发明内容
本发明是为解决降滤失剂在200℃高温条件下发生分解、抗盐抗钙能力差以及性能较好的降滤失剂价格昂贵的问题,而提供一种抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂及其制备方法。
本发明的一种抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂由丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、腐植酸钠、水和引发剂经共聚反应制备而成;所述的丙烯酰胺与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1:(0.5~1);所述的丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为1:(0.20~0.5);所述的丙烯酰胺与腐植酸钠的质量比为1:(0.7~1.5);所述的丙烯酰胺与水的质量比为1:(3.5~6);所述的引发剂为复配水溶液,其中所述的复配水溶液的溶质为过硫酸铵和亚硫酸氢钠,且所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1%~1.5%,所述的过硫酸铵与亚硫酸氢钠的质量比为1:1,其中所述的复配水溶液的溶剂为水;所述的丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和腐植酸钠的总质量与复配水溶液中溶质的质量之比为100:(0.3~0.9)。
本发明的一种抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂的制备方法按以下步骤进行:
一、将丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和腐植酸钠依次加入到水中,搅拌溶解后,得到混合溶液;
二、将步骤一得到的混合溶液的pH值调节至pH值为7~11,然后将混合溶液从室温加热至温度为50℃~70℃,通入氮气25min~35min后,在氮气氛围保护下加入引发剂,在搅拌速度为800r/min~1200r/min的条件下,反应2h~4h,冷却至室温后,通过剪切造粒、烘干、粉碎,得到抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂;
步骤一中所述的丙烯酰胺与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1:(0.5~1);步骤一中所述的丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为1:(0.20~0.5);步骤一中所述的丙烯酰胺与腐植酸钠的质量比为1:(0.7~1.5);步骤一中所述的丙烯酰胺与水的质量比为1:(3.5~6);
步骤二中所述的引发剂为复配水溶液,其中所述的复配水溶液的溶质为过硫酸铵和亚硫酸氢钠,且所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1%~1.5%,所述的过硫酸铵与亚硫酸氢钠的质量比为1:1,其中所述的复配水溶液的溶剂为水;
步骤一中所述的丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和腐植酸钠的总质量与步骤二中所述的复配水溶液中溶质的质量之比为100:(0.3~0.9)。
本发明的优点在于:
一、本发明的降滤失剂在高密度钻井液中至少能抵抗200℃高温,本发明的降滤失剂在温度为40℃至240℃左右失重为分子中吸附水脱去,当温度升至250℃时,失重为聚合物开始分解,主要与侧链上的酰胺基、磺酸基的热分解有关,在温度为400℃左右聚合物的质量分数依然在50%以上,说明本发明的降滤失剂有较高的热稳定性,且降滤失效果较好、无稠化现象。
二、本发明可用于高温高压的深井、超深井及水平井,在NaCl和CaCl2的含量为20%时,滤失量仍控制在25ml以内,说明本发明的降滤失剂抗盐抗钙抗污染能力较强,可以起到良好的降滤失作用。
三、本发明的降滤失剂生产成本较低,特别是褐煤腐殖酸价格低廉,适合现场使用。
四、本发明的制备方法和所需设备条件简单,易于实施,既能满足深井超深井钻井施工中对钻井液降滤失剂的要求,又能使钻井液成本降低5%以上,获得良好的经济效益和社会效益。
具体实施方式
具体实施方式一:本实施方式的一种抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂由丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、腐植酸钠、水和引发剂经共聚反应制备而成;所述的丙烯酰胺与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1:(0.5~1);所述的丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为1:(0.20~0.5);所述的丙烯酰胺与腐植酸钠的质量比为1:(0.7~1.5);所述的丙烯酰胺与水的质量比为1:(3.5~6);所述的引发剂为复配水溶液,其中所述的复配水溶液的溶质为过硫酸铵和亚硫酸氢钠,且所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1%~1.5%,所述的过硫酸铵与亚硫酸氢钠的质量比为1:1,其中所述的复配水溶液的溶剂为水;所述的丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和腐植酸钠的总质量与复配水溶液中溶质的质量之比为100:(0.3~0.9)。
