一种强抑制水基钻井液及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钻井液，特别是涉及一种含有两性离子聚合物的钻井液。
【背景技术】
[0002] 针对页岩气地层裂隙发育、水敏性强、易发生井漏、垮塌、缩径等特点，在钻井过程 中解决井壁稳定、降阻减摩等问题就成为钻井液选择的重中之重。目前国内页岩气水平井 钻井过程中主要采用油基钻井液，但油基钻井液高成本、高污染是其自然缺陷。水基钻井液 如果能在抑制、封堵、润滑、携岩清砂等方面有所突破，在页岩气水平井的应用前景十分巨 大。目前来看，具有较大应用潜力的水基钻井液有葡萄糖苷类钻井液、聚胺类钻井液、聚合 醇钻井液、甲酸盐钻井液和硅酸盐钻井液等。这些钻井液体系还需要在现有的基础上继续 深化研究，开发配套处理剂，满足页岩气资源开发的需要，并且能够使钻井液体系朝着绿色 环保的方向发展。
[0003] 中国专利CN103146364A介绍了一种强抑制水基钻井液，它包括水、聚胺抑制剂、 包被抑制剂、水合物抑制剂、增粘剂、降滤失剂和液体润滑剂。钻井液可有效抑制深水浅部 地层井壁失稳，其抑制性与油基钻井液相当。页岩滚动回收率不高于95%。钻井液可解决深 水钻井中水合物的生成问题，可适用于3000m水深的钻井作业中。中国专利CN102250595A 公开了用于强水敏活性粘土地层的钻井液，由膨润土、部分水解聚丙烯酰胺、低粘聚阴离子 纤维素、磺酸盐共聚物增粘剂、氯化钾、聚合醇、胺基聚合物、脂肪醇醚磷酸酯、水组成，该钻 井液抑制性能和润滑性能接近于油基钻井液。中国专利CN103013470A公开了一种用于超 深侧钻井泥岩强抑制钻井液体系，由膨润土浆、碱性调节剂、页岩抑制剂、金属离子聚合物、 褐煤树脂、磺化酚醛树脂、阳离子乳化浙青、润滑剂、乳化剂、原油以及超细碳酸钙，所述钻 井液体系对泥页岩抑制性强，页岩回收率高达90. 33%，抗高温达150°C;老化前后摩阻系数 分别小于〇. 1。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种强抑制水基钻井液及其制备方法和应用。 本发明钻井液通过氯化钙与两性离子聚合物的协同作用，使得钻井液具有优良的流变性 能、滤失控制性能、抑制性能、封堵性能、润滑性能等。
[0005] 本发明提供一种水基钻井液，所述钻井液包括水、两性离子聚合物、无水氯化钙、 土相、流型调节剂，其中，以水的重量为基准，两性离子聚合物用量为水用量的〇. 5_5wt%，优 选为I. 5-3wt% ;无水氯化钙用量为水用量的20-70wt%，优选30-60wt% ;土相用量为水用量 的0-6wt%，优选为I. 5-4wt%，流型调节剂用量为水用量的0. 1-0. 4wt%，优选0. 2-0. 3wt%。
[0006] 本发明水基钻井液中，所述土相为钠基膨润土、钙基膨润土、凹凸棒石、海泡石中 的一种或几种。
[0007] 本发明水基钻井液中，所述流型调节剂为黄原胶、瓜尔胶、文莱胶中的一种或几 种。
[0008] 本发明水基钻井液中，还可以包括加重剂，所述加重剂为重晶石、石灰石、赤铁矿， 方铁矿，氧化铁，碳酸镁中的一种或几种，可根据钻井液密度的要求来决定加入量。
[0009] 本发明水基钻井液中，还可以包括页岩抑制剂，所述页岩抑制剂用量为水用量的 0.l-2wt%，优选为l_2wt%。所述页岩抑制剂可以氯化钾、硫酸钾、硝酸钾、氯化铵、硫酸铵、硝 酸铵、聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇丙二醇嵌段聚合物中的一种或几种。
[0010] 本发明所述两性离子聚合物为N，N-二甲基烯丙基丙磺酸盐/丙烯酰胺二元共聚 物，具体结构如下：
本发明所述两性离子聚合物的合成方法包括如下步骤： (1) 首先分别称取摩尔比为2:1~8:1的N，N-二甲基烯丙基胺和1，3-丙磺酸内酯， 并向N，N-二甲基烯丙基胺中加入1，3-丙磺酸内酯，然后在10~60°C的温度下反应0. 5~ 4h，最后经过滤、抽提、干燥制得N，N-二甲基烯丙基丙磺酸盐； (2) 按照（5~2) : (5~8)的摩尔比分别称取步骤（1)的得到的N，N-二甲基烯丙基 丙磺酸盐和丙烯酰胺，加入溶剂溶解后通入N2除氧反应0. 5~lh，同时升温至50~70°C， 恒温5~IOmin后加入引发剂反应4~6h，反应后得到凝胶状固体，用丙酮沉淀得白色沉淀 物； (3) 将步骤（2)得到的沉淀物在100~120°C下干燥16~24h后粉碎，最终得两性离 子共聚物。
