CN101955762A

CN101955762A - 一种石油工程储层保护的钻井完井液组合物及其制备方法

Info

Publication number: CN101955762A
Application number: CN200910304480XA
Authority: CN
Inventors: 柯扬船
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2011-01-26

Abstract

本发明提供一种石油工程储层保护的钻井完井液组合物及其制备方法。将有机化层状硅酸盐与聚烯烃树脂按质量比1.0～50.0，在双螺杆挤出机上100℃～250℃制得复合材料，将该复合材料在螺杆纺丝机上及温度100℃～230℃工艺进行纺丝，经切断为长度2～5mm直径2.0um～100.0um超短纤维。该超短纤以0.1wt.％～10.0wt.％加入粘土的API标准钻井完井液基浆形成均匀悬浮体系，得到悬浮性好、密度可调、相对滤失量低、抗高温、封堵效率高及可用于石油钻井储层保护的钻井完井液体系。

Description

一种石油工程储层保护的钻井完井液组合物及其制备方法

技术领域

本发明涉及在石油工程中油气储层保护应用的钻井液完井液组合物，特别涉及一种聚烯烃无机复合超短纤维的钻井液完井液组合物及其制备方法。

背景技术

超短纤维是指经短切后长度20mm以内的短纤维，在石油工程固井水泥浆中掺入短切纤维，它在固化后水泥环的水泥水化物间被紧密粘结，起“搭桥”和细微“拉筋”作用，由此传递应力负荷、改善水泥环力学形变性及提高固井质量。该纤维在泵注水泥浆中产生增稠作用，降低水泥浆体系的漏失量。已证明当纤维长度小于2mm，水泥石断面上的纤维只有少数拉断，多数被拔出。若纤维长度为3～5mm，则水泥石断面上的纤维被拔出的数量减少，而被拉断数量明显增加，即纤维长度影响固井施工质量。优化纤维长度可降低水泥浆漏失程度、保护油气层及降低油气井投产前的投资。在保护油气储层及固井、井壁稳定、钻井完井工艺中，纤维材料及其功能形态是调节钻井完井液质量的关键因素。

储层保护是指油气井从开钻直至建井时，外来流体始终与井内不同地层及其流体产生接触作用，易对油气层造成伤害。因此，优化油气储层保护工艺是提高油气井产能与采收率的基础。首先，应优选钻井完井液助剂材料。该助剂材料必须在地下高温高压下，仍具有悬浮性、抗高温及抗降解性。其次，采用纤维材料对地下储层形成封堵保护时，钻井液的流变携带作用应使纤维能到达指定封堵位置，形成稳定的油气渗流通道。此外，所用纤维还应具有密度与亲油可调与降失水性，特别是封堵后易被解堵，迅速建立高效油气流通道及保护储层。

现有保护油气层钻井完井液技术，以甲基葡萄糖酸甙或全油基有机材料体系为助剂，形成暂堵层暂时阻止井内液体向储层渗透，保护地层原始渗透率，但该有机体系毒害性强、抗温性、环保性与使用效果差。现有技术采用水滑石正电胶或硅酸盐无机体系，通过静电作用对储层实施保护，但无机体系在油气流通道易形成维粒运移，既不易堵住通道也不易解堵。由于油气储层损害机理复杂，多种因素如微粒运移、乳状液堵塞、无机有机垢堵塞、润湿反转等共同作用产生储层损害，现有钻井完井液技术不能达到这类储层保护的综合要求，即助剂渗透性强、抗高温降解而易解堵性的要求。特别在钻遇裂缝性或裂缝与孔隙共存的复杂油气藏时，现有技术难以达到这些综合特性要求，难以对复杂储备层实施有效保护。

与本发明相关的一种现有技术，是利用聚丙烯易加工、化学性质稳定及易分散性特点，制备成复合材料(徐卫兵，戈明亮，何平笙.聚丙烯/蒙脱土纳米复合材料的制备与性能[J].中国塑料，2000，14(11)：27～31)，利用该复合材料(漆综能，陈光明，聚丙烯/蒙脱土插层复合材料及其制备方法，中国发明专利申请号98117488(1998))可纺制普通纤维。现有技术采用聚丙烯制备超短纤，但并未用于解决石油工程的储层保护。