本实施方式的降滤失剂在高密度钻井液中至少能抵抗200℃高温,本实施方式的降滤失剂在温度为40℃至240℃左右失重为分子中吸附水脱去,当温度升至250℃时,失重为聚合物开始分解,主要与侧链上的酰胺基、磺酸基的热分解有关,在温度为400℃左右聚合物的质量分数依然在50%以上,说明本实施方式的降滤失剂有较高的热稳定性,且降滤失效果较好、无稠化现象。
本实施方式可用于高温高压的深井、超深井及水平井,在NaCl和CaCl2的含量为20%时,滤失量仍控制在25ml以内,说明本实施方式的降滤失剂抗盐抗钙抗污染能力较强,可以起到良好的降滤失作用。
本实施方式的降滤失剂生产成本较低,特别是褐煤腐殖酸价格低廉,适合现场使用。
具体实施方式二:本实施方式与具体实施方式一不同的是:所述的丙烯酰胺与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1:0.75;所述的丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为1:0.25;所述的丙烯酰胺与腐植酸钠的质量比为1:1;所述的丙烯酰胺与水的质量比为1:5。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三:本实施方式与具体实施方式一或二不同的是:所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1.2%。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四:本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是:所述的丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和腐植酸钠的总质量与复配水溶液中溶质的质量之比为100:0.7。其它步骤与参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五:本实施方式的一种抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂的制备方法按以下步骤进行:
一、将丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和腐植酸钠依次加入到水中,搅拌溶解后,得到混合溶液;
二、将步骤一得到的混合溶液的pH值调节至pH值为7~11,然后将混合溶液从室温加热至温度为50℃~70℃,通入氮气25min~35min后,在氮气氛围保护下加入引发剂,在搅拌速度为800r/min~1200r/min的条件下,反应2h~4h,冷却至室温后,通过剪切造粒、烘干、粉碎,得到抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂;
步骤一中所述的丙烯酰胺与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1:(0.5~1);步骤一中所述的丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为1:(0.20~0.5);步骤一中所述的丙烯酰胺与腐植酸钠的质量比为1:(0.7~1.5);步骤一中所述的丙烯酰胺与水的质量比为1:(3.5~6);
步骤二中所述的引发剂为复配水溶液,其中所述的复配水溶液的溶质为过硫酸铵和亚硫酸氢钠,且所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1%~1.5%,所述的过硫酸铵与亚硫酸氢钠的质量比为1:1,其中所述的复配水溶液的溶剂为水;
步骤一中所述的丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和腐植酸钠的总质量与步骤二中所述的复配水溶液中溶质的质量之比为100:(0.3~0.9)。
本实施方式的制备方法和所需设备条件简单,易于实施,既能满足深井超深井钻井施工中对钻井液降滤失剂的要求,又能使钻井液成本降低5%以上,获得良好的经济效益和社会效益。
具体实施方式六:本实施方式与具体实施方式五不同的是:步骤一中所述的丙烯酰胺与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的质量比为1:0.75;步骤一中所述的丙烯酰胺与丙烯酸的质量比为1:0.25;步骤一中所述的丙烯酰胺与腐植酸钠的质量比为1:1;步骤一中所述的丙烯酰胺与水的质量比为1:5。其它步骤与参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七:本实施方式与具体实施方式五或六不同的是:步骤二中所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1.2%。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式八:本实施方式与具体实施方式五至七之一不同的是:步骤一中所述的丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸和腐植酸钠的总质量与步骤二中所述的复配水溶液中溶质的质量之比为100:0.7。其它步骤与参数与具体实施方式五至七之一相同。
