控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂及其制备方法与流程

本发明涉及石油与天然气泥页岩地层钻进和钻井
技术领域：
，更具体地涉及一种用于控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂及其制备方法。
背景技术：
：黏土矿物大量存在于泥页岩地层中，在含黏土矿物泥页岩地层钻进时，由于黏土矿物具有极强的亲水特性，易与水发生水合作用，导致黏土矿物水化，一方面降低含黏土矿物岩石强度，另一方面黏土矿物不断细分散于钻井液中，增加了钻井液低密度劣质固相含量，影响钻井液流变性能，特别对于高密度钻井液，严重时无法调整钻井液流变性能，进而只能进行井浆置换，不仅增加了生产成本，同时还增加了环保压力。泥页岩中的黏土矿物可以看作细小片状结构的聚集体，其组成结构和含量的分布决定着泥页岩岩屑颗粒的比表面积，而比表面积的大小则会影响到泥页岩岩屑颗粒的吸水性以及水化分散特性，特别对于膨胀性黏土矿物，当其吸水水化以后，黏土颗粒可以进一步细分为更小的黏土颗粒，促进比表面积的进一步增加。目前，国内外用于控制黏土水化分散的处理剂种类繁多，其作用机理主要是通过晶格固定拉扯、压缩双电层、包被、表面改性、活度平衡、封堵等实现。当前，作用于黏土结晶水的处理剂较少且作用效果不明显，无机盐抑制剂结构简单但易被置换，包被剂对钻井液性能影响较大，胺类、功能性处理剂为目前研究的热点。因此，为控制钻井液中黏土矿物细分散所带来的钻井液低密度劣质固相含量增加的问题，本发明提供了一种用于控制黏土细分散的稳定剂及其制备方法。技术实现要素：本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于针对黏土细分散导致钻井液低密度固相含量增加所带来的问题，提供一种用于控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂及其制备方法。为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂，所述稳定剂按质量百分比计由10％～30％的阳离子聚合物、30％～60％的胺类低聚物、10％～20％的有机硅、0.1％～1％的稳定组分以及余量的水组成，其中，所述阳离子聚合物为由聚乙烯醇与从2，3-环氧丙基三甲基氯化铵、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(2，3-环氧丙氧)丙基甲基二甲氧基硅烷和2，3-环氧丙基三丁基氯化膦中的选择的至少两种物质构成的接枝共聚产物；所述胺类低聚物为聚氧乙烯二胺和聚醚胺中的一种或两种；所述有机硅为甲基硅酸盐和烷基烷氧基硅烷中的一种或两种；所述稳定组分为二甲基二硫代氨基甲酸钠、对叔丁基邻苯二酚以及四甲基哌啶氮氧自由基亚磷酸三酯中的一种或两种以上。本发明的另一方面提供了一种控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂的制备方法，所述制备方法包括：量取按质量百分比计10％～30％的阳离子聚合物、30％～60％的胺类低聚物、10％～20％的有机硅、0.1％～1％的稳定组分以及余量的水，将所述阳离子聚合物与所述水混合，然后，在搅拌条件下加入所述稳定组分，随后加入胺类低聚物和有机硅，混合搅拌均匀，得到所述稳定剂，其中，所述阳离子聚合物为由聚乙烯醇与从2，3-环氧丙基三甲基氯化铵、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(2，3-环氧丙氧)丙基甲基二甲氧基硅烷和2，3-环氧丙基三丁基氯化膦中的选择的至少两种物质构成的接枝共聚产物。与现有技术相比，本发明的有益效果包括：提供的用于控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂能够有效作用于黏土片层结构，降低黏土颗粒表面能与表面极性强度，保持黏土片层结构间的相对稳定，并阻止水分子进入，从而维持黏土矿物结构稳定。同时，该稳定剂吸附于黏土片层结构具有不可逆性，具备持久稳定作用。此外，该稳定剂为水溶性溶剂，便于钻井液配制过程中快速溶解。附图说明图1示出了未添加本发明稳定剂的高密度钻井液的泥岩细分散控制效果；图2示出了添加本发明的稳定剂后的高密度钻井液的泥岩细分散控制效果。