本發(fā)明涉及石油、天然氣、煤層氣鉆井作業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無固相鉆井液用抗高溫提切劑及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，深井超深井?dāng)?shù)量越來越多，對鉆井液的抗溫抗鹽能力提出了新的挑戰(zhàn)，尤其是目前超過4000m，甚至5000m的深水平井越來越多，為保證井眼凈化、攜砂和有效保護(hù)儲層，常采用細(xì)顆粒固相少的無固相鉆井液。提切劑是無固相鉆井液的核心處理劑。

目前鉆井液最常用的提切劑是生物聚合物，例如黃原膠，但是生物聚合物在清水中抗溫能力比較差，在鹽水體系中最高抗溫也不超過148℃，而且高溫條件下，生物聚合物就會發(fā)生水解，分子鏈發(fā)生斷裂，導(dǎo)致處理劑性能明顯下降。國外針對鉆井液抗高溫提切劑的研究，尤其是在替代黃原膠方面，開展了很多研究，盡管其中很多公司宣稱可以在高溫領(lǐng)域替代黃原膠，但是真正達(dá)到和黃原膠流變性類似的處理劑還是很少，尤其現(xiàn)場應(yīng)用報道更是少之又少。國內(nèi)關(guān)于抗高溫提切劑的研制報道較少，主要是在天然聚合物的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)改性提高其抗溫能力，但是通過化學(xué)改性一方面沒有達(dá)到降低成本的目標(biāo)，另一方面，天然聚合物改性后的抗溫能力仍然有限，遇到了瓶頸。

因此，迫切需要研制一種提切劑，不但具有類似生物聚合物的剪切稀釋性，同時能有效地抗高溫抗鹽，以滿足深井鉆井液的使用，解決目前生物聚合物處理劑高溫易水解和抗溫能力差的難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能夠有效替代現(xiàn)有常用生物聚合物類提切劑且耐高溫耐鹽的無固相鉆井液用抗高溫提切劑。

本發(fā)明的另一目的是提供一種制備上述無固相鉆井液用抗高溫提切劑的制備方法。

為此，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種無固相鉆井液用抗高溫提切劑，包括60～70重量份的溶劑水、15～25重量份的第一單體、20～30重量份的第二單體、5～7重量份的陽離子單體水溶液、2～3重量份的5wt.％的edta水溶液、2～3重量份的3wt.％的還原劑水溶液、2～3重量份的3wt.％氧化劑水溶液、1～2重量份的鏈轉(zhuǎn)移劑和占第一單體、第二單體和陽離子單體水溶液總質(zhì)量的0.1～0.2％的硫酸亞鐵銨。

所述第一單體為2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，甲基丙烯磺酸鈉、對乙烯基苯磺酸鈉、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鈉或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鉀。

所述第二單體為丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺或n,n-二乙基丙烯酰胺。

所述陽離子單體為甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨或二甲基二烯丙基氯化銨。

共聚物的結(jié)構(gòu)式如下所示為例：

其中，r1、r2分別代表：—h，—ch3或—ch2ch3；r3代表：—cooch2ch2—或—ch2ch2—；r4代表：—h，—ch3或—ch2ch＝ch2。

根據(jù)以上分子式可以看出，通過分子設(shè)計，將上述三種單體在氧化還原體系條件下發(fā)生聚合,對應(yīng)生成的聚合物分子上既帶有正電性，又帶有負(fù)電性，通過正負(fù)電性的吸引和排斥作用，使得分子鏈充分舒展，在空間內(nèi)相互作用，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相對于線性聚合物，能夠在限定分子量的情況下，達(dá)到增大體系結(jié)構(gòu)粘度的目的。

所述還原劑優(yōu)選為亞硫酸鈉、亞硫酸氫鈉、焦亞硫酸鈉或硫代硫酸鈉。

所述氧化劑優(yōu)選為過硫酸鉀、過硫酸銨、過硫酸鈉、偶氮二異丁腈或過氧化苯甲酰。

所述鏈轉(zhuǎn)移劑優(yōu)選為正丁醇、異丙醇或十二硫醇。

一種無固相鉆井液用抗高溫提切劑的制備方法，包括如下具體步驟：

s1、將第一單體加入燒杯中，緩慢加入溶劑水，攪拌使第一單體溶解后置于冰水浴中，繼續(xù)不斷攪拌并緩慢滴加堿液進(jìn)行中和，得到中性溶液(i)；

s2、在步驟s1制得的中性溶液加入第二單體，陽離子單體水溶液和edta溶液，充分?jǐn)嚢枞芙獾玫交旌先芤?ii)；

s3、將步驟s2制得的混合溶液(ii)加入反應(yīng)器中，加入硫酸亞鐵銨，攪拌并通氮氣保護(hù)30min；然后再加入還原劑的水溶液，繼續(xù)攪拌并通氮氣，得到混合溶液(iii)；

