一種鑽井液用頁巖抑制劑及其製備方法與流程
2023-04-30 19:50:31 1
本發明涉及一種鑽井液用頁巖抑制劑及其製備方法，屬於石油鑽井液
技術領域：
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背景技術：
：油氣鑽探過程中，當鑽遇泥頁巖地層時，泥頁巖的水化膨脹、分散將導致井壁失穩、鑽頭泥包和井眼淨化困難等一系列問題。為了實現安全、優質、快速、環保的現代鑽井技術要求，國內外研究者一直在尋求開發抑制性能優異的處理劑及鑽井液體系。在過去的幾十年裡開發出了多種防塌抑制劑，如無機鹽類、甲酸鹽、瀝青類、正電膠、葡萄糖衍生物類、聚合醇、矽酸鹽和季銨鹽陽離子等。以這些抑制劑為基礎發展了各種不同的鑽井液體系並在一定範圍內取得了成功應用，但都存在不同的局限性。在鑽井作業中最常用的無機陽離子鉀離子抑制效果明顯，但是其用量較大，對鑽井液的流變性和濾失性影響顯著，同時高濃度鉀離子對生物環境存在不利影響；甲酸鹽類由於成本太高，不利於廣泛使用；瀝青類抑制劑防塌能力優異，但是存在螢光現象，不利於錄井等測試工作，且不利於環保；常規多元醇和聚合醇類產品有效含量變化大，抑制性弱，且存在增粘、起泡問題；矽酸鹽抑制性突出，但其加入鑽井液中，鑽井液流變性不易控制；陽離子鑽井液能實現油基鑽井液的抑制性能，然而其毒性較大及配伍性較差。因此，研製出一種抑制性能優異、安全環保且對鑽井液體系性能影響不大的頁巖抑制劑勢在必行。中國專利文獻CN105670575A公開了一種頁巖抑制劑，包括以下質量百分比的原料配製而成：15～35％的聚二甲基二烯丙基氯化銨、10～25％的聚醚胺、10～25％的草酸、15～35％的氯化膽鹼和15～40％的水。採用聚醚胺、草酸、聚二甲基二烯丙基氯化銨與氯化膽鹼反應得到的聚胺類頁巖抑制劑，能夠有效抑制泥頁巖水化膨脹，且具有低毒、低氨氣味、熱穩定性高以及與其他處理劑配伍性好的特點；但所用原料較多，步驟繁瑣，成本較高。技術實現要素：針對現有技術的不足，本發明提供一種鑽井液用頁巖抑制劑及其製備方法。該頁巖抑制劑具有加量少，抑制性能優異，且環保、易生物降解的優點。本發明的技術方案如下：一種鑽井液用頁巖抑制劑，是由聚醚胺與有機酸反應生成的含有醚鍵、胺基和醯胺基的低分子聚合物。根據本發明優選的，所述聚醚胺為聚醚單胺、聚醚二胺或聚醚多胺。優選的，所述聚醚單胺的結構式如下：其中R為碳原子數為1～19的烷基；進一步優選的，R為碳原子數為1～6的烷基；a、b為整數，1≤a+b≤22；進一步優選的，2≤a+b≤16。優選的，所述聚醚二胺的結構式如下：其中c、d、e均為整數，1≤c+d+e≤21，進一步優選的，3≤c+d+e≤16。優選的，所述聚醚二胺的結構式如下：其中f、g、h為整數，1≤f≤10，1≤g≤20，0≤h≤10；進一步優選的，2≤f≤4，1≤g≤6，0≤h≤4。優選的，所述聚醚多胺的結構式如下：其中，R』為甲基、乙基或丙基；n、x、y和z均為整數，0≤n≤15，x≥1，y≥1，z≥1，3≤x+y+z≤15；進一步優選的，0≤n≤10，3≤x+y+z≤10。根據本發明優選的，所述聚醚胺的分子量≤1000。根據本發明優選的，所述有機酸為一元羧酸、二元羧酸或多元羧酸。優選的，所述一元羧酸為甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸或己酸中的一種或兩種以上的混合物。優選的，所述二元羧酸為乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、馬來酸、富馬酸、酒石酸或蘋果酸中的一種或兩種以上的混合物。優選的，所述多元羧酸是檸檬酸、丙烷三羧酸、丙烯三酸或1,2,3,4-丁烷四羧酸中的一種或兩種以上的混合物。根據本發明優選的，所述鑽井液用頁巖抑制劑為淡黃色粘稠狀液體或淡黃色固體，相對分子量小於10000。一種鑽井液用頁巖抑制劑的製備方法，包括步驟如下：在惰性氣體保護下，聚醚胺和有機酸攪拌反應1～10h，即得頁巖抑制劑。根據本發明優選的，所述聚醚胺與有機酸的摩爾比為1:0.1～1:6；進一步優選的，所述聚醚胺與有機酸的摩爾比為1:0.1～1:3。