改性壳聚糖及其制备方法和作为页岩抑制剂的应用和钻井液及其应用技术

本发明专利技术涉及石油工业的钻井领域，具体地，涉及一种改性壳聚糖及其制备方法和作为页岩抑制剂的应用和钻井液及其应用。所述改性壳聚糖具有下式(1)所示的改性基团。本发明专利技术将上述改性壳聚糖作为页岩抑制剂应用于油气钻井中，特别是页岩气钻井中，能够获得优良的抑制效果，且该改性壳聚糖具有良好的耐温性能，能够长时间地在较高的温度下保持较高的抑制作用，并且该改性壳聚糖具有壳聚糖的可生物降解性，属于环境友好型的页岩抑制剂。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油工业的钻井领域，具体地，涉及一种改性壳聚糖及其制备方法和作为页岩抑制剂的应用和钻井液及其应用。
技术介绍
随着人类生活水平的提高，人类对能源的消费日益增长。传统常规能源的开采难以满足人们的消费需要。页岩气等非常规资源的勘探开发越来越重要。美国页岩气的商业化的开采，极大了带动了全球的非常规能源的开采热潮。近期，国内也高度重视页岩气等非常规能源的开采。目前国外页岩气的开采约70％应用油基钻井液和30％应用水基钻井液，然后国内几乎全部应用油基钻井液。油基钻井液的应用存在严重环境污染问题。环境问题已经引起各国的重视，油基钻井液在未来的应用有可能面临被禁用的危险，因此水基钻井液是未来钻井液的发展方向。页岩是一种沉积岩、质硬性脆、渗透率低、纳微米孔隙发育丰富。页岩气大量富集于页岩中。在钻井过程中，一方面由于油气层的黏土矿物发生水化膨胀、分散运移、溶蚀分散，从而对储层造成不可修复的伤害；另一方面，钻井液进入油气层将造成水锁、乳化、润湿反转和化学沉淀。针对页岩的成藏特征，传统的开采方式无法满足页岩气的开采。页岩气的开发以浅层大位移井、丛式水平井布井为主。由于页岩的纳微米孔隙发育丰富，在长水平段钻井过程，易于导致井漏、坍塌、缩径、卡钻等钻井问题，井壁稳定问题成为制约水基钻井液发展的瓶颈。对于水基钻井液来说，保证页岩的井壁稳定关键在于提高钻井液抑制能力。其中，抑制剂是首选的一种提高水基钻井液的抑制能力的添加剂。目前，抑制剂有很多工业产品，国内外使用的页岩抑制剂大多数为聚胺类页岩抑制剂，其具有抑制效果好、低毒、配伍性好，但其耐温能力较差；而其他具有耐温能力的页岩抑制剂的页岩抑制效果又较差，抑制时间较短，并且多为不易分解的聚合物。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的页岩抑制剂难以兼具良好的抑制效果和耐温性能的缺陷，提供一种兼具良好的抑制效果和耐温性能的且环保的改性壳聚糖及其制备方法和作为页岩抑制剂的应用和钻井液及其应用。为了实现上述目的，本专利技术提供一种改性壳聚糖，所述改性壳聚糖具有下式(1)所示的改性基团：式(1)其中，R1-R3各自独立地选自C1-C8的烷基，R4和R5各自独立地选自C1-C8的亚烷基。本专利技术还提供了一种改性壳聚糖的制备方法，该方法包括：(1)在碱性化合物存在下，在溶剂中，将壳聚糖进行碱化处理；(2)将所述碱化处理后的产物与提供下式(1)所示的改性基团的铵盐进行季铵化反应，式(1)其中，R1-R3各自独立地选自C1-C8的烷基，R4和R5各自独立地选自C1-C8的亚烷基。本专利技术还提供了由上述方法制得的改性壳聚糖。本专利技术还提供了由上述改性壳聚糖作为钻井液中的页岩抑制剂在油气钻井中的应用。本专利技术还提供了一种含有上述改性壳聚糖作为页岩抑制剂的水基钻井液。本专利技术还提供了上述水基钻井液在油气钻井中的应用。本专利技术将上述改性壳聚糖作为页岩抑制剂应用于油气钻井中，特别是页岩气钻井中，能够获得优良的抑制效果，且该改性壳聚糖具有良好的耐温性能，能够长时间地在较高的温度下保持较高的抑制作用，并且该改性壳聚糖具有壳聚糖的可生物降解性，属于环境友好型的页岩抑制剂。因此，通过采用本专利技术的改性壳聚糖作为页岩抑制剂能够在高温页岩钻井过程中能很好地抑制页岩的水化分散、膨胀运移等，并且不会对环境造成污染。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术中，页岩抑制剂是指钻井过程中，在钻遇页岩层及粘土矿物含量较高的层段时，由于黏土本身易水化、膨胀、分散、运移的特性，常常造成钻井过程中的井壁失稳、坍塌等问题，而页岩抑制剂就是通过静电吸附与离子交换阻止页岩及黏土矿物水化膨胀，防止井壁坍塌的化学试剂。本专利技术提供一种改性壳聚糖，所述改性壳聚糖具有下式(1)所示的改性基团：式(1)其中，R1-R3各自独立地选自C1-C8的烷基，R4和R5各自独立地选自C1-C8的亚烷基。根据本专利技术，上述改性壳聚糖连接有下式(1)所示的改性基团，特别是形成下式(2)所示的结构单元的情况下，将在作为钻井液的页岩抑制剂中，通过静电吸附与离子交换阻止粘土矿物的水化膨胀与分散运移，从而防止井壁失稳与坍塌问题的发生。特别是针对页岩气钻井来说，本专利技术的改性壳聚糖特别适合于作为页岩气钻井用的页岩抑制剂，在页岩气钻井过程中，本专利技术的改性壳聚糖主链具有吸附基团，而侧链具有更多的阳离子基团，这样，改性壳聚糖在水溶液中一方面由于其质子化后反应带正电从而吸附在页岩表面，依靠静电作用强吸附在页岩表面，减弱页岩表面的静电斥力与表面水化膜斥力；另一方面，改性壳聚糖上大量的吸附基团，可以在页岩表面同时多点吸附，从而将页岩紧紧地束缚在一起，阻止其水化膨胀。