專利名稱:水基鉆井液和封隔液的制作方法
水基鉆井液和封隔液由其中含有分散的或可能是分散的顆粒狀無機(jī)材料，并且通常還含有溶解的有機(jī)添加劑的水相組成。無機(jī)顆粒狀材料經(jīng)常包括膠體狀的粘土如膨潤(rùn)土和鉆井過程中的鉆屑。有機(jī)添加劑應(yīng)考慮鉆井液和封隔液的性質(zhì)來選擇，它們通常有三種類型。一類是稀釋劑，凝膠防止劑或分散劑，它們用來降低粘度或用來防止由于懸浮固體顆粒增加而造成的不利的粘度增長(zhǎng);氯化鈉、氫氧化鈉或高價(jià)金屬離子的侵入所導(dǎo)致的凝結(jié);預(yù)水化膨潤(rùn)土的溫度效應(yīng)和液體中其它有機(jī)添加劑的熱降解。
另一類是所謂的降失水劑或?yàn)V失控制劑，它們是用來促進(jìn)井下泥餅的形成并影響其滲透率的。用來作為降水劑和稀釋劑的材料是不同的，須用不同的材料達(dá)到不同的特性。第三類是增粘劑。
降失水劑通常是分子較大的水溶性聚合物，它們可能交聯(lián)起來而增加其性能，這種聚合物溶液的粘度高。美國(guó)第4293427號(hào)書建議選用丙烯酰胺和丙烯酰胺基烷基磺酸的交聯(lián)共聚物來達(dá)此目的。在美國(guó)第4309523號(hào)書中建議使用2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-乙烯基-N-甲基乙酰胺以及有選擇地加入丙烯酰胺的共聚物。在PCT第WO83/02449號(hào)專利公告中，AMPS和乙烯基咪唑和交聯(lián)劑的共聚物被描述為降失水劑。美國(guó)4293427號(hào)書中所提及的粘度值以及美國(guó)4309523號(hào)說明書和PCT第WO83/02499號(hào)專利公告中較高的K值表明這種聚合物的分子量是比較高的。
在美國(guó)4502964號(hào)書中，降失水劑被描述成是至少占51%摩爾的AMPS和二甲基丙烯酰胺及丙烯腈的聚合物，并說它們的分子量可達(dá)100萬，但最好是50萬;還舉例表明其溶液的布氏粘度是96000厘泊。其中還說分子量可能低到10000，但這可能是一個(gè)印刷錯(cuò)誤，因?yàn)榉肿恿咳绱酥?，即使在聚合物確實(shí)含有大量丙烯腈的情況下，也不可能具有降失水劑性能。在美國(guó)4502965號(hào)書中也有類似的記述，但其例舉的布氏粘度為2940厘泊，并用乙烯基吡咯烷酮代替二甲基丙烯酰胺。
因而，降失水劑的溶液必須有相對(duì)較高的粘度，并促進(jìn)泥餅的形成;而稀釋劑則須造成非常低的粘度，所以鉆井液和封隔液的稀釋劑必須是泥漿中粘土和其它微粒的分散劑。
合成聚合物能起分散劑的作用是眾所周知的，如低分子量的聚丙烯酸鈉的使用非常廣泛，它的典型分子量是10000或10000以上。在美國(guó)第3898037號(hào)說明書中建議使用AMPS和丙烯酸或其它單體的共聚物，并指出其分子量最好在10000-100000之間，盡管可允許上下一定范圍的變化。多分散性是重均分子量和數(shù)均分子量的比值，表明了一種聚合物分子量的分布情況。多分散性為1是理論最佳值，表示聚合物所有的鏈都有相同的分子量。很顯然，美國(guó)3898037號(hào)說明書中的聚合物的多分散性必然是非常高的，可能大于3。說明書所列舉的大部分聚合物含70%重量的AMPS，但有些僅含30%。
