
3-和co
32-离子，因此钻井液中co2以hco
3-和co
32-两种形式存在，随着co2侵入量增大，钻井液中的hco
3-和co
32-浓度增加，oh-的浓度降低，使得钻井液ph值，下降，导致常用钻井液处理剂尤其是稀释剂不能发挥有效作用，从而使得钻井液的性能发生变化。
42.co2污染钻井液的根本原因是由于co2导致钻井液中黏土颗粒zeta电位(绝对值)降低，发生絮凝，从而导致钻井液增稠。同时，造成钻井液中护胶剂在黏土上的解吸附，导致滤失量增大。
43.由图1所示，金属纳米粒子水分散液产生的二维阵列过程中引入多种弱碱性的含硫多氮分子，能够通过配位交联形成新型的金纳米阵列-弱碱吸收剂复合结构，且含硫多氮化合物位点和纳米金位点可分别对co2进行双功能吸收活化和催化转化，利用该复合结构进行的co2吸收测试显示，该材料在气相、液相中均具有较好的吸收效果。
44.本发明为防止高温降解，选用含有c＝c不饱和双键的单体进行聚合反应就可以得到主链为用c-c键的聚合物。由于c-c单键平均键能很大，所以以c-c键为主链形成的聚合物的抗温能力强，不容易发生高温降解。为了减少高温去水化作用，在聚合物分子的主要水化基团选用亲水性强的磺酸基和羧基，使处理剂吸附在粘土颗粒表面时能够形成厚的水化膜，使钻井液具有较强的热稳定性。在设计的分子结构中，侧链引入具有较强吸附性的酰胺基团，使聚合物分子能够很好的吸附于粘土颗粒表面。合成的聚合物稀释剂要具有合适的分子量，因为分子量太小则不能形成多点吸附，分子量太大容易导致钻井液调化，因此，分子量范围一般控制在1000-5000之间，并且聚合物含有亲水基团，吸附在粘土表面，阻止了粘土的聚结，防止粘土形成空间网状结构，起到分散的作用。
45.引发剂浓度也是聚合反应的一个重要影响因素，引发剂浓度大小直接影响了反应的速率，以及反应产物的生成。固定反应条件为n(am):n(amps):n(ia)＝1:2:2单体浓度20％，反应温度60℃，反应时间4h，调节ph值为7，在不同的引发剂浓度条件下合成聚合物稀释剂，将制得的稀释剂加入淡水基浆中，加量为0.5％，测其降粘率和特性粘数，实验结果见图4，由图3可看出随着引发剂加量的增加，降粘率也随之增加，降粘率最高为而随着引发剂加量的增加，特性粘数先增加后降低。
46.在一定范围内产物的分子量与引发剂浓度的平方根成反比，而反应速率与引发剂浓度的平方根成正比，因此引发剂浓度过大时，反应速率增加过快，导致升温速率也加快，反应热不易散开，致使分子链断裂，同时引发活性中心增多，使单体自由基浓度增大，由此自由基终止的机会增多，从而造成特性粘度降低即分子量降低而引发速率过快，体系迅速升温。且引发剂浓度过高时，共聚物平均分子量较小，分子结构中的支链过多，亦不利于控制失水量。
47.当引发剂加量过低时，反应活性中心太少，反应速率慢，单体聚合不充分，所以降粘率较低，特性粘数较低；而当引发剂加量增加时，初始自由基数目增加，反应程度增加，降
粘率增大；引发剂加量继续增加，可通过图3可知，达到降粘率最高值时，此时的浓度过大，易产生高分子聚合物，得到的聚合物分子量变大，容易与粘土颗粒形成多点吸附成网状结构，使降粘率有所降低。引发剂浓度太高，会使体系反应初期产生大量自由基，加速聚合速率，特性粘数降低。
48.聚合物的粘性流动是分子链重心沿流动方向发生位移和链间相互滑移的结果，分子量越大，一个分子链包含的链段数目就越多，则会发生缠结，分子间相互位移困难，为了实现重心的迁移，需要完成的链段协同作用的次数就越多，所以聚合物熔体的剪切粘度随分子量的增加而增加，分子量大的流动性就差，表观粘度就高。
49.反应时间对聚合反应产物也有影响。固定反应条件为n(am):n(amps):n(ia)＝1:2:2，单体浓度20％，引发剂加量为0.3％，反应温度60℃，调节ph值为7，在不同的反应时间条件下合成聚合物稀释剂，将制得的稀释剂加入淡水基浆中，加量为0.5％，测其降粘率和特性粘数，实验结果见图4。反应时间对降粘率也有一定影响，随着反应时间的增加，降粘率先增加后降低，特性粘数逐渐降低后趋于平缓。当反应时间达时，聚合物的降粘效果最佳。这是因为随着反应时间增加，活性中心在引发剂作用下逐渐生成，降粘率上升；延长反应时间，聚合反应不断进行，反应单体在反应体系中的浓度相对降低，降粘率下降。反应的时间越长，反应单体在恒定总容量的反应体系中浓度相对降低，生成的共聚物的平均分子量就越小，特性粘数越低，这种趋势随时间的延长而效果减弱，直至趋于平缓。在反应时间4h为时降粘率最高，为84.9％，因此选择反应时间为4h。