s4、將一半體積的混合溶液(iii)加入恒壓底液漏斗中；然后水浴加熱反應(yīng)器至溫度為40～45℃，向反應(yīng)器中加入2～3重量份的3wt.％的氧化劑水溶液，同時將恒壓底液漏斗中的反應(yīng)液緩慢滴加至反應(yīng)器中，整個過程保持反應(yīng)溫度為40～45℃，滴加完成后，繼續(xù)反應(yīng)1.5～2h；

s5、向經(jīng)步驟s4得到的聚合物溶液中加入1～2重量份鏈轉(zhuǎn)移劑，充分?jǐn)嚢?0min；然后將得到粘稠液體；用無水乙醇洗滌多次獲得白色沉淀，經(jīng)干燥、粉碎后所得產(chǎn)物即為無固相鉆井液用抗高溫提切劑。

其中，該方法中所述的各單體、氧化劑、還原劑、鏈轉(zhuǎn)移劑等的具體成分和用量均與上述無固相鉆井液用抗高溫提切劑中所述內(nèi)容一致。

所述步驟s1中的堿液優(yōu)選為質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1～5％的naoh水溶液。

所述步驟s4中恒壓滴液漏斗中反應(yīng)液向反應(yīng)器中的滴加速度為1滴/秒。

上述制備步驟操作簡單，其中，步驟s3和s4中，通過將亞鐵鹽和還原劑兩種組分首先單獨加入單體混合液中，然后采用部分反應(yīng)液再與加入有氧化劑的混合液混合，有利于控制聚合反應(yīng)的溫度和共聚物的組成，三種單體的聚合效率得到有效提高；最終，反應(yīng)結(jié)束后，利用在特定聚合時間點加入連轉(zhuǎn)移劑，使混合溶液中的自由基閉合，控制分子量，進(jìn)而控制產(chǎn)物的成分。

該無固相鉆井液用抗高溫提切劑的分子量為75～125萬。將具有該分子量的聚合物添加到鉆井液中，可適當(dāng)增大體系粘度，尤其是結(jié)構(gòu)粘度，但又不會顯著增大，符合現(xiàn)場應(yīng)用要求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該無固相鉆井液用抗高溫提切劑的有益效果在于：

1)相比于目前鉆井液最常用的生物聚合物提切劑，該提切劑不但具有類似生物聚合物的剪切稀釋性，且能夠有效抗高溫抗鹽，其最高耐受溫度可以達(dá)到170℃，是一種適用于淡水、鹽水無固相鉆井液體系的高效提切劑；

2)該提切劑克服了傳統(tǒng)線性分子依靠分子量的增加提高溶液粘度，難以形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的缺點，通過合理的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過分子鏈中的正負(fù)電性的吸引和排斥作用，使得分子鏈充分舒展，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到了增加結(jié)構(gòu)粘度的目的；

3)該提切劑的制備方法簡單易行，成本也低于國外同等產(chǎn)品，非常有利于市場的推廣和應(yīng)用。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明，但下述實施例絕非對本發(fā)明有任何限制。

實施例1

s1、將16g2-丙烯酰氧基-2-甲基丙磺酸加入燒杯中，緩慢加入65ml溶劑水，攪拌使2-丙烯酰氧基-2-甲基丙磺酸溶解后置于冰水浴中，繼續(xù)不斷攪拌并緩慢滴加5wt.％的naoh溶液進(jìn)行中和，得到中性溶液(i)；

s2、在步驟s1制得的中性溶液加入28gn,n-二甲基丙烯酰胺，7ml60wt.％的二甲基二烯丙基氯化銨溶液和2ml的5wt.％的edta溶液，充分?jǐn)嚢枞芙獾玫交旌先芤?ii)；

s3、將步驟s2制得的混合溶液(ii)加入反應(yīng)器中，加入0.05g硫酸亞鐵銨攪拌并通氮氣保護(hù)30min；然后加入2.5ml3wt.％的亞硫酸氫鈉溶液，繼續(xù)攪拌并通氮氣，得到混合溶液(iii)；

s4、將經(jīng)步驟s3制得的混合溶液(iii)一半加入恒壓滴液漏斗中；水浴加熱反應(yīng)器至溫度為45℃，向反應(yīng)器中加入2.5ml3wt.％的過硫酸鉀溶液，同時將內(nèi)的反應(yīng)液緩慢滴加(1滴/秒)至反應(yīng)器中，整個過程保持反應(yīng)溫度為45℃，滴加完成后，繼續(xù)反應(yīng)1.5h；

s5、向經(jīng)步驟s4得到的聚合物溶液中加入2ml十二硫醇，充分?jǐn)嚢?0min；然后將得到粘稠液體；用無水乙醇洗滌多次獲得白色沉淀，經(jīng)干燥、粉碎后所得產(chǎn)物即為無固相鉆井液用抗高溫提切劑。