盡管鉆井液和封隔液的稀釋劑一定是分散劑，但它們也必須滿足其它各種操作上的要求，以便使它們適宜于作井下稀釋劑。這在關(guān)于適用稀釋系統(tǒng)的文獻(xiàn)上已有很多記載，例如在美國(guó)2911365號(hào)和4476029號(hào)書中，使用了各種聚丙烯酸酯;在美國(guó)2913437號(hào)說明書中使用烯和順丁烯二酸酐的共聚物。通常稀釋劑的分子量比在美國(guó)3898037號(hào)說明書中所要求的作為分散劑的分子量要小。
在美國(guó)3730900號(hào)說明書中建議使用苯乙烯磺酸和順丁烯二酸酐的共聚物，其分子量在1000-5000之間，其商標(biāo)為“Miltemp”，使用非常廣泛。在美國(guó)第3764530號(hào)書和第2120708號(hào)書中建議使用各種丙烯酸聚合物。在英國(guó)2090888號(hào)書中建議使用丙烯酸和丙烯酸羥丙脂的共聚物。
在美國(guó)4048077號(hào)書中建議把分子量較高的共聚物(由K值表示)加到鉆井液中，如乙烯基磺酸、丙烯酰胺和N-乙烯基-N-甲基乙酰胺的共聚物。其目的未詳細(xì)說明，但這些添加劑的效能是通過測(cè)量失水來決定的，因而，可以推測(cè)它們是用來作為降失水劑。說明書指出磺酸基、酰胺基、腈基和脂基的存在增加了聚合物對(duì)鈣離子的穩(wěn)定性，但羧基的形成則會(huì)增加聚合物對(duì)鈣離子的敏感性。
低分子量的聚丙烯酸和低分子量的苯乙烯磺酸和順丁烯二酸酐的共聚物在很多鉆井液和封隔液中應(yīng)該是滿意的稀釋劑，但它們并不是在任何情況下都保持深井中所必需的分散性。特別是在液體中含有大量溶解鈣，例如鉆井泥漿是石膏或石灰泥漿或是被水泥或硬石膏污染的泥漿時(shí)，就會(huì)發(fā)生問題。
但我們發(fā)現(xiàn)如果鉆井液和封隔液中含有一種作為稀釋劑的水溶性聚合物，就可以得到較好的結(jié)果，特別是含有大量溶解鈣的液體更是如此。這種聚合物的粘度小于300厘泊(BVT型布氏粘度計(jì)，1號(hào)桿，速度20轉(zhuǎn)/分，有效聚合物濃度為15%重量的溶液，20℃)，多分散性小于2.0.并由以下物質(zhì)組成(a)1-100%重量的有一個(gè)磺酸基取代到脂肪碳原子上的非飽和烯烴化合物，(b)0-99%重量的含烯鍵的不飽和羧酸鹽，(c)0-20%重量的無毒性的含烯鍵的不飽和單體?；撬峄汪人峄梢砸杂坞x酸基水溶性鹽的形式出現(xiàn)，如銨鹽，鈉鹽或其它堿金屬鹽。
本發(fā)明中所使用的稀釋劑其布氏粘度必須在300厘泊以下(按以上規(guī)定的條件測(cè)量)。聚合物的粘度在100厘泊以下更好，在50厘泊以下最好，通常在1-20厘泊時(shí)能獲得最佳結(jié)果。如果布氏粘度顯著高于這些值，則聚合物將不再起稀釋劑的作用，而趨向于起降失水劑的作用。
低粘度至少部分是由聚合物的分子量造成的。如分子量太大，則粘度就很高，這樣聚合物就不會(huì)起稀釋劑的作用。分子量在任何情況下都應(yīng)大大低于50000，通常應(yīng)大大低于20000，在正常情況下應(yīng)低于10000，但一般高于500，較好的分子量范圍是1000-8000，最好應(yīng)為1000-6000，在分子量為2000-4500時(shí)，一般可得到最佳結(jié)果。
根本問題是聚合物的多分散性必須在2以下，所以慣常的多分散性高的聚合物是不能令人滿意的。如美國(guó)第3898037號(hào)書中所推薦的作為分散劑和美國(guó)第3930900號(hào)書推薦作為稀釋劑使用的聚合物(典型的多分散性為2.5，3或更高)。聚合物的多分散性必須低于2，最好小于1.8，它可低到1.05，但使用其多分散性的典型數(shù)值為1.35-1.6的聚合物一般也是滿意的。當(dāng)多分散性低于1.5時(shí)，可得到特別好的結(jié)果。