显然，现有技术提供的助剂材料及其钻井完井液体系，不具有密度与渗透性的原位可调性、悬浮性、稳定亲油性及可解堵性，难以有效保护油气储层尤其是复杂储层的渗透特性。

发明内容

本发明技术是以层状硅酸盐(LS)与聚烯烃复合材料纺制超短纤维，特别涉及一种超短纤与钻井液完井液的组合物及其制备方法。所述的超短纤钻井完井液组合物用于石油工程储层保护。所述的聚烯烃复合超短纤采用层间距可控的LS分散于聚烯烃基体制成，将聚烯烃树脂与插层反应处理的LS在挤出机内熔融挤出并经过纺丝装置，在优化工艺条件下纺丝，经切断为超短纤维。所述的聚烯烃材料熔融指数为20g/10min～1000g/10min可优选，再与LS复合形成纳米分散相以控制可纺性、长径比、渗透性及强度特性。所述的LS经过6～18烷基季铵盐有机插层处理剂或它们任意二者的混合物进行处理，所得LS层间距在1.0nm～4.0nm间可控，在此条件下，所述的聚烯烃复合材料流体承受稳定拉伸力或拉伸形成连续细长丝条的能力即可纺性得到提高。所述的聚烯烃复合超短纤产生悬浮、分散、降低失水及密度可调的多功能性。所述的复合超短纤钻井完井液组合物，在短时间内形成致密封堵层，产生抗滤失、抗高温及高效保护储层的效果。

所述的钻井液完井液组合物，按照如下具体步骤实施：

首先，将1.0份～50.0层状硅酸盐加入相当于其10～15倍的水溶液，加入反应器搅拌升温至80℃，加入相当于LS质量1.0wt.％～50.0wt.％(优选1.0wt.％～5.0wt.％)的有机插层剂混合水溶液强烈搅拌反应12小时，再加入1.0～50.0份(优选1.0～5.0份)硅烷偶联剂反应2小时，产物在一定温度干燥至恒重，粉碎过200目筛得有机化层状硅酸盐。

其次，将有机化LS与10.0～100.0(优选50.0～100.0)份聚烯烃在100℃～250℃双螺杆挤出机制得聚烯烃复合材料。调整螺杆各区工艺温度100℃～230℃，打开纺丝计量泵排料，待纺丝流体呈稳定流线排出并且没有气泡时，安装纺丝组件开始纺丝，调整纺丝温度及工艺条件使纺丝处于稳态，经牵伸后卷曲成丝，切断为长度3mm～5mm超短纤维。

最后，将制得的超短纤维以0.1wt.％～10wt.％加量加入粘土的API标准钻井完井液基浆，高速搅拌10分钟均匀分散，静置12小时后再搅拌15分钟，用7MPa及计量时间7.5min测定滤失量及粘度。

本发明的实施例

实施例1制备有机化层状硅酸盐将10kg层状硅酸盐蒙脱土制成10wt.％溶液加入反应釜搅拌升温至80℃，滴加15wt.％～30wt.％6～18烷基季铵盐，强烈搅拌反应12小时，再加入2wt.％硅烷偶联剂反应2小时后，在一定温度干燥至恒重，粉碎过200目筛得有机层状硅酸盐蒙脱土。由X射线衍射峰位2θ及Bragg公式2dsinθ＝nλ，计算有机化蒙脱土层间距在1.10nm～1.98nm之间可调。

实施例2聚烯烃层状硅酸盐复合材料将工业聚烯烃产品、阳离子交换容量700～100mmol/g层状硅酸盐蒙脱土、海泡石或氢氧化铝/氢氧化镁合成水滑石，与抗氧剂在双螺杆挤出机160℃～250℃挤出，切粒形成无机相浓度30wt.％～60wt.％聚烯烃母粒。加工工艺条件见表1和表2。

实施例3取实施例1的有机蒙脱土(硅氧四面体2∶1)与聚丙烯，按照蒙脱土与聚丙烯质量比1∶9混合在双螺杆挤出机160℃～250℃制得复合材料，然后二次添加相当于混合物质量的聚丙烯树脂共混，制得含蒙脱土5wt.％的粒料，直接用于纺丝。所用蒙脱土阳离子交换容量70～100mmol/g，聚丙烯熔融指数为35g/10min～1000g/10min。该加工工艺与性能见表1，表2和表3。

实施例4聚丙烯纳米复合材料纺丝将实施例3的复合粒料放入纺丝机，将螺杆各区升到设定工艺温度约15min后开纺丝计量泵排料，待纺丝流体呈稳定流线排出且无气泡时，安装纺丝组件开始纺丝，调整纺丝温度及工艺条件使纺丝处于稳态，经过牵伸后卷曲成丝。切断为3mm～5mm超短纤维。电镜分析超短纤内蒙脱土以50nm～70nm均匀分散。所用高熔融指数聚丙烯有良好可纺性，复合超短纤韧性比纯PP纤维提高30％，性能见表5，表6。

