一种粉末状钻井液用抗磨减阻剂及其制备方法与流程

1.本发明涉及钻井领域，具体涉及一种粉末状钻井液用抗磨减阻剂及其制备方法。


背景技术：

2.在埋藏较浅，且目的层黏土含量较高等条件影响下，容易导致钻进过程中，特别是水平段钻进过程中钻进及起下钻摩阻大、扭矩大的问题；针对该问题，急需一种能够降低钻井摩阻的处理剂。
3.以往在钻井过程中遇到摩阻以及扭矩偏大，均会加入表面活性剂(液体润滑剂类)或者固体润滑剂(石墨、玻璃小球或塑料小球)类，但埋藏较浅的水平段钻进均为油基钻井液体系，体系本身大部分为油，润滑性就较好，所以液体的润滑剂效果不佳；而固体的玻璃小球等不仅强度低，使用时容易破碎，导致摩阻更大，而且由于尺寸均较大，在井下只能循环使用一周，一周后都会从振动筛筛掉，无法随钻使用；塑料小球由于本身表面亲油，在使用中容易对钻井液体系产生影响，且颗粒较粗，无法持续起效；所以目前为止还没有明显适用于油基钻井液且能够改善井下摩阻及扭矩的专用型抗磨减阻剂。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，提供一种粉末状钻井液用抗磨减阻剂及其制备方法，该减阻剂能够适用于油基钻井液中，有效降低钻井摩阻和扭矩。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种粉末状钻井液用抗磨减阻剂的制备方法，包括以下步骤：
6.s1、将苯乙烯、催化剂和交联剂混合均匀，得到混合物a；向混合物a 中加入改性石墨粉和橡胶粉，分散均匀得到混合物b；
7.s2、将混合物b加入到聚乙烯醇水溶液中，进行悬浮聚合反应；
8.s3、悬浮聚合反应结束后，产物经过后处理，得到粉末状钻井液用抗磨减阻剂；
9.其中，苯乙烯、改性石墨粉、橡胶粉和聚乙烯醇的重量比为(30～50)： (30～40)：(20～40)：(1.2～1.6)。
10.按上述方案，所述步骤s1中，催化剂为过氧化苯甲酰或偶氮二异丁腈，交联剂为二乙烯基苯。
11.按上述方案，所述步骤s1中，苯乙烯、催化剂和交联剂的重量比为(30～ 50)：(1～3)：(2～4)。
12.按上述方案，所述步骤s1中，改性石墨粉为将石墨粉加入到表面改性剂gs水溶液中超声处理后干燥研磨得到的；所述表面改性剂gs水溶液的质量浓度为8～12％；所述石墨粉的目数为300目～400目。
13.按上述方案，所述表面改性剂gs水溶液为向有机酸中加入三乙醇胺，在温度为145～155℃反应时间为2.5～3.5h得到的；所述有机酸为三聚油酸，三聚油酸和三乙醇胺的重量比为(40～50)：(50～60)。
14.按上述方案，所述步骤s1中，橡胶粉为氢化丁腈橡胶粉或丁基橡胶粉，且目数为250目～300目。
15.按上述方案，所述步骤s2中，聚乙烯醇水溶液的质量分数为1％。
16.按上述方案，所述步骤s2中，悬浮聚合反应分为两步，第一步悬浮聚合反应是在温度为75～85℃反应时间为3.5～4.5h；第二步悬浮聚合反应是在温度为90～100℃反应时间为1.5～2.5h。
17.按上述方案，所述步骤s3中，后处理包括降温至50℃、过滤、洗涤、烘干和球磨粉碎。
18.本发明还提供一种粉末状钻井液用抗磨减阻剂，所述抗磨减阻剂的目数为260目～320目。
19.实施本发明的一种粉末状钻井液用抗磨减阻剂及其制备方法，具有以下有益效果：
20.1、本发明所得的抗磨减阻剂，一方面其中的表面活性成分能够吸附在套管壁上，减少钻具和套管的摩擦阻力，而且相应的球形成分能够将钻具和套管间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大幅度降低摩阻；
