一种水基钻井液用聚离子聚合物抑制剂及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种式(II)所述的聚合物及其制备方法，本发明专利技术提供的聚合物降低伊利石的水化趋势，减弱伊利石表面水化作用，具有较高的强度和抗盐能力，可以提高聚合物分子的热稳定性和抗剪切性，提高聚合物分子的流动性，减弱页岩的自吸效应。页岩的自吸效应。页岩的自吸效应。页岩的自吸效应。

【技术实现步骤摘要】
一种水基钻井液用聚离子聚合物抑制剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于石油钻井工程
，具体涉及一种油基钻井液，更具体地，涉及一种水基钻井液用聚离子聚合物抑制剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]泥页岩作为油气勘探和开发的关键地层，其理化特性决定了钻井工程的复杂程度和技术难点。泥页岩含有大量黏土类矿物，在液相作用下容易产生水敏性变化，导致井壁不稳定。而泥页岩地层的水化作用是导致钻井过程中井壁失稳的主要原因之一。因此，研究泥页岩的水敏性机理和控制方法是油气勘探开发领域的一个核心关键。目前多功能油基钻井液虽然能够有效抑制泥页岩水敏性，并具有良好的热稳定性和润滑性等优势，但由于环境保护方面的限制，低成本、环境友好型的水基钻井液逐渐受到关注。在水基工作液中的液相作用下，泥页岩中的黏土矿物会发生水化反应，引起地层结构和强度发生改变。在水基钻井液作用下，页岩水敏性变化是不可消除的。目前，对于页岩水敏性变化的机制、分类和评价方法已有较多研究成果，因此抑制剂的开发设计是控制页岩水敏性变化的关键所在。无机盐、有机盐、表面活性剂、天然产物改性和聚合物等材料在抑制页岩水化中的突出性能已被大量实验所证实，随着聚合物钻井液体系的不断发展，聚合物抑制剂的研究已经成为重要课题。在聚合物页岩水化抑制剂中，研究者越来越关注聚离子聚合物。这种以聚离子聚合物为核心处理剂的强抑制性水基钻井液体系在国内外油田得到了广泛应用，其性能与油基钻井液相当。随着相关研究的深入，页岩水化抑制剂的结构也不再局限于线性结构，交联聚合物和超支化聚合物因其特殊的空间结构，在抑制页岩水化膨胀和分散方面发挥着重要作用。因此，抑制剂的设计研发必须密切结合实际工程需求，具备抑制表面水化能力的同时还应具备一定的抗盐抗温性已逐渐成为当下聚合物抑制剂研究趋势。
[0003]抑制剂优异性能与其结构特征息息相关，为提高聚合物抑制剂的抑制效能，可以在合成设计阶段赋予抑制剂分子多功能性。本专利在明确页岩水化行为特征及其水化机理的基础上，结合现有聚合物页岩抑制剂现状与特点，从构型和单体设计的角度出发，提升聚合物抑制剂在结构上的利用率，抑制剂应具有多功能性，便可针对伊利石的水化特征，有效地抑制其水化行为，同时还应满足耐温性。在聚离子聚合物材料领域的研究热点基础上，本专利成功地研制出一种全新的聚离子聚合物抑制剂。该抑制剂兼顾抑制性和多功能性于一体，既丰富了抑制剂的种类，又拓展了聚合物和聚离子材料在油田化学方面的应用范围。此外，从化学角度分析，抑制剂的结构优化、物理化学性质测定方法及作用原理，为其他具有强抑制性和多功能性的抑制剂的开发提供了参考与指导。

