CN101747876A - 一种碳酸钾聚胺钻井液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油钻井过程中所用的一种碳酸钾聚胺钻井液，主要含有1％～60％碳酸钾、0.5％～25％氧化钙及0.5％～5％聚胺类泥页岩抑制剂；还可含有膨润土为0～5％、降滤失剂0.5％～3％、包被剂0.1％～0.5％、增粘剂0.1％～0.8％、封堵剂0.5％～5％、润滑剂0.1％～2％以及适量加重剂(根据需要配加)。碳酸钾聚胺钻井液可以提供高浓度的K+，对泥页岩的抑制能力强，碳酸钾与等摩尔量氧化钙发生反应，生成微米、亚微米级超细碳酸钙，除去了碳酸钾溶解后产生的CO3 2-阴离子，降低矿化度，消除了高矿化度对其它处理剂作用效率的影响；超细碳酸钙配合可变形沥青、石蜡粒子可对微裂缝泥页岩地层实现强封堵。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井工程领域所用的一种钻井液，属于一种对强水敏泥页岩地层有极强抑制作用的钻井液。
技术背景
钻井液是一种在钻井过程中具有携带清除钻屑、冷却润滑钻头、平衡地层压力、保护井壁稳定及保护油层不受伤害等多种作用的工作流体，其性能直接影响到钻井效率、井下安全和成本控制，是钻井工程技术的重要组成部分。
钻井工程中，经常钻遇强水敏泥页岩地层，容易造成钻头泥包、井壁垮塌、井径缩小、扭矩增大、钻具受卡等复杂事故，给钻井工程带来极大的危害。为解决上述问题，在过去几年内，采用了多种方法提高水基钻井液的抑制性能，如：钾钙基钻井液、有机盐钻井液、阳离子聚合物钻井液、聚合醇钻井液和硅酸盐钻井液等。然而，这些钻井液在抑制泥页岩水化以及钻井液润滑性等方面均存在多种局限性。油基钻井液能够很好解决强水敏泥页岩地层引起的复杂问题，但油基钻井液存在着成本高、施工难度大、污染环境、安全性差等一系列问题，其推广和应用受到了制约。为了满足环境保护的要求，可以代替油基钻井液的水基钻井液在石油工业中的需求日益增长。近年来，国外不少公司和研究机构分别研究开发出了一类新型的具有强抑制性的聚胺型水基钻井液，可以代替油基钻井液钻遇强水敏泥页岩地层，取得了优异的应用效果，国内中海油服公司、长江大学已初步研制开发出聚胺的同类产品-UHIB聚胺钻井液，并已在现场得到应用，取得了一定的应用效果。
这些钻井液几乎都用到了一种最基本的井壁稳定剂，即K+离子。由于影响井壁稳定的主要因素是泥页岩地层的水化膨胀，K+具有极强抑制泥页岩水化膨胀的能力，因此，K+被大量地用作井壁稳定剂。一般认为：K+离子的半径与粘土硅氧四面体底面由氧形成的六角环的半径相近，且K+的水化能较小，较容易进入粘土晶层间隙，从而把水化半径和水化能较大的Ca2+、Na+等离子交换出来，进入六角环空腔的K+与粘土晶片进行较牢固的结合，从而抑制了粘土的水化膨胀。
目前，广泛用于钻井液中的K+抑制剂主要是氯化钾，也有少量硫酸钾的应用报道。但是，无论是氯化钾还是硫酸钾在钻井液中电离后提供K+抑制剂的同时，也不可避免的引入了大量的Cl-、SO4 2-等阴离子。这些阴离子对整个钻井液体系性能不但没有积极贡献，相反，由于大量阴离子的存在，使钻井液矿化度升高，这就在一定程度上降低了其它处理剂的使用效率。
本发明采用碳酸钾提供K+。在常温下(20℃)，氯化钾在100g水中的溶解度为34g，硫酸钾的溶解度为11.11g，而碳酸钾的溶解度为110.5g，远远高于前二者。因此，碳酸钾可以提供更高浓度的K+，对泥页岩的抑制能力会更强。此外，碳酸钾与等摩尔量的氧化钙在钻井液介质中发生反应，生成微米、亚微米级的超细碳酸钙。一方面除去了碳酸钾溶解后产生的CO3 2-阴离子，降低了矿化度，在一定程度上消除了因高矿化度降低其它处理剂作用效率的影响因素；另一方面，生成的微米、亚微米级超细碳酸钙配合可变形沥青、石蜡粒子可对微裂缝泥页岩地层实现强封堵，形成真正意义的隔离膜。因此，本发明采用的技术方案解决了以上问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：主要含有1％～60％碳酸钾、0.5％～25％氧化钙及0.5％～5％聚胺类泥页岩抑制剂；还可进一步含有膨润土为0～5％、降滤失剂0.5％～3％、包被剂0.1％～0.5％、增粘剂0.1％～0.8％、封堵剂0.5％～5％、润滑剂0.1％～2％以及适量加重剂(根据需要配加)。
