纳米二氧化硅接枝共聚物及其制备方法和应用及钻井液及其应用技术

本发明专利技术涉及石油工业的钻井领域，具体地，涉及一种具有抗温抗钙能力的适于降滤失的纳米二氧化硅接枝共聚物及其制备方法和应用及钻井液及其应用。本发明专利技术的纳米二氧化硅接枝共聚物含有下式(1)所示的结构单元中的一种或多种、式(2)所示的结构单元中的一种或多种、式(3)所示的结构单元中的一种或多种和式(4)所示的结构单元中的一种或多种。本发明专利技术提供的共聚物，通过该共聚物中的式(1)所示的结构单元、式(2)所示的结构单元、式(3)所示的结构单元和和式(4)所示的结构单元之间的配合作用，能够成功地在将该共聚物用于钻井液作为降滤失剂时，获得较好的抗高温抗高钙的效果。

Nano-SiO_2 Graft Copolymer and Its Preparation, Application and Drilling Fluid

The invention relates to the drilling field of the petroleum industry, in particular to a nano silica graft copolymer with temperature resistance and calcium resistance, suitable for filtration reduction, its preparation method and application, and drilling fluid and its application. The nano-silica graft copolymer of the present invention contains one or more of the structural units shown in formula (1), one or more of the structural units shown in formula (2), one or more of the structural units shown in formula (3), and one or more of the structural units shown in formula (4). The copolymer provided by the invention can successfully obtain better high temperature resistance and high calcium resistance when the copolymer is used as a filtrate reducer in drilling fluids through the coordination between the structural units shown in formula (1), formula (2), formula (3) and formula (4).