技术实现思路

[0004]1聚离子聚合物抑制剂结构设计
[0005]1.1抑制剂结构优势
[0006]页岩聚合物抑制剂是一种用于水基钻井液中抑制活性黏土和敏感性页岩的重要
处理剂，它可以提高井壁稳定性，降低泥包风险，改善钻井液的流动性和抗盐抗钙性能。然而，目前常规页岩聚合物抑制剂分子存在着稳定性和流动性差，无法有效抑制页岩水化和膨胀，同时反应过程中反应单体的能量密度和反应性不足，使得聚合反应低效，难以满足高温、高压、高盐等复杂地层条件下的钻井要求。为了解决这些问题，本专利从以下几个方面对抑制剂进行了设计优化：
[0007](1)聚合物分子链上引入阳离子基团的过程称为阳离子化。阳离子化的聚合物具有较强的阳离子交换能力，可以与伊利石表面的负电荷发生静电吸附，同时也可以中和部分伊利石表面的负电荷，降低伊利石的水化趋势。
[0008](2)聚合物分子链上引入强水化基团的过程称为水化改性。水化改性的聚合物具有较强的水溶性和水亲和性，当聚合物强力吸附在伊利石表面上后，因聚合物分子对水的束缚能力要强于伊利石对水的束缚能力，从而可在一定程度上阻止水分子与伊利石表面的接触，从而减弱伊利石表面水化作用。
[0009](3)聚合物分子侧链上引入环状基团或长链基团的过程称为结构改性。结构改性的聚合物具有较高的强度和抗盐能力，可以提高聚合物分子的热稳定性和抗剪切性，提高聚合物分子的流动性，减弱页岩的自吸效应。
[0010](4)此外，反应单体应具有高能量密度和高反应性，以保证聚合反应的顺利进行；同时单体粘度不能太大，在室温下稳定且不会自发聚合，以保证在工艺上获得可控、稳定的加工窗口。其中丙烯酰胺的能量密度为71.08kJ/mol，比乙烯(52.4kJ/mol)和丙烯腈(59.2kJ/mol)都高。丙烯酰胺的反应性主要表现在它的双键和酰胺基两个反应中心，可以发生加成、还原、水解、聚合等多种反应。丙烯酰胺的粘度不大，室温下约为0.5mPa
·
s。此外丙烯酰胺参与聚合反应后可以增加共聚物的极性和亲水性，以及增加共聚物的交联点和支化程度，从而增强其网络结构，使其具有一定的抗剪切能力和稳定性。
[0011]1.2单体结构优势
[0012]本专利选择自由基溶液聚合作为聚合方式，其单体的结构设计就很重要。为了进行自由基溶液聚合的链增长反应，需由引发剂形成初级自由基，故单体含有易于被初级自由基加成的烯键，以提供链增长所需的反应物。此外，为了满足聚合物对抑制性官能团的需求，单体应含有抑制性官能团，同时还应具有适宜数量的化学基团，从而可赋予该单体多功能性，以实现更多的化学反应。基于以上原则，最终选择用1
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乙烯基咪唑作为反应原料，与N
‑
(2
‑
溴乙基)
‑
1,3
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丙二胺二氢溴酸盐反应，制备出具有多功能性的单体YX
‑
NH2。YX
‑
NH2是一种离子液体型单体，其结构中含有烯键、阳离子咪唑环和伯胺基，其化学式如图1所示。其中，阳离子咪唑环有共轭结构和阳离子基团，共轭结构像苯环一样，有高的化学稳定性和热稳定性，为增强YX
‑
NH2单体的极性和溶解性，引入阳离子基团，使其既可溶于水，又可发挥抑制作用。此外，伯胺基也有利于提高YX
‑
NH2单体的抑制性，通常也被用作水基钻井液抑制剂中的抑制官能团。因此，本专利设计了一种多功能单体YX
‑
NH2，结合了阳离子基团和伯胺基两种抑制官能团，可以保证其水溶性、化学稳定性和耐温性。本专利设计的含有双抑制官能团的自由基聚合单体，在已有的均聚或共聚制得的聚合物抑制剂中并不常见。不同于共聚体系中各单体只负责某一种功能性，YX
‑
NH2单体的结构特点使其通过自身的共聚就可为聚合物提供强抑制性和多功能性。
[0013][0014]1.3引发剂的选择
[0015]在自由基聚合中，引发剂是一类容易受热等因素分解成初级自由基的化合物，它们可以启动聚合反应，使含有双键的单体分子与初级自由基发生加成，形成单体自由基，然后与其他单体分子继续加成，形成聚合物链，聚合物的分子量随着链增长而增加。因此，要控制聚合物的分子量和分子量分布，通常应选择合适的引发剂。自由基引发剂是常用的一种，它的种类包括偶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种式(I)化合物：2.一种式(II)聚合物，所述聚合物：其中，x的质量百分比为55％～73％，y的质量百分比为30％～45％。3.根据权利要求2所述式(II)的聚合物，其中所述x的质量百分比为62.5％，y的质量百分比为37.5％。4.一种权利2
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3所述的式(II)的聚合物的合成方法，其特征在于由式(I)化合物与丙烯酰胺与引发剂在水中反应得到：5.根据权利要求4所述的合成方法，其中所述引发剂为偶氮引发剂，过氧类引发剂或氧化
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还原体系，其中所述偶氮类引发剂选自偶氮二异丁腈；所述过氧类引发剂选自过硫酸盐；所述氧化
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还原体系选自过氧化氢、过硫酸钾、异苯丙过氧化氢；作为优选引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐；作为优选，其中所述反应温度为45
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70℃，优选为60℃；作为优选，式(I)化合物与丙烯酰胺的摩尔比例为10～15:35～40，优选13：38。6.一种式(I)化合物的合成方法，其特征在于1
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乙烯基咪唑与N
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘向君，田月昕，梁利喜，熊健，丁乙，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：