阅读说明：本技术 环保型水基钻井液用降滤失剂及其制备方法和钻井液 (Environment-friendly filtrate reducer for water-based drilling fluid, preparation method of filtrate reducer and drilling fluid ) 是由 蒲晓林 邵旭佳 任妍君 李方 王贵 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种环保型水基钻井液用降滤失剂及其制备方法和环保型水基钻井液,解决了应用现有技术中的降滤失剂,滤饼质量不佳,滤失量较大的技术问题。所述降滤失剂是以低粘羧甲基纤维素为原料进行接枝改性,所用接枝单体为丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甲基二烯丙基氯化铵。应用本发明中的降滤失剂,能改善滤饼质量,降低滤失量；且环保、抗温性能优良。(The invention provides an environment-friendly filtrate reducer for water-based drilling fluid, a preparation method thereof and the environment-friendly water-based drilling fluid, and solves the technical problems of poor filter cake quality and large filtrate loss caused by the application of the filtrate reducer in the prior art. The filtrate reducer is prepared by taking low-viscosity carboxymethyl cellulose as a raw material to perform graft modification, wherein the grafting monomers are acrylamide, 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid and dimethyl diallyl ammonium chloride. By applying the filtrate reducer disclosed by the invention, the quality of a filter cake can be improved, and the filtrate loss is reduced; and has environmental protection and excellent temperature resistance.)

环保型水基钻井液用降滤失剂及其制备方法和钻井液

技术领域

本发明涉及一种降滤失剂，具体涉及一种环保型水基钻井液用降滤失剂及其制备方法和环保型水基钻井液。

背景技术

在钻井过程中，由于压差的作用，钻井液中的水分不可避免地通过井壁滤失到地层中，造成钻井液失水。随着水分进入地层，钻井液中粘土颗粒便附着在井壁上形成“滤饼”，形成一个滤饼井壁。由于滤饼井壁比原来的井壁致密得多，所以它一方面阻止了钻井液的进一步失水，一方面起到了保护井壁的作用。但是在滤饼井壁形成的过程中，滤失的水分过多，滤饼过厚，细粘土颗粒随水分进入地层等都会影响正常钻井，并对地层造成伤害。

钻井液的滤失及滤饼的形成在钻井过程中钻井液的滤失是必然的，通过滤失可形成滤饼保护井壁。但是钻井液滤失量过大，易引起页岩膨胀和坍塌，造成井壁不稳定。此外，滤失量增大的同时滤饼增厚，使井径缩小，给旋转的钻具造成较大的扭矩，起下钻时引起抽汲和压力波动，易造成压差卡钻。因此，适当地控制滤失量是钻井液的重要性能之一。显然，钻井液的滤失量与地层渗透率密切相关。但钻井液发生滤失的同时就有滤饼形成，钻井液再发生滤失时，必须经过已经形成的滤饼。因此，决定滤失量大小的主要因素是滤饼的渗透率。如何形成低渗透率的高质量滤饼，阻止钻井液的进一步滤失，是钻井液配制中要考虑的主要问题之一。

而且，降滤失剂作为钻井液性能第一调节剂，其环保性亦是相当重要的，现有的钻井液降滤失剂大多带有毒性基团，有生物毒性不易降解，会对环境造成污染，同时还可能伤害地层和油品品质，

另外，降滤失剂还需要具有抗高温的性能。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

1、现有技术中的降滤失剂，滤饼质量不佳，滤失量较大；

2、现有技术中的降滤失剂，大多不环保，会对环境造成污染，同时还可能伤害地层和油品品质；

3、现有技术中的降滤失剂，大多抗温性能差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环保型水基钻井液用降滤失剂及其制备方法、环保型水基钻井液，以解决应用现有技术中的降滤失剂，滤饼质量不佳，滤失量较大的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种环保型水基钻井液用降滤失剂，它以低粘羧甲基纤维素为原料进行接枝改性，所用接枝单体为丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甲基二烯丙基氯化铵。

可选的或优选的，所述接枝改性反应中加入了引发剂，并采用溶液聚合法进行接枝共聚。

可选的或优选的，所述引发剂为过硫酸铵。

可选的或优选的，所述丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甲基二烯丙基氯化铵间的质量比为5.5-6.5：1.5-3：0.5-1.5。