具体实施方式九:本实施方式与具体实施方式五至八之一不同的是:步骤二中将混合溶液的pH值调节至9,然后将混合溶液加热至温度为60℃,通入氮气30min后,在氮气氛围保护下加入步骤一引发剂,在搅拌速度为1000r/min的条件下,反应3h。其它步骤与参数与具体实施方式五至八之一相同。
具体实施方式十:本实施方式与具体实施方式五至九之一不同的是:步骤二中所述的烘干具体操作如下:在温度为100℃~120℃下烘干至含水率低于7%为止。其它步骤与参数与具体实施方式五至九之一相同。
用以下试验验证本发明有益效果
试验一、一种抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂的制备方法按以下步骤进行:
一、将丙烯酰胺40g、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸20g、丙烯酸10g和腐植酸钠40g依次加入到200g水中,搅拌溶解后,得到混合溶液;
二、将步骤一得到的混合溶液的pH值调节至pH值为8,然后将混合溶液从室温加热至温度为60℃,通入氮气30min后,在氮气氛围保护下加入63.77g引发剂,在搅拌速度为1000r/min的条件下,反应3h,冷却至室温后,通过剪切造粒、烘干、粉碎,得到抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂;
步骤二中所述的引发剂为复配水溶液,其中所述的复配水溶液的溶质为过硫酸铵和亚硫酸氢钠,且所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1.2%,所述的过硫酸铵与亚硫酸氢钠的质量比为1:1,其中所述的复配水溶液的溶剂为水;
步骤二中所述的烘干是在温度为110℃下烘干至含水率低于7%。
(一)采用NICOLET-5DXFT-IR光谱仪测定试验一制备的抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂的红外光谱,KBr压片,得到如图1所示的红外谱图。
由图1可以看出,波数3439cm-1为-NH2的伸缩振动峰,2983.1cm-1,2940.3cm-1为脂肪族C-H键伸缩振动,即-CH3与-CH2的伸缩振动峰,1680.1m-1为酰胺基-CONH2中C=O的伸缩振动,1544.7cm-1附近芳香族C=O伸缩振动,1453.5cm-1处为亚甲基弯曲振动特征峰,1189.2cm-1处附近为磺酸基不对称吸收峰,1045.7cm-1附近为磺酸基对称特殊吸收峰,以上这些峰值包括了AA、AM、AMPS与腐殖酸单体官能团的吸收峰,并且在1635~1620cm-1处没有出现碳与碳的双键的吸收峰,表明单体之间发生了较为充分的接枝共聚反应。
(二)采用SDT2960热重/差热分析仪分析试验一制备的抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂的热分解温度,升温速度为10℃/min,测量范围为38℃~450℃,得到如图2所示的TG曲线图。
由图2可以看出,40℃至240℃左右失重为分子中吸附水脱去,当温度升至250℃时,失重为聚合物开始分解,主要与侧链上的酰胺基、磺酸基的热分解有关。在400℃左右聚合物的质量分数依然在50%以上,说明产物有较高的热稳定性。
(三)对试验一制备的抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂的性能测试试验:
基浆溶液的配制:向400ml水中加入钠基膨润土16g和碳酸钠1g,在搅拌速度为800r/min下搅拌20min,在室温下水化24h。
测试1:试验一制备的抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂样品降滤失性能、流变性能测定
将试验一制备的抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂加入到基浆溶液中,降滤失剂在基浆溶液中的质量浓度分别为1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%,在搅拌速度为800r/min下搅拌20min后于200℃恒温滚动老化16h,冷却至室温后在搅拌速度为800r/min下搅拌5min,用ZNS型失水仪测试泥浆老化后的滤失量和用ZNN-D6型测试泥浆的流变性能,结果见表1。
表1降滤失剂高温老化后流变性能和降滤失性能
从表1可以看出,泥浆的表观粘度、塑性粘度和动切力随着降滤失剂的增加而增加,合成的降滤失剂有较好的提粘切能力,随着降滤失剂的增加,泥浆的失水量总体呈降低趋势,其中在聚合物加量<2%时,随着共聚物的增加,泥浆的失水量明显下降,当聚合物加量>2%时,随着共聚物的增加,泥浆的失水量下降缓慢,综合考虑,降滤失剂的加量为2%。
测试2:试验一制备的抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂样品抗盐、抗钙性能评价
向基浆溶液中加入2%试验一制备的抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂,分别加入不同量的NaCl、CaCl2搅拌均匀后,经高温滚子炉200℃老化16h,冷却至室温后在搅拌速度为800r/min下搅拌5min,用ZNS型失水仪测试泥浆老化后的滤失量和用ZNN-D6型测试泥浆的流变性能,结果见表2。