具体实施方式在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂及其制备方法。在本发明的一个示例性实施例中，控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂按质量百分比计由10％～30％的阳离子聚合物、30％～60％的胺类低聚物、10％～20％的有机硅、0.1％～1％的稳定组分以及余量的水组成。通过上述配比，可有效保障稳定剂作用于黏土晶层的时效性，过低则不利于稳定剂功效发挥，过高则影响钻井液性能。具体来讲，阳离子聚合物为由聚乙烯醇与从2，3-环氧丙基三甲基氯化铵、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(2，3-环氧丙氧)丙基甲基二甲氧基硅烷和2，3-环氧丙基三丁基氯化膦中的选择的至少两种物质构成的接枝共聚产物。此外，阳离子聚合物的含量进一步可以为18％～24％。胺类低聚物可以为聚氧乙烯二胺和聚醚胺中的一种或两种。其中，聚氧乙烯二胺的分子式为nh2[ch2ch2o]nch2ch2nh2，n值小于25；并且聚醚胺的分子式为nh2ch(ch3)ch2[och2ch(ch3)]mnh2，m值小于25。此外，胺类低聚物的含量进一步可以为42％～54％。有机硅为甲基硅酸盐和烷基烷氧基硅烷中的一种或两种。此外，有机硅的含量为14％～17％。稳定组分为二甲基二硫代氨基甲酸钠、对叔丁基邻苯二酚以及四甲基哌啶氮氧自由基亚磷酸三酯中的一种或两种以上。在本发明的另一个示例性实施例中，控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂的制备方法可包括以下步骤：量取按质量百分比计10％～30％的阳离子聚合物、30％～60％的胺类低聚物、10％～20％的有机硅、0.1％～1％的稳定组分以及余量的水，将所述10％～30％的阳离子聚合物与所述余量的水混合，得到的混合物；然后，在搅拌条件下向所述混合物先加入所述0.1％～1％的稳定组分，随后加入30％～60％的胺类低聚物和10％～20％的有机硅，搅拌均匀，得到所述稳定剂。这里，胺类低聚物和有机硅的加入过程无先后顺序限制，也就是说，可分别先后加入，或同时加入。在本示例性实施例的制备方法中，所述阳离子聚合物为接枝共聚产物，该接枝共聚物由聚乙烯醇与从2，3-环氧丙基三甲基氯化铵、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、3-(2，3-环氧丙氧)丙基甲基二甲氧基硅烷和2，3-环氧丙基三丁基氯化膦中的选择的至少两种物质反应构成。在本发明的制备方法的另一个示例性实施例中，将所述10％～30％的阳离子聚合物与所述余量的水混合，得到的混合物的步骤可通过以下子步骤实现：s01，在70℃～90℃条件下，将聚乙烯醇快速完全溶解在水中得到第一溶液。s02，控制反应温度为50℃～80℃，在搅拌条件下，调节ph为10～13，得到第二溶液，通过上述反应温度、ph条件可有效保障接枝聚合反应进行，同时有利于产物生成。例如，可以按溶液体积比10％～20％的用量加入浓度为30％～50％的氢氧化钾或氢氧化钠溶液来调节ph值。s03，在第二溶液中加入所述至少两种物质进行反应，反应的时间可以为4h～7h。s04，冷却至室温后，调节ph为7～8，制得中性或弱碱性混合物。例如，可以用体积比为1：1盐酸来调节ph值。此外，也可将上述子步骤s04制得的混合物干燥后得到所述阳离子聚合物，以方便后续使用。示例1在本示例中，控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂按质量百分比计由阳离子聚合物10％、胺类低聚物55％、有机硅13％、稳定组分0.5％、以及余量的水构成。其中，阳离子聚合物为聚乙烯醇与2，3-环氧丙基三甲基氯化铵以及3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷形成的接枝共聚产物；胺类低聚物为聚氧乙烯二胺(n值为18～23)；有机硅为甲基硅酸钠；稳定组分为二甲基二硫代氨基甲酸钠。其制备方法操作步骤为：(a)在80℃条件下，将聚乙烯醇完全溶解在水溶液中，控制反应温度80℃，在搅拌条件下，按溶液体积比20％的用量加入浓度为40％的氢氧化钠溶液调节ph为11。