單體(a)必須具有連在脂肪碳上的磺酸基，如連在芳香碳上和苯乙烯磺酸鹽那樣是不能令人滿意的。單體一般是脂肪族化合物，可以從烯丙基磺酸鹽，磺化的烷基乙烯基酯，但最好是從β-丙烯酰胺基烷基磺酸鹽如AMPS和APPS(這里AMPS的甲基被苯基取代)中選擇。最好的單體是AMPS和烯丙基磺酸(兩者通常都是鈉鹽)。
含烯鍵不飽和羧酸(b)可能是，例如，順丁烯二酸，衣康酸、甲基丙烯酸或最好是丙烯酸。
共聚用單位(c)可以是能和單體(a)和單體(b)共聚的任何單體，而且它的出現(xiàn)布會(huì)對(duì)聚合物有毒性，例如丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺和丙烯酸甲酯。
所有用來制取聚合物的單體最好是水溶性的。
一般以不出現(xiàn)共聚用單體c為好，如出現(xiàn)，其數(shù)量以低于10%為好，最好小于5%。如在美國(guó)4502964和4502965號(hào)書中推薦用在降失水劑中的丙烯腈或其它單體的大量出現(xiàn)對(duì)本發(fā)明來說是不利的，因?yàn)樗鼘p害聚合物的稀釋性和分散性。
一般來說必要的是至少10%重量的單體應(yīng)是磺酸鹽單體。一般最好是出現(xiàn)單體(b)，所以這種聚合物是共聚物，一般最好是(a)為10-60%(b)為40-90%。通常在(a)為10-50%重量和(b)為50-90%重量的范圍內(nèi)，可得到最佳結(jié)果，一般(a)的數(shù)量小于45%。如目的是得到成本方面的效果，最好的比例是(a)最高達(dá)29%(如18-29%)，(b)最低到71%(如71-82%);但如目的是得到對(duì)溶解鈣的最好穩(wěn)定性，并且不考慮額外的聚合物成本，則最好的比例是(a)30-45%，(b)70-55%。一般以磺酸單體的重量百分比低于25%，通常是10-22%為最好。例如，當(dāng)使用15-25%重量而通常是8-22%的AMPS或7-18%重量通常是8-15%的烯丙基磺酸鹽(兩者都是鈉鹽)，并且一般是和丙烯酸的共聚物時(shí)，能得到特別好的結(jié)果。
最好的共聚物是AMPS或烯丙基磺酸和丙烯酸在上述這些數(shù)量范圍內(nèi)的共聚物。它們的分子量應(yīng)在1000-8000之間，最好是1000-6000;多分散性小于1.8，最好是在1.35-1.6的范圍內(nèi)。
本發(fā)明所使用的均聚物和共聚物可很容易地用常規(guī)的制取低分子量，低多分散性的水溶性聚合物的水溶性單體聚合過程來獲得，例如，在控制溫度條件下以水和異丙醇作溶劑的溶液聚合法。分散性低的水溶性分散劑聚合物的制造方法在美國(guó)4507422號(hào)書中有過闡述，那些所述技術(shù)能夠用來生產(chǎn)本發(fā)明中所選用的聚合物。
所列聚合物的有效稀釋濃度一般為0.5-30克/升，最好為0.5-3克/升。它能和其它稀釋劑如木質(zhì)素磺酸鹽稀釋劑聯(lián)合使用，但最好還是單獨(dú)使用。
鉆井液和封隔液可能還含有其它常規(guī)組分，如降失水劑和其它常規(guī)的可溶性有機(jī)添加劑。此液體通常含有無機(jī)粒子，可能包括它所攜帶的鉆下的巖石顆粒。此液體一般含有懸浮的粘土顆粒如膨潤(rùn)土或其它膠體狀粘土，通常數(shù)量為25-150克/升。此液體還可能含有增重劑如重晶石，典型含量為100-1000克/升。
當(dāng)鉆井液中含有溶解鈣，其數(shù)量一般至少為0.25克/升，典型值為0.5-10克/升的情況下，本發(fā)明有特別的價(jià)值，例如，液體可能含有2-30克/升的氫氧化鈣，或硫酸鈣或其它可提供溶解鈣的鈣化合物。
