一種強抑制水基鉆井液及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鉆井液，特別是涉及一種含有兩性離子聚合物的鉆井液。
【背景技術】
[0002] 針對頁巖氣地層裂隙發(fā)育、水敏性強、易發(fā)生井漏、垮塌、縮徑等特點，在鉆井過程 中解決井壁穩(wěn)定、降阻減摩等問題就成為鉆井液選擇的重中之重。目前國內(nèi)頁巖氣水平井 鉆井過程中主要采用油基鉆井液，但油基鉆井液高成本、高污染是其自然缺陷。水基鉆井液 如果能在抑制、封堵、潤滑、攜巖清砂等方面有所突破，在頁巖氣水平井的應用前景十分巨 大。目前來看，具有較大應用潛力的水基鉆井液有葡萄糖苷類鉆井液、聚胺類鉆井液、聚合 醇鉆井液、甲酸鹽鉆井液和硅酸鹽鉆井液等。這些鉆井液體系還需要在現(xiàn)有的基礎上繼續(xù) 深化研究，開發(fā)配套處理劑，滿足頁巖氣資源開發(fā)的需要，并且能夠使鉆井液體系朝著綠色 環(huán)保的方向發(fā)展。
[0003] 中國專利CN103146364A介紹了一種強抑制水基鉆井液，它包括水、聚胺抑制劑、 包被抑制劑、水合物抑制劑、增粘劑、降濾失劑和液體潤滑劑。鉆井液可有效抑制深水淺部 地層井壁失穩(wěn)，其抑制性與油基鉆井液相當。頁巖滾動回收率不高于95%。鉆井液可解決深 水鉆井中水合物的生成問題，可適用于3000m水深的鉆井作業(yè)中。中國專利CN102250595A 公開了用于強水敏活性粘土地層的鉆井液，由膨潤土、部分水解聚丙烯酰胺、低粘聚陰離子 纖維素、磺酸鹽共聚物增粘劑、氯化鉀、聚合醇、胺基聚合物、脂肪醇醚磷酸酯、水組成，該鉆 井液抑制性能和潤滑性能接近于油基鉆井液。中國專利CN103013470A公開了一種用于超 深側鉆井泥巖強抑制鉆井液體系，由膨潤土漿、堿性調(diào)節(jié)劑、頁巖抑制劑、金屬離子聚合物、 褐煤樹脂、磺化酚醛樹脂、陽離子乳化浙青、潤滑劑、乳化劑、原油以及超細碳酸鈣，所述鉆 井液體系對泥頁巖抑制性強，頁巖回收率高達90. 33%，抗高溫達150°C;老化前后摩阻系數(shù) 分別小于〇. 1。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種強抑制水基鉆井液及其制備方法和應用。 本發(fā)明鉆井液通過氯化鈣與兩性離子聚合物的協(xié)同作用，使得鉆井液具有優(yōu)良的流變性 能、濾失控制性能、抑制性能、封堵性能、潤滑性能等。
[0005] 本發(fā)明提供一種水基鉆井液，所述鉆井液包括水、兩性離子聚合物、無水氯化鈣、 土相、流型調(diào)節(jié)劑，其中，以水的重量為基準，兩性離子聚合物用量為水用量的〇. 5_5wt%，優(yōu) 選為I. 5-3wt% ;無水氯化鈣用量為水用量的20-70wt%，優(yōu)選30-60wt% ;土相用量為水用量 的0-6wt%，優(yōu)選為I. 5-4wt%，流型調(diào)節(jié)劑用量為水用量的0. 1-0. 4wt%，優(yōu)選0. 2-0. 3wt%。
[0006] 本發(fā)明水基鉆井液中，所述土相為鈉基膨潤土、鈣基膨潤土、凹凸棒石、海泡石中 的一種或幾種。
[0007] 本發(fā)明水基鉆井液中，所述流型調(diào)節(jié)劑為黃原膠、瓜爾膠、文萊膠中的一種或幾 種。