21.2、本发明所得的抗磨减阻剂中为树脂、石墨和橡胶的复合粒子，这样的成分不仅能够承受起更高的压力而不至于导致球形被破坏，且当压力释放时能够恢复圆形状态，从而起到将钻具和井壁隔开，避免钻具黏附在井壁上，从而达到降低钻井及起下钻摩阻；
22.3、本发明中，由于含有石墨、橡胶和聚苯乙烯三元合一的复合粒子这种特殊的结构，所以在油基钻井液中不会对钻井液性能造成影响；
23.4、本发明中，产品最终的目数保持在260目-320目，所以均能通过现场振动筛筛孔，能够在钻井液中起到长效的作用，使用简单；
24.5、本发明中，由于其特殊的复合性，所以相对于常规的石墨以及球形树脂具有更好的抗温性、更强的降摩阻性、以及更强的耐受性。
具体实施方式
25.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明本发明的具体实施方式。
26.本发明提供一种粉末状钻井液用抗磨减阻剂的制备方法，解决钻井液摩阻以及扭矩大的问题，包括以下步骤：
27.s1、表面改性剂的合成：将重量份为40～50的有机酸注入反应器中，开启搅拌器并升温至150℃
±
5℃，边搅拌边向其中注入重量份为50～60的三乙醇胺，在该温度下反应3小时，降温至50℃以下即得到表面改性剂gs。优选地，有机酸为三聚油酸。
28.s2、石墨粉的处理：将石墨粉加入到表面改性剂gs水溶液中用超声波处理一段时间(优选为15～25min)后，过滤，干燥，研磨，得到表面改性后的石墨粉。优选地，石墨粉目数为300目～400目，且要求在3.5mpa压 2min后卸压不能成型。优选地，表面改性剂gs水溶液浓度为10％；石墨粉和gs水溶液的质量体积比为1g：(1.5～2.5)ml，优选为1g：2ml。
29.s3、在反应器中加入重量份为30～50除去阻聚剂的苯乙烯，并向反应器中加入一定量的催化剂和交联剂，混合均匀后，将重量份为30～40表面改性后的石墨粉和重量份为
20～40的橡胶粉依次加入反应器中，搅拌 30min后，再用超声波分散20min。优选地，催化剂为过氧化苯甲酰或偶氮二异丁腈；交联剂为二乙烯基苯。优选地，橡胶粉末为氢化丁腈橡胶粉或丁基橡胶粉，且目数为250目～300目。
30.s4、然后将含有石墨粉和橡胶粉的苯乙烯溶液加入到重量份为120～ 160的聚乙烯醇水溶液中(聚乙烯醇质量分数为1％)，在强力搅拌下升温至80℃
±
5℃进行第一步悬浮聚合反应，反应3.5～4.5h后升温至95℃
±ꢀ
5℃，进行第二步悬浮聚合反应1.5～2.5h。优选地，强力搅拌速度大于1000 转/min；第一步悬浮聚合反应优选在80℃
±
3℃反应4h；第二步悬浮聚合反应优选在95℃
±
3℃反应2h。
31.s5、降温至50℃，过滤、洗涤、烘干，再进行粉碎，即得到所需的抗磨减阻剂产品。优选地，采用球磨粉碎的方法，以保证产品为球形，并控制粉碎后抗磨减阻剂产品目数为260目-320目。
32.实施例1
33.1)表面改性剂的合成：将重量份为50的有机酸注入反应器中，开启搅拌器并升温至150℃
±
5℃，边搅拌边向其中注入重量份为50的三乙醇胺，在该温度下反应3小时，降温至50℃以下即得到表面改性剂gs。
34.2)石墨粉的处理：将石墨粉加入到表面改性剂gs水溶液中用超声波处理一段时间后，过滤，干燥，研磨，得到表面改性后的石墨粉。
35.3)在反应器中加入30g除去阻聚剂的苯乙烯，并向反应器中加入2g 的偶氮二异丁腈和3g二乙烯基苯，混合均匀后，将40g表面改性后的石墨粉和20g的橡胶粉依次加入反应器中，搅拌30min后，再用超声波分散 20min。
36.4)然后将含有石墨粉和橡胶粉的苯乙烯溶液加入120g的聚乙烯醇水溶液中(聚乙烯醇质量分数为1％)，在强力搅拌下升温至80℃
±
3℃进行悬浮溶液聚合，反应4h后升温至95℃