根據本發明優選的，所述反應溫度為120～160℃；優選的，所述反應溫度為130～150℃。根據本發明優選的，所述反應時間為2～8h。根據本發明優選的，所述攪拌速率為100～1000r/min；優選的，所述攪拌速率為150～1000r/min。根據本發明優選的，所述惰性氣體為氮氣、氬氣或氦氣。根據本發明，所述聚醚胺可由市場購得。本發明所製備的鑽井液用頁巖抑制劑抑制頁巖水化膨脹和分散的主要作用機理有：分子中同時含有胺基、醚鍵和醯胺基。胺基在溶液中質子化後帶正電，可吸附在粘土顆粒負電錶面，壓縮粘土擴散雙電層，減弱粘土水化。同時，醚鍵和醯胺基的存在使得分子與粘土表面的矽氧烷基易形成氫鍵，進一步強化分子在粘土表面的吸附作用，進而強化抑制作用。此外，抑制劑分子吸附在泥頁巖表面之後，分子鏈上的疏水部分覆蓋在粘土顆粒表面，防止水分子的進入，也有利於泥頁巖的穩定。與聚醚胺相比，聚醚胺與有機酸反應後得到的抑制劑溶液pH值降低，質子化反應加強，溶液中銨離子濃度增加，與泥頁巖的吸附作用增強，表現為抑制性效果顯著提高。本發明的有益效果如下：(1)本發明的低分子聚合物鑽井液用頁巖抑制劑與目前的聚醚胺類抑制劑相比，抑制性能更為突出。(2)本發明的低分子聚合物鑽井液用頁巖抑制劑與粘土表面作用強，不易解吸附，故能發揮長效抑制作用。(3)本發明的低分子聚合物鑽井液用頁巖抑制劑合成條件簡單，可控性強，重複性好，便於工業化生產。附圖說明圖1為實施例1製備的鑽井液用頁巖抑制劑的紅外光譜圖。圖2為實施例2製備的鑽井液用頁巖抑制劑的紅外光譜圖。圖3為實施例3製備的鑽井液用頁巖抑制劑的紅外光譜圖。圖4為實施例4製備的鑽井液用頁巖抑制劑的紅外光譜圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明做進一步的說明，但不限於此。同時下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。實施例1在配備熱裝置、溫度控制儀、分水器和攪拌器的500mL四口圓底燒瓶中加入240g(0.4mol)聚醚胺M600(Huntsman公司)和12g(0.2mol)乙酸，氮氣保護下，加熱升溫至150℃，攪拌反應2h，攪拌速率為150r/min，即得鑽井液用頁巖抑制劑。反應過程中產生的水蒸汽通過氮氣流帶走。反應所得產物可直接作為抑制劑加入到鑽井液中。鑽井液用頁巖抑制劑合成路線如下：圖1為本實施例製備的鑽井液用頁巖抑制劑的紅外光譜圖。由圖1可以看出，由於氫鍵的形成，N-H的伸縮振動出現了兩個峰，分別為3270cm-1和3050cm-1，2970cm-1、2870cm-1分別為NH3的對稱伸縮振動吸收峰和不對稱伸縮振動吸收峰，1650cm-1為C＝O伸縮振動吸收峰，1550cm-1為C-N-H彎曲振動吸收峰(醯胺II峰)，1450cm-1和1380cm-1為CH3的彎曲振動吸收峰，1280cm-1為C-N伸縮振動和N-H彎曲振動的混頻峰(醯胺III峰)，1110cm-1為C-O-C伸縮振動吸收峰，586cm-1為醯胺IV峰。所製備的頁巖抑制劑分子中出現醯胺基，表明胺基與羧基發生反應，得到了目標產物。實施例2在配備熱裝置、溫度控制儀、分水器和攪拌器的500mL四口圓底燒瓶中加入176g(1mol)聚氧乙烯二胺EDR176(Huntsman公司)和63g(0.5mol)乙二酸，氮氣保護下，加熱升溫至150℃，攪拌反應5h，攪拌速率為150r/min，即得鑽井液用頁巖抑制劑。反應過程中產生的水蒸汽通過氮氣流帶走。反應所得產物可直接作為抑制劑加入到鑽井液中。鑽井液用頁巖抑制劑合成路線如下：圖2為本實施例製備的鑽井液用頁巖抑制劑的紅外光譜圖。由圖2可以看出，3290cm-1為N-H伸縮振動吸收峰，1650cm-1為C＝O伸縮振動吸收峰(醯胺I峰)，1560cm-1為C-N-H彎曲振動吸收峰(醯胺II峰)，1270cm-1為包含C-N伸縮振動吸收峰和N-H彎曲振動吸收峰的混合峰(醯胺III峰)，1110cm-1為C-O-C伸縮振動吸收峰。所製備的頁巖抑制劑分子中出現醯胺基，表明胺基與羧基發生反應，得到了目標產物。