表2降滤失剂高温老化抗盐抗钙流变性能和降滤失性能
从表2可以看出,随着NaCl、CaCl2质量的增加,泥浆的表观粘度、塑性粘度和动切力均有所下降,滤失量也随着NaCl、CaCl2质量的增加而增大,这是由于随着NaCl、CaCl2浓度的提高,液体中可溶性盐增加,ξ电位降低,粒子水化作用减弱,滤饼的质量下降渗透率增大,导致体系的滤失量增大,但在NaCl、CaCl2加量为20%时,滤失量仍控制在25ml以内,说明该降滤失剂有较好的抗盐抗钙性能。
试验二、一种抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂的制备方法按以下步骤进行:
一、将丙烯酰胺30g、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸20g、丙烯酸10g和腐植酸钠50g依次加入到150g水中,搅拌溶解后,得到混合溶液;
二、将步骤一得到的混合溶液的pH值调节至pH值为9,然后将混合溶液从室温加热至温度为65℃,通入氮气30min后,在氮气氛围保护下加入63.77g引发剂,在搅拌速度为1000r/min的条件下,反应3h,冷却至室温后,通过剪切造粒、烘干、粉碎,得到抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂;
步骤二中所述的引发剂为复配水溶液,其中所述的复配水溶液的溶质为过硫酸铵和亚硫酸氢钠,且所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1.2%,所述的过硫酸铵与亚硫酸氢钠的质量比为1:1,其中所述的复配水溶液的溶剂为水;
步骤二中所述的烘干是在温度为110℃下烘干至含水率低于7%。
试验三、一种抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂的制备方法按以下步骤进行:
一、将丙烯酰胺30g、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸30g、丙烯酸10g和腐植酸钠40g依次加入到150g水中,搅拌溶解后,得到混合溶液;
二、将步骤一得到的混合溶液的pH值调节至pH值为10,然后将混合溶液从室温加热至温度为55℃,通入氮气30min后,在氮气氛围保护下加入63.77g引发剂,在搅拌速度为1000r/min的条件下,反应3h,冷却至室温后,通过剪切造粒、烘干、粉碎,得到抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂;
步骤二中所述的引发剂为复配水溶液,其中所述的复配水溶液的溶质为过硫酸铵和亚硫酸氢钠,且所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1.2%,所述的过硫酸铵与亚硫酸氢钠的质量比为1:1,其中所述的复配水溶液的溶剂为水;
步骤二中所述的烘干是在温度为110℃下烘干至含水率低于7%。
试验四、一种抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂的制备方法按以下步骤进行:
一、将丙烯酰胺40g、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸25g、丙烯酸15g和腐植酸钠30g依次加入到200g水中,搅拌溶解后,得到混合溶液;
二、将步骤一得到的混合溶液的pH值调节至pH值为8,然后将混合溶液从室温加热至温度为65℃,通入氮气30min后,在氮气氛围保护下加入63.77g引发剂,在搅拌速度为1000r/min的条件下,反应3h,冷却至室温后,通过剪切造粒、烘干、粉碎,得到抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂;
步骤二中所述的引发剂为复配水溶液,其中所述的复配水溶液的溶质为过硫酸铵和亚硫酸氢钠,且所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1.2%,所述的过硫酸铵与亚硫酸氢钠的质量比为1:1,其中所述的复配水溶液的溶剂为水;
步骤二中所述的烘干是在温度为110℃下烘干至含水率低于7%。
试验五、一种抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂的制备方法按以下步骤进行:
一、将丙烯酰胺35g、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸20g、丙烯酸20g和腐植酸钠35g依次加入到175g水中,搅拌溶解后,得到混合溶液;
二、将步骤一得到的混合溶液的pH值调节至pH值为9,然后将混合溶液从室温加热至温度为60℃,通入氮气30min后,在氮气氛围保护下加入63.77g引发剂,在搅拌速度为1000r/min的条件下,反应3h,冷却至室温后,通过剪切造粒、烘干、粉碎,得到抗高温钻井液用腐殖酸接枝型降滤失剂;
步骤二中所述的引发剂为复配水溶液,其中所述的复配水溶液的溶质为过硫酸铵和亚硫酸氢钠,且所述的复配水溶液中溶质的质量浓度为1.2%,所述的过硫酸铵与亚硫酸氢钠的质量比为1:1,其中所述的复配水溶液的溶剂为水;
步骤二中所述的烘干是在温度为110℃下烘干至含水率低于7%。