±
3℃，再次反应2h。
37.5)降温至50℃，过滤、洗涤、烘干，再进行球磨粉碎，即得到所需的抗磨减阻剂产品。
38.实施例2
39.1)表面改性剂的合成：将重量份为40的有机酸注入反应器中，开启搅拌器并升温至150℃
±
5℃，边搅拌边向其中注入重量份为60的三乙醇胺，在该温度下反应3小时，降温至50℃以下即得到表面改性剂gs。
40.2)石墨粉的处理：将石墨粉加入到表面改性剂gs水溶液中用超声波处理一段时间后，过滤，干燥，研磨，得到表面改性后的石墨粉。
41.3)在反应器中加入40g除去阻聚剂的苯乙烯，并向反应器中加入2g 的过氧化二苯甲酰和3g二乙烯基苯，混合均匀后，将35g表面改性后的石墨粉和30g的橡胶粉依次加入反应器中，搅拌30min后，再用超声波分散 20min。
42.4)然后将含有石墨粉和橡胶粉的苯乙烯溶液加入140g的聚乙烯醇水溶液中(聚乙烯醇质量分数为1％)，在强力搅拌下升温至80℃
±
3℃进行悬浮溶液聚合，反应4h后升温至95℃
±
3℃，再次反应2h。
43.5)降温至50℃，过滤、洗涤、烘干，再进行球磨粉碎，即得到所需的抗磨减阻剂产品。
44.实施例3
45.1)表面改性剂的合成：将45g的有机酸注入反应器中，开启搅拌器并升温至150℃
±
5℃，边搅拌边向其中注入55g的三乙醇胺，在该温度下反应3小时，降温至50℃以下即得到表面改性剂gs。
46.2)石墨粉的处理：将石墨粉加入到表面改性剂gs水溶液中用超声波处理一段时间后，过滤，干燥，研磨，得到表面改性后的石墨粉。
47.3)在反应器中加入50g除去阻聚剂的苯乙烯，并向反应器中加入2g 的偶氮二异丁腈和3g二乙烯基苯，混合均匀后，将30g表面改性后的石墨粉和20g的橡胶粉依次加入反应器中，搅拌30min后，再用超声波分散 20min。
48.4)然后将含有石墨粉和橡胶粉的苯乙烯溶液加入160g的聚乙烯醇水溶液中(聚乙烯醇质量分数为1％)，在强力搅拌下升温至80℃
±
3℃进行悬浮溶液聚合，反应4h后升温至95℃
±
3℃，再次反应2h。
49.5)降温至50℃，过滤、洗涤、烘干，再进行球磨粉碎，即得到所需的抗磨减阻剂产品。
50.实施例4
51.1)表面改性剂的合成：将重量份为50的有机酸注入反应器中，开启搅拌器并升温至150℃
±
5℃，边搅拌边向其中注入重量份为50的三乙醇胺，在该温度下反应3小时，降温至50℃以下即得到表面改性剂gs。
52.2)石墨粉的处理：将石墨粉加入到表面改性剂gs水溶液中用超声波处理一段时间后，过滤，干燥，研磨，得到表面改性后的石墨粉。
53.3)在反应器中加入40g除去阻聚剂的苯乙烯，并向反应器中加加入2g 的过氧化二苯甲酰和3g二乙烯基苯，混合均匀后，将35g表面改性后的石墨粉和40g的橡胶粉依次加入反应器中，搅拌30min后，再用超声波分散 20min。
54.4)然后将含有石墨粉和橡胶粉的苯乙烯溶液加入140g的聚乙烯醇水溶液中(聚乙烯醇质量分数为1％)，在强力搅拌下升温至80℃
±
3℃进行悬浮溶液聚合，反应4h后升温至95℃
±
3℃，再次反应2h。
55.5)降温至50℃，过滤、洗涤、烘干，再进行球磨粉碎，即得到所需的抗磨减阻剂产品。
56.对比例1
57.去掉石墨改性步骤，采用未改性的石墨直接加入到聚乙烯醇水溶液中，其它条件同实施例1。
58.对比例2
59.采用市场购买得到的油酸三乙醇胺作为表面改性剂，替换本发明制备的表面改性剂gs其它条件同实施例1。
60.对比例3
61.采用实施例1相同的40g表面改性后的石墨粉和20g的橡胶粉直接混合。
62.应用例
63.兴页区块为中石化布置在重庆涪陵忠县地区的一个新的页岩气开发区块，该区块目的层为自流井组东岳庙段东一亚段，岩性为灰(黑色)色泥岩夹(深)灰色细砂岩、粉砂岩。
