一种防塌减阻剂及其生产工艺的制作方法

1.本发明涉及石油钻井助剂技术领域，更具体地说，涉及一种防塌减阻剂及其生产工艺。


背景技术：

2.随着油气资源的不断开发，当前的油气资源开采的深度也越来越深，容易使油气井钻遇松散、破碎等复杂地层。这些地层胶结性差，孔壁薄，很容易在受到外力影响时发生坍塌掉块。在这种地质条件下钻井时，通常会在冲洗液中加入防塌剂或防塌减阻剂，起到粘结和护壁作用。常用的防塌材料有沥青材料、硅酸盐材料等，其中沥青材料可以在一定温度下软化变形，具有较好的防塌性能，而且成本非常低，是一种较为理想的防塌材料。但是，在加入冲洗液中后，由于沥青在通常情况下具有较高的软化点和粘度，不易进行分散，且容易降低冲洗液的润滑系数。因此，在具体使用时，往往采用沥青材料与其他材料配合组成防塌减阻剂。
3.申请公布号为cn108659799a的中国发明专利申请公开了一种钻井液用防塌封堵剂阳离子改性沥青，由下述重量配比的原料制成：石油沥青粉45
‑
65份、高沸点溶剂油25
‑
40份、改性剂5
‑
10份、表面活性剂3
‑
8份、阻粘剂1
‑
3份，其中改性剂为油溶性酚醛树脂、石油树脂中的一种或两种，表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或两种，阻粘剂为聚阴离子纤维素、羧甲基纤维素钠、预糊化淀粉中的一种或几种。这种防塌封堵剂阳离子改性沥青中加入了高沸点溶剂油，对沥青的软化点有降低作用。
4.针对上述相关技术，发明人认为，这种防塌封堵剂阳离子改性沥青的耐高温剪切性能较差。


技术实现要素：

5.为了提高减阻剂的耐高温剪切性能，本申请提供一种防塌减阻剂及其生产工艺。
6.第一方面，本申请提供一种防塌减阻剂，采用如下技术方案：一种防塌减阻剂，主要由如下重量份数的原料制成：沥青20
‑
30份、木质素磺酸钠5
‑
10份、表面活性剂10
‑
20份、聚合物添加剂20
‑
35份；所述聚合物添加剂主要由聚合单体a、聚合单体b、引发剂按照质量比10
‑
15:10
‑
20:0.1
‑
0.5混合反应制得；聚合单体a为丙烯酰胺、甲基丙烯酸乙酯、月桂酸丙烯酸酯、2
‑
乙基丙烯酸、羟基丙烯酸中的至少一种；聚合单体b为2
‑
丙烯酰氧基
‑2‑
甲基丙基磺酸，2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙基磺酸中的任意一种。
7.通过采用上述技术方案，本申请的防塌减阻剂中除了沥青材料，还加入了木质素磺酸钠，能够与沥青配合得到软化点极低的复合材料，并能利用木质素磺酸钠，提高沥青材料在水相中的分散效率。聚合物添加剂采用两类不同的聚合单体进行聚合反应得到，在生成的聚合物中，含有磺酸基、酰基或酯基等多种基团，能够在水相中良好分散，还能够与沥青具有较好的结合能力，进一步提高了最终制得的防塌减阻剂的抗剪切性能。
8.优选的，所述原料还包括3
‑
6重量份的生物炭，所述生物炭由小麦秸秆或玉米秸秆热解得到。
9.通过采用上述技术方案，在防塌减阻剂中还加入了生物炭，生物炭由作物秸秆热解制得，颗粒较小，通过试验发现，这种生物炭混合在防塌减阻剂中能够明显降低沥青的软化点，使防塌减阻剂注入地层后具有良好的耐高温剪切性能。
10.优选的，所述生物炭由小麦秸秆或玉米秸秆在400
‑
600℃保温6
‑
8h热解得到。
11.通过采用上述技术方案，生物炭在上述温度热解得到，该温度下热解后的小麦秸秆或玉米秸秆材料中含碳率更高，加入防塌减阻剂后，能够利用碳的支撑作用提高材料的防塌性能。