[0008] 本發(fā)明水基鉆井液中，還可以包括加重劑，所述加重劑為重晶石、石灰石、赤鐵礦， 方鐵礦，氧化鐵，碳酸鎂中的一種或幾種，可根據(jù)鉆井液密度的要求來決定加入量。
[0009] 本發(fā)明水基鉆井液中，還可以包括頁巖抑制劑，所述頁巖抑制劑用量為水用量的 0.l-2wt%，優(yōu)選為l_2wt%。所述頁巖抑制劑可以氯化鉀、硫酸鉀、硝酸鉀、氯化銨、硫酸銨、硝 酸銨、聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇丙二醇嵌段聚合物中的一種或幾種。
[0010] 本發(fā)明所述兩性離子聚合物為N，N-二甲基烯丙基丙磺酸鹽/丙烯酰胺二元共聚 物，具體結構如下：
本發(fā)明所述兩性離子聚合物的合成方法包括如下步驟： (1) 首先分別稱取摩爾比為2:1~8:1的N，N-二甲基烯丙基胺和1，3-丙磺酸內(nèi)酯， 并向N，N-二甲基烯丙基胺中加入1，3-丙磺酸內(nèi)酯，然后在10~60°C的溫度下反應0. 5~ 4h，最后經(jīng)過濾、抽提、干燥制得N，N-二甲基烯丙基丙磺酸鹽； (2) 按照（5~2) : (5~8)的摩爾比分別稱取步驟（1)的得到的N，N-二甲基烯丙基 丙磺酸鹽和丙烯酰胺，加入溶劑溶解后通入N2除氧反應0. 5~lh，同時升溫至50~70°C， 恒溫5~IOmin后加入引發(fā)劑反應4~6h，反應后得到凝膠狀固體，用丙酮沉淀得白色沉淀 物； (3) 將步驟（2)得到的沉淀物在100~120°C下干燥16~24h后粉碎，最終得兩性離 子共聚物。
[0011] 本發(fā)明所述兩性離子聚合物的合成方法中，步驟（1)中N，N-二甲基烯丙基胺和1， 3_丙磺酸內(nèi)酯的摩爾比為3:1~5:1。
[0012] 本發(fā)明方法中，步驟（1)中1，3_丙磺酸內(nèi)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，優(yōu)選直接加入方式。采用直接一次性加入時稱取 的N，N-二甲基烯丙基胺和1，3-丙磺酸內(nèi)酯摩爾比為5:1~8:1。采用滴加方式時N，N-二 甲基烯丙基胺和1，3-丙磺酸內(nèi)酯摩爾比為2:1~5:1，滴加前可以將1，3-丙磺酸內(nèi)酯加熱 熔化。
[0013] 本發(fā)明所述兩性離子聚合物的合成方法中，步驟（1)的反應條件為在20~55°C的 溫度下反應1~3h。
[0014] 本發(fā)明所述兩性離子聚合物的合成方法中，步驟（1)中抽提溶劑選用甲醇或乙醇， 優(yōu)選乙醇，抽提時間為1~3h。所述干燥為在30~50°C條件下干燥10~20h。
[0015] 本發(fā)明所述兩性離子聚合物的合成方法中，步驟（2)中所述溶劑為去離子水或 者鹽水，加入溶劑后單體總質量濃度為20%~40%，所述鹽水中加入的NaCl濃度為0~ 0?5mol/L〇
[0016] 本發(fā)明所述兩性離子聚合物的合成方法中，步驟（2)中使用的引發(fā)劑為過硫酸鉀、 過硫酸鈉、過硫酸銨中任一種；所述引發(fā)劑用量占單體總質量〇. 4%~0. 7%。
[0017] 本發(fā)明所述水基鉆井液通過如下方法制備，首先按照比例分別稱取水、兩性離子 聚合物、無水氯化鈣、土相、流型調(diào)節(jié)劑，然后向水中加入土相，充分水化或分散后，加入流 型調(diào)節(jié)劑，高速攪拌使其充分溶解后加入無水氯化鈣，加入無水氯化鈣后溫度上升，待降至 室溫后加入兩性離子聚合物，高速攪拌分散后靜置養(yǎng)護24~48h，得到鉆井液。