實施例2

s1、將20.5g2-丙烯酰氧基-2-甲基丙磺酸鈉加入燒杯中，緩慢加入69ml溶劑水，攪拌使2-丙烯酰氧基-2-甲基丙磺酸鈉溶解后置于冰水浴中，繼續(xù)不斷攪拌并緩慢滴加1wt.％的naoh溶液進(jìn)行中和，得到中性溶液(i)；

s2、在步驟s1制得的中性溶液加入24g丙烯酰胺，5ml80wt.％的甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和2ml的5wt.％的edta溶液，充分?jǐn)嚢枞芙獾玫交旌先芤?ii)；

s3、將步驟s2制得的混合溶液(ii)加入反應(yīng)器中，加入0.05g硫酸亞鐵銨攪拌并通氮氣保護(hù)30min；然后加入2ml3wt.％的亞硫酸鈉溶液，繼續(xù)攪拌并通氮氣，得到混合溶液(iii)；

s4、將經(jīng)步驟s3制得的混合溶液(iii)的一半加入恒壓滴液漏斗中；水浴加熱反應(yīng)器至溫度為40℃，向反應(yīng)器中加入2ml3wt.％的過硫酸鉀溶液，同時將恒壓滴液漏斗中的反應(yīng)液緩慢滴加(1滴/秒)至反應(yīng)器中，整個過程保持反應(yīng)溫度為40℃，滴加完成后，繼續(xù)反應(yīng)2h；

s5、向經(jīng)步驟s4得到的聚合物溶液中加入2ml十二硫醇，充分?jǐn)嚢?0min；然后將得到粘稠液體；用無水乙醇洗滌多次獲得白色沉淀，經(jīng)干燥、粉碎后所得產(chǎn)物即為無固相鉆井液用抗高溫提切劑。

實施例3

s1、將24g甲基丙烯磺酸鈉加入燒杯中，緩慢加入66ml溶劑水，攪拌使2-甲基丙烯磺酸鈉溶解后置于冰水浴中，繼續(xù)不斷攪拌并緩慢滴加5wt.％的naoh溶液進(jìn)行中和，得到中性溶液(i)；

s2、在步驟s1制得的中性溶液加入21g甲基丙烯酰胺，4ml質(zhì)量百分比濃度為80％的丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨和2ml的5wt.％的edta溶液，充分?jǐn)嚢枞芙獾玫饺芤嘿|(zhì)量分?jǐn)?shù)為35～40％的混合溶液(ii)；

s3、將步驟s2制得的混合溶液(ii)加入反應(yīng)器中，加入0.05g硫酸亞鐵銨攪拌并通氮氣保護(hù)30min；然后加入2ml3wt.％的亞硫酸氫鈉溶液，繼續(xù)攪拌并通氮氣，得到混合溶液(iii)；

s4、將經(jīng)步驟s3制得的混合溶液(iii)的一半加入恒壓滴液漏斗中；水浴加熱反應(yīng)器至溫度為40℃，向反應(yīng)器中加入2ml份3wt.％的過硫酸銨溶液，同時將恒壓滴液漏斗中的反應(yīng)液緩慢滴加(1滴/秒)至反應(yīng)器，整個過程保持反應(yīng)溫度為40℃，滴加完成后，繼續(xù)反應(yīng)2h；

s5、向經(jīng)步驟s4得到的聚合物溶液中加入2ml異丙醇，充分?jǐn)嚢?0min；然后將得到粘稠液體；用無水乙醇洗滌多次獲得白色沉淀，經(jīng)干燥、粉碎后所得產(chǎn)物即為無固相鉆井液用抗高溫提切劑。

性能測試：

針對無固相鉆井液用抗高溫提切劑的適用環(huán)境和性能要求，對實施例1～3制備的提切劑分別進(jìn)行剪切性能、提切效果和抗溫性能的測試。

(一)剪切性能測試：

分別將黃原膠以及實施例1～3制成的產(chǎn)品溶于蒸餾水配制成1wt.％的測試溶液，利用六速旋轉(zhuǎn)粘度計測試體系600、300、200、100、6及3轉(zhuǎn)/分的穩(wěn)定讀值，并計算其相應(yīng)的塑性粘度、動切力和動塑比等參數(shù)。

測試和計算結(jié)果如下表1所示。

表1：黃原膠及兩個實施例樣品的性能評價實驗數(shù)據(jù)

從上表1可以看出，實施例1～3制備的提切劑與黃原膠的剪切稀釋性規(guī)律一致，當(dāng)施加一定的剪切力時，體系粘度迅速下降，而除去剪切力后，體系又恢復(fù)原有粘度。對應(yīng)計算出的塑性粘度和動切力，通過求比得出實施例1～3制備的提切劑的動塑比在0.5～1.0之間，完全滿足現(xiàn)場無固相鉆井液的使用要求。