12.优选的，聚合物添加剂制备时在混合反应时还加入了交联剂，所述交联剂为二甲基二烯丙基氯化铵、辛基二甲基烯丙基氯化铵、对甲氧基苯辛基二甲基烯丙基氯化铵中的任意一种。
13.通过采用上述技术方案，在聚合物制备时在混合反应时加入交联剂，能够提高生成的聚合物添加剂的交联复杂程度，生成网状结构的聚合物，进一步提高最终制得的防塌减阻剂的防塌性能。
14.优选的，所述交联剂与聚合单体a的质量比为5
‑
8:10
‑
15。
15.通过采用上述技术方案，交联剂的加入量少于聚合单体a的量，使最终制得的聚合物添加剂的聚合链中仍然保持较高的酰基或酯基含量，进而保证其对沥青具有较好的软化和变形作用。
16.优选的，聚合物添加剂制备时在混合反应时还加入了硅藻土，硅藻土与聚合单体a的质量比为1.5
‑
2.5:10
‑
15。
17.通过采用上述技术方案，在聚合物添加剂制备时加入无机填料，不仅可以提高聚合物添加剂在水相中的分散能力，还能够进一步提高聚合物添加剂的支撑抗压能力，进而使最终制得的防塌减阻剂具有更好的防塌性能。
18.第二方面，本申请提供的一种防塌减阻剂的生产工艺，采用如下技术方案：一种上述的防塌减阻剂的生产工艺，包括如下步骤：1)将聚合单体a、聚合单体b、引发剂混合反应制得聚合物添加剂；2)将沥青、木质素磺酸钠、聚合物添加剂在100
‑
140℃下混合均匀，得到混合液；3)向步骤2)制得的混合液中加入表面活性剂、水混合均匀，即得。
19.通过采用上述技术方案，先制得聚合物添加剂，然后与沥青在100
‑
140℃下混合均匀，在该温度下，沥青已经软化，可以使聚合物添加剂和木质素磺酸钠均匀分散在沥青中，制得质地均匀的防塌减阻剂。
20.优选的，步骤1)中混合反应是在50
‑
60℃反应6
‑
8h。
21.通过采用上述技术方案，混合反应时的温度较为温和，能够控制聚合反应发生的速率不至于太高，且能够控制聚合生成的聚合物的链长不过长，利于生成链长较短且均匀的聚合物，同时保证了防塌减阻剂的防塌性能和减阻性能。
22.优选的，步骤2)中混合均匀是先将沥青加热至100
‑
140℃，然后加入木质素磺酸钠混合均匀后，再加入聚合物添加剂混合均匀。
23.通过采用上述技术方案，先将沥青加热至100
‑
140℃后，沥青发生软化，然后再加
入木质素磺酸钠混合均匀后，木质素磺酸钠与沥青结合使沥青具有更好的流动性，然后再加入聚合物添加剂，大大提高了聚合物添加剂与沥青相互分散的均匀程度。
24.优选的，步骤3)中混合均匀是在60
‑
70℃下搅拌30
‑
40min。
25.通过采用上述技术方案，将沥青、木质素磺酸钠、聚合物添加剂的混合物与表面活性剂及水混合时保持一定的温度，有利于维持混合物中的沥青仍然具有较低的粘度，便于混合均匀。
26.综上所述，本申请具有以下有益效果：1、本申请的防塌减阻剂中加入了木质素磺酸钠，降低了沥青的软化点，便于各种原料混合均匀，并且提高了沥青在水相中的分散效率。本申请的防塌减阻剂中加入的聚合添加剂采用两种聚合单体进行聚合反应得到，该聚合添加剂的聚合链上含有丰富的活性基团，如磺酸基、酰基等，进一步提高了防塌减阻剂在水相中的分散均匀程度，也提高了聚合添加剂与沥青的结合能力，使本申请的防塌减阻剂具有良好的耐高温剪切性能和减阻性能。
27.2、本申请的防塌减阻剂中还加入了生物炭，生物炭采用作物秸秆热解得到，颗粒小且均匀，能够进一步降低沥青的软化点，进一步提高防塌减阻剂的耐高温剪切性能。
具体实施方式
28.以下结合具体实施方式对本申请作进一步详细说明。
29.下面实施例中，沥青为白沥青，沥青的烘失量不大于10％。ph约为7
