一种抑制性强的钻井液及其制备方法与应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油钻井过程中用钻井液，特别是涉及一种含两性离子共聚物的钻井 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，本发明提供一种抑制性强的水基钻井液及其制备方法与应 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甲基丙烯酰氧乙基_N，N-二甲基丙磺酸盐/丙烯 酰胺/4-乙烯基吡啶丙磺酸盐三元共聚物，具体结构如下：
本发明所述两性离子聚合物的制备方法包括如下步骤： (1) 首先分别称取质量比为2:1~9:1的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和1，3_丙磺酸内 酯，并向甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中加入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、干燥制得甲基丙烯酰氧乙基-N，N-二甲基丙磺酸盐； (2) 首先按照摩尔比为I:I. 1~1:1. 3分别称取4-乙烯基吡啶和1，3-丙磺酸内酯， 然后称取有机溶剂和助剂，有机溶剂与4-乙烯基吡啶和1，3-丙磺酸内酯的总质量比为 2:1~8:1，助剂与4-乙烯基吡啶、1，3-丙磺酸内酯和有机溶剂的总质量比为0. 001~ 〇. 01，然后将有机溶剂平均分成三份，分别与4-乙烯基吡啶、1，3-丙磺酸内酯、助剂溶解混 合，将得到的三种混合溶液依次加入反应器，在20°C~90°C条件下反应1~10h，然后经过 滤、洗涤、干燥制得4-乙烯基吡啶丙磺酸内鐺盐； (3) 按照1. 5~3 :6~7 :0. 5~1. 5的摩尔比分别称取步骤（1)的得到的甲基丙烯酰 氧乙基-N，N-二甲基丙磺酸盐、丙烯酰胺和步骤（2)得到的4-乙烯基吡啶丙磺酸盐，加入 溶剂溶解后通入N2除氧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； (4) 将步骤（3)得到的沉淀物在100~120°C下干燥16~24h后粉碎，最终得 DMAPS-AM-VPPS两性离子共聚物。
[0011] 本发明两性离子聚合物的制备方法中，步骤（1)中甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和1， 3-丙磺酸内酯的质量比为2. 5:1~8:1。
[0012] 本发明两性离子聚合物的制备方法中，步骤（1)中1，3_丙磺酸内酯滴加到甲基丙 烯酸二甲氨基乙酯中或者直接一次性加入到甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中，优选直接加入方 式。采用直接一次性加入时称取的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和1，3_丙磺酸内酯质量比为 5.2:1~7. 8:1。采用滴加方式时甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和1，3-丙磺酸内酯质量比为 2. 5:1~5:1，滴加前可以将1，3-丙磺酸内酯加热熔化。
[0013] 本发明两性离子聚合物的制备方法中，步骤（1)的反应条件为在20~55°C的温度 下反应1~3h。
[0014] 本发明两性离子聚合物的制备方法中，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] 本发明两性离子聚合物的制备方法中，步骤（2)中所述有机溶剂为苯、甲苯、乙酸 乙酯、丙酮、环己酮、碳酸丙烯酯中的任一种。
[0016] 本发明两性离子聚合物的制备方法中，步骤（2)中所述助剂为羟胺类化合物和硝 基苯类化合物，其中羟胺类化合物为二甲基羟胺、二乙基羟胺、二丙基羟胺、异丙基羟胺、二 丁基羟胺、甲基乙基羟胺中的任一种；硝基苯类化合物为1，2-二硝基苯、1，3-二硝基苯、 1，4-二硝基苯、1，3, 5-三硝基苯中的任一种。
[0017] 本发明两性离子聚合物的制备方法中，步骤（2)中所述过滤操作为将反应得到的 产物转移至漏斗中过滤除去溶剂及未反应的原料，优选为使用布氏漏斗进行减压抽滤。
[0018] 本发明两性离子聚合物的制备方法中，步骤（2)中所述洗涤操作为用步骤（2)中 所述有机溶剂洗涤2~5次。
[0019] 本发明两性离子聚合物的制备方法中，步骤（2)中所述干燥为在40~60°C下干燥 10 ~20h〇
[0020] 本发明两性离子聚合物的制备方法中，步骤（3)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。
[0021] 本发明所述水基钻井液通过如下方