以下是發(fā)明的實(shí)例例1一種加重的淡水石膏泥漿，其配方為預(yù)水化的懷俄明膨潤(rùn)土70克/升，重晶石630克/升，石膏11.5克/升，并加不同數(shù)量的各種稀釋劑。稀釋劑A是聚丙烯酸鈉，分子量為2000-3000;稀釋劑B是20%重量的AMPS鈉鹽和80%重量的丙烯酸鈉的共聚物，其多分散性為1.5，分子量大約3800;稀釋劑C是40%重量的AMPS鈉鹽和60%重量的丙烯酸鈉的共聚物，其多分散性為1.46，分子量大約3250;稀釋劑D是木質(zhì)素磺酸鐵鉻鹽。稀釋劑B和C的布氏粘度低于20厘泊(按以上方法測(cè)量)。
剪切稀釋流變性的減少可以從用35SA型范氏粘度計(jì)進(jìn)行的粘度測(cè)量中得到屈服值(YP)看出。在下表中，YP值和10秒靜切力值用帕表示，添加劑的用量用克/升表示。
表1稀釋劑 用量 YP 10秒靜切力未加 0 18 14A 0.57 13 11A 1.14 7 9A 2.28 4 5A 3.42 3 2A 5.7 3 2B 0.57 9 6B 1.14 4 3B 2.28 1 1
B 2.85 1 1C 0.57 9 6C 1.14 3 2C 2.28 1 1C 2.85 1 1D 1.4 15 14D 2.85 9 5D 5.7 3 4D 11.4 2 2本發(fā)明的聚合物B和C在同樣的用量下可達(dá)到較低的屈服值和靜切力，證明它們優(yōu)于市售的材料A與D。
一個(gè)類似的優(yōu)點(diǎn)也可以在此泥漿的PH值調(diào)到11時(shí)獲得。此PH值是很普通的泥漿條件，而且對(duì)含有木質(zhì)素磺酸鹽的泥漿也是很典型的。下列表2中為其相應(yīng)數(shù)值。
表2稀釋劑 用量 YP 10秒靜切力未加 0 62 37A 0.57 29 21A 1.14 9 21A 2.28 7 26B 0.57 15 20B 1.14 2 6B 2.28 1 1C 0.57 11 16C 1.14 2 5C 2.28 1 2
D 1.42 50 31D 2.85 29 20D 5.7 2 4D 8.55 0 1例2泥漿的配方如例1，將其在232℃下老化16小時(shí)，冷卻至室溫，并鑒別表明其相對(duì)流動(dòng)程度的物理狀態(tài)。然后用漢密爾頓·比奇攪拌器攪拌5分鐘，并用35SA型范氏粘度計(jì)測(cè)量其流變性。為進(jìn)一步評(píng)定泥漿在井下循環(huán)所遇到的溫度升降的影響，用范氏50型粘度計(jì)在204℃時(shí)測(cè)定每種泥漿樣品的粘度。
表3是所觀察到的結(jié)果，其中用量用克/升表示，PV、YP和10秒、10分靜切力是范氏35SA型粘度計(jì)的計(jì)錄值，PV的單位是厘泊，YP和靜切力的單位是帕，其它粘度值都用厘泊表示。Ⅳ是初始粘度是用厘泊表示。FT是絮凝溫度用℃表示，在此溫度時(shí)粘度在加熱情況下達(dá)到最小值。T40是加熱過程中粘度達(dá)到40厘泊時(shí)的溫度，以℃表示。Peak是粘度的峰值用厘泊表示，一般出現(xiàn)在最高溫度之前。MCV為最小粘度以厘泊表示，出現(xiàn)在冷卻過程中。V65是65℃時(shí)的粘度，此溫度為泥漿池溫度。冷卻后泥漿出現(xiàn)膠凝趨勢(shì)，這可從粘度的穩(wěn)定增長(zhǎng)看出，V65和V32的比較(V32是32℃的粘度，用厘泊表示)就是這種現(xiàn)象的反映。
結(jié)果表明B(含有AMPS)比丙烯酸鹽A更好，但在C中增加AMPS的數(shù)量，其測(cè)量結(jié)果可得到改善。