由于埋藏较浅，且目的层黏土含量较高 (黏土含量超过50％)，再加上特殊的地层构造，导致该地区在钻进过程中，尤其是水平段钻进过程中，钻进及起下钻摩阻大、扭矩大。兴业区块第一批预探井由于摩阻问题均没能钻至设计井深，全部都是由于摩阻大从而提前完钻。所以针对该地区特殊情况，急需一种能够降低该地区井下钻井摩阻的处理剂。
64.以下就本发明所合成的粉末状钻井液用抗磨减阻剂与石墨润滑剂(燕兴化工有限公司)、液体润滑剂(荣盛化工有限公司)、塑料小球润滑剂(荣盛化工有限公司)作为样品，进行性能对比，实验步骤如下：取兴页1井现场油基钻井液，向其中加入2vt％的样品，按照标准gb/t16783.2测加样后钻井液的摩阻系数降低率(相对于油基钻井液基浆的降低率)、破乳电压、六速值。
65.具体步骤如下：通过取400ml兴页1井油基钻井液(现场浆，密度 1.83g/cm3)，加入8g试样高速搅拌20min后配制成试样浆，倒入老化罐，在120℃条件下滚动16小时后，高速搅拌20min，测钻井液的摩阻系数降低率(相对于油基钻井液基浆的降低率)、破乳电压、六速值。
66.具体组别：
67.空白组：现场浆；
68.样品组1：现场浆 2％实施例1所得抗磨减阻剂；
69.样品组2：现场浆 2％实施例2；
70.样品组3：现场浆 2％实施例3；
71.样品组4：现场浆 2％实施例4；
72.样品组5：现场浆 2％对比例1；
73.样品组6：现场浆 2％对比例2；
74.样品组7：现场浆 2％对比例3；
75.参照组a：现场浆 2％石墨润滑剂；
76.参照组b：现场浆 2％液体润滑剂；
77.参照组c：现场浆 2％塑料小球。
78.表1本发明抗磨减阻剂与其它物质加入现场浆的性能对比
[0079][0080]
从表1中可以看出，本发明所合成的粉末状的抗磨减阻剂不仅仅能够大幅度降低现场浆的摩阻系数(降低90～96％)，而且对油基钻井液粘度、破乳电压均无明显影响，加入油基钻井液中后还具有一定的降失水效果 (hthp由2.4降到2.0左右)；而石墨润滑剂虽然对钻井液体系性能无明显的影响，但是其摩阻系数降低较低；液体润滑剂加入后，不仅降低现场油基钻井液的破乳电压(es由1552降到1257)，而且具有一定的增粘效果，其加入后钻井液摩阻系数降低率仅有10％，无明显的效果；塑料小球加入后，油基钻井液体系增粘，且润滑效果没有本发明所合成的抗磨减阻剂效果好。
[0081]
而对比例1、对比例2、对比例3改变了反应条件、更换反应原料或比例得到的产品润滑性都不如实施例1，说明了本发明反应体系存在协同配合作用。
[0082]
本发明处理剂在某公司承钻的井中得到应用，并且效果显著。现场钻进至4028米时，钻井摩阻以及扭矩偏大，经常性憋停顶驱，现场加入2％的抗磨减阻剂后，摩阻由40吨降低26吨以下，扭矩也明显减小，表现出良好的降磨减阻效果，并在后期持续补充，后期摩阻以及扭矩没有均降低至正常范围，最终使得该井顺利完钻。
[0083]
本发明公开的一种粉末状钻井液用抗磨减阻剂的制备方法，通过对石墨粉和橡胶粉进行表面改性后，和苯乙烯等一起进行悬浮溶液聚合，从而形成石墨、橡胶和聚苯乙烯三元合一的复合粒子，再通过搅拌控制粒子目数，最后通过特殊的粉碎装置将产品磨至300目-350目的颗粒范围，得到了一种粉末状的钻井液用抗磨减阻剂。本发明的粉末状的钻井液用抗磨减阻剂的制备方法工艺简单、产品质量稳定、抗磨减阻效果好，对钻井液体系无不良影响，且能够随钻使用，起到长效的抗磨减阻效果，并在兴业区块应用取得了良好的效果。
[0084]
上面对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这
些均属于本发明的保护之内。