可选的或优选的，所述接枝改性反应是在PH为6.5-7.5的水溶液中进行的。

可选的或优选的，所述接枝改性反应的水溶液中，所述接枝单体的总浓度为15％-25％；所述低粘羧甲基纤维素含量为1.5％-3％。

可选的或优选的，所述接枝改性反应的水溶液中，所述引发剂的用量为接枝单体总质量的0.15％-0.25％。

本发明提供的一种环保型水基钻井液用降滤失剂的制备方法，包括下述步骤：

(1)试剂准备：

①称取引发剂并溶于蒸馏水，配置成引发剂溶液；并将此引发剂溶液分成等量的两份；

②称取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸并溶于蒸馏水，配置2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液，并调整该溶液的PH值为6.5-7.5；

③称取丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵并溶于蒸馏水，配置丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵水溶液；

(2)称取蒸馏水和低粘羧甲基纤维素加入反应容器中；加热，使反应容器中的温度控制在30℃-40℃，搅拌；

(3)在搅拌的条件下，缓慢加入低粘羧甲基纤维素，使其充分溶解形成均匀透明的溶液；

(4)继续升温，待反应容器中的温度达到65℃-75℃，同时加入步骤(1)中配置的其中一份引发剂溶液和步骤(1)中配置的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液；保持温度在65℃-75℃，反应8min-12min；

(5)加入步骤(1)中配置的另一份引发剂溶液，保持温度在65℃-75℃，反应10min-12min；

(6)再加入步骤(1)中配置的丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵水溶液，保持温度在65℃-75℃，并在恒速搅拌下充分反应2h-4h后得到凝胶液体产品，即为环保型水基钻井液用降滤失剂。

可选的或优选的，所述步骤(1)②中，使用NaOH溶液调节PH值。

本发明提供的一种环保型水基钻井液，其组分包括上述的环保型水基钻井液用降滤失剂。

本发明中过硫酸盐引发低粘羧甲基纤维素的机理是：首先过硫酸盐通过高温分解作用产生-SO₄*；-SO₄*在水中发生反应，产生OH*自由基；利用OH*自由基将CMC分子骨架结构上-OH的氢原子夺取，使其成为CMC-O*初级自由基；再与各接枝单体进行反应。具体反应过程如下式所示：

S₂O₈ ^2-→2SO₄ ^-＊

SO₄ ^-*+H₂O→H⁺+SO₄ ^2-+HO^*

CMC-OH+HO^*→CMC-O^*+H₂O

基于上述技术方案，本发明实施例至少可以产生如下技术效果：

(1)本发明提供的环保型水基钻井液用降滤失剂，以低粘羧甲基纤维素为原料进行接枝改性，引入了吸附基团和阳离子刚性基团，增强了其稳定性，在应用中能够有效的改善滤饼质量，降低滤失量；并且无毒可降解，满足环保要求，不会对环境造成污染，也不会对地层和油品品质造成伤害；另外，该环保型水基钻井液用降滤失剂的抗温能力能达到160℃左右，加入钻井液体系抗温能力也可达到150℃左右，具有良好的抗温性能。

(2)本发明提供的环保型水基钻井液用降滤失剂的制备方法，其制备出的环保型水基钻井液用降滤失剂，是以低粘羧甲基纤维素为原料进行接枝改性，引入了吸附基团和阳离子刚性基团，增强了其稳定性，在应用中能够有效的改善滤饼质量，降低滤失量；并且无毒可降解，满足环保要求，不会对环境造成污染，也不会对地层和油品品质造成伤害；另外，该环保型水基钻井液用降滤失剂的抗温能力能达到160℃左右，加入钻井液体系抗温能力也可达到150℃左右，具有良好的抗温性能。

(3)本发明提供的环保型水基钻井液，由于其组分中添加了环保型水基钻井液用降滤失剂，在应用中能够有效的改善滤饼质量，降低滤失量；并且加入的环保型水基钻井液用降滤失剂无毒可降解，满足环保要求，不会对环境造成污染，也不会对地层和油品品质造成伤害；另外，该环保型水基钻井液用降滤失剂的抗温能力能达到160℃左右，加入钻井液体系抗温能力也可达到150℃左右，具有良好的抗温性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中低粘羧甲基纤维素的扫描电镜图片；