例3一比重為1.45克/厘米的加重淡水泥漿，含有懷俄明膨潤(rùn)土71克/升和重晶石。攪拌并老化16小時(shí)以便使粘土預(yù)水化，加入市售的木質(zhì)素磺酸鐵鉻鹽17克/升，其PH值被調(diào)到11，加入合適的添加劑有效成份6.8克/升，并用合適的攪拌器攪拌30分鐘，將泥漿在93℃下老化16小時(shí)，冷卻至室溫，并再次攪拌5分鐘，然后進(jìn)行PH值和流交性測(cè)量(用范氏35SA型粘度計(jì))。把PH值再一次調(diào)到11，并把泥漿再一次在232℃下老化16小時(shí)，然后按上述對(duì)泥漿再進(jìn)行一次測(cè)試，并測(cè)得API低溫失水值。
我們測(cè)試了各種添加劑。添加劑B和C和例1中一樣是本發(fā)明中提出的;添加劑A和D和例1一樣是市售產(chǎn)品;添加劑E是市售的苯乙烯磺酸和順丁烯二酸酐的共聚物，可能是按美國(guó)3730900號(hào)書中的配方所制。
此實(shí)驗(yàn)的目的在于表明稀釋劑對(duì)鉆井泥漿在老化時(shí)發(fā)生的稠化和凝膠的防止能力。此泥漿含有木質(zhì)素磺酸鐵鉻鹽稀釋劑，加入這種稀釋劑可以保護(hù)它，同時(shí)對(duì)稀釋性能也有一定貢獻(xiàn)。其結(jié)果列于表4。
表4產(chǎn)品 溫度 PH PV Y P AV 10秒 10分 老化后(厘泊) (帕) (厘泊) 靜切力 靜切力 狀態(tài)D 93 9.2 38 0.5 38.5 2 3 液體232 8.3 81 26 107.5 6 16 固體A 93 9.2 36 1 37 3 3 液體232 8.3 90 31 122 6 10 液體E＊93 8.7 37 1 38.5 3 3 液體
232 8.2 94 45 140 7 11 固體B 93 9.3 36 1 37 2 2 液體232 8.2 76 17 94 4 6 液體C 93 9.3 33 8 40 4 5 液體232 7.5 92 25 118 5 9 液體這些結(jié)果清楚地表明了本發(fā)明的產(chǎn)品B和C的優(yōu)越性。特別表明了苯乙烯磺酸和順丁烯二酸酐共聚物和本發(fā)明提出的聚合物相比其效果是較差的。
例4各種泥漿的構(gòu)成為∶25份膨潤(rùn)土，220份重晶石，4份硫酸鈣，2份氫氧化鈣，0.5份40%的氫氧劃鈉水溶液。所謂份是每桶的份數(shù)，并加入各種不同數(shù)量的稀釋劑。稀釋劑F是丙烯酸鈉的均聚物，分子量大約3500.多分散性1.6。稀釋劑G是丙烯酸鈉AMPS為80∶20的共聚物，分子量3500，多分散性1.5。稀釋劑J是烯丙基磺酸鈉∶丙烯酸鈉為12∶88的共聚物，分子量為3310，多分散性1.56。稀釋劑K是烯丙基磺酸鈉∶丙烯酸鈉為26∶74的聚合物，分子量為2099，多分散性為1，67。當(dāng)如例1那樣測(cè)量含有G和J的泥漿的屈服值和靜切力時(shí)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果非常相似。當(dāng)加入量為0.4，1.2，2.0份/桶有效聚合物時(shí)測(cè)量其剪切應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)加入稀釋劑G，J和K的泥漿一致給出比稀釋劑A高的多的剪切應(yīng)力。例如在每桶中加入0.4份時(shí)，剪切應(yīng)力是F為420，G為110，J為42，K為33。