[0018] 本發(fā)明涉及一種水基鉆井液在鉆井過程中的應用，在鉆井過程中，可以現(xiàn)配現(xiàn)用。
[0019] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明鉆井液具有如下優(yōu)點： (1)本發(fā)明水基鉆井液中〇&(：12和兩性離子聚合物起核心作用，二者協(xié)同作用起到多 功能效果，包括流變性能、濾失控制、抑制性能、潤滑性能等。其中兩性離子聚合物的粘度隨 CaCl2含量的增加而逐漸增大，體現(xiàn)明顯的增粘提切效果；由于高含量CaCl2的存在，屏蔽 了兩性離子聚合物結構中的內(nèi)鹽結構，使得所含的磺酸基和銨基充分暴露，進一步作用于 土相，增強了體系的降濾失能力；高含量〇 &(：12和兩性離子聚合物自身均具有較強的抑制性 能，它們的協(xié)同使得體系的抑制性更強；體系的潤滑性能已經(jīng)達到或超過了油基鉆井液的 水平；以上整體的優(yōu)異性能是目前水基鉆井液所欠缺的。
[0020] (2)本發(fā)明兩性離子聚合物合成方法將1，3-丙磺酸內(nèi)酯加入到過量的N，N-二甲 基烯丙基胺中，過量的N，N-二甲基烯丙基胺不僅可以作為原料參與反應，而且也能夠起到 溶劑的作用，避免了常規(guī)方法中使用有毒的丙酮為溶劑，是一種綠色的合成方法。
[0021] (3)本發(fā)明兩性離子聚合物合成方法通過控制1，3-丙磺酸內(nèi)酯和N，N-二甲基烯 丙基胺的摩爾比及投料方式，解決了 1，3_丙磺酸內(nèi)酯和N，N-二甲基烯丙基胺按照常規(guī)方 法直接進行反應時(一般為等摩爾比反應)，不能得到單體N，N-二甲基烯丙基丙磺酸鹽的問 題。
[0022] (4)本發(fā)明方法制備的兩性離子共聚物，由于N，N-二甲基烯丙基丙磺酸鹽為大分 子聚合單體，其共聚得到的聚合物具有長支鏈。在水溶液中由于長支鏈的存在，增加了聚合 物的空間位阻，增大了聚合物的流體力學體積，導致聚合物受溫度影響斷裂水解的趨勢減 少，從而提高了其耐溫的性能，耐溫可達180°C。
[0023] (5)本發(fā)明方法制備的兩性離子共聚物屬內(nèi)鹽型兩性離子聚合物，與傳統(tǒng)兩性離 子聚合物不同的是，其在淡水中分子間由于靜電吸引力作用，表現(xiàn)為分子鏈蜷曲。而在高鹽 高鈣溶液中，由于小分子鹽的存在，屏蔽了分子間的締合作用，將分子間的靜電吸引力轉變 為靜電排斥力，使得分子鏈更加舒展。它所表現(xiàn)出的明顯"反聚電解質"效應使聚合物的性 能隨鹽量的增加逐漸增強。可抗NaCl飽和及CaCl2飽和，這是目前幾乎所有的兩性離子聚 合物都不具備的抗鹽抗鈣性能。本發(fā)明方法得到的兩性離子共聚物結構中還含有大量的季 銨陽離子基團，使聚合物具有優(yōu)越的頁巖抑制性能。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合實施例來具體說明本發(fā)明方法的作用和效果，但以下實施例不構成對本 發(fā)明方案的限制。
[0025] 實施例1 首先制備N，N-二甲基烯丙基丙磺酸鹽。
[0026]稱取430gN，N-二甲基烯丙基胺（DA)倒入反應器中，然后放入恒溫水浴鍋中，加熱 并開始攪拌。再稱取122gl，3-丙磺酸內(nèi)酯（PS)，直接加入到DA中，反應溫