【技术实现步骤摘要】
纳米二氧化硅接枝共聚物及其制备方法和应用及钻井液及其应用
本专利技术涉及石油工业的钻井领域，具体地，涉及一种具有抗温抗钙能力的适于降滤失的纳米二氧化硅接枝共聚物及其制备方法和应用及钻井液及其应用。
技术介绍
随着石油钻井技术的发展和常规油气储量的减少，油气资源的勘探和开发逐渐转向深层非常规油藏。钻井液作为一种能够满足钻井工作多种功能的循环流体，在清理井底、搬运岩屑、冷却和润滑钻头等方面发挥着重要作用。然而，随着地层深度的增加，钻井液必须经历长期高温和各种阳离子污染。虽然油基钻井液的性能优于水基钻井液，但油基钻井液具有成本高、废液处理困难等缺点。钻井液降滤失剂是用来减少钻井液中液相向地层渗漏的滤失量的处理剂。钻井液中滤失量过大会导致井壁滤饼过厚，细粘土颗粒可随滤液进入地层，对地层造成损害，影响正常钻井。钻井液常用的降滤失剂有纤维素、腐植酸、改性淀粉、合成聚合物等。其中，聚合物降失水剂与粘土的良好结合增强了膨润土的结构稳定性。同时，一些刚性基团的加入增加了聚合物的耐温性。该合成工艺简单，价格低廉，得到了广泛的应用。石膏层是一种良好的油气覆盖层，世界上大油田近30％的油气覆盖层由石膏层和盐岩组成。石膏层中含有大量的钙和钠离子，会严重影响膨润土的水化和分散性，大大增加钻井液滤失量。因此，在目前的深井超深井钻井过程中，聚合物基水基钻井液处理剂不仅需要克服高温下易降解的问题，而且还必须具有良好的抗盐、抗钙污染性能，从而保持处理剂良好的性能。然而，目前许多研究都集中在耐钠离子污染方面，而对高温高钙条件下的降滤失控制的研究相对较少。目前钻井液常用降滤失剂有：(1)羧甲基纤维素(CMC)，以CMC为代表的纤维素产品是迄今为止用量最大，用途最广泛的钻井液降滤失剂之一。CMC之所以能成为重要的钻井液处理剂，因为其原料来源丰富、价格相对低廉，生产工艺也较简便。(2)磺甲基褐煤磺甲基褐煤(SMC)，磺甲基褐煤既有降滤失作用又有稀释作用，其主要特点是热稳定高，在200～220℃的高温下它能有效地控制淡水钻井液的滤失量和粘度。(3)聚合物类是目前用量最大的降滤失剂之一，其发展速度较快。这类聚合物以丙烯酸、丙烯酰胺共聚物为主。CMC分子主链是以醚键相连结，一般在钻井液中抗温只能达到130-140℃，加之其抗高价离子污染、抗盐能力有限，在更大范围内应用受到限制。SMC的缺点是高温下的抗盐性能较差。普通丙烯酰胺类聚合物降滤失剂抗温抗盐能力较弱。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的降滤失剂不能兼具较好的抗温和抗钙能力的缺陷，提供了能够获得较好的抗温和抗钙性能的适于降滤失的纳米二氧化硅接枝共聚物及其制备方法和应用及钻井液及其应用。为了实现上述目的，第一方面，本专利技术提供一种纳米二氧化硅接枝共聚物，其特征在于，该共聚物含有下式(1)所示的结构单元中的一种或多种、式(2)所示的结构单元中的一种或多种、式(3)所示的结构单元中的一种或多种和式(4)所示的结构单元中的一种或多种：其中，R1为C0-C6的亚烷基；R1'和R1”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R2、R3和R4各自独立地选自H和C1-C6的烷基；R2'和R2”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R3'和R3”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R4'和R4”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R5和R6各自独立地为C1-C6的亚烷基；M为H和碱金属元素；A为二氧化硅纳米粒子。第二方面，本专利技术提供一种纳米二氧化硅接枝共聚物的制备方法，其特征在于，该方法包括：在含水溶剂中，在氧化还原型引发剂存在下，将式(1-a)所示的化合物、式(2-a)所示的化合物、式(3-a)所示的化合物和式(4-a)所示的化合物进行共聚合反应；其中，R1为C0-C6的亚烷基；R1'和R1”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R2、R3和R4各自独立地选自H和C1-C6的烷基；R2'和R2”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R3'和R3”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R4'和R4”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R5和R6各自独立地为C1-C6的亚烷基；M为H和碱金属元素；A为二氧化硅纳米粒子。第三方面，本专利技术提供上述制备方法制得的纳米二氧化硅接枝共聚物。第四方面，本专利技术提供本专利技术的纳米二氧化硅接枝共聚物在钻井液中作为降滤失剂的应用。第五方面，本专利技术提供、一种含有本专利技术的纳米二氧化硅接枝共聚物作为降滤失剂的钻井液。第六方面，本专利技术提钻井液在油气钻井中的应用。通过上述技术方案，本专利技术具有如下的有益效果。(1)本专利技术提供的纳米二氧化硅接枝共聚物(M-PAAN)具有优异的降滤失作用，在20-200℃范围内的淡水基钻井液中均具有优异的降滤失效果，尤其是高温下降滤失效果，200℃老化16小时后基浆的API滤失量仅为8ml。(2)本专利技术提供的M-PAAN在170-180℃下有明显的抗钙离子污染作用。2重量％的M-PAAN加入2重量％的钙污染基浆中能使API滤失量从188ml降低至6ml，降滤失效果明显。(3)本专利技术提供的M-PAAN将聚合物与纳米材料接枝共聚，既突出了聚合物对粘土颗粒结构稳定性的提高，又结合了纳米材料的抗温性，使纳米二氧化硅接枝共聚物在高温下具有优异的降滤失效果，并具有良好的抗钙污染能力。附图说明图1为表示不同老化温度下含2重量％共聚物A1和1重量％CaCl2的基浆的颗粒粒径的图。图2为各样品老化前的XRD图，其中，A：基浆，B：基浆+2重量％共聚物A1，C：基浆+1重量％CaCl2，D：基浆+2重量％共聚物A1+1重量％CaCl2。图3为各样品180℃老化后的XRD图，其中，A：基浆，B：基浆+2重量％共聚物A1，C：基浆+1重量％CaCl2，D：基浆+2重量％共聚物A1+1重量％CaCl2。图4中的a为在180℃下老化16小时后，在去离子水中的2重量％共聚物A1的TEM图像；图4中的b为在180℃下老化16小时后的基料的TEM图像；图4中的c为在180℃下老化16小时后含有2重量％CaCl2的基浆的TEM图像；图4中的d为在180℃下老化16小时后含有2重量％CaCl2和2重量％共聚物A1的基浆的TEM图像；图4中的d1为图4中的d条件下的清晰的共聚物A1结构的TEM图像；图4中的d2为放大共聚物A1结构的TEM图像。图5中的a为含2重量％共聚物A1和2重量％CaCl2的基浆在150℃老化后的滤饼的SEM图像(放大3000倍)；图5中的b为含2重量％共聚物A1和2重量％CaCl2的基浆在180℃老化后的滤饼的SEM图像(放大3000倍)。具体实施方式在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术一方面提供一种纳米二氧化硅接枝共聚物(以下也简称为共聚物)，该共聚物含有下式(1)所示的结构单元中的一种或多种、式(2)所示的结构单元中的一种或多种、式(3)所示的结构单元中的一种或多种和式(4)所示的结构单元中的一种或多种：其中，R1为C0-C6的亚烷基；R1'和R1”各自独本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米二氧化硅接枝共聚物，其特征在于，该共聚物含有下式(1)所示的结构单元中的一种或多种、式(2)所示的结构单元中的一种或多种、式(3)所示的结构单元中的一种或多种和式(4)所示的结构单元中的一种或多种：

