一種抑制性強(qiáng)的鉆井液及其制備方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及石油鉆井過程中用鉆井液，特別是涉及一種含兩性離子共聚物的鉆井 液。
【背景技術(shù)】
[0002] 針對(duì)頁巖氣地層裂隙發(fā)育、水敏性強(qiáng)、易發(fā)生井漏、垮塌、縮徑等特點(diǎn)，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(guó)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(rùn)滑、攜巖清砂等方面有所突破，在頁巖氣水平井的應(yīng)用前景十分巨 大。目前來看，具有較大應(yīng)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(chǔ)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(guó)專利CN103146364A介紹了一種強(qiáng)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(rùn)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(dāng)。頁巖滾動(dòng)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(guó)專利CN102250595A 公開了用于強(qiáng)水敏活性粘土地層的鉆井液，由膨潤(rùn)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(rùn)滑性能接近于油基鉆井液。中國(guó)專利CN103013470A公開了一種用于超 深側(cè)鉆井泥巖強(qiáng)抑制鉆井液體系，由膨潤(rùn)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(rùn)滑劑、乳化劑、原油以及超細(xì)碳酸鈣，所述鉆 井液體系對(duì)泥頁巖抑制性強(qiáng)，頁巖回收率高達(dá)90. 33%，抗高溫達(dá)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種抑制性強(qiáng)的水基鉆井液及其制備方法與應(yīng) 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(rùn)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(zhǔn)，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(rùn)土、鈣基膨潤(rùn)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甲基丙烯酰氧乙基_N，N-二甲基丙磺酸鹽/丙烯 酰胺/4-乙烯基吡啶丙磺酸鹽三元共聚物，具體結(jié)構(gòu)如下：
本發(fā)明所述兩性離子聚合物的制備方法包括如下步驟： (1) 首先分別稱取質(zhì)量比為2:1~9:1的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和1，3_丙磺酸內(nèi) 酯，并向甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中加入1，3-丙磺酸內(nèi)酯，然后在10~60°C的溫度下反應(yīng) 0. 5~4h，最后經(jīng)過濾、抽提、干燥制得甲基丙烯酰氧乙基-N，N-二甲基丙磺酸鹽； (2) 首先按照摩爾比為I:I. 1~1:1. 3分別稱取4-乙烯基吡啶和1，3-丙磺酸內(nèi)酯， 然后稱取有機(jī)溶劑和助劑，有機(jī)溶劑與4-乙烯基吡啶和1，3-丙磺酸內(nèi)酯的總質(zhì)量比為 2:1~8:1，助劑與4-乙烯基吡啶、1，3-丙磺酸內(nèi)酯和有機(jī)溶劑的總質(zhì)量比為0. 001~ 〇. 01，然后將有機(jī)溶劑平均分成三份，分別與4-乙烯基吡啶、1，3-丙磺酸內(nèi)酯、助劑溶解混 合，將得到的三種混合溶液依次加入反應(yīng)器，在20°C~90°C條件下反應(yīng)1~10h，然后經(jīng)過 濾、洗滌、干燥制得4-乙烯基吡啶丙磺酸內(nèi)鐺鹽； (3) 按照1. 5~3 :6~7 :0. 5~1. 5的摩爾比分別稱取步驟（1)的得到的甲基丙烯酰 氧乙基-N，N-二甲基丙磺酸鹽、丙烯酰胺和步驟（2)得到的4-乙烯基吡啶丙磺酸鹽，加入 溶劑溶解后通入N2除氧0. 5~lh，同時(shí)升溫至50~70°C，恒溫5~IOmin后加入引發(fā)劑 反應(yīng)4~6h，反應(yīng)后得到凝膠狀固體，用丙酮沉淀得白色沉淀物； (4) 將步驟（3)得到的沉淀物在100~120°C下干燥16~24h后粉碎，最終得 DMAPS-AM-VPPS兩性離子共聚物。
[0011] 本發(fā)明兩性離子聚合物的制備方法中，步驟（1)中甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和1， 3-丙磺酸內(nèi)酯的質(zhì)量比為2. 5:1~8:1。
[0012] 本發(fā)明兩性離子聚合物的制備方法中，步驟（1)中1，3_丙磺酸內(nèi)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，優(yōu)選直接加入方 式。采用直接一次性加入時(shí)稱取的甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和1，3_丙磺酸內(nèi)酯質(zhì)量比為 5.2:1~7. 8:1。采用滴加方式時(shí)甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和1，3-丙磺酸內(nèi)酯質(zhì)量比為 2. 5:1~5:1，滴加前可以將1，3-丙磺酸內(nèi)酯加熱熔化。
[0013] 本發(fā)明兩性離子聚合物的制備方法中，步驟（1)的反應(yīng)條件為在20~55°C的溫度 下反應(yīng)1~3h。
[0014] 本發(fā)明兩性離子聚合物的制備方法中，步驟（1)中抽提溶劑選用甲醇或乙醇，優(yōu)選 乙醇，抽提時(shí)間為1~3h。所述干燥為在30~50°C條件下干燥10~20h。
[0015] 本發(fā)明兩性離子聚合物的制備方法中，步驟（2)中所述有機(jī)溶劑為苯、甲苯、乙酸 乙酯、丙酮、環(huán)己酮、碳酸丙烯酯中的任一種。
[0016] 本發(fā)明兩性離子聚合物的制備方法中，步驟（2)中所述助劑為羥胺類化合物和硝 基苯類化合物，其中羥胺類化合物為二甲基羥胺、二乙基羥胺、二丙基羥胺、異丙基羥胺、二 丁基羥胺、甲基乙基羥胺中的任一種；硝基苯類化合物為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種。
[0017] 本發(fā)明兩性離子聚合物的制備方法中，步驟（2)中所述過濾操作為將反應(yīng)得到的 產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至漏斗中過濾除去溶劑及未反應(yīng)的原料，優(yōu)選為使用布氏漏斗進(jìn)行減壓抽濾。
[0018] 本發(fā)明兩性離子聚合物的制備方法中，步驟（2)中所述洗滌操作為用步驟（2)中 所述有機(jī)溶劑洗滌2~5次。
[0019] 本發(fā)明兩性離子聚合物的制備方法中，步驟（2)中所述干燥為在40~60°C下干燥 10 ~20h〇
[0020] 本發(fā)明兩性離子聚合物的制備方法中，步驟（3)中所述溶劑為去離子水或者鹽水， 加入溶劑后單體總質(zhì)量濃度為20%~40%，所述鹽水中加入的NaCl濃度為0~0. 5mol/L。
[0021] 本發(fā)明所述水基鉆井液通過如下方