随后加入2，3-环氧丙基三甲基氯化铵、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(二者质量比为1:1)反应4h后，冷却到室温后，用1：1盐酸调整ph至7，即制得本示例中的阳离子聚合物与水的混合物。(b)在常温常压下，按上述配比称取原料，添加制备的阳离子聚合物，随后在搅拌下依次添加二甲基二硫代氨基甲酸、聚氧乙烯二胺、甲基硅酸钠，混合搅拌均匀，即为本示例的控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂。示例2在本示例中，控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂按质量百分比计由阳离子聚合物10％、胺类低聚物55％、有机硅13％、稳定组分0.5％、以及余量的水构成。其中，阳离子聚合物为聚乙烯醇与2，3-环氧丙基三甲基氯化铵以及3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷形成的接枝共聚产物；胺类低聚物为聚氧乙烯二胺(n值为18～23)；有机硅为甲基硅酸钾；稳定组分为对叔丁基邻苯二酚。其制备方法操作步骤为：(a)在70℃条件下，将聚乙烯醇完全溶解在水溶液中，控制反应温度70℃，在搅拌条件下，按溶液体积比15％的用量加入浓度为35％的氢氧化钠溶液调节ph为12。随后加入2，3-环氧丙基三甲基氯化铵、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(质量比为2:1)反应5h后，冷却后，调整ph至7，即制得本示例中的阳离子聚合物与水的混合物。(b)在常温常压下，按上述配比称取原料，添加制备的阳离子聚合物，随后在搅拌下依次添加叔丁基邻苯二酚、聚氧乙烯二胺、甲基硅酸钾，混合搅拌均匀，即为本示例的控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂。示例3在本示例中，控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂按质量百分比计由阳离子聚合物20％、胺类低聚物40％、有机硅18％、稳定组分0.5％、余量的水构成。其中，阳离子聚合物为聚乙烯醇与2，3-环氧丙基三甲基氯化铵、2，3-环氧丙基三丁基氯化膦接枝共聚产物，胺类低聚物为聚醚胺(n值为2～10)，有机硅为甲基硅酸钾，稳定剂为四甲基哌啶氮氧自由基亚磷酸三酯。(a)在90℃条件下，将聚乙烯醇完全溶解在水溶液中，控制反应温度70℃，在搅拌条件下，调节ph为13。随后加入2，3-环氧丙基三甲基氯化铵、2，3-环氧丙基三丁基氯化膦反应5h后(质量比为2:1)，冷却后，调整ph至7.5，即制得本示例中的阳离子聚合物与水的混合物。(b)按上述配比称取原料，随后在搅拌下向阳离子聚合物与水的混合物中，先添加四甲基哌啶氮氧自由基亚磷酸三酯，然后再加入聚醚胺、甲基硅酸钾，混合搅拌均匀，即为本示例的控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂。示例4在本示例中，控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂按质量百分比计由阳离子聚合物20％、胺类低聚物40％、有机硅18％、稳定组分0.2％、余量的水构成。其中，阳离子聚合物为聚乙烯醇与2，3-环氧丙基三丁基氯化膦、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷的接枝共聚产物，胺类低聚物为聚氧乙烯二胺(n值为18～23)与聚醚胺(n值为2～10)按质量比1：1配比，有机硅为甲基硅酸钾与3-氨基丙基三乙氧基硅烷按质量比8：1配比，稳定剂为二甲基二硫代氨基甲酸钠。烷基烷氧基硅烷是一个大类，3-氨基丙基三乙氧基硅烷为其中的一种。(a)在75℃条件下，将聚乙烯醇完全溶解在水溶液中，控制反应温度670℃，在搅拌条件下，调节ph为12。随后加入2，3-环氧丙基三丁基氯化膦、3-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷反应4h后(质量比为1:1)，冷却后，调整ph至7，干燥，即制得本示例中的阳离子聚合物。