以上百分比是按添加剂重量、钻井液体积百分比计算。
聚胺类泥页岩抑制剂为氨基多功能分子、季铵盐阳离子、聚环氧氯丙烷二甲胺中的一种或一种以上组成，最佳为聚环氧氯丙烷二甲胺。
降滤失剂为聚阴离子纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、淀粉改性产品中的一种或一种以上组成，最佳为聚阴离子纤维素。
包被剂为高分子量阳离子聚合物(CHM)；增粘剂为生物聚合物(XC)。
封堵剂为磺化沥青、天然沥青粉、乳化沥青、胶体沥青、乳化石蜡中的一种或一种以上组成。最佳为乳化沥青、乳化石蜡。
润滑剂为液体润滑剂。
加重剂为铁矿粉、重晶石中的一种或两种复配组成。
同现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、碳酸钾可以提供高浓度的K+。在常温下(20℃)，氯化钾在100g水中的溶解度为34g，硫酸钾的溶解度为11.11g，而碳酸钾的溶解度为110.5g，远远高于前二者。因此，碳酸钾可以提供更高浓度的K+，对泥页岩的抑制能力会更强。
2、碳酸钾与等摩尔量的氧化钙在钻井液介质中发生反应，生成亚微米级的超细碳酸钙。一方面除去了碳酸钾溶解后产生的CO3 2-阴离子，降低了矿化度，这在一定程度上消除了因高矿化度降低其它处理剂作用效率的影响因素；另一方面，生成的亚微米级超细碳酸钙配合可变形沥青、石蜡粒子可对微裂缝泥页岩地层实现强封堵，形成真正意义上的隔离膜。
3、本发明除了使用K+作为粘土晶格镶嵌抑制剂外，还使用聚胺类泥页岩抑制剂。根据理论分析，聚胺类页岩抑制剂主要是通过胺基特有的吸附作用使其分子能很好地镶嵌在粘土层间，并使粘土层紧密结合在一起，从而降低粘土吸收水分的趋势。
4、本发明使用的包被剂为高分子量阳离子聚合物。阳离子聚合物主要是通过季铵阳离子的强吸附作用使其分子能很好地包裹泥页岩颗粒，降低粘土分散程度，抑制其水化。
5、根据对钻井液抑制能力的要求不同，本发明可使用粘土，也可以不使用粘土。无粘土相碳酸钾聚胺钻井液抑制能力与油基钻井液相当，可代替油基钻井液钻强水敏泥页岩地层，且环境友好。
6、本发明集成传统钻井液各项优点，具有的优良性能主要为：①封堵性好；②抑制性强；③环境友好；④润滑性优良；⑤高温性能稳定；⑥储层伤害小。
具体实例
下面结合实例进一步说明本发明所提供的碳酸钾聚胺钻井液的组成及其性能，但并不限制本发明。
实施例1
由以下组分配制碳酸钾聚胺钻井液(重量体积百分比)
自来水+1.2％聚阴离子纤维素+0.5％CHM+0.2％XC+10％碳酸钾+4％氧化钙+2％聚胺+5％乳化沥青+0.5％RH101(低荧光润滑剂)+35％重晶石
实施例2
由以下组分配制碳酸钾聚胺钻井液(重量体积百分比)
自来水+1.5％聚阴离子纤维素+0.5％CHM+0.2％XC+20％碳酸钾+8％氧化钙+2％聚胺+5％乳化沥青+0.5％RH101(低荧光润滑剂)+35％重晶石
实施例3
4％膨润土浆+1.2％聚阴离子纤维素+0.5％CHM+0.1％XC+10％碳酸钾+4％氧化钙+2％聚胺+5％乳化沥青+0.5％RH101(低荧光润滑剂)+35％重晶石
碳酸钾聚胺钻井液性能表
| 钻井液 | 实验条件 | D | FL | PV | YP | Gel |