(二)提切效果測試

(1)對實施例1制備的提切劑對淡水基漿提切效果測試：

淡水基漿的配制：在盛有400ml蒸餾水的高攪杯中，加入4g抗高溫降濾失劑和8g白瀝青，高速攪拌20min，期間至少應(yīng)中斷兩次以刮下黏附在杯壁上的樣品，即得淡水基漿。

取出四份配好的淡水基漿，高速攪拌5min，按比例加入抗高溫提切劑，高速攪拌20min后，利用六速旋轉(zhuǎn)粘度計測試體系600、300、200、100、6及3轉(zhuǎn)/分的穩(wěn)定讀值，并計算其相應(yīng)的塑性粘度、動切力和動塑比等參數(shù)，結(jié)果如下表2所示：

表2：抗高溫提切劑對淡水體系提切效果的影響

由表2中的計算結(jié)果可以看出，淡水體系的塑性粘度、動切力和動塑比均隨著抗高溫提切劑加量的增加而增大；并且通過對抗高溫提切劑的加量在0.5％～0.8％的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對應(yīng)地，淡水體系的動塑比在0.5～1.2的范圍內(nèi)可調(diào)，完全滿足現(xiàn)場無固相鉆井液井的使用要求。

(2)對實施例1制備的提切劑對鹽水體系提切效果測試：

鹽水基漿的配制：在盛有400ml蒸餾水的高攪杯中，加入80g氯化鈉、4g抗高溫降濾失劑和8g白瀝青，高速攪拌20min，期間至少應(yīng)中斷兩次以刮下黏附在杯壁上的樣品，即得淡水基漿。

取出四份配好的鹽水基漿，高速攪拌5min，按比例加入抗高溫提切劑，高速攪拌20min后，利用六速旋轉(zhuǎn)粘度計測試體系600、300、200、100、6及3轉(zhuǎn)/分的穩(wěn)定讀值，并計算其相應(yīng)的塑性粘度、動切力和動塑比等參數(shù)，結(jié)果如表3所示：

表3：抗高溫提切劑對鹽水體系提切效果的影響

從表3可以看出，鹽水體系的塑性粘度、動切力和動塑比隨著抗高溫提切劑加量的增加而增大；并且通過對抗高溫提切劑的加量在1.0％～2.0％的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對應(yīng)地，鹽水體系的動塑比在0.5～0.9的范圍內(nèi)可調(diào)，完全滿足現(xiàn)場無固相鉆井液井的使用要求。

(三)抗高溫性能測試

取出配好的鹽水基漿400ml三份，高速攪拌5min，按比例加入實施例1制備的提切劑，高速攪拌20min后，一份在室溫下養(yǎng)護(hù)16h；第二份裝入高溫罐，于150℃下熱滾16h后冷卻取出；第三份裝入高溫罐，于170℃下熱滾16h后冷卻取出。將三份待測漿高速攪拌20min，利用六速旋轉(zhuǎn)粘度計測試體系600、300、200、100、6及3轉(zhuǎn)/分的穩(wěn)定讀值，并計算其相應(yīng)的塑性粘度、動切力和動塑比等參數(shù)，測試結(jié)果如表4所示：

表4抗高溫提切劑在鹽水體系的抗溫性

由表4可以看出，鹽水體系中加入2％抗高溫提切劑后，其在150℃高溫下的塑性粘度、動切力和動塑比幾乎沒有變化，可見該提切劑抗150℃的高溫效果好；而雖然其在升溫至170℃老化后雖然塑性粘度、動切力和動塑比略有下降，但動塑比依然能保持在0.57，滿足現(xiàn)場無固相鉆井液的使用要求。因此，該提切劑的抗溫溫度高達(dá)170℃。

(四)懸浮鉆屑情況測試

將實施例1制成的產(chǎn)品溶于蒸餾水配制成1wt.％的測試溶液。取400ml蒸餾水一份，配好的測試溶液400ml一份，分別置于燒杯中，并加入3g6-10目的鉆屑，考察鉆屑在溶液中沉降懸浮情況。鉆屑在蒸餾水中沒有任何懸浮效果，立即沉降到燒杯底部，而鉆屑在測試溶液中沉降速度要慢很多，5min時鉆屑懸浮在測試溶液中，沒有沉底現(xiàn)象，20min時，約1/2鉆屑仍懸浮在測試溶液中，說明制得的提切劑在溶液形成的結(jié)構(gòu)粘度能夠有效懸浮鉆屑，降低鉆屑的沉降速度。

綜上所述，該聚合物提切劑提切效果良好，且抗溫性強(qiáng)，適用于淡水、鹽水無固相鉆井液體系。