‑
10。高温高压滤失量不大于25％。
30.本申请的防塌减阻剂的生产工艺中，聚合添加剂制备反应时还使用适量辅助原料，辅助原料包括有机溶剂，有机溶剂为二氯甲烷、甲苯中的至少一种。有机溶剂与聚合单体a的质量比为20
‑
30:1。优选的，有机溶剂由二氯甲烷与甲苯按照质量比1
‑
2:1
‑
3混合组成。
31.表面活性剂与水混合时，表面活性剂与水的质量比为1:3
‑
5。
32.实施例1本实施例的防塌减阻剂由水和如下重量的原料制得：沥青20kg、木质素磺酸钠10kg、表面活性剂10kg、聚合物添加剂30kg。表面活性剂与水的质量比为1:3。
33.其中，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。聚合物添加剂由聚合单体a、聚合单体b、引发剂按照重量比10:10:0.1聚合反应得到，反应时还使用适量辅助原料，如二氯甲烷和乙醇，二氯甲烷与聚合单体a的质量比为20:1。聚合单体a为丙烯酰胺，聚合单体b为2
‑
丙烯酰氧基
‑2‑
甲基丙基磺酸，引发剂为偶氮二异丁腈。
34.本实施例的防塌减阻剂的生产工艺，包括如下步骤：1)将聚合单体a、聚合单体b加入溶剂二氯甲烷中混合均匀，然后加入引发剂，在50℃下反应8h，过滤，用乙醇洗涤，干燥，得到聚合物添加剂；溶剂与聚合单体a的质量比为20:1；2)将沥青加热至120℃，然后在搅拌条件下加入木质素磺酸钠，继续搅拌混合20min，然后加入聚合物添加剂，继续搅拌10min，制得第一混合液；将表面活性剂与水混合均匀得到第二混合液；表面活性剂与水的质量比为1:3；
3)将第一混合液与第二混合液混合，在60℃下搅拌40min，即得。
35.实施例2本实施例的防塌减阻剂由水和如下重量的原料制得：沥青30kg、木质素磺酸钠10kg、表面活性剂20kg、聚合物添加剂20kg。表面活性剂与水的质量比为1:3。
36.其中，表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚(op
‑
10)。聚合物添加剂由聚合单体a、聚合单体b、引发剂按照重量比15:20:0.5聚合反应得到，反应时还使用适量辅助原料，如二氯甲烷和乙醇，二氯甲烷与聚合单体a的质量比为20:1。聚合单体a为甲基丙烯酸乙酯，聚合单体b为2
‑
丙烯酰氧基
‑2‑
甲基丙基磺酸，引发剂为偶氮二异丁腈。
37.本实施例的防塌减阻剂的生产工艺，包括如下步骤：1)将聚合单体a、聚合单体b加入溶剂二氯甲烷中混合均匀，然后加入引发剂，在60℃下反应6h，过滤，用乙醇洗涤，干燥，得到聚合物添加剂；溶剂与聚合单体a的质量比为20:1；2)将沥青加热至140℃，然后在搅拌条件下加入木质素磺酸钠，继续搅拌混合10min，然后加入聚合物添加剂，继续搅拌15min，制得第一混合液；将表面活性剂与水混合均匀得到第二混合液；表面活性剂与水的质量比为1:3；3)将第一混合液与第二混合液混合，在70℃下搅拌30min，即得。
38.实施例3本实施例的防塌减阻剂由水和如下重量的原料制得：沥青25kg、木质素磺酸钠5kg、表面活性剂15kg、聚合物添加剂35kg。表面活性剂与水的质量比为1:5。
39.其中，表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚(op
‑
