專利名稱：一種鉆井液用聚胺強抑制劑及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種石油鉆井過程中鉆井液用處理劑，用于鉆井液施工中，屬于石油鉆探領域。
背景技術：
井壁失穩是石油天然氣鉆探過程中普遍存在、經常遇到的復雜問題。由于井壁失穩引起的井下復雜事故，對鉆井、完井施工危害極大，一直是困擾國內外石油工程界的突出難題。鉆井作業中，一旦發生井壁失穩，不僅延誤鉆井時間、傷害油氣層、干擾地質錄井等工作，導致井塌、卡鉆等一系列井下復雜情況與事故，嚴重井壁失穩處理不當時甚至會導致井眼報廢，造成重大經濟損失。井壁泥頁巖的穩定性取決于泥頁巖顆粒的表面化學特性。在水敏性泥頁巖中，穩定作用取決于顆粒表面之間的氫鍵。當水溶液削弱了泥頁巖顆粒之間的結合力時，強度降低，粘土的膨脹力便成為泥頁巖分散的主要因素。泥頁巖吸水一方面改變井壁巖石的力學性能，使巖石強度降低；另一方面產生水化膨脹，如果這種膨脹受到約束便會產生膨脹應力，從而改變近井壁的應力狀態，誘發或加劇井壁巖石的受力不平衡。因此，鉆井液體系中要加入抑制劑來抑制泥頁巖的水化分散膨脹。隨著現階段鉆井液技術的發展，已經研發出許多不同形式、不同特點的抑制劑，其中聚合物包被抑制劑、陽離子聚合物抑制劑、硅酸鹽類抑制劑、胺類抑制劑等使用較為廣泛，同時現場應用過程中也收到了不錯的效果，但是也存在著一些缺點。比如包被抑制劑和陽離子聚合物抑制劑等大分子的聚合物抑制劑，雖然能保持鉆屑的完整，但不能保持巖屑的強度。硅酸鹽類抑制劑最大的弱點就是流變性較難控制。現在使用的胺類抑制劑對鉆井液的流變性和濾失性影響較大，加量不易控制，而且不少胺類抑制劑生物毒性高，滿足不了現在鉆井工程中的環保要求。 鉆井過程中鉆井液使用的理想的強抑制劑的要求是，大幅度提高鉆井液對黏土和鉆屑抑制性，防止鉆頭泥包，利于提高了機械鉆速，具有高溫穩定性，減少儲層傷害，生物毒性低，可以用于深水鉆井中。因此若能開發一種可以大幅度提高鉆井液的抑制性，防止泥頁巖的水化分散，減少鉆頭泥包；抑制泥巖的水化膨脹，防止井壁失穩，而且與鉆井液體系適用性好，生物毒性低的新型鉆井液用強抑制劑，可以減少井壁失穩的問題，縮短處理井下復雜情況的時間，這對于降低鉆井綜合成本、提高鉆井時效、加快勘探開發速度均具有極其重要的經濟意義。目前使用的抑制劑要么只能保持鉆屑完整，但不能保持鉆屑強度；加入后鉆井液的性能變化較大，性能不易控制，或者生物毒性較高，不能滿足現在鉆井工程的環保要求。為了解決以上問題，研究開發了一種新型強抑制劑，即鉆井液用聚胺強抑制劑。
發明內容
為解決現有技術中存在的問題，本發明提供了一種鉆井液用聚胺強抑制劑、制備方法及應用。可以提高鉆井液的抑制性，還可以大幅度提高鉆井液對黏土和鉆屑抑制性，防止鉆頭泥包，利于提高了機械鉆速，具有高溫穩定性，減少儲層傷害，生物毒性低，可以用于深水鉆井中。本發明的目的之一是提供一種鉆井液用聚胺強抑制劑。本發明的目的之二是提供一種所述鉆井液用聚胺強抑制劑的制備方法。本發明一種鉆井液用聚胺強抑制劑，該聚胺強抑制劑是通過胺類化合物在堿金屬催化劑存在下與環氧化合物在90-110°C條件下反應合成的鉆井液用聚胺強抑制劑；所述的胺類化合物為聚醚胺、烷基胺、醚胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺或多乙烯多胺；所述的環氧化合物為環氧丙烷或環氧乙烷。