图2是本发明实施例1中得到的环保型水基钻井液用降滤失剂的扫描电镜图片；

图3是对照例中滤饼的扫描电镜图片；

图4是应用本发明实施例5中环保型水基钻井液得到的滤饼的扫描电镜图片；

图5是应用对照例中钻井液得到的基浆的粒度分布曲线；

图6是应用本发明实施例5中钻井液得到的基浆的粒度分布曲线；

图7是老化温度对API滤失量影响的测试结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

试剂说明：

低粘羧甲基纤维素：天津化学试剂厂，LV-CMC

氢氧化钠溶液的百分比浓度为5％；

二甲基二烯丙基氯化铵采用的是百分比浓度为60％的二甲基二烯丙基氯化铵水溶液。

实施例1：

制备环保型水基钻井液用降滤失剂：

(1)试剂准备：

①称取过硫酸铵0.04g并溶于蒸馏水5ml，配置成过硫酸铵溶液；并将此引发剂溶液分成等量的两份；

②称取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸4g并溶于蒸馏水15ml，配置2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液，并通过氢氧化钠溶液调整该溶液的PH值为7.0；

③称取丙烯酰胺12g和60％二甲基二烯丙基氯化铵水溶液3.3g并溶于蒸馏水15ml，配置丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵水溶液；

(2)称取蒸馏水80ml加入反应容器中，加热，使反应容器中的温度控制在35℃，搅拌；

(3)在搅拌速率为200r/min的条件下，缓慢加入低粘羧甲基纤维素2g使其充分溶解形成均匀透明的溶液；

(4)继续升温，待反应容器中的温度达到70℃，同时加入步骤(1)中配置的其中一份过硫酸铵溶液和步骤(1)中配置的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液；保持温度在70℃，反应10min；

(5)加入步骤(1)中配置的另一份过硫酸铵溶液，保持温度在70℃，反应10min；

(6)再加入步骤(1)中配置的丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵水溶液，保持温度在70℃，并在在搅拌速率为200r/min的恒速搅拌下充分反应2.5h后得到凝胶液体产品，即为环保型水基钻井液用降滤失剂。

实施例2：

制备环保型水基钻井液用降滤失剂：

(1)试剂准备：

①称取过硫酸铵0.02g并溶于蒸馏水5ml，配置成过硫酸铵溶液；并将此引发剂溶液分成等量的两份；

②称取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸2g并溶于蒸馏水8ml，配置2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液，并通过氢氧化钠溶液调整该溶液的PH值为6.5；

③称取丙烯酰胺6g和60％二甲基二烯丙基氯化铵水溶液1.67g并溶于蒸馏水8ml，配置丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵水溶液；

(2)称取蒸馏水35ml加入反应容器中，加热，使反应容器中的温度控制在35℃，搅拌；；

(3)在搅拌速率为200r/min的条件下，缓慢加入低粘羧甲基纤维素1g搅拌使其充分溶解形成均匀透明的溶液；

(4)继续升温，待反应容器中的温度达到75℃，同时加入步骤(1)中配置的其中一份过硫酸铵溶液和步骤(1)中配置的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液；保持温度在75℃，反应10min；

(5)加入步骤(1)中配置的另一份过硫酸铵溶液，保持温度在75℃，反应12min；

(6)再加入步骤(1)中配置的丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵水溶液，保持温度在75℃，并在在搅拌速率为200r/min的恒速搅拌下充分反应4h后得到凝胶液体产品，即为环保型水基钻井液用降滤失剂。

实施例3：

制备环保型水基钻井液用降滤失剂：

(1)试剂准备：

①称取过硫酸铵0.04kg并溶于蒸馏水5L，配置成过硫酸铵溶液；并将此引发剂溶液分成等量的两份；

②称取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸4kg并溶于蒸馏水15L，配置2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液，并通过氢氧化钠溶液调整该溶液的PH值为7.5；

③称取丙烯酰胺12kg和60％二甲基二烯丙基氯化铵水溶液1.67kg并溶于蒸馏水15L，配置丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵水溶液；