10)。聚合物添加剂由聚合单体a、聚合单体b、引发剂按照重量比12:18:0.3聚合反应得到，反应时还使用适量辅助原料，如二氯甲烷、甲苯和乙醇，二氯甲烷、甲苯与聚合单体a的质量比为15:15:1。聚合单体a为月桂酸丙烯酸酯，聚合单体b为2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙基磺酸，引发剂为偶氮二异丁腈。
40.本实施例的防塌减阻剂的生产工艺，包括如下步骤：1)将聚合单体a、聚合单体b加入溶剂中混合均匀，然后加入引发剂，在55℃下反应6.5h，过滤，用乙醇洗涤，干燥，得到聚合物添加剂；溶剂与聚合单体a的质量比为30:1；溶剂为二氯甲烷与甲苯以质量比1:1混合得到；2)将沥青加热至130℃，然后在搅拌条件下加入木质素磺酸钠，继续搅拌混合15min，然后加入聚合物添加剂，继续搅拌12min，制得第一混合液；将表面活性剂与水混合均匀得到第二混合液；表面活性剂与水的质量比为1:5；3)将第一混合液与第二混合液混合，在65℃下搅拌35min，即得。
41.实施例4本实施例的防塌减阻剂由水和如下重量的原料制得：沥青26kg、木质素磺酸钠5kg、表面活性剂12kg、聚合物添加剂30kg。表面活性剂与水的质量比为1:5。
42.其中，表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚(op
‑
10)。聚合物添加剂由聚合单体a、聚合单体b、交联剂、引发剂按照重量比12:18:5:0.3聚合反应得到，反应时还使用适量辅助原料，如二氯甲烷、甲苯和乙醇，二氯甲烷、甲苯与聚合单体a的质量比为15:15:1。聚合单体a为月桂酸丙烯酸酯，聚合单体b为2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙基磺酸，引发剂为偶氮二异丁腈。交联剂为二甲基二烯丙基氯化铵。
43.本实施例的防塌减阻剂的生产工艺，包括如下步骤：1)将聚合单体a、聚合单体b、交联剂加入溶剂乙醇中混合均匀，然后加入引发剂，在60℃下反应6.5h，过滤，用乙醇洗涤，干燥，得到聚合物添加剂；溶剂与聚合单体a的质量比为30:1；溶剂为二氯甲烷与甲苯以质量比1:1混合得到；2)将沥青加热至130℃，然后在搅拌条件下加入木质素磺酸钠，继续搅拌混合15min，然后加入聚合物添加剂，继续搅拌12min，制得第一混合液；将表面活性剂与水混合均匀得到第二混合液；表面活性剂与水的质量比为1:5；3)将第一混合液与第二混合液混合，在65℃下搅拌35min，即得。
44.实施例5本实施例的防塌减阻剂由水和如下重量的原料制得：沥青27kg、木质素磺酸钠8kg、表面活性剂15kg、聚合物添加剂28kg。表面活性剂与水的质量比为1:3。
45.其中，表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚(op
‑
10)。聚合物添加剂由聚合单体a、聚合单体b、交联剂、引发剂按照重量比12:18:8:0.5聚合反应得到，反应时还使用适量辅助原料，如二氯甲烷、甲苯和乙醇，二氯甲烷、甲苯与聚合单体a的质量比为10:20:1。聚合单体a为2
‑
乙基丙烯酸与甲基丙烯酸乙酯以质量比1:5混合组成。聚合单体b为2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙基磺酸，引发剂为偶氮二异丁腈。交联剂为辛基二甲基烯丙基氯化铵。
