1.本发明涉及一种水基钻井液用阳离子防塌剂及其制备方法与应用，属于石油工业的油田化学领域。


背景技术：

2.页岩气是我国油气增储上产的重要增长点。页岩地层非均质性强，各向异性突出，黏土矿物含量高，页岩气钻井过程中，在页岩自身作用力和钻井液的影响下，页岩井壁的黏土、矿物质和水体之间形成不良反应，导致黏土矿物水化膨胀，井壁附近岩石强度降低，进而导致井壁失稳、卡钻等井下复杂情况。目前页岩气长水平段钻井一般采用具有良好抑制性的油基钻井液，但其成本高、环保性差及后期处理困难等缺点制约了其大规模应用。高性能页岩气水基钻井液有望实现对油基钻井液的替代。
3.阳离子防塌剂是高性能水基钻井液的重要组成部分，是防止钻井过程中井壁坍塌的主要材料。阳离子防塌剂主要通过电荷中和作用降低页岩表面的负电荷，进而抑制页岩水化，达到稳定井壁的作用，部分阳离子防塌剂还可通过静电作用在页岩表面吸附，使页岩表面润湿反转，进一步降低页岩的水化作用，增强防塌效果。目前，阳离子防塌剂普遍存在与钻井液配伍性差的问题，导致钻井液滤失量增加、流变性变差；部分阳离子防塌剂的润湿反转效果不足，抑制页岩表面水化作用不足。
4.中国专利文件cn112877041a(申请号202110064041.7)提供了一种纳米有机硅成膜疏水页岩表面水化抑制剂及其制备方法与应用，该抑制剂由长链有机硅和表面活性剂对纳米颗粒进行疏水改性制得，该抑制剂可在岩心表面形成一层致密的疏水膜，从而抑制页岩表面水化分散，但该抑制剂与钻井液的配伍性不理想，添加该抑制剂后，钻井液的常温常压滤失量由22ml增至30ml，滤失量的增加不利于井壁稳定。中国专利文件 cn112920783a(申请号201911231259.6)提供了一种钻井液用润湿反转抑制剂及其制备方法，抑制剂的合成原料包括：烷基化异氰酸酯和氨基硅烷偶联剂，其可与黏土矿物发生化学吸附，改变水敏性黏土矿物表面的润湿性，从而抑制页岩表面水化。但是该抑制剂存在以下的缺点：1、无法有效抑制泥页岩的水化膨胀，0.5％该抑制剂处理后，线性膨胀率仍达40％以上，页岩滚动回收率由12％提高到约82％；2、润湿反转性能不足，添加0.5％该抑制剂处理后，水相接触角由20
°
增至76
°
。
5.因此，亟需制备一种具有强抑制性能且与钻井液具有良好配伍性的新型水基钻井液用阳离子防塌剂。


技术实现要素：

6.针对现有技术的不足，尤其是针对现有水基钻井液用阳离子防塌剂普遍存在与钻井液配伍性差，润湿反转效果和抑制页岩表面水化作用较差的不足，本发明提供了一种水基钻井液用阳离子防塌剂及其制备方法与应用。本发明的阳离子防塌剂可有效降低黏土负电荷，显著改变岩石表面润湿性，有效抑制页岩水化膨胀，防止钻井过程中井壁坍塌，且与
钻井液具有良好的配伍性。
7.本发明的技术方案如下：
8.一种水基钻井液用阳离子防塌剂，包括以下质量份数的原料：丙烯酰胺6-10份、阳离子单体1.5-2.5份、疏水单体1-2份、改性二氧化硅0.3-0.5份、引发剂0.1-0.3份、乙醇30-50份。
9.根据本发明优选的，所述的阳离子单体为二甲基二烯丙基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵中的一种或两种以上的组合。
10.根据本发明优选的，所述的疏水单体为丙烯酸丁酯、丙烯酸十二酯或马来酸二辛酯。
11.根据本发明优选的，所述的引发剂为过硫酸铵。
12.根据本发明优选的，所述的改性二氧化硅为使用硅烷偶联剂对纳米二氧化硅进行改性得到的；所述的硅烷偶联剂为kh550、kh570、正辛基三甲氧基硅烷的一种或者两种以上的组合；所述纳米二氧化硅的粒径为20-30nm。
13.根据本发明优选的，所述的改性二氧化硅按照下述方法制备得到：
14.将纳米二氧化硅加入乙醇中，超声分散均匀，之后加入硅烷偶联剂，在75-85℃下反应7-9h；反应完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到改性二氧化硅；所述乙醇与纳米二氧化硅的质量比为15-25:1，所述硅烷偶联剂与纳米二氧化硅的质量比为2-5:1；所述洗涤为使用去离子水洗涤3-5次。
15.根据本发明，上述水基钻井液用阳离子防塌剂的制备方法，包括步骤如下：
16.将改性二氧化硅加入乙醇中，超声分散均匀，得到改性二氧化硅分散液；之后在搅拌条件下，向改性二氧化硅分散液中依次加入丙烯酰胺、阳离子单体、疏水单体混合均匀，氮气除氧，之后加热至55-75℃，加入引发剂，进行反应；反应完成后，除去溶剂，干燥，即得水基钻井液用阳离子防塌剂。
17.根据本发明优选的，所述的搅拌速率为200-400r/min，所述氮气除氧的时间为 15-30min。
18.根据本发明优选的，所述的引发剂以引发剂水溶液的形式滴加入反应体系中；所述引发剂水溶液的浓度为0.01g/ml，滴加时间为1-5min。
19.根据本发明优选的，所述的反应时间为5-7h。
20.根据本发明优选的，所述干燥为在70-80℃下干燥至恒重。
21.根据本发明，上述水基钻井液用阳离子防塌剂的应用，用于抑制泥页岩水化膨胀，稳定井壁；具体应用方法为：将所得水基钻井液用阳离子防塌剂加入水基钻井液中，所述水基钻井液用阳离子防塌剂的加入量为0.5-1.5wt％。