| 实例1 | 120℃热滚16h | 1.33 | 3.2 | 24 | 12 | 3/7 |
| 实例2 | 120℃热滚16h | 1.36 | 3 | 26 | 9 | 2/6 |
| 实例3 | 120℃热滚16h | 1.34 | 2.4 | 32 | 14 | 3/15 |
D：钻井液密度，g/cm3
FL：API滤失量，mL
PV：钻井液塑性粘度，mPa·s
YP：钻井液动切力，Pa
Gel：钻井液初切力/钻井液终切力，Pa
实施例4
抑制性能评价
本发明组成：
自来水+1.5％聚阴离子纤维素+0.5％CHM+0.2％XC+20％碳酸钾+8％氧化钙+2％聚胺+5％乳化沥青+0.5％RH101(低荧光润滑剂)+35％重晶石
KCl聚磺钻井液：
4％坂土浆+0.3％FA367+0.8％JT888+5％SMP-2+3％SPNH+15％KCl+3％磺化沥青+2％QCX-1+1％WC-1+35％重晶石
油基钻井液：
85％白油+15％饱和CaCl2水溶液+5％主乳化剂+4％辅乳化剂+2.5％降滤失剂+3％有机土+5％石灰+40％重晶石
采用岩屑滚动回收率来评价钻井液的抑制性，岩屑滚动回收率实验通过向钻井液中加入6～10目页岩岩屑50g，在120℃的老化罐(约350ml)中热滚16h小时，然后用40目筛网回收岩屑，经洗涤、干燥、称重。回收的岩屑重量与初始岩屑重量之比即为岩屑回收率。回收率越高，表示钻井液的抑制性越强，岩屑的分散程度越低。
页岩滚动回收率实验结果
| 钻井液体系 | 页岩滚动回收率(％) |
| KCl聚磺钻井液 | 93 |
| 油基钻井液 | 100 |
| 本发明 | 99 |
注：表中实验中所用岩屑清水滚动回收率为18％。
Claims (9)
1.一种碳酸钾聚胺钻井液，其特征在于：主要含有1％～60％碳酸钾、0.5％～25％氧化钙及0.5％～5％聚胺类泥页岩抑制剂，聚胺类泥页岩抑制剂可以为氨基多功能分子、季铵盐阳离子、聚环氧氯丙烷二甲胺中的一种或几种，以上均按钻井液重量体积百分比计量。
2.根据权利要求1所述一种碳酸钾聚胺钻井液，其特征在于：聚胺类泥页岩抑制剂最佳为聚环氧氯丙烷二甲胺。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种碳酸钾聚胺钻井液，其特征在于：钻井液中还可加入膨润土、降滤失剂、包被剂、增粘剂、封堵剂、润滑剂；其中降滤失剂可以为聚阴离子纤维素、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、淀粉改性产品中的一种或几种；包被剂为阳离子聚合物(CHM)；增粘剂为生物聚合物(XC)；封堵剂可以为磺化沥青、天然沥青粉、乳化沥青、胶体沥青、乳化石蜡中的一种或几种；润滑剂为液体润滑剂。
4.根据权利要求3所述一种碳酸钾聚胺钻井液，其特征在于：膨润土为0～5％、降滤失剂0.5％～3％、包被剂0.1％～0.5％、增粘剂0.1％～0.8％、封堵剂0.5％～5％、润滑剂0.1％～2％，均按钻井液重量体积百分比计量。
5.根据权利要求3所述一种碳酸钾聚胺钻井液，其特征在于：所述的降滤失剂最佳为聚阴离子纤维素。
6.根据权利要求4所述一种碳酸钾聚胺钻井液，其特征在于：所述的降滤失剂最佳为聚阴离子纤维素。
7.根据权利要求1或权利要求2所述一种碳酸钾聚胺钻井液，其特征在于：依据钻井液密度要求，可以适当加入加重剂调整钻井液比重。
8.根据权利要求3所述一种碳酸钾聚胺钻井液，其特征在于：依据钻井液密度要求，可以适当加入加重剂调整钻井液比重。
9.根据权利要求4至权利要求6任意一项所述一种碳酸钾聚胺钻井液，其特征在于：依据钻井液密度要求，可以适当加入加重剂调整钻井液比重。
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