50.ph值有时对于聚合反应也有一定的影响。有些单体在不同的值的反应环境下会有不同的反应。固定反应条件为n(am):n(amps):n(ia)＝1:2:2，单体浓度20％，引发剂加量为0.5％，反应温度80℃，反应时间4h，在不同的ph值条件下合成聚合物稀释剂，将制得的稀释剂加入淡水基浆中，加量为0.5％，测其降粘率和特性粘数。实验结果见图5，ph值对于该聚合反应产物在钻井液中的降粘率有一定的影响。当ph值为6时，产品的降粘效果最好，降粘率为90.4％。特性粘数先增加后降低，ph值较小时，会促进引发剂过硫酸铵分解，使引发速率加快，活性中心增多，聚合度下降，特性粘数较低；ph值变大，使初级自由基活性增大，特性粘数增大。由降粘率来看，反应在弱酸的环境下生成的产物降粘效果较好。
51.碳酸根/碳酸氢根污染土浆的实验：
52.仪器与设备：
53.a)量筒：500ml，最小分度值5ml；
54.b)电子天平：感量0.001g；
55.c)秒表：精度0.1s；
56.d)高速搅拌器：gj-3s型或同类产品。负载转速为(11000
±
300)r/min；
57.e)六速旋转粘度计：应符合gb/t 16783.1-2006标准中6.3.1的要求；
58.f)滚子加热炉：gw300型或同类产品。控温范围0℃～300℃，控制灵敏度
±
3℃；
59.试剂：
60.a)无水碳酸钠：化学纯；
61.b)钻井液试验用钠膨润土：应符合sy/t 5490-93规定；
62.c)评价土：应符合sy 5444-92规定；
63.蒸馏水：应符合gb/t 6682-2008三级水规定。
64.实验方法：
65.污染浆的制备：在高搅杯中分别加入400ml蒸馏水、1g无水碳酸钠、16g配浆用钠膨润土，高速搅拌20min，室温密闭养护24h，即为未被污染的基浆。配制4杯基浆。
66.在上述基浆中的3杯制备好的污染浆中，加入6.4克碳酸钠，高速搅拌30min，即为受污染土浆。
67.在其中两杯受污染的土浆中分别加入0.5％和1.0％的稀释剂，高速搅拌10min，即为处理浆。
68.将空白基浆、污染浆、处理浆分放入老化罐，在140℃下老化16h，冷却至室温，高搅10min后，在室温条件下，测试污染浆和处理浆的流变性，api滤失量。
69.实验结果：
70.表1不同稀释剂加量对污染浆的作用规律
[0071][0072]
co2污染井浆中的实验：
[0073]
实验样品：
[0074]
现场井浆1：密度1.62g/cm3[0075]
现场井浆2：密度2.30g/cm3[0076]
实验方法：
[0077]
取井浆400ml两份，向其中一份加入1.0％的稀释剂，高速搅拌10分钟后。放入老化罐，在150℃下老化16h，冷却至室温，高搅10min后，在室温条件下，按按gb/t 16783的规定，测试污染浆和处理浆的流变性，hthp(150℃)滤失量以及滤液中碳酸根和碳酸氢根的含量。
[0078]
表2稀释剂在现场受co2污染的井浆中的作用效果
[0079][0080]
为便于进一步理解，附上表1和表2进行参考。从表1可以看出，基浆在收到污染以后，粘度和切力明显上升，滤失量增大。随着稀释剂在受污染浆中加量的增加，浆体粘度降低，滤失量降低，当稀释剂加量在1.0％时，受污染浆性能基本恢复值污染前水平。
[0081]
从表2可以看出，不管是在低密度还是高密度钻井液中，加入1％的稀释剂，均能使受co2污染的钻井液粘度和切力降低，流变性能改善，滤失量降低。同时，从碳酸根/碳酸氢根含量也可以看出，稀释剂具有降低从碳酸根/碳酸氢根含量，清除co2的作用。体现出了，明显的抗高温降粘作用和抗酸性气体污染的效果。
[0082]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。