22.本发明的技术特点及有益效果如下：
23.1、本发明制备的阳离子防塌剂可以在岩心表面形成一层高粗糙度、低表面能的疏水吸附膜，并且可以显著改变井壁表面润湿性，有效阻止水相侵入；本发明制备的的阳离子防塌剂，对于强水敏性的泥页岩地层抑制性强，泥页岩滚动回收率高，具有优异的抑制防塌性能；同时，与钻井液具有优异的配伍性。
24.2、本发明阳离子防塌剂中的阳离子单体能够有效的吸附在带有负电的黏土表面，降低黏土表面负电荷，抑制渗透水化，增加其中疏水单体以及改性纳米二氧化硅在岩石表
面的附着能力，更好的吸附在岩石表面形成疏水隔离带，阻止地层水与岩石接触，在协同作用下起到良好的维持井壁稳定的作用。
具体实施方式
25.下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
26.同时下述的实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
27.实施例1
28.一种水基钻井液用阳离子防塌剂，包括以下质量份数的原料：丙烯酰胺6份、阳离子单体1.5份、疏水单体1份、改性二氧化硅0.5份、引发剂0.1份、乙醇40份；
29.其中，阳离子单体为二甲基二烯丙基氯化铵；疏水单体为马来酸二辛酯；引发剂为过硫酸铵。
30.所述改性二氧化硅按照下述方法制备得到：
31.将粒径为20nm的纳米二氧化硅加入乙醇中，超声分散均匀，之后加入硅烷偶联剂 kh570，在80℃下反应8h；反应完成后，经抽滤、使用去离子水洗涤3次、干燥，得到改性二氧化硅；所述乙醇与纳米二氧化硅的质量比为20:1，所述硅烷偶联剂kh570 与纳米二氧化硅的质量比为3:1。
32.上述水基钻井液用阳离子防塌剂的制备方法，包括步骤如下：
33.将改性二氧化硅加入乙醇中，超声分散均匀，得到改性二氧化硅分散液；在搅拌速率为300r/min条件下，向改性二氧化硅分散液中依次加入丙烯酰胺、阳离子单体、疏水单体，混合均匀，之后氮气除氧20min，加热至55℃，滴加浓度为0.01g/ml引发剂水溶液，滴加时间为3min，滴加完成后，在55℃下反应5h；反应完成后，除去溶剂，在 75℃下干燥至恒重，即得水基钻井液用阳离子防塌剂。
34.实施例2
35.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，其制备方法如实施例1所述，所不同的是：反应温度为65℃。
36.实施例3
37.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，其制备方法如实施例1所述，所不同的是：反应温度为75℃。
38.实施例4
39.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：丙烯酰胺为8份。
40.上述阳离子防塌剂的制备方法如实施例1所述。
41.实施例5
42.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：丙烯酰胺为10份。
43.上述阳离子防塌剂的制备方法如实施例1所述。
44.实施例6
45.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：阳离子单体为2.5 份。
46.上述阳离子防塌剂的制备方法如实施例1所述。
47.实施例7
48.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：疏水单体为2份。
49.上述阳离子防塌剂的制备方法如实施例1所述。
50.实施例8
51.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：阳离子单体为甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。
52.上述阳离子防塌剂的制备方法如实施例1所述。
53.实施例9
54.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：疏水单体为丙烯酸十二酯。
55.上述阳离子防塌剂的制备方法如实施例1所述。
56.实施例10
57.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：改性二氧化硅的制备中使用正辛基三甲氧基硅烷代替kh570。
58.上述阳离子防塌剂的制备方法如实施例1所述。
59.对比例1
60.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，其制备方法如实施例1所述，所不同的是：在55℃下反应4h。
61.对比例2
62.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，其制备方法如实施例1所述，所不同的是：在55℃下反应8h。
63.对比例3