當(dāng)每桶加入2份時(shí)，F(xiàn)的剪切應(yīng)力為320，G、J、K小于3(磅/100平方英尺)。這說明將烯丙基磺酸鈉如AMPS那樣含在作為稀釋劑的共聚物里面，具有非常有利的性質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種從鉆井液和封隔液中選出的水基液體，其特征是其中含有作為稀釋劑的水溶性聚合物，其數(shù)量足以起有效的稀釋作用，聚合物的粘度小于300厘泊(RVT型布氏粘度計(jì)，1號(hào)桿，速度20轉(zhuǎn)/分，有效聚合物的重量為15%的溶液，20℃)，多分散性小于2.0，并由下列構(gòu)成(a)1-100%重量的不飽和烯烴化合物，此化合物有一聯(lián)結(jié)在脂肪碳原子上的磺酸基團(tuán)，(b)0-99%重量的含烯鍵的不飽和羧酸鹽，(c)0-20%重量的無毒、惰性含烯鍵的不飽和單體，其中磺酸基，羧基可以選自游離酸基或其水溶性鹽。
2.按權(quán)利要求
1規(guī)定的液體，其中聚合物的分子量在1000-8000之間，多分散性小于1.8。
3.按權(quán)利要求
1或2規(guī)定的液體，其中聚合物的分子量低于6000。
4.按上述任何權(quán)利要求
規(guī)定的液體，其中聚合物的多分散性低于1.6。
5.按上述任何權(quán)利要求
規(guī)定的液體，其中聚合物是磺化單體和羧酸鹽的共聚物，其中磺化單體選自烯丙基磺酸鹽，磺化的烷基乙烯基酯和β-丙烯酰胺基烷基磺酸鹽，羧酸鹽選自丙烯酸鹽，甲基丙烯酸鹽，衣康酸鹽，順丁烯二酸鹽，其中磺酸基、羧基可選自游離酸基或其水溶性鹽。
6.按上述任何權(quán)利要求
規(guī)定的液體，其中聚合物是10-60%重量的磺酸鹽單體，40-90%重量的羧酸鹽單體和0-20%重量的所述惰性單體的共聚物。
7.按上述任何權(quán)利要求
規(guī)定的液體，其中聚合物含10-25%重量的磺酸鹽和75-90%重量的羧酸鹽。
8.按上述任何權(quán)利要求
規(guī)定的液體，其中聚合物主要是由丙烯酸和磺酸單體構(gòu)成的共聚物，磺酸單體選自烯丙基磺酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，其中酸基選自游離酸基和其銨鹽、堿金屬鹽。
9.按上述任何權(quán)利要求
規(guī)定的液體，其中聚合物的分子量在1000-6000之間，多分散性小于1.8，它是一種主要由10-45%重量的磺酸單體和55-90%重量的丙烯酸構(gòu)成的共聚物，其中磺酸單體選自烯丙基磺酸和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，其酸基以鈉鹽的形式出現(xiàn)。
10.按上述任何權(quán)利要求
規(guī)定的液體，液體至少含有0.25克/升的溶解鈣。
11.按上述任何權(quán)利要求
規(guī)定的液體，其中至少含有25克/升的無機(jī)粘土。
專利摘要
磺酸類聚合物或共聚物在水基鉆井和封隔液中作為稀釋劑使用，此磺酸類聚合物的多分散性低于2，并且具有低的溶液粘度。它通常是β-丙烯酰胺基烷基磺酸鹽或烯丙基磺酸鹽或其他脂肪族磺酸鹽和含烯鍵的不飽和羧酸(通常為丙烯酸)的共聚物。
文檔編號(hào)C09K8/88GK85106790SQ85106790
公開日1987年3月25日 申請(qǐng)日期1985年9月7日
發(fā)明者戴維·法拉, 布賴恩·迪蒙德 申請(qǐng)人:聯(lián)合膠體有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan