一种预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂及其制备方法与流程

1.本发明涉及钻井液技术领域，具体涉及一种预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂及其制备方法。


背景技术：

2.采油钻井过程中为了携带、悬浮钻屑、润滑保护钻头必须向井中注入钻井液，由于井下地层环境非常复杂，注入钻井液也会引发一系列井壁失稳的问题。并且随着钻井深度的加深，井壁失稳也会引发一系列的问题，除了导致生产效率的大幅降低也会引发安全事故。通过对井壁失稳进行分析，普遍认为是井壁失稳由于泥页岩的水化膨胀所导致的。
3.目前采用的缩膨剂为新一代泥页岩抑制剂，相比于常规的粘土稳定剂，其不仅具备较好的膨胀性，还具有一定的抑砂、缩膨作用，有助于提高注水井的酸化解堵，大幅度缩短钻井的防膨有效期。缩膨剂，顾名思义可以通过让已经膨胀的粘土体积缩小，在一定程度上恢复油气储层的渗透率，从而使得注水压力下降，提高采油率。
4.研究发现，缩膨剂作用于蒙脱石的缩膨机理一般有四种：
5.(1)压缩双电层机理；通过缩膨剂中的阳离子与蒙脱石晶体表面的负电荷中和，从而使得zeta电位降低，压缩双电层，在宏观上收缩粘土的体积。(2)水分子脱除机理；通过缩膨剂中携带的强氧化性物质作用在粘土晶体上，脱出蒙脱石晶体中吸附的水分子，收缩粘土的体积，恢复储层的渗透率。(3)离子置换机理；每种阳离子具有不同的水化能，而蒙脱石晶体的膨胀往往是由水化能较大的离子造成的，水化能较大的粒子可以吸附更多的水分子，所以可以利用缩膨剂中携带的低水化能阳离子，置换出高水化能的离子，从而缩小蒙脱石晶体的体积，并且这些阳离子吸附在晶体表面还可以起到防膨的作用。(4)多点吸附机理；采用一种长链的缩膨剂分子，通过多点吸附发挥出缩膨剂分子的架桥作用，把分散的粘土晶体吸附在一起，从而阻止一部分粘土晶体的分散和转运，最终达到改善油气储层渗透率、提高采油效率的目的。
6.例如，专利文献cn 107338036 a提出了“一种缩膨型无固相修井液及其制备方法”，通过将氯化钾、氯化钠、亚硫酸钠、阳离子季铵盐、非离子表面活性剂、有机硅表面、聚山梨酯、黄原胶按一定比例复配而成，在实验井中能够大幅提高流体的有效渗透率，在实验室中测得缩膨率达到82％。但是，该专利中缩膨型无固相修井液的配制过程复杂，流程繁琐，不适用于大规模生产。
7.另外，专利文献cn 111607375 a提出了“一种用于低渗透敏感性油藏的防膨缩膨剂及其制备方法”，由甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、3
‑
烯丙氧基
‑2‑
羟基
‑1‑
丙磺酸聚合而成，在浓度500ppm时，防膨率能达到98％以上，缩膨率为40％。但是，通过该专利方法合成的缩膨剂存在分子量太大、聚合程度不好控制、反应过程繁琐、水溶性偏差的问题，且配置该钻井液的过程耗时较长，不利于实际现场施工。


技术实现要素：

8.针对高泥质油藏采油钻井过程中出现的井壁失稳现象，本发明提出了一种预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂及其制备方法，有效解决了由于泥页岩膨胀而导致的各种问题，弥补了国内市场上高效缩膨剂的空缺，有利于采油行业的发展。
9.本发明采用以下的技术方案：
10.一种预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂，所述缩膨剂由季铵盐、氯化钙溶液和丙烯酸溶液配制而成，其中，氯化钙溶液和丙烯酸溶液起到协同缩膨的作用，季铵盐由双分子季铵盐和长链季铵盐聚合物组成；双分子季铵盐由n,n二甲基十二烷基叔胺和1,3二溴丙烷在乙醇溶液中合成，利用水化能较低的nh
4
置换粘土晶体中的高水化能阳离子，释放晶体中吸附的水分子，起到离子置换的作用；季铵盐长链聚合物以偶氮二异丁腈为引发剂，由n,n二甲基十二烷基叔胺和环氧氯丙烷在乙醇溶液中合成，起到多点吸附的作用，通过将分散在水中的粘土颗粒架桥连接，预防粘土颗粒的分散和转运；
11.反应方程式为：
[0012][0013]
优选地，所述缩膨剂中季铵盐、氯化钙、丙烯酸的质量比为1：(1.9～2.1)：(1.9～2.1)，总质量分数为2％～4％。
[0014]
优选地，所述缩膨剂中季铵盐、氯化钙、丙烯酸的质量比为1：2：2，总质量分数为2％。
[0015]
优选地，所述引发剂偶氮二异丁腈的质量分数为0.2％～0.4％，1,3
‑
二溴丙烷与环氧氯丙烷的摩尔比为(3.5～4.5)：1。
[0016]
优选地，乙醇溶液的质量分数为60％，引发剂偶氮二异丁腈的质量分数为0.2％，1,3
‑
二溴丙烷与环氧氯丙烷的摩尔比为4：1。
[0017]
上述用于预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂的制备方法，包括以下步骤：
[0018]
a.将乙醇溶液、n,n二甲基十二烷基叔胺依次加入三口烧瓶中得到胺溶液，搅拌胺溶液，将体系温度升至预热温度55～65℃，以0.5～1ml/min的滴加速率向体系内缓慢滴入1,3
‑
二溴丙烷，待1,3
‑
二溴丙烷滴加完成后，将体系温度升至反应温度75～80℃进行季铵化反应，制备得到双分子季铵盐化合物；
[0019]
b.将体系温度降低至预热温度55～65℃，向三口烧瓶中加入引发剂偶氮二异丁腈和环氧氯丙烷，再将体系温度升至反应温度80～85℃进行开环加聚反应，维持温度恒定，待反应结束后，将三口烧瓶放入真空烘箱中，烘干体系中的溶剂，用于预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂。
[0020]
优选地，所述步骤a中，季铵化反应的时长为10～12h。
[0021]
优选地，所述步骤b中，开环加聚反应的时长为6～8h。
[0022]
优选地，所述步骤b中，真空烘箱的温度为60℃，烘干时长为5～7h。
[0023]
本发明具有的有益效果是：
[0024]
①
本发明提出的缩膨剂采用双分子季铵盐阳离子，利用高密度阳离子大幅提升了离子交换的效率，提高了粘土缩膨效率。
[0025]
②
本发明提出的缩膨剂水溶性良好，现场施工方便，大幅度提高了工作效率，原料成本低，合成工艺简单，适用于大规模生产。
[0026]
③
本发明提出的缩膨剂可以牢固的吸附在粘土矿物表面，作用时间长且效果稳定，在缩膨剂质量分数为2％时，缩膨率可达到40％以上。
附图说明
[0027]
图1为本发明缩膨剂中双分子季铵盐的红外谱图。
[0028]
图2为本发明缩膨剂中季铵盐长链聚合物的红外谱图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和实施例对本发明进行具体的说明：
[0030]
一种预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂，由季铵盐、氯化钙溶液和丙烯酸溶液配制而成，氯化钙溶液的质量分数为2％，丙烯酸溶液的质量分数为3％，季铵盐、氯化钙、丙烯酸的质量比为1：(1.9～2.1)：(1.9～2.1)，总质量分数为2％～4％，其中，季铵盐由双分子季铵盐和长链季铵盐聚合物组成，双分子季铵盐由n,n二甲基十二烷基叔胺和1,3二溴丙烷在乙醇溶液中合成，图1所示为双分子季铵盐的红外谱图；季铵盐长链聚合物以质量分数为0.2％～0.4％的偶氮二异丁腈作为引发剂，由n,n二甲基十二烷基叔胺和环氧氯丙烷在乙醇溶液中合成，1,3