(2)称取蒸馏水80L加入反应容器中，加热，使反应容器中的温度控制在35℃，搅拌；

(3)在搅拌速率为200r/min的条件下，缓慢加入低粘羧甲基纤维素2kg搅拌使其充分溶解形成均匀透明的溶液；

(4)继续升温，待反应容器中的温度达到65℃，同时加入步骤(1)中配置的其中一份过硫酸铵溶液和步骤(1)中配置的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液；保持温度在65℃，反应12min；

(5)加入步骤(1)中配置的另一份过硫酸铵溶液，保持温度在65℃，反应10min；

(6)再加入步骤(1)中配置的丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵水溶液，保持温度在65℃，并在在搅拌速率为200r/min的恒速搅拌下充分反应2h后得到凝胶液体产品，即为环保型水基钻井液用降滤失剂。

实施例4：

制备环保型水基钻井液用降滤失剂：

(1)试剂准备：

①称取过硫酸铵0.4kg并溶于蒸馏水50L，配置成过硫酸铵溶液；并将此引发剂溶液分成等量的两份；

②称取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸60kg并溶于蒸馏水150L，配置2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液，并通过氢氧化钠溶液调整该溶液的PH值为7.0；

③称取丙烯酰胺120kg和60％二甲基二烯丙基氯化铵水溶液33kg并溶于蒸馏水150L，配置丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵水溶液；

(2)称取蒸馏水800L加入反应容器中，加热，使反应容器中的温度控制在35℃，搅拌；

(3)在搅拌速率为200r/min的条件下，缓慢加入低粘羧甲基纤维素20kg搅拌使其充分溶解形成均匀透明的溶液；

(4)继续升温，待反应容器中的温度达到70℃，同时加入步骤(1)中配置的其中一份过硫酸铵溶液和步骤(1)中配置的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液；保持温度在70℃，反应10min；

(5)加入步骤(1)中配置的另一份过硫酸铵溶液，保持温度在70℃，反应10min；

(6)再加入步骤(1)中配置的丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵水溶液，保持温度在70℃，并在在搅拌速率为200r/min的恒速搅拌下充分反应2.5h后得到凝胶液体产品，即为环保型水基钻井液用降滤失剂。

实施例5：

制备环保型水基钻井液：

加入了本发明中实施例1中制备的环保型水基钻井液用降滤失剂的钻井液，其加入量是按百分比浓度0.3％-1％加入。

本实施例中，环保型水基钻井液具体的配方为：1000mL水，40g膨润土，2gNa₂CO₃，5g实施例1中制备的环保型水基钻井液用降滤失剂(按百分比浓度0.5％加入)。

制备步骤：量取1000mL淡水，边搅拌边加入40g膨润土，搅拌10min；然后加入2gNa₂CO₃，继续搅拌，期间暂停并用玻璃棒将边缘膨润土刮下，搅拌30min；接着缓慢加入5g实施例1中制备的环保型水基钻井液用降滤失剂，搅拌30min；搅拌结束后盖上杯盖，并置于室温条件下养护24h，即得到环保型水基钻井液。

对照例：

1、应用低粘羧甲基纤维素；

2、对照例钻井液具体的配方为：1000mL水，40g膨润土，2gNa₂CO₃。

制备步骤：量取1000mL淡水，边搅拌边加入40g膨润土，搅拌10min；然后加入2gNa₂CO₃，继续搅拌，期间暂停并用玻璃棒将边缘膨润土刮下，搅拌30min；搅拌结束后盖上杯盖，并置于室温条件下养护24h，即得到对照例钻井液。

实验例：

一、滤饼质量及滤失量：

1、将对照例1中的低粘羧甲基纤维素与上述实施例1中得到的环保型水基钻井液用降滤失剂(即将低粘羧甲基纤维素接枝改性后的产物)进行扫描电镜实验：

扫描电镜实验方法：将低粘羧甲基纤维素与上述实施例1中得到的环保型水基钻井液用降滤失剂均配置成溶液。

扫描电镜实验结果：如图1所示为对照例1中低粘羧甲基纤维素的扫描电镜图片；如图2所示为本发明实施例1中得到的环保型水基钻井液用降滤失剂的扫描电镜图片。

扫描电镜实验结果表明：低粘羧甲基纤维素水溶液呈多层立体的空间网状结构，空间大小不一，网状结构里有着粗细不同的主干和分枝，且低粘羧甲基纤维素骨架结构表面光滑，呈带状弯曲；与低粘羧甲基纤维素扫描电镜图片相比，低粘羧甲基纤维素接枝改性后的产物微观结构呈堆积的片状结构，且表面光滑，片层间具有大小不一空隙，整体分布较为均匀且紧实。两种形貌差异比较明显，这些区别特征也说明低粘羧甲基纤维素的接枝反应已经发生。