[0011] 本发明所述两性离子聚合物的合成方法中，步骤（1)中N，N-二甲基烯丙基胺和1， 3_丙磺酸内酯的摩尔比为3:1~5:1。
[0012] 本发明方法中，步骤（1)中1，3_丙磺酸内酯滴加到N，N-二甲基烯丙基胺中或者直 接一次性加入到N，N-二甲基烯丙基胺中，优选直接加入方式。采用直接一次性加入时称取 的N，N-二甲基烯丙基胺和1，3-丙磺酸内酯摩尔比为5:1~8:1。采用滴加方式时N，N-二 甲基烯丙基胺和1，3-丙磺酸内酯摩尔比为2:1~5:1，滴加前可以将1，3-丙磺酸内酯加热 熔化。
[0013] 本发明所述两性离子聚合物的合成方法中，步骤（1)的反应条件为在20~55°C的 温度下反应1~3h。
[0014] 本发明所述两性离子聚合物的合成方法中，步骤（1)中抽提溶剂选用甲醇或乙醇， 优选乙醇，抽提时间为1~3h。所述干燥为在30~50°C条件下干燥10~20h。
[0015] 本发明所述两性离子聚合物的合成方法中，步骤（2)中所述溶剂为去离子水或 者盐水，加入溶剂后单体总质量浓度为20%~40%，所述盐水中加入的NaCl浓度为0~ 0?5mol/L〇
[0016] 本发明所述两性离子聚合物的合成方法中，步骤（2)中使用的引发剂为过硫酸钾、 过硫酸钠、过硫酸铵中任一种；所述引发剂用量占单体总质量〇. 4%~0. 7%。
[0017] 本发明所述水基钻井液通过如下方法制备，首先按照比例分别称取水、两性离子 聚合物、无水氯化钙、土相、流型调节剂，然后向水中加入土相，充分水化或分散后，加入流 型调节剂，高速搅拌使其充分溶解后加入无水氯化钙，加入无水氯化钙后温度上升，待降至 室温后加入两性离子聚合物，高速搅拌分散后静置养护24~48h，得到钻井液。
[0018] 本发明涉及一种水基钻井液在钻井过程中的应用，在钻井过程中，可以现配现用。
[0019] 与现有技术相比，本发明钻井液具有如下优点： (1)本发明水基钻井液中〇&(：12和两性离子聚合物起核心作用，二者协同作用起到多 功能效果，包括流变性能、滤失控制、抑制性能、润滑性能等。其中两性离子聚合物的粘度随 CaCl2含量的增加而逐渐增大，体现明显的增粘提切效果；由于高含量CaCl2的存在，屏蔽 了两性离子聚合物结构中的内盐结构，使得所含的磺酸基和铵基充分暴露，进一步作用于 土相，增强了体系的降滤失能力；高含量〇 &(：12和两性离子聚合物自身均具有较强的抑制性 能，它们的协同使得体系的抑制性更强；体系的润滑性能已经达到或超过了油基钻井液的 水平；以上整体的优异性能是目前水基钻井液所欠缺的。
[0020] (2)本发明两性离子聚合物合成方法将1，3-丙磺酸内酯加入到过量的N，N-二甲 基烯丙基胺中，过量的N，N-二甲基烯丙基胺不仅可以作为原料参与反应，而且也能够起到 溶剂的作用，避免了常规方法中使用有毒的丙酮为溶剂，是一种绿色的合成方法。
[0021] (3)本发明两性离子聚合物合成方法通过控制1，3-丙磺酸内酯和N，N-二甲基烯 丙基胺的摩尔比及投料方式，解决了 1，3_丙磺酸内酯和N，N-二甲基烯丙基胺按照常规方 法直接进行反应时(一般为等摩尔比反应)，不能得到单体N，N-二甲基烯丙基丙磺酸盐的问 题。
[0022] (4)本发明方法制备的两性离子共聚物，由于N，N-二甲基烯丙基丙磺酸盐为大分 子聚合单体，其共聚得到的聚合物具有长支链。在水溶液中由于长支链的存在，增加了聚合 物的空间位阻，增大了聚合物的流体力学体积，导致聚合物受温度影响断裂水解的趋势减 少，从而提高了其耐温的性能，耐温可达180°C。
[0023] (5)本发明方法制备的两性离子共聚物属内盐型两性离子聚合物，与传统两性离 子聚合物不同的是，其在淡水中分子间由于静电吸引力作用，表现为分子链蜷曲。而在高盐 高钙溶液中，由于小分子盐的存在，屏蔽了分子间的缔合作用，将分子间的静电吸引力转变 为静电排斥力，使得分子链更加舒展。它所表现出的明显"反聚电解质"效应使聚合物的性 能随盐量的增加逐渐增强。可抗NaCl饱和及CaCl2饱和，这是目前几乎所有的两性离子聚 合物都不具备的抗盐抗钙性能。本发明方法得到的两性离子共聚物结构中还含有大量的季 铵阳离子基团，使聚合物具有优越的页岩抑制性能。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合实施例来具体说明本发明方法的作用和效果，但以下实施例不构成对本 发明方案的限制。
[0025] 实施例1 首先制备N，N-二甲基烯丙基丙磺酸盐。
[0026]称取430gN，N-二甲基烯丙基胺（DA)倒入反应器中，然后放入恒温水浴锅中，加热 并开始搅拌。再称取122gl，3-丙磺酸内酯（PS)，直接加入到DA中，反应温