(b)按上述配比称取原料，将阳离子聚合物与水形成混合物，随后在搅拌下向该混合物中，先添加二甲基二硫代氨基甲酸钠，然后再加入聚氧乙烯二胺(n值为18～23)与聚醚胺(n值为2～10)、甲基硅酸钾与3-氨基丙基三乙氧基硅烷，混合搅拌均匀，即为本示例的控制泥页岩地层钻进中黏土细分散的稳定剂。以下通过试验来对示例1-4中用于控制黏土细分散的稳定剂进行产品性能评价。(1)膨润土水化粒径分析：取250ml蒸馏水，分别按3％质量浓度添加上述示例1-4中制备的用于控制黏土细分散的稳定剂，其中未添加任何示例稳定剂的蒸馏水作为对比参照样。随后，分别向上述溶液中添加2％质量浓度的膨润土烘干样，搅拌均匀，置于滚子炉100℃条件下热滚16h后，取出并冷却至室温，采用ls9000激光粒度分析仪测定上述溶液中固体颗粒d50粒度大小，即第一次溶液热滚粒径情况。将上述示例1-4处理后的膨润土过滤烘干后，再次放入蒸馏水中，搅拌均匀，置于滚子炉100℃条件下热滚16h后，取出并冷却至室温，采用ls9000激光粒度分析仪测定上述溶液中固体颗粒d50的粒度大小，即第二次清水热滚粒径情况。表1固体颗粒d50的粒径对比从表1中可以看出，在100℃条件下热滚16h后，经本发明示例1-4处理后的膨润土d50值均显著高于对照样。经广泛的试验数据统计，经本发明的稳定剂处理后的第一次溶液处理热滚的粒径d50值可以为对照样的2.2～2.5倍以上。这说明本发明形成的稳定剂可用于控制黏土水化细分散。同时，采用清水二次热滚处理后，实施例仍保持较高的d50值。经广泛的试验数据统计，经本发明的稳定剂处理后的第二次清水热滚的粒径d50值仍保持在2.5倍以上，这说明本发明形成的稳定剂具备持久稳定作用。(2)滚动回收试验：室内采用一次滚动回收率与二次清水滚动回收率实现对泥岩稳定效果评价。根据滚动回收实验评价方法，在0.2％xc水溶液中按3％质量浓度添加上述示例1-4中制备的用于控制黏土细分散的稳定剂，其中未添加任何实施例稳定剂的0.2％xc水溶液作为对比参照样。测定经100℃高温热滚16小时后泥岩的滚动回收率大小，即一次滚动回收率。将一次回收率中颗粒尺寸大于40目的岩样再次放入清水中，测定经100℃高温热滚16小时后泥岩的滚动回收率大小，即二次清水滚动回收率。表2泥岩滚动回收率对比试样一次滚动回收率/％二次清水滚动回收率/％示例188.8681.26示例299.2287.16示例392.0485.39示例487.0680.36对照样20.92/从表2中可以看出，在100℃条件下热滚16h后，经本发明示例1-4处理后的泥岩其一次滚动回收率均大于85％。同时，采用清水二次热滚处理后，其泥岩滚动回收率仍大于80％。这说明，经本发明的稳定剂可有效抑制黏土水化分散，维持泥岩稳定，且具备持久稳定效果。(3)高密度钻井液性能分析：室内采用密度为2.07g/cm3的钻井液进行评价，以示例2中制备的用于控制黏土细分散的稳定剂为例，测定100℃条件下热滚16h后稳定剂(2％质量浓度)对高密度钻井液性能以及泥岩细分散控制效果进行分析。图1示出了未添加本发明稳定剂的高密度钻井液的泥岩细分散控制效果，与表3中的对照样对应；图2示出了添加本发明的稳定剂后的高密度钻井液的泥岩细分散控制效果，与表3中的示例2对应。表3高密度钻井液性能分析对比从表3和图1可以看出，添加本发明示例2中制备的用于控制黏土细分散的稳定剂，在2％质量浓度加量范围内对钻井液性能影响较小。同时，对于添加稳定剂后的钻井液，其处理后的泥岩颗粒成型度更高，泥岩细分散控制效果显著。综上所示，本发明的控制黏土细分散的稳定剂能够有效作用于黏土片层结构，降低黏土颗粒表面能与表面极性强度，保持黏土片层结构间的相对稳定，并阻止水分子进入，从而维持黏土矿物结构稳定。同时，该稳定剂吸附于黏土片层结构具有不可逆性，具备持久稳定作用。此外，该稳定剂为水溶性溶剂，便于钻井液配制过程中快速溶解。也就是说，本发明的稳定剂能够有效控制钻井过程中黏土的水化分散问题，保障钻进过程中返出岩屑成型且具有一定强度，从而减少钻井液中劣质固相含量的增加，维持钻井液性能稳定，具有广阔的应用前景。尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。当前第1页1 2 3 

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