64.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：使用未改性的纳米二氧化硅来代替改性二氧化硅，其制备方法如实施例1所述。
65.对比例4
66.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：不加入改性二氧化硅，其制备方法如实施例1所述。
67.对比例5
68.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：不加入阳离子单体，其制备方法如实施例1所述。
69.对比例6
70.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：不加入疏水单体，其制备方法如实施例1所述。
71.对比例7
72.一种水基钻井液用阳离子防塌剂如实施例1所述，所不同的是：使用水来代替乙醇，其制备方法如实施例1所述。
73.试验例
74.将实施例1-10以及对比例1-7制备的阳离子防塌剂进行泥页岩线性膨胀率、配伍性测试、泥页岩高温滚动回收率以及润湿性反转性能测试。
75.1、泥页岩线性膨胀率实验
76.每次均称取10.0g膨润土，均匀倾倒于相同的线性膨胀仪模具中，用压力机对其加压至10.0mpa，压制时间为5分钟。5min后取出膨润土压片，放入线性膨胀仪中，分别加入质量分数为1％的实施例以及对比例制备的阳离子防塌剂水溶液、蒸馏水、质量分数为5％的kcl溶液、以及质量分数为1％的聚胺yzj溶液，上述溶液的加入量均为 150ml，测定16小时后膨润土压片膨胀高度，并计算线性膨胀率，其结果如表1所示。
77.表1不同溶液中膨润土的线性膨胀率
[0078][0079][0080]
由表1可以看出，膨润土在蒸馏水中线性膨胀最为严重。不同的阳离子防塌剂对于抑制膨润土线性膨胀均有一定的效果，但是加入实施例制备的阳离子防塌剂后，膨润土的线性膨胀率较低，且性能优于常用的页岩抑制剂kcl和聚胺抑制剂yzj。
[0081]
2、钻井液配伍性实验
[0082]
称取16.0g膨润土，均匀倾倒于400ml蒸馏水中搅拌均匀，老化24h后制得浓度为 4％(w/v)的膨润土基浆。取4g不同实施例及对比例制备的防塌剂分别加入400ml基浆中，以8000转/分的速度搅拌20分钟，得浓度为1％(w/v)的钻井液。采用水基钻井液现场测试(apirp 13b-1,2009)对配制钻井液的流变性和常温常压滤失量进行测定，结果如表2所示。
[0083]
表2钻井液配伍性实验
[0084]
[0085][0086]
由表2可以看出，加入实施例制备的阳离子防塌剂后，钻井液的表观粘度显著增加，常温常压滤失量显著降低，其对钻井液的配伍性能明显优于常用的页岩抑制剂kcl和聚胺抑制剂yzj。
[0087]
3、泥页岩高温滚动回收实验
[0088]
将实施例1-10以及对比例1-7制备的阳离子防塌剂配制成质量分数为1％的阳离子防塌剂溶液，称取6～10目干燥岩屑20.0g，分别装入盛有350.0ml上述阳离子防塌剂溶液的老化罐中。在120℃条件下滚动老化16h后取出，将罐中液体和岩屑倾倒在40 目分样筛中用自来水淋洗并筛分剩余岩屑，于105℃恒温干燥4h，冷却后称重，计算页岩回收率，页岩回收率为剩余岩屑质量占初始岩屑质量的百分比；并按上述方法分别测试在蒸馏水、质量分数为5％的kcl溶液、以及质量分数为1％的聚胺yzj溶液中的页岩回收率，其结果如表3所示。
[0089]
表3 120℃老化后岩屑回收率实验结果
[0090]
[0091][0092]
由表3可以看出，加入实施例制备的阳离子防塌剂后，页岩滚动回收率在90％以上，且性能优于常用的页岩抑制剂kcl和聚胺抑制剂yzj。
[0093]
4、润湿反转实验
[0094]
取已经切割好的页岩片放入老化罐罐底，分别加入350ml不同实施例以及对比例制备的阳离子防塌剂溶液(质量分数为1％)，将罐密封后加热16h，加热温度为150℃。冷却后取出页岩片，将页岩片于105℃下烘干30min，采用oca-25型光学接触角测定仪，测定页岩片水相接触角，对不同阳离子防塌剂处理后的页岩片进行润湿性评价；并且按照上述方法测试质量分数为5％的kcl溶液以及质量分数1％的聚胺yzj溶液处理后的页岩片的润湿性，其结果如表4所示。
[0095]
表4阳离子防塌剂溶液作用后页岩片水相接触角
[0096]
[0097][0098]
综合表1、表2、表3和表4可以看出，泥页岩钻屑在蒸馏水中的滚动回收率仅为 4-5％，说明泥页岩水敏性强，活度大，非常容易水化分散，钻井过程中容易导致坍塌掉块。而高浓度氯化钾基本没有提升泥页岩的滚动回收率，虽然聚胺yzj对于泥页岩水化分散有明显的抑制效果，但是未能对岩石表面润湿性发生改变，相比于本发明实施例产品，性能较差。本发明所选择马来酸二辛酯具有双疏水长链，且kh570改性后的纳米二氧化硅具有双键结构，可以更好的与其他阳离子、丙烯酰胺等单体通过物理化学作用接枝，通过电荷吸附以及纳米二氧化硅在黏土矿物表面的双重吸附，从而取得良好的抑制黏土水化膨胀的性能。
[0099]
综上所述，本发明制备得到的阳离子防塌剂具有较高的抑制性能、防塌性能和良好的润湿反转性能；同时，与钻井液具有良好的配伍性。