46.本实施例的制备方法，包括如下步骤：1)将聚合单体a、聚合单体b、交联剂加入溶剂乙醇中混合均匀，然后加入引发剂，在70℃下反应6.5h，过滤，用乙醇洗涤，干燥，得到聚合物添加剂；溶剂与聚合单体a的质量比为30:1；溶剂为二氯甲烷与甲苯以质量比1:2混合得到；2)将沥青加热至130℃，然后在搅拌条件下加入木质素磺酸钠，继续搅拌混合15min，然后加入聚合物添加剂，继续搅拌12min，制得第一混合液；将表面活性剂与水混合均匀得到第二混合液；表面活性剂与水的质量比为1:3；3)将第一混合液与第二混合液混合，在65℃下搅拌35min，即得。
47.实施例6本实施例的防塌减阻剂由水和如下重量的原料制得：沥青28kg、木质素磺酸钠6kg、表面活性剂18kg、聚合物添加剂25kg。表面活性剂与水的质量比为1:5。
48.其中，表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚(op
‑
10)。聚合物添加剂由聚合单体a、聚合单体b、交联剂、引发剂按照重量比13:18:6:0.3聚合反应得到，反应时还使用适量辅助原料，如二氯甲烷、甲苯和乙醇，二氯甲烷、甲苯与聚合单体a的质量比为10:15:1。聚合单体a为2
‑
乙基丙烯酸与甲基丙烯酸乙酯以质量比1:3混合组成。聚合单体b为2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙基磺酸，引发剂为偶氮二异丁腈。交联剂为辛基二甲基烯丙基氯化铵。
49.本实施例的防塌减阻剂的生产工艺，包括如下步骤：1)将聚合单体a、聚合单体b、交联剂加入溶剂乙醇中混合均匀，然后加入引发剂，在65℃下反应6.5h，过滤，用乙醇洗涤，干燥，得到聚合物添加剂；溶剂与聚合单体a的质量比为25:1；溶剂为二氯甲烷与甲苯以质量比2:3混合得到；2)将沥青加热至130℃，然后在搅拌条件下加入木质素磺酸钠，继续搅拌混合15min，然后加入聚合物添加剂，继续搅拌15min，制得第一混合液；将表面活性剂与水混合均匀得到第二混合液；表面活性剂与水的质量比为1:5；
3)将第一混合液与第二混合液混合，在60℃下搅拌30min，即得。
50.实施例7本实施例的防塌减阻剂由水和如下重量的原料制得：沥青25kg、木质素磺酸钠8kg、表面活性剂10kg、聚合物添加剂35kg、生物炭3kg。表面活性剂与水的质量比为1:5。
51.其中，表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚(op
‑
10)。聚合物添加剂由聚合单体a、聚合单体b、交联剂、引发剂、硅藻土按照重量比13:18:6:0.3:2聚合反应得到，反应时还使用适量辅助原料，如二氯甲烷、甲苯和乙醇，二氯甲烷、甲苯与聚合单体a的质量比为10:15:1。聚合单体a为羟基丙烯酸与月桂酸丙烯酸酯以质量比1:3混合组成。聚合单体b为2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙基磺酸，引发剂为偶氮二异丁腈。交联剂为对甲氧基苯辛基二甲基烯丙基氯化铵。
52.生物炭由玉米秸秆在400℃保温8h后冷却粉碎得到。
53.本实施例的防塌减阻剂的生产工艺，包括如下步骤：1)将聚合单体a、聚合单体b、交联剂、硅藻土加入溶剂乙醇中混合均匀，然后加入引发剂，在60℃下反应6.5h，过滤，用乙醇洗涤，干燥，得到聚合物添加剂；溶剂与聚合单体a的质量比为25:1；溶剂为二氯甲烷与甲苯以体积比2:3混合得到；2)将沥青加热至130℃，然后在搅拌条件下加入木质素磺酸钠和生物炭，继续搅拌混合15min，然后加入聚合物添加剂，继续搅拌15min，制得第一混合液；将表面活性剂与水混合均匀得到第二混合液；表面活性剂与水的质量比为1:5；3)将第一混合液与第二混合液混合，在60℃下搅拌30min，即得。
