專利名稱：鉆井液用兩性離子聚合醇及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種鉆井液用助劑及其制備方法，特別是涉及一種即保護油氣層又保護環境的鉆井液用兩性離子聚合醇及其制備方法。
背景技術：
長期以來一直使用油基鉆井液鉆進水敏性地層，以解決頁巖穩定性，壓差卡鉆和鉆頭包泥問題。油基鉆井液對環境有污染，對測井作業有影響，成本高，使用受到限制。聚合醇鉆井液是二十世紀九十年代國際鉆井液的最新技術之一，是油基鉆井液的一種良好替代品。U.S.Pat.No.5602082(Hale AH.)和U.S.Pat.No.5945386(Alonso-DeboltM A.)提出了環氧乙烷和環氧丙烷聚合生成的聚合醇用于水基鉆井液中，起著抑制泥頁巖水化膨脹，防止井壁坍塌和保護油氣層的作用。由于聚合醇無毒可生物降解，廣泛用于環境敏感和海洋地域的油氣勘探中，聚合醇的作用體現在減少鉆井液濾液的化學活性和在濁點以上溫度未溶解的聚合醇微粒吸附在粘土表面，堵塞和鈍化空隙，阻止粘土和水接觸。
發明內容
本發明的發明目的是為了提高聚合醇對粘土的吸附能力，提高聚合醇濁點，提高聚合醇抗高溫性能，用于陸地和海洋深層(3500～5500m)油氣層鉆探，解決正電性因高溫作用引起的鉆井液增粘問題，提供一種由烯酸、烯基酰胺、烯基磺酸、烯基季銨鹽與環氧乙烷、環氧丙烷聚合反應生成的鉆井液用兩性離子聚合醇以及制備方法，達到改善聚合醇性能的目的。
實現上述發明目的采用以下技術方案一種鉆井液用兩性離子聚合醇，其特征在于，所述的兩性離子聚合醇由烯基單體(烯酸、烯基酰胺、烯基磺酸、烯基季銨鹽)與環氧乙烷和環氧丙烷按以下組分的質量百分比構成烯基單體∶環氧乙烷∶環氧丙烷＝10～30％∶15～30％∶20～80％，該烯基單體按以下組分的質量百分比構成烯酸∶烯基酰胺∶烯基磺酸∶烯基季銨鹽＝5～20％∶20～50％∶5～20％∶5～20％。
一種制備鉆井液用兩性離子聚合醇的方法，其特征在于，包括以下步驟將烯基單體、環氧乙烷、環氧丙烷分別加入到聚合反應器中，加入起始劑和聚合催化劑反應，反應條件反應溫度為100～150℃，反應壓力為0.1～2Mpa，反應時間為1～5h；聚合反應生成物，用氫氧化鉀水溶液中和得到PH＝7～8，聚合物濃度質量百分比為40～45％水溶液，該水溶液為鉆井液用兩性離子聚合醇。
由于采用了上述技術方案，本發明在粘土帶正電荷的端面和帶負電荷的平面上產生吸附，對粘土產生很強的抑制水化的作用。另外，由于其濁點效應，即濁點以上時兩性離子聚合醇呈現為束膠形式，能封堵地層細微裂縫，具有良好的防塌作用。本發明可用于陸地油田和海洋油田的鉆探中，用于壓井液、修井液和完井液的粘土穩定劑。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步的描述。
鉆井液用兩性離子聚合醇，是由烯酸、烯基酰胺、烯基磺酸、烯基季銨鹽與環氧乙烷、環氧丙烷聚合反應生成的兩性離子聚合醇。烯酸是丙烯酸、甲基丙烯酸，最佳為丙烯酸。烯基酰胺是丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、最佳為丙烯酰胺。烯基磺酸是丙烯磺酸、丙烯酸—2—磺酸基乙酯、2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸，最佳為2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸。烯基季銨鹽是烯丙基三甲基氯化銨、烯丙基三甲基碳酸氫銨、二烯丙基二甲基氯化銨，最佳為烯丙基三甲基氯化銨。