【技术特征摘要】
1.一种纳米二氧化硅接枝共聚物，其特征在于，该共聚物含有下式(1)所示的结构单元中的一种或多种、式(2)所示的结构单元中的一种或多种、式(3)所示的结构单元中的一种或多种和式(4)所示的结构单元中的一种或多种：其中，R1为C0-C6的亚烷基；R1'和R1”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R2、R3和R4各自独立地选自H和C1-C6的烷基；R2'和R2”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R3'和R3”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R4'和R4”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R5和R6各自独立地为C1-C6的亚烷基；M为H和碱金属元素；A为二氧化硅纳米粒子。2.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅接枝共聚物，其中，R1为C0-C4的亚烷基；R1'和R1”各自独立地为H和C1-C4的烷基；R2、R3和R4各自独立地选自H、C1-C4的烷基；R2'和R2”各自独立地为H和C1-C4的烷基；R3'和R3”各自独立地为H和C1-C4的烷基；R4'和R4”各自独立地为H和C1-C4的烷基；R5和R6为C2-C6的亚烷基；M为H、Li、Na和K；A为二氧化硅纳米粒子；优选地，R1为C0的亚烷基、-CH2-、-CH2-CH2-或-CH2-CH2-CH2-；R1'和R1”各自独立地为H、甲基、乙基和丙基；R2、R3和R4各自独立地选自H、甲基和乙基；R2'和R2”各自独立地为H、甲基、乙基和丙基；R3'和R3”各自独立地为H、甲基、乙基和丙基；R4'和R4”各自独立地为H、甲基、乙基和丙基；R5和R6为-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-、-CHCH3-CH2-、-CH2-CH2-CH2-CH2-、-C(CH3)2-CH2-、-CH2-C(CH3)2-或-CH2-CHCH3-CH2-；M为H和Na；A为二氧化硅纳米粒子。3.根据权利要求1或2所述的纳米二氧化硅接枝共聚物，其中，式(1)所示的结构单元、式(2)所示的结构单元、式(3)所示的结构单元和式(4)所示的结构单元的摩尔比为1：0.3-0.35：0.5-0.6：0.05-0.06，优选为1：0.3-0.32：0.51-0.55：0.055-0.057；优选地，所述纳米二氧化硅接枝共聚物的粘均分子量为2.44×105～2.65×105g/mol。4.一种纳米二氧化硅接枝共聚物的制备方法，其特征在于，该方法包括：在含水溶剂中，在氧化还原型引发剂存在下，将式(1-a)所示的化合物、式(2-a)所示的化合物、式(3-a)所示的化合物和式(4-a)所示的化合物进行共聚合反应；其中，R1为C0-C6的亚烷基；R1'和R1”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R2、R3和R4各自独立地选自H和C1-C6的烷基；R2'和R2”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R3'和R3”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R4'和R4”各自独立地为H和C1-C6的烷基；R5和R6各自独立地为C1-C6的亚烷基；M为H和碱金属元素；A为二氧化硅纳米粒子。5.根据权利要求4所述的方法，其中，R1为...

【专利技术属性】
技术研发人员：马京缘，安玉秀，于培志，潘谊党，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11