實施例3在配備加熱裝置、溫度控制儀、分水器和攪拌器的500mL四口圓底燒瓶中加入215g(0.5mol)聚氧丙烯二胺D-400(Huntsman公司)和29.5g(0.25mol)丁二酸，氮氣保護下，加熱升溫至140℃，攪拌反應8h，攪拌速率為300r/min，即得鑽井液用頁巖抑制劑。反應過程中產生的水蒸汽通過氮氣流帶走。反應所得產物可直接作為抑制劑加入到鑽井液中。鑽井液用頁巖抑制劑合成路線如下：圖3為本實施例製備的鑽井液用頁巖抑制劑的紅外光譜圖。由圖3可以看出，3280cm-1為N-H伸縮振動吸收峰，1700cm-1為C＝O伸縮振動吸收峰(醯胺I峰)，1560cm-1為C-N-H彎曲振動吸收峰(醯胺II峰)。所製備的頁巖抑制劑分子中出現醯胺基，表明胺基與羧基發生反應，得到了目標產物。實施例4在配備熱裝置、溫度控制儀、分水器和攪拌器的500mL四口圓底燒瓶中加入110g(0.25mol)聚醚胺T403(Huntsman公司)和105g(0.5mol)檸檬酸，氮氣保護下，加熱升溫至150℃，攪拌反應5h，攪拌速率為500r/min，即得鑽井液用頁巖抑制劑。反應過程中產生的水蒸汽通過氮氣流帶走。反應所得產物可直接作為抑制劑加入到鑽井液中。鑽井液用頁巖抑制劑合成路線如下：圖4為本實施例製備的鑽井液用頁巖抑制劑的紅外光譜圖。由圖4可以看出，由於氫鍵的形成，N-H伸縮振動出現3370cm-1和3290cm-1兩個吸收峰，1640cm-1為C＝O伸縮振動吸收峰(醯胺I峰)，1510cm-1為醯胺II峰，1310cm-1為醯胺III峰，1110cm-1為C-O-C伸縮振動吸收。所製備的頁巖抑制劑分子中出現醯胺基，表明胺基與羧基發生反應，得到了目標產物。試驗例1抑制性能評價為評價所合成的胺類化合物作為頁巖抑制劑的抑制性能，將實施例1、2、3、4製備的鑽井液用頁巖抑制劑與目前公認性能優異的聚醚胺抑制劑D-230、國外M-I公司聚胺抑制劑Ultrahib、傳統無機鹽抑制劑KCl以及氯化膽鹼抑制劑進行性能對比。分別採用抑制膨潤土造漿實驗和頁巖滾動分散實驗進行實驗評價。1.抑制膨潤土造漿實驗抑制膨潤土造漿實驗步驟如下：在400mL清水中加入不同濃度抑制劑，調節體系pH≧9，同時加入5wt％膨潤土，高速攪拌30min後，將漿液倒入陳化罐中，70℃下熱滾16h後，冷卻至室溫，高速攪拌5min採用ZNN-D6六速旋轉粘度計測試漿液流變性。再加入等量膨潤土高速攪拌30min，重複上述實驗過程，直到漿液粘度太大超出儀器測試量程為止。表1不同體系讀數隨膨潤土加量的變化註：-表明讀數超出量程範圍。表2不同體系讀數隨膨潤土加量的變化註：-表明讀數超出量程範圍。從表1，表2測試結果可知，在清水中，隨著膨潤土加量的增加，由於粘土的水化分散，體系粘度迅速增加。當膨潤土加量為15％時，體系因為粘度太大而超出測量範圍。氯化膽鹼和氯化鉀均表現出一定程度的抑制能力。而實施例1～4則表現出優良的抑制性能，其表觀粘度和動切力均隨著膨潤土加量的增加而變化緩慢。當膨潤土加量達到35％時，加有實施例2和實施例3的體系粘度仍然很小，顯示出優異的抑制性能。表明加入本發明製備的鑽井液用頁巖抑制劑後，粘土的水化膨脹能得到有效抑制。2.頁巖滾動分散實驗頁巖滾動分散實驗步驟如下：定量稱取50.0g6～10目的巖屑，裝入350mL不同濃度抑制劑的品脫罐中，77℃熱滾16h後，將巖屑用標準鹽水清洗，用40目標準篩篩分，篩餘於105℃下烘乾4h，稱重，並與初始巖屑質量的比值記為巖屑回收率。表3不同抑制劑巖屑回收率樣品回收率/％清水14.187wt％KCl44.503wt％D-23056.613wt％Ultrahib61.883wt％實施例1製備的抑制劑65.343wt％實施例2製備的抑制劑62.583wt％實施例3製備的抑制劑63.323wt％實施例4製備的抑制劑64.28從表3測試結果可知，加入本發明製備的抑制劑後巖屑回收率明顯提高。其中實施例1～4所得巖屑回收率顯著高於聚醚胺D-230的回收率，並略高於M-I泥漿公司的聚胺抑制劑Ultrahib的回收率，且遠遠高於7％KCl抑制劑的巖屑回收率，表明本發明所製備的鑽井液用頁巖抑制劑能有效抑制巖屑水化分散。當前第1頁1 2 3