本發明提供的鉆井液用兩性離子聚合醇是由丙烯酸、丙烯酰胺，2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸，烯丙基三甲基氯化銨和環氧乙烷、環氧丙烷，在起始劑丙二醇，聚合催化劑過氧化苯甲酰的作用下，反應生成的聚合物，再與氫氧化鉀水溶液反應，生成鉆井液兩性離子聚合醇，其結構如下 式中x、y、z、m、n和q分別是環氧乙烷、環氧丙烷、丙烯酸、丙烯酰胺、2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸和丙烯基三甲基氯化銨的摩爾數，摩爾數是由各種單體加入量決定。單體按以下組分比(質量百分比)所構成烯基單體∶環氧乙烷∶環氧丙烷＝10～30％∶15～30％∶20～80％，最佳為烯基單體∶環氧乙烷∶環氧丙烷＝20～25％∶15～20％∶55～65％。烯基單體按以下組成比(質量百分比)所構成烯酸∶烯基酰胺∶烯基磺酸∶烯基季銨鹽＝5～20％∶20～50％∶5～20％∶5～20％，最佳為烯酸∶烯基酰胺∶烯基磺酸∶烯基季銨鹽＝10～20％∶30～40％∶15～20％∶15～20％。
本發明提供的鉆井液用兩性離子聚合醇的制備方法是首先將烯基單體、環氧乙烷和環氧丙烷加入聚合反應器中，再加入起始劑和聚合催化劑。起始劑為丙三醇、丙二醇，最佳為丙二醇。起始劑加量為反應物總量的0.1～10％(質量百分比)，最佳為2～8％。聚合催化劑為過氧化基甲酰，過氧化月桂酰、過硫酸銨，最佳為過氧化苯甲酰，聚合催化劑加入量為反應物總量的0.1～10％(質量百分比)，最佳為0.5～3％。聚合反應溫度為100～150℃，反應壓力為0.1～2Mpa，反應時間為1～5h，最佳為反應溫度120～135℃，反應壓力為0.3～0.5Mpa，反應時間為2～3h。聚合反應結束后，降溫至30～90℃，最佳70～80℃，生成的聚合物與10～30％(質量百分比)氫氧化鉀水溶液進行中和反應，得到pH＝7～8，聚合物濃度為40～45％(質量百分比)水溶液，即為鉆井液用兩性離子聚合醇。
下面用具體實施例進一步說明本發明(本發明不局限在這些例子范圍內)。
實施例1.在聚合反應器中加入丙烯酸50g，丙烯酰胺165g，2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸95g，烯丙基三甲基氯化銨45g，環氧乙烷750g和環氧丙烷1650g，起始劑丙二醇65g，聚合催化劑過氧化苯甲酰25g，在不斷攪拌下加熱至105℃，聚合反應開始并進行激烈，通入冷卻水調節反應溫度。
保持反應溫度為120-135℃，反應壓力為0.3-0.5Mpa，經過2-3h反應后，通入冷卻水冷卻至70-80℃。將聚合物緩慢加入另一個反應容器中，此反應容器中有預先配制好的濃度為20％(質量百分比)氫氧化鉀溶液，中和反應是放熱的，反應器通過冷卻水控制溫度在80-90℃，當溶液PH＝7-8時，得到6850g濃度為41％(質量百分比)的鉆井液用兩性離子聚合醇。
實施例2、在聚合反應器中加入甲基丙烯酸65g，丙烯酰胺145g，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸100g，烯丙基三甲基氯化銨37g，環氧乙烷900g和環氧丙烷1600g，起始劑丙三醇73g，聚合催化劑過氧化苯甲酰22g，在不斷攪拌下加熱到105℃，聚合反應開始，通過冷卻水調節反應溫度，控制溫度在110-140℃范圍內，反應壓力0.2-0.6MPa，經過2-3h反應后，通過冷卻水冷卻至70-80℃。在裝有濃度為20％(質量百分比)氫氧化鉀溶液的反應容器中緩慢加入聚合物進行中和反應，反應溫度控制在80-90℃。當溶液的PH＝7-8時，中和反應結束，得到7400g濃度為43％(質量百分比)的鉆井液用兩性離子聚合醇。
實施例3、鉆井液流變性試驗試驗用淡水基漿為4％安丘鈉膨潤土，鹽水基漿為在4％NaCl水溶液中加入10％安丘鈉膨潤土，試驗方法按SY/T5621-93鉆井液測試程序，試驗結果見表1。
表1兩性離子聚合醇對鉆井液流變性影響