‑
二溴丙烷与环氧氯丙烷的摩尔比为(3.5～4.5)：1，图2所示为季铵盐长链聚合物的红外谱图，配制过程中采用乙醇溶液的质量分数为60％。
[0031]
上述用于预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂的制备方法，包括以下步骤：
[0032]
a.将乙醇溶液、n,n二甲基十二烷基叔胺依次加入三口烧瓶中得到胺溶液，搅拌胺溶液，将体系温度升至预热温度55～65℃，以0.5～1ml/min的滴加速率向体系内缓慢滴入1,3
‑
二溴丙烷，待1,3
‑
二溴丙烷滴加完成后，将体系温度升至反应温度75～80℃进行10～12h的季铵化反应，制备得到双分子季铵盐化合物。
[0033]
b.将体系温度降低至预热温度55～65℃，向三口烧瓶中加入引发剂偶氮二异丁腈和环氧氯丙烷，再将体系温度升至反应温度80～85℃进行6～8h的开环加聚反应，维持温度恒定，待反应结束后，将三口烧瓶放入温度为60℃的真空烘箱中烘干5～7h，烘干体系中的溶剂，得到用于预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂。
[0034]
实施例1
[0035]
缩膨剂由季铵盐、氯化钙溶液和丙烯酸溶液配制而成，氯化钙溶液的质量分数为2％，丙烯酸溶液的质量分数为3％，季铵盐、氯化钙、丙烯酸的质量比为1：1.9：1.9，总质量分数为2％，其中，季铵盐由双分子季铵盐和长链季铵盐聚合物组成，双分子季铵盐由n,n二甲基十二烷基叔胺和1,3二溴丙烷在乙醇溶液中合成，季铵盐长链聚合物以质量分数为0.2％的偶氮二异丁腈作为引发剂，由n,n二甲基十二烷基叔胺和环氧氯丙烷在乙醇溶液中
合成，1,3
‑
二溴丙烷与环氧氯丙烷的摩尔比为3.5：1，乙醇溶液的质量分数为60％。
[0036]
上述缩膨剂的制备方法，包括以下步骤：
[0037]
a.将乙醇溶液、n,n二甲基十二烷基叔胺依次加入三口烧瓶中得到胺溶液，采用磁力搅拌器搅拌胺溶液，将体系温度升至预热温度55℃，以0.5～1ml/min的滴加速率向体系内缓慢滴入1,3
‑
二溴丙烷，待1,3
‑
二溴丙烷滴加完成后，将体系温度升至反应温度75℃进行10h的季铵化反应，制备得到双分子季铵盐化合物。
[0038]
b.将体系温度降低至预热温度55℃，向三口烧瓶中加入引发剂偶氮二异丁腈和环氧氯丙烷，再将体系温度升至反应温度80℃进行6h的开环加聚反应，维持温度恒定，待反应结束后，将三口烧瓶放入温度为60℃的真空烘箱中烘干5h，得到用于预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂。
[0039]
实施例2
[0040]
缩膨剂由季铵盐、氯化钙溶液和丙烯酸溶液配制而成，氯化钙溶液的质量分数为2％，丙烯酸溶液的质量分数为3％，季铵盐、氯化钙、丙烯酸的质量比为1：2：2，总质量分数为3％，其中，季铵盐由双分子季铵盐和长链季铵盐聚合物组成，双分子季铵盐由n,n二甲基十二烷基叔胺和1,3二溴丙烷在乙醇溶液中合成，季铵盐长链聚合物以质量分数为0.3％的偶氮二异丁腈作为引发剂，由n,n二甲基十二烷基叔胺和环氧氯丙烷在乙醇溶液中合成，1,3
‑
二溴丙烷与环氧氯丙烷的摩尔比为4：1，乙醇溶液的质量分数为60％。
[0041]
上述缩膨剂的制备方法，包括以下步骤：
[0042]
a.将乙醇溶液、n,n二甲基十二烷基叔胺依次加入三口烧瓶中得到胺溶液，采用磁力搅拌器搅拌胺溶液，将体系温度升至预热温度60℃，以0.5～1ml/min的滴加速率向体系内缓慢滴入1,3