此外，改性壳聚糖上的阳离子基团与页岩表面的阴离子通过静电作用，也进一步阻止了页岩的水化膨胀：式(2)也就是说，优选地，所述改性壳聚糖具有上述式(2)所示的结构单元。尽管上述式(2)所示的结构单元占整个改性壳聚糖的比例可以在较宽范围内变动，但是为了能够更好地发挥上述的改性壳聚糖作为页岩抑制剂时的抑制效果和耐温性能，优选地，以所述改性壳聚糖总重量为基准，所述式(2)所示的结构单元的含量为40重量％以上，优选为50-90重量％，更优选为60-85重量％，更进一步优选为65-80重量％。在本专利技术中，上述C1-C8的烷基例如可以为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、正戊基、异戊基、正己基、正庚基、正辛基等。上述C1-C8的亚烷基可以是上述C1-C8的烷基所形成的亚烷基。优选情况下，R1-R3各自独立地选自C1-C6的烷基，R4和R5各自独立地选自C1-C6的亚烷基。更优选地，R1-R3各自独立地选自甲基、乙基、正丙基、异丙基和正丁基，R4和R5各自独立地选自-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-、-CH(CH3)-CH2-、-CH2-CH(CH3)-和-CH2-(CH2)2-CH2-。在本专利技术的一种优选实施方式中，R1-R3选自甲基，R4选自-CH2-CH2-CH2-，R5选自-CH2-。在本专利技术的另一种优选实施方式中，R1-R3选自乙基，R4选自-CH2-CH2-CH2-，R5选自-CH2-。在本专利技术的另一种优选实施方式中，R1-R3选自甲基，R4选自-CH2-CH2-CH2-，R5选自-CH2-CH2-。在本专利技术的另一种优选实施方式中，R1-R3选自乙基，R4选自-CH2-CH2-CH2-，R5选自-CH2-CH2-。在本专利技术的一种优选实施方式中，R1-R3选自甲基，R4选自-CH2-(CH2)2-CH2-，R5选自-CH2-。在本专利技术的另一种优选实施方式中，R1-R3选自乙基，R4选自-CH2-(CH2)2-CH2-，R5选自-CH2-。根据本专利技术，尽管上述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改性壳聚糖，其特征在于，所述改性壳聚糖具有下式(1)所示的改性基团：式(1)其中，R1‑R3各自独立地选自C1‑C8的烷基，R4和R5各自独立地选自C1‑C8的亚烷基。

【技术特征摘要】
1.一种改性壳聚糖，其特征在于，所述改性壳聚糖具有下式(1)所示的改性基团：式(1)其中，R1-R3各自独立地选自C1-C8的烷基，R4和R5各自独立地选自C1-C8的亚烷基。2.根据权利要求1所述的改性壳聚糖，其中，所述改性壳聚糖具有下式(2)所示的结构单元：式(2)3.根据权利要求2所述的改性壳聚糖，其中，以所述改性壳聚糖总重量为基准，所述式(2)所示的结构单元的含量为40重量％以上，优选为50-90重量％，更优选为60-85重量％，更进一步优选为65-80重量％。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的改性壳聚糖，其中，R1-R3各自独立地选自C1-C6的烷基，R4和R5各自独立地选自C1-C6的亚烷基；优选地，R1-R3各自独立地选自甲基、乙基、正丙基、异丙基和正丁基，R4和R5各自独立地选自-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-、-CH(CH3)-CH2-、-CH2-CH(CH3)-和-CH2-(CH2)2-CH2-。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的改性壳聚糖，其中，所述改性壳聚糖的数均分子量为20000-80000，优选为40000-70000，更优选为50000-60000。6.一种改性壳聚糖的制备方法，其特征在于，该方法包括：(1)在碱性化合物存在下，在溶剂中，将壳聚糖进行碱化处理；(2)将所述碱化处理后的产物与提供下式(1)所示的改性基团的铵盐进行季铵化反应，式(1)其中，R1-R3各自独立地选自C1-C8的烷基，R4和R5各自独立地选自C1-C8的亚烷基。7.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法所得的改性壳聚糖具有式(1)所示的改性基团；优选地，所述改性壳聚糖具有下式(2)所示的结构单元：式(2)优选地，R1-R3各自独立地选自C1-C6的烷基，R4和R5各自独立地选自C1-C6的亚烷基；更优选地，R1-R3各自独立地选自甲基、乙基、正丙基、异丙基和正丁基，R4和R5各自独立地选自-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-、-CH(CH3)-CH2-、-CH2-CH(CH3)-和-CH2-(CH2...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋官澄，祁由荣，葛庆颖，张领宇，安玉秀，杨丽丽，贺垠博，史赫，史亚伟，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11