所述的胺類化合物優選聚醚胺、烷基胺、醚胺，堿金屬催化劑優選氫氧化鉀。所述的鉆井液用聚胺強抑制劑制備方法，胺類化合物在堿金屬催化劑存在下與環氧化合物在90-110°C條件下反應合成的鉆井液用聚胺強抑制劑。所述的胺類化合物為聚醚胺、烷基胺、醚胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺或多乙烯多胺。所述的環氧化合物為環氧丙烷或環氧乙烷；所述的胺類化合物與環氧化合物的加料摩爾比為1: 2 3 ;胺類化合物與堿金屬催化劑的重量比為950 1100: I;具體包括如下步驟:(I)反應釜清洗干凈，烘干后抽真空，按比例加入胺類化合物和堿金屬催化劑，升溫;(2)反應釜溫度升至90°C后開始加入環氧化合物，在溫度由90°C升至115°C范圍內加入環氧化合物總量的30%，環氧丙烷分多次加入；加入過程中保證壓力不超過
0.3MPa，同時控制釜體溫度最大不超過125°C ；
(3)待反應釜壓力降為零之后，保持溫度120°C左右繼續反應lh，然后降溫出料，得到聚胺強抑制劑。本發明針對現有鉆井液用抑制劑存在的問題，提供了一種新型的鉆井液用強抑制劑及制備方法，利用本發明可以提高鉆井液的抑制性，還可以大幅度提高鉆井液對黏土和鉆屑抑制性，防止鉆頭泥包，利于提高了機械鉆速，具有高溫穩定性，減少儲層傷害，生物毒性低，可以用于深水鉆井中。本發明得到的聚胺強抑制劑是一種具有獨特的分子結構的有機胺鹽H2NCH2CH2CH20CH2CH2NHR0H，(其中R = 2-10的烷基。最優范圍為2_4的烷基。)可充填在黏土層間，并把它們束縛在一起，有效地減少黏土的吸水傾向；胺分子通過金屬陽離子吸附在黏土表面，或者是在離子交換中取代了金屬陽離子形成了對黏土的束縛；其抑制頁巖膨脹的機理不同于其他類鉆井液用抑制劑，而是由于胺基獨特的束縛作用。由于聚胺強抑制劑分子具有“遙爪型”的二胺或多胺類化合物結構使其能嵌入黏土晶層，依靠首尾兩個或多個胺基固定黏土晶片，更好地發揮胺類化合物對泥頁巖、黏土的的優良抑制作用。X射線衍射分析結果表明，當聚胺強抑制劑濃度為0.5%時鈉膨潤土的層間距從
2.02nm降低至1.41nm，此后隨著濃度的增加層間距幾乎不再變化。通過X射線衍射層間距測試可知，加入聚胺強抑制劑能將粘土層間吸附的水分子驅出來，使粘土顆粒去水化，并可以通過架橋的方式穿過土層進行束縛。該鉆井液強抑制劑適合于蒙脫石含量高易造漿的地層，及井壁水敏性強易水化膨脹，易失穩垮塌，掉塊較嚴重的泥巖地層。該劑可大幅度提高鉆井液體系的抑制性，使用工藝簡單，加量少，可以有效降低鉆井液成本，減少復雜地層的井壁失穩的問題。
該新型聚胺強抑制劑具有強抑制性，在宣化膨潤土加量高達30%時，對動切力有穩定作用，體系配伍性好，巖屑滾動回收率可以達到90%以上，7h頁巖線性膨脹率10%，抗溫性能≥180°C，生物毒性低，LC50值為38010mg/L。
具體實施例方式
下面結合實施例，進一步說明本發明。實施例1新型聚胺強抑制劑的室內小樣的合成: 起始劑聚醚胺加量為1004.8g，氫氧化鉀加量為lg，環氧丙烷加量為200.5g，攪拌速度小于150r/min,導熱油加熱。先加入起始劑聚醚胺和氫氧化鉀，升溫至90°C后加入15wt%環氧丙烷。升溫至110°C后分多次加入剩下的環氧丙烷。待最后一次加入環氧丙烷后，保持溫度為110 C左右，待壓力降為零之后，保持溫度120 C左右繼續反應1h,冷卻，抽真空，出料。