[发明专利]一种水基钻井液用抗高温低粘超支化固壁剂及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种水基钻井液用抗高温低粘超支化固壁剂及其制备方法与应用。本发明通过二季戊四醇六丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、甘氨酸、3‑氨基丙烷磺酸和单宁酸的聚合反应，制备得到具有高度支化结构的固壁剂；固壁剂的疏水骨架降低了自由水分子对岩石胶结力的破坏作用；甘氨酸单体形成的氢键作用，增强了固壁剂与岩石颗粒的相互作用；3‑氨基丙烷磺酸的引入增强了固壁剂的抗温水化能力；单宁酸中的酚羟基可使固壁剂与岩石颗粒表面形成键能较强的共价键，实现了固壁剂快速强粘附的固壁能力。本发明的固壁剂在高温(180℃)老化后仍具有优异的固壁能力，能够有效强化钻井过程中的泥页岩井壁稳定。

技术领域

本发明涉及一种水基钻井液用抗高温低粘超支化固壁剂及其制备方法与应用，属于油田化学技术领域。

背景技术

随着中、浅层等常规油气藏资源的逐渐减少，全球油气勘探开发逐渐向深层、超深层等非常规油气储层拓展。页岩气作为一种清洁高效的非常规能源，近年来已成为国际油气资源开发的重点。然而，页岩气地层钻井工程复杂，大斜度井、大位移井和水平井的应用较多，且钻井面临的地质环境复杂(高温、高压、微纳米尺度的裂缝、孔隙及层理发育等)，导致钻井过程中井壁失稳等井下复杂事故频发，严重阻碍了页岩气的勘探开发。

钻井液，是钻井的“血液”，包含油基钻井液和水基钻井液，对钻井过程中的井壁稳定至关重要。油基钻井液，具有优异的页岩抑制性与润滑性，但因环保性差且配制成本较高等不足，限制了其应用。水基钻井液，易引起黏土矿物水化膨胀，导致岩石强度降低，造成井壁失稳。目前，针对页岩气钻井过程中井壁失稳的技术难题，通常采用添加泥页岩水化抑制剂(无机盐、有机盐、阳离子聚胺等)和封堵剂(沥青类、石蜡类、聚合醇类、刚性纳米材料、有机纳米微球、纳米乳液等)构建防塌水基钻井液体系，来防止泥页岩井壁失稳的发生，有一定效果，但普适性较低，仍存在巨大挑战。

近年来，通过在钻井液中加入化学固壁剂增强页岩胶结强度，进而强化页岩钻井过程中的井壁稳定，是防塌水基钻井液发展史上的一项“革命性”技术。例如，中国专利文献CN104177517A通过将多巴胺基团接枝到羧甲基壳聚糖上，制备出一种强化井壁稳定的仿生聚合物，通过与Fe³⁺的配位，在井壁上形成具有强黏附的聚合物膜，阻止水的侵入，进而强化井壁稳定。中国专利文献CN106634884A通过多酚蛋白、丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化铵的自由基聚合反应，制备出一种仿生固壁剂，其可增强岩芯的抗压强度，降低线性膨胀率，但其通过自由基聚合方法制备而成，分子量较大，对钻井液体系流变性能影响较大，且使用了价格昂贵的多酚原材料，造成固壁剂的价格较高。中国专利文献CN111748330A通过丙烯酰胺、粘合剂、二甲基二烯丙基氯化铵、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、链转移剂的自由基聚合反应，制备出一种滚动回收率可达90％的固壁剂，但水下环境中胶粘强度只有0.18MPa，胶结力较低，且其抗温性能只有150℃，限制了高温环境中的应用。中国专利文献CN111234788A公开了一种钻井液用固壁剂改性树脂聚合物的制备方法，主要原料为：淀粉，2-氯乙基三甲基氯化铵，丙烯酰胺，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，引发剂，硝基腐殖酸钾，拟薄水铝石，聚1,3-亚丙基氯化吡啶，辅助剂等，其增强了岩石间的胶结力，提高了抗破坏强度，从而稳定了井壁。

目前，钻井液用固壁剂的制备方法大多通过单体的自由基聚合反应制备而成，制备的聚合物分子量通常较大，分子量分布较宽，性能可控性差，对钻井液体系的性能影响较大，制备出一种抗高温、低粘、强胶结的固壁剂仍面临巨大挑战。因此，亟需通过新的制备方法研制高性能的水基钻井液用固壁剂，进而对页岩的井壁稳定提供理论与技术支撑。

发明内容

针对现有技术的不足，尤其是现有水基钻井液用固壁剂粘度大、胶结力弱的难题，本发明提供了一种水基钻井液用抗高温低粘超支化固壁剂及其制备方法与应用。本发明的超支化固壁剂具有高度分枝的三维结构，分子量较低，抗温性能优异(＞180℃)。同时，固壁剂主链的疏水骨架以及分子间能形成氢键、共价相互作用的密集官能团，可显著增强页岩的胶结强度，进而强化页岩钻井过程中的井壁稳定。

本发明的技术方案如下：