實施例4、泥頁巖回收率試驗基漿為4％安丘鈉膨潤土淡水漿，泥頁巖為某井3204m處巖芯，破碎后過8-10目篩為試驗用芯巖。在基漿中加入1％試樣和50g巖芯，于150℃滾動16h，冷卻后過40目篩，水洗干凈巖芯后，在105±3℃烘干，為一次回收率。一次回收的巖芯在清水中于150℃滾動4h，用40目篩收為二次回收率。試驗結果見表2。
表2回收率試驗
實施例5、抑制膨潤土分散試驗基漿為4％安丘鈉膨潤土淡水漿，試樣加入量為2％，試驗方法為SY/T5696-95中4.4.5抑制膨潤土分散的測定。試驗結果見表3。
表3抑制膨潤土分散試驗
實施例6、濁點試驗在100ml燒杯中加入50ml蒸餾水，加入1.00g試樣，攪拌均勻后，倒入50ml比色管中。在比色管中放入一只溫度計。將比色管放入80-90℃水浴中加熱。當溶液突然變濁時，讀溫度計讀數，即為該試樣的濁點，濁點試驗結果見表4。
表4濁點試驗
本發明的鉆井液用兩性離子聚合醇含有大量的活性基團陰離子-COO-、-SO3-，
和非離子-OH、-CONH-，在粘土帶正電荷的端面和帶負電荷的平面上產生吸附，對粘土產生很強的抑制水化的作用。另外，由于其濁點效應，即濁點以上時兩性離子聚合醇呈現為束膠形式，能封堵地層細微裂縫，具有良好的防塌作用。
權利要求
1.一種鉆井液用兩性離子聚合醇，其特征在于，所述的兩性離子聚合醇由烯酸、烯基酰胺、烯基磺酸、烯基季銨鹽與環氧乙烷、環氧丙烷、烯基單體按以下組分的質量百分比構成烯基單體∶環氧乙烷∶環氧丙烷＝10～30％∶15～30％∶20～80％，該烯基單體按以下組分的質量百分比構成烯酸∶烯基酰胺∶烯基磺酸∶烯基季銨鹽＝5～20％∶20～50％∶5～20％∶5～20％。
2.根據權利要求1所述的鉆井液用兩性離子聚合醇，其特征在于，所述的烯基單體的烯酸是丙烯酸或甲基丙烯酸。
3.根據權利要求1所述的鉆井液用兩性離子聚合醇，其特征在于，所述的烯基單體的烯基酰胺是丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺。
4.根據權利要求1所述的鉆井液用兩性離子聚合醇，其特征在于所述的烯基單體的烯基磺酸是乙烯磺酸、丙烯磺酸、丙烯酸-2-磺酸基乙酯或2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸。
5.根據權利要求1所述的鉆井液用兩性離子聚合醇，其特征在于所述的烯基單體的烯基季銨鹽是烯丙基三甲基氯化銨、烯丙基三甲基碳酸氫銨或二烯丙基二甲基氯化銨。
6.一種如權利要求1所述的鉆井液用兩性離子聚合醇的制備方法，其特征在于，包括以下步驟將烯基單體、環氧乙烷、環氧丙烷分別加入到聚合反應器中，加入起始劑和聚合催化劑反應，反應條件反應溫度為100～150℃，反應壓力為0.1～2Mpa，反應時間為1～5h；聚合反應生成物，用氫氧化鉀水溶液中和得到PH＝7～8，聚合物濃度質量百分比為40～45％水溶液，該水溶液為鉆井液用兩性離子聚合醇。
7.根據權利要求6所述的鉆井液用兩性離子聚合醇的制備方法，其特征在于，所述的起始劑為丙三醇、丙二醇。
8.根據權利要求6所述的鉆井液用兩性離子聚合醇的制備方法，其特征在于，所述的聚合催化劑為過氧化苯甲酰，過氧化月桂酰或過硫酸銨。
全文摘要
一種鉆井液用兩性離子聚合醇及其制備方法，屬于鉆井液助劑領域。由烯酸、烯基酰胺、烯基磺酸、烯基季銨鹽與環氧乙烷、環氧丙烷、烯基單體按以下組分的質量百分比構成烯基單體∶環氧乙烷∶環氧丙烷＝10～30％∶15～30％∶20～80％。將它們分別加入到聚合反應器中，加入起始劑和聚合催化劑反應，反應溫度為100～150℃，反應壓力為0.1～2Mpa，反應時間為1～5h；聚合反應生成物，用氫氧化鉀水溶液中和得到本發明。本發明具有抗高溫、抗鹽、強抑制性，油氣層保護和環保特性。在石油天然氣勘探開發中用于鉆井液抑制防塌、油氣層保護和入井液的粘土穩定劑。
文檔編號C08F220/38GK1966605SQ20061010201
公開日2007年5月23日 申請日期2006年10月13日 優先權日2006年10月13日
發明者喬孟占 申請人:冀東石油勘探開發公司