實施例2新型聚胺強抑制劑的工業中試:起始劑聚醚胺加量為588kg,氫氧化鉀加量0.6Kg,環氧丙燒加量為140kg。反應釜清洗干凈并烘干后抽真空，先加入起始劑聚醚胺588Kg和氫氧化鉀0.6Kg，然后升溫。溫度升至90°C后開始加入環氧丙烷，在溫度由90°C升至115°C范圍內加入環氧丙烷42kg，環氧丙烷分三次加入。待溫度升至115°C之后，將剩余的環氧丙烷分次加入，加入過程中保證壓力不超過0.3MPa，同時控制釜體溫度最大不超過125°C。待壓力降為零之后，保持溫度120°C左右繼續反應lh，然后降溫出料。產物顏色為淡黃色，粘度適中，產物質量為721kg，收率為99.04%。實施例3新型聚胺強抑制劑的工業生產:起始劑聚醚胺加量為6045Kg，氫氧化鉀6Kg，環氧丙烷加量1206Kg。反應釜內先加入聚醚胺為6045Kg，氫氧化鉀6Kg，溫度升至90°C時通入184Kg環氧丙烷，然后繼續升溫，當溫度達到110°C時，后根據釜內壓力變化間斷加入剩余環氧丙烷，共分七次投入。反應過程中溫度最高時為135°C。整個反應過程保證壓力不超過0.3MPa。當釜內壓力降為-0.03MPa并保持不變，通循環水冷卻、抽真空，然后出料。產物顏色為無色透明，粘度適中。實施例4起始劑聚醚胺加量為600g，氫氧化鉀加量為0.6g，環氧乙烷加量為88g，攪拌速度300r/min,導熱油加熱。先加入起始劑聚醚胺和氫氧化鉀,升溫至90°C后加入15wt%環氧乙烷。升溫至110°C后分三次加入剩下的環氧乙烷。待最后一次加入環氧乙烷后，保持溫度為110°C左右，待壓力降為零之后，繼續維持溫度30min，然后冷卻至常溫，開釜出料，得到無色或微黃色液體，可直接加入鉆井液中作為抑制劑。實施例5抑制宣化膨潤土造漿與抗溫性能測試步驟(以下為質量分數):在清水中加入聚胺強抑制劑配制3%的聚胺水溶液，再加入30%的宣化膨潤土高速攪拌15min，在不同溫度下熱滾16h，測其流變性。結果見表I。
實施例6鉆井液體系配伍性評價(以下均為質量分數)①4 %膨潤土漿+0.2 %陽離子懸浮聚合物+0.5 %有機硅醇抑制+0.2 %HV-CMC+1 %水解聚丙烯銨鹽+2.0%磺化酚醛樹脂+2.0%褐煤樹脂+2.0%浙青+2%碳酸鈣+30%重晶石(陽離子聚合物體系)②4 %膨潤土漿+0.2 %陽離子懸浮聚合物+0.5 %有機硅醇抑制劑+0.2 %HV-CMC+0.5%聚胺強抑制劑+1%水解聚丙烯銨鹽+2.0%磺化酚醛樹脂+2.0%褐煤樹脂+2.0%浙青+2%碳酸鈣+30%重晶石(陽離子聚合物體系)結果見表2。實施例7體系配伍性評價(以下為質量分數)①4%膨潤土漿+0.3%聚丙烯酸鉀+3.0%磺化酚醛樹脂+3.0%褐煤樹脂+7.0%原油+0.3%乳化劑+2.5%浙青+30%重晶石(聚磺混油體系)②4%膨潤土漿+0.3%聚丙烯酸鉀+0.5%聚胺強抑制劑+3.0 %磺化酚醛樹脂+3.0%褐煤樹脂+7.0%原油+0.3%乳化劑+2.5%浙青+30%重晶石(聚磺混油體系)結果見表3。實施例8抑制性評價:頁巖滾動回收率。這是鉆井液評價抑制性的常用方法。結果見表4。實施例9
生物毒性評價根據中華人民共和國國家標準《海洋石油勘探開發污染物生物毒性檢驗方法》(GB/T 18420.2-2009)中華人民共和國國家標準《海洋石油勘探開發污染物生物毒性分級》(GB 18420.1-2009)，由中國海洋局天津海洋監測中心站檢測，根據本發明的LC5tl值為38010mg/L，為無毒產品。實施例10抑制頁巖膨脹性能(這是鉆井液評價抑制性的常用方法)結果見表5。表I