2、分别应用对照例2中的对照例钻井液与上述实施例5中得到的环保型水基钻井液，将基浆滤失后得到的两种滤饼进行扫描电镜实验：

扫描电镜实验结果：如图3所示为应用对照例2中对照例钻井液得到的滤饼的扫描电镜图片；如图4所示为本发明实施例5中钻井液得到的滤饼的扫描电镜图片。

扫描电镜实验结果表明：对照例2中基浆滤失后得到的滤饼分布比较松散，且滤饼之间存在部分孔隙；而应用加入低粘羧甲基纤维素接枝改性后产物以后得到的滤饼黏土颗粒排列更加致密，且表面光滑，说明降滤失剂有着改善滤饼质量的作用。

3、粒度分布实验(利用激光粒度仪进行测试)：

粒度分布实验结果：如图5所示为应用对照例2中对照例钻井液得到的基浆的粒度分布曲线；如图6所示为本发明实施例5中钻井液得到的基浆的粒度分布曲线。

实验结果显示：加入实施例1中的环保型水基钻井液用降滤失剂后，淡水基浆的粒度分布曲线由高窄的单峰变成了矮宽的双峰，粒径分布曲线向左移动，且分布更加广。说明环保型水基钻井液用降滤失剂的分子可以对黏土颗粒进行有效的吸附，阻止了部分黏土颗粒的聚结作用，使得淡水基浆中的胶体颗粒变多，粒径分布更加均匀，细小颗粒也可以充分填充于泥饼孔隙，形成致密的滤饼，降低渗透率，达到降滤失的作用。

从上述三个实验中可以看出：本发明中的环保型水基钻井液用降滤失剂有效的改善了滤饼质量，降低了滤失量。

二、抗温性：

1、将实施例5中制备的环保型水基钻井液，进行老化温度和流变性进行测试，同时测定对照例钻井液流变性(利用六速旋转粘度计测定流变性)，测试结果如下表1所示：

表1实施例5中钻井液老化温度对流变性影响以及对照例钻井液的流变性

2、将实施例5中制备的环保型水基钻井液进行老化温度对API滤失量影响的测试(利用API滤失仪进行测试)：

老化温度对API滤失量影响的测试结果：如图7所示。

分析可知：随着老化温度的升高，加入本发明中的环保型水基钻井液用降滤失剂的钻井液滤失量也有所升高，但变化不大。

热滚前本发明实施例5中的环保型水基钻井液基浆的滤失量为8.3mL；而在老化160℃后仍然具有较好的效果，滤失量仅为10.8mL；当老化180℃时，还能维持滤失量在14mL左右，综合性能稳定，所以合成的环保型水基钻井液用降滤失剂产品抗温性能良好。

单剂抗温能力达160℃左右，加入钻井液体系抗温能力也可达150℃左右。

三、环保性能：

将实施例1中制备的环保型水基钻井液用降滤失剂按照中国石油天然气企业标准Q/SY TZ 0111—2004进行重金属检测、生物毒性检测以及生物降解性检测，检测结果如下表2、表3以及表4所示：

表2重金属检测结果

表3生物毒性检测结果

生物毒性EC<sub>50</sub>(mg/L)	毒性分级
		&gt;3×10<sup>5</sup>	无毒

表4生物降解性检测结果

BOD<sub>5</sub>(mg/L)	COD<sub>Cr</sub>(mg/L)	BOD<sub>5</sub>/COD<sub>Cr</sub>(％)	生物降解性
				170.70	549.74	31.05	易

实验结果显示，实施例1中制备的环保型水基钻井液用降滤失剂重金属含量极低且无毒，EC₅₀值大于30000，BOD₅/COD_Cr值大于25，易于生物降解，是一种环保型降滤失剂。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。