54.实施例8本实施例的防塌减阻剂由水和如下重量的原料制得：沥青28kg、木质素磺酸钠5kg、表面活性剂18kg、聚合物添加剂35kg、生物炭6kg。表面活性剂与水的质量比为1:5。
55.其中，表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚(op
‑
10)。聚合物添加剂由聚合单体a、聚合单体b、交联剂、引发剂按照重量比13:18:6:0.3聚合反应得到，反应时还使用适量辅助原料，如二氯甲烷、甲苯和乙醇，二氯甲烷、甲苯与聚合单体a的质量比为10:15:1。聚合单体a为羟基丙烯酸与月桂酸丙烯酸酯以质量比1:3混合组成。聚合单体b为2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙基磺酸，引发剂为偶氮二异丁腈。交联剂为对甲氧基苯辛基二甲基烯丙基氯化铵。
56.生物炭由小麦秸秆在600℃保温4h后冷却粉碎得到。
57.本实施例的防塌减阻剂的生产工艺同实施例7。
58.实施例9本实施例的防塌减阻剂由水和如下重量的原料制得：沥青28kg、木质素磺酸钠5kg、表面活性剂18kg、聚合物添加剂30kg、生物炭5kg。表面活性剂与水的质量比为1:5。
59.其中，表面活性剂为辛基酚聚氧乙烯醚(op
‑
10)。聚合物添加剂由聚合单体a、聚合单体b、交联剂、引发剂按照重量比13:18:6:0.3聚合反应得到，反应时还使用适量辅助原料，如二氯甲烷、甲苯和乙醇，二氯甲烷、甲苯与聚合单体a的质量比为10:15:1。聚合单体a为2
‑
乙基丙烯酸与甲基丙烯酸乙酯以质量比1:3混合组成。聚合单体b为2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙基磺酸，引发剂为偶氮二异丁腈。交联剂为对甲氧基苯辛基二甲基烯丙基氯化铵。
60.生物炭由小麦秸秆在500℃保温6h后冷却粉碎得到。
61.本实施例的防塌减阻剂的生产工艺同实施例7。
62.对比例1本对比例的防塌减阻剂与实施例1的不同之处在于，原料中不包括木质素磺酸钠。其他的均与实施例1中的相同。
63.对比例2本对比例的防塌减阻剂与实施例1的不同之处在于，原料中的聚合物添加剂为聚丙烯酰胺。其他的均与实施例1中的相同。
64.试验例取实施例1
‑
9及对比例1
‑
2中的防塌减阻剂，按照sy/t 5504.3
‑
2018《油井水泥外加剂评价方法第3部分：减阻剂》中的方法测试防塌减阻剂(水泥浆)的稠化时间，测试结果如表1所示。
65.取实施例1
‑
9及对比例1
‑
2中的防塌减阻剂，按照sy/t 5107
‑
2005《水基压裂液性能评价方法》测试耐温剪切性能，测试结果如表1所示。
66.取实施例1
‑
9及对比例1
‑
2中的防塌减阻剂，按照sy/t 5107
‑
2005《水基压裂液性能评价方法》测试清水减阻率，测试时的加药浓度为1％，测试管径为10mm，线速度为12m/s，测试结果如表1所示。
67.表1实施例1
‑
9及对比例1
‑
2中的防塌减阻剂的测试结果结合实施例1、对比例1及表1可知，本申请的防塌减阻剂的稠化时间长，耐高温剪切性能好，而且减阻率有较大幅度的提高。
68.结合实施例1、对比例2及表1可知，本申请的防塌减阻剂采用了聚合物添加剂后，与采用聚丙烯酰胺的减阻剂相比，耐高温剪切性能提升有限，但是减阻率有明显提升。
69.综上所述，本申请的防塌减阻剂的减阻率高，而且具有良好的耐高温剪切能力，适应能力更强。