鉆井液實驗條件[~pyP^p
3 %聚胺水溶液+30 %宣化膨潤土88°C熱滾16h1413
3 %聚胺水溶液+30 %宣化膨潤土120°C熱滾16h 17U75
3 %聚胺水溶液+30 %宣化膨潤土150°C熱滾16h 175 5
3 %聚胺水溶液+30 %宣化膨潤土180°C熱滾16h 16Tl,PV:鉆井液塑性粘度，mPa.sYP:鉆井液動切力，Pa表權利要求
1.一種鉆井液用聚胺強抑制劑，其特征在于，該聚胺強抑制劑是通過胺類化合物在堿金屬催化劑存在下與環氧化合物在90-110°C條件下反應合成的鉆井液用聚胺強抑制劑；所述的胺類化合物為聚醚胺、烷基胺、醚胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺或多乙烯多胺；所述的環氧化合物為環氧丙烷或環氧乙烷。
2.根據權利要求1所述的鉆井液用聚胺強抑制劑，其特征在于所述的胺類化合物為聚醚胺、烷基胺或醚胺；堿金屬催化劑為氫氧化鉀。
3.權利要求1 2之一所述的鉆井液用聚胺強抑制劑制備方法，其特征在于，胺類化合物在堿金屬催化劑存在下與環氧化合物在90-110°C條件下反應合成的鉆井液用聚胺強抑制劑；所述的胺類化合物為聚醚胺、烷基胺、醚胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺或多乙烯多胺；所述的環氧化合物為環氧丙烷或環氧乙烷；所述的胺類化合物與環氧化合物的加料摩爾比為1: 2 3 ;胺類化合物與堿金屬催化劑的重量比為950 1100: I ;包括如下步驟: (1)反應釜清洗干凈，烘干后抽真空，按比例加入胺類化合物和堿金屬催化劑，升溫； (2)反應釜溫度升至90°C后開始加入環氧化合物，在溫度由90°C升至115°C范圍內加入環氧化合物總量的30%，環氧丙烷分多次加入；加入過程中保證壓力不超過0.3MPa，同時控制釜體溫度最大不超過125°C ； (3)待反應釜壓力降為零之后，保持溫度120°C左右繼續反應lh，然后降溫出料。
4.權利要 求1 2之一所述的鉆井液用聚胺強抑制劑在鉆井中的應用，其特征在于:在鉆井液體系中加入0.5% 1.0的所述聚胺強抑制劑。
全文摘要
本發明涉及一種鉆井液用聚胺強抑制劑，該聚胺強抑制劑是通過胺類化合物在堿金屬催化劑存在下與環氧化合物在90-110℃條件下反應合成的鉆井液用聚胺強抑制劑；所述的胺類化合物為聚醚胺、烷基胺、醚胺、四乙烯五胺、五乙烯六胺或多乙烯多胺；所述的環氧化合物為環氧丙烷或環氧乙烷。針對高溫強水敏易失穩地層，通過特殊的分子結構設計，使該抑制劑具有強抑制性，能抑制粘土造漿和頁巖的水化膨脹。該抑制劑在宣化膨潤土加量高達30％時，對動切力有穩定作用，巖屑滾動回收率可以達到90％以上，8h頁巖線性膨脹率≤10％，抗溫性能≥180℃，生物毒性低，LC50值大于38010mg/L。
文檔編號C08G65/00GK103087691SQ20111033489
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月28日 優先權日2011年10月28日
發明者張國, 劉貴傳, 徐江, 梅春桂, 劉金華, 陳紅壯, 高偉 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院