[發明專利]一種用于井壁穩定的仿生聚合物及其制備方法和鉆井液

有效

• 申請號: 201410062056.X
• 申請日: 2014-02-24
• 公開（公告）號: CN104177517A
• 公開（公告）日: 2014-12-03
• 發明（設計）人: 蔣官澄;宣揚;羅陶濤;陶懷志;賀海;李穎穎
• 申請（專利權）人: 蔣官澄;中國石油集團川慶鉆探工程有限公司
• 主分類號: C08F8/32
• 分類號: C08F8/32;C08F251/00;C08F220/06;C08B37/08;C09K8/035;C09K8/04
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 王崇

技術領域

本發明涉及一種用于井壁穩定的仿生聚合物及其制備方法和鉆井液。

背景技術

隨著國家對油氣資源需求的不斷擴大，復雜地層條件下的深井、超深井和頁巖氣井數量的不斷增加，鉆井液處理劑的性能必須能夠滿足更加嚴苛的要求。其中，井壁穩定性問題一直是鉆井過程中難以得到徹底解決的一個世界性難題，井壁失穩所導致的井塌、縮徑卡鉆、鉆頭泥包等事故每年給石油工業造成大量的經濟損失。

鉆井過程中90%的井壁失穩發生在泥頁巖地層，泥頁巖中粘土因水化膨脹而導致泥頁巖分散、剝落是導致井壁失穩的最根本的化學因素。隨著當前頁巖氣開采已經成為國家的重要戰略，如何確保泥頁巖地層在鉆井過程中保持穩定更加迫切地擺在了鉆井液工作者面前。

在過去幾十年的發展中，油基鉆井液一直都是解決泥頁巖水化膨脹問題的理想選擇，然而隨著當前環保法規的日益嚴格，油基鉆井液的使用由于其對環境的嚴重損害而受到限制。因此，強頁巖抑制性的水基鉆井液重新成為了研究熱點。

鉆井液的抑制性強弱通常由其中的頁巖抑制劑性能所決定，目前幾乎所有的頁巖抑制劑的抑制機理都是通過削弱粘土的水化膨脹程度而實現。

然而，現有普遍使用的抑制劑無法完全抑制粘土的水化膨脹。此外，鉆井液通過頁巖納-微米級孔隙和微裂縫向地層深處傳遞壓力也是導致井壁失穩的主要原因。但目前也并沒有配套的鉆井液封堵材料能夠針對納-微米級孔隙和微裂縫進行有效封堵。

因此，尋找一種能夠有效穩定井壁的技術是一個亟需解決的問題。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術中的上述缺陷而提供一種能夠有效穩定井壁的聚合物以及含有該聚合物的鉆井液。

海洋生物貽貝的足絲線能夠在水環境下牢固的黏附在巖石表面，而足絲蛋白中包含的一種特殊的氨基酸衍生物——多巴胺被證明是貽貝足絲線具有強水下黏附性能的關鍵。當貽貝將足絲蛋白從體內分泌到海底巖石表面時，足絲蛋白通過多巴胺基團與海水中Fe³⁺離子發生交聯固化反應，從而形成具有強黏附性和內聚力的足絲線，將貽貝粘附在巖石表面。受到貽貝蛋白強水下黏附性的啟發，本發明的發明人發現，通過將多巴胺接枝到羧甲基殼聚糖上得到的仿生聚合物能夠有效地穩定井壁。這可能是因為在鉆井過程中，上述聚合物隨鉆井液與泥頁巖井壁接觸并吸附在泥頁巖表面，并通過多巴胺基團與泥頁巖表面Fe³⁺的絡合作用，在井壁表面交聯固化形成一層100μm-1mm厚度（隨鉆井液中聚合物濃度增加而增大）的具有較強黏附性的聚合物膜。該聚合物膜不僅能夠有效阻止鉆井液向地層的滲透，而且具有一定強度，能夠部分抵消巖石所受的水化應力，從而起到封堵井壁泥頁巖孔隙并提高泥頁巖強度的作用。此外，這種帶有大量支鏈的線性聚合物能夠有效堵塞膨潤土泥餅的毛細孔道，致使鉆井液的濾失量極大降低。

第一方面，本發明提供了一種聚合物含有作為主鏈的羧甲基殼聚糖和接枝在主鏈上的源自多巴胺的基團。

優選地，該聚合物含有如式I所示的結構單元：

式I中，R₁和R₂各自獨立地為氫或并且R₁和R₂不同時為氫；

R₃為氫、堿金屬、或者如式II所示的基團；

n為1以上的整數，R₄為碳原子數為2以上的亞烷基，R₅為如式II所示的基團。

優選地，該聚合物的重均分子量為50000g/mol-100000g/mol。

優選地，R₄為碳原子數為2-10的亞烷基，優選為碳原子數為2-6的亞烷基。

優選地，該聚合物還含有如式III所示的結構單元：

優選地，式I所示的結構單元與式III所示的結構單元的摩爾比為1：0.05-0.15。

第二方面，本發明提供了含有如式I所示的結構單元的聚合物的制備方法，該方法包括：

（1）將含有式III所示的結構單元的聚合物與不飽和羧酸進行反應，制得含有如式VI所示結構單元的聚合物；

（2）將步驟（1）所制得的聚合物與多巴胺進行縮合反應，制得含有如式I所示的結構單元的聚合物，

式III和式VI中，R₃’為氫或堿金屬；