‑
二溴丙烷，待1,3
‑
二溴丙烷滴加完成后，将体系温度升至反应温度75℃进行11h的季铵化反应，制备得到双分子季铵盐化合物。
[0043]
b.将体系温度降低至预热温度60℃，向三口烧瓶中加入引发剂偶氮二异丁腈和环氧氯丙烷，再将体系温度升至反应温度85℃进行7h的开环加聚反应，维持温度恒定，待反应结束后，将三口烧瓶放入温度为60℃的真空烘箱中烘干6h，得到用于预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂。
[0044]
实施例3
[0045]
缩膨剂由季铵盐、氯化钙溶液和丙烯酸溶液配制而成，氯化钙溶液的质量分数为2％，丙烯酸溶液的质量分数为3％，季铵盐、氯化钙、丙烯酸的质量比为1：2.1：2.1，总质量分数为4％，其中，季铵盐由双分子季铵盐和长链季铵盐聚合物组成，双分子季铵盐由n,n二甲基十二烷基叔胺和1,3二溴丙烷在乙醇溶液中合成，季铵盐长链聚合物以质量分数为0.4％的偶氮二异丁腈作为引发剂，由n,n二甲基十二烷基叔胺和环氧氯丙烷在乙醇溶液中合成，1,3
‑
二溴丙烷与环氧氯丙烷的摩尔比为4.5：1，乙醇溶液的质量分数为60％。
[0046]
上述缩膨剂的制备方法，包括以下步骤：
[0047]
a.将乙醇溶液、n,n二甲基十二烷基叔胺依次加入三口烧瓶中得到胺溶液，采用磁力搅拌器搅拌胺溶液，将体系温度升至预热温度65℃，以0.5～1ml/min的滴加速率向体系内缓慢滴入1,3
‑
二溴丙烷，待1,3
‑
二溴丙烷滴加完成后，将体系温度升至反应温度80℃进行11h的季铵化反应，制备得到双分子季铵盐化合物。
[0048]
b.将体系温度降低至预热温度65℃，向三口烧瓶中加入引发剂偶氮二异丁腈和环
氧氯丙烷，再将体系温度升至反应温度80℃进行8h的开环加聚反应，维持温度恒定，待反应结束后，将三口烧瓶放入温度为60℃的真空烘箱中烘干7h，得到用于预防高泥质油藏采油钻井过程中井壁失稳的缩膨剂。
[0049]
为了进一步测定实施例1～3中制备的缩膨剂的性能，针对各实施例制备缩膨剂，分别采用以下方法测定缩膨剂的缩膨效果，包括以下步骤：
[0050]
(1)取适量的粘土置于烧杯中，将烧杯放入温度为105℃的鼓风式恒温干燥箱中干燥3小时，分别称量0.5g的干燥粘土置于编号1和编号2的10ml离心管中，在编号1的离心管中分别加入等量的煤油，在编号2的离心管中分别加入等量的水，煤油与水的量相等，振荡摇匀后静置2h，以1500r
·
min
‑1的速度离心15min，记录编号1的离心管中液体体积为v0，编号2的离心管中液体体积为v1。
[0051]
(2)将编号2离心管中的水倒出，加入固定质量分数的缩膨剂，轻微震荡摇匀后静置2h，以1500r
·
min
‑1的速度离心15min，记录此时编号2的离心管中液体体积为v2，计算缩膨剂的缩膨率，公式如下所示：
[0052][0053]
式中，p表示膨胀率。
[0054]
通过实验测定各实施例制备缩膨剂的缩膨率，在显微镜下观察经本发明缩膨剂处理前后的粘土，对比处理前后粘土的接触角，并利用缩膨率表示缩膨剂的缩膨效果，如表1所示。
[0055]
表1各实施例制备缩膨剂的缩膨效果
[0056][0057]
由表1可以得到，本发明制备的缩膨剂的缩膨率均在40％以上，实施例2制备的缩膨剂的缩膨率最高为44.1％，适用于解决高泥质油藏在钻井作业中出现的井壁失稳的问题，有效克服了现有粘土稳定剂效果不佳且不具有缩小已膨胀粘土作用的弊端，具有重要的工程应用价值。
[0058]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。