实施例5纤维改性钻井液将实施例4的直径35.6um聚丙烯超短纤0.5wt.％加入基浆，高速搅拌10分钟均匀分散，静置12小时后再搅拌15分钟，测定7.5min滤失量及粘度。超短纤对钻井液的增稠和降滤失作用与纤维直径及纳米相含量关系结果，见表5，表6。

实施例6将实施例4的直径21.0um超短纤0.5wt.％加入粘土配制的标准API基浆，高速搅拌10分钟，均匀分散，静置12小时后再搅拌15分钟，测定7.5min滤失量及粘度。性能结果见表5，表6。

实施例7将实施例4的直径101.7um超短纤0.5wt.％加入粘土配制的标准API基浆，高速搅拌10分钟均匀分散，静置12小时后再搅拌15分钟，测定7.5min滤失量及粘度。性能结果见表5，表6。

实施例8将实施例4的直径35.6um超短纤0.4wt.％加入粘土配制的标准API基浆，高速搅拌10分钟均匀分散，静置12小时后再搅拌15分钟，测定7.5min滤失量及粘度。性能结果见表5，表6。

实施例9将实施例4的直径30.1um超短纤0.5wt.％加入粘土配制的标准API基浆，高速搅拌10分钟均匀分散，静置12小时后再搅拌15分钟，测定7.5min滤失量及粘度。性能结果见表5，表6。

实施例10将实施例4的直径30.1um超短纤0.5wt.％加入粘土配制的标准API基浆，再加入0.05wt.％聚丙烯酰胺蒙脱土纳米复合材料高速搅拌10分钟均匀分散，静置12小时后再搅拌15分钟，测定7.5min滤失量及粘度。结果见表5，表6。

比较例1以阳离子交换容量70100mmol/g蒙脱土配制API标准基浆，高速搅拌10分钟均匀分散，静置12小时后再搅拌15分钟，测定7.5min滤失量及粘度。

比较例2以阳离子交换容量小于50mmol/g蒙脱土配制API标准基浆，高速搅拌10分钟均匀分散，静置12小时后再搅拌15分钟，测定7.5min滤失量及粘度。

比较例3以蒙脱土配制标准API基浆，加入0.05wt.％聚丙烯酰胺蒙脱土纳米复合材料高速搅拌10分钟均匀分散，静置12小时后再搅拌15分钟，测定7.5min滤失量及粘度。

表1双螺杆挤出机粒料工艺条件

注：螺杆转速，120-150r/min；加料转速，60r/min。

表2聚烯烃复合材料纺丝工艺条件

注：螺杆转速，120-150r/min；加料转速，60r/min。

表3聚丙烯/蒙脱土超短纤的强伸度

注：用Y351型纱线强伸度仪。夹距20cm，测5次取平均值。SEM形态用S4800型扫描电子显微镜，15.0kV下观察聚丙烯超短纤维表面截面形态。

表4聚丙烯超短纤维的热学与结晶性质

注：JZ95A型偏光显微镜重复试验15次测直径，取均值。204F1示差扫描量热仪测量热与结晶性时，纤维样品池用铝盖盖紧，N₂气流50mL/min，30℃～250℃，扫描速率10℃/min测试。

表5超短纤维钻井液组合物的物性

注：*指30min内的滤失量。

表6超短纤维钻井液组合物的物性

注：Φ600，Φ300是六速粘度计读值；η_av，η_pv分别是表观粘度和塑性粘度。

Claims

1.本发明提供一种石油工程储层保护的钻井完井液组合物，按照质量份如下：

有机化层状硅酸盐 1.0～50.0(优选3.0～10.0)

有机化插层处理剂 1.0～50.0(优选15.0～30.0

相对于有机化层状硅酸盐)

偶联剂 1.0～50.0(优选1.0～5.0)

聚烯烃 10.0～100.0(优选50.0～100.0)

所述的钻井液完井液组合物，按照如下具体步骤制备：

首先，将1.0～50.0份层状硅酸盐(LS)加入相当于其10～15倍的水溶液混合，该混合物加入反应器搅拌升温至80℃，加入相当于LS质量1.0wt.％～50.0wt.％(优选15.0wt.％～30.0wt.％)的有机化插层处理剂混合水溶液后强烈搅拌反应12小时后，加入1.0～50.0份(优选1.0～5.0份)硅烷偶联剂再反应2小时，产品在一定温度干燥至恒重，粉碎过200目筛得到有机化层状硅酸盐。

其次，1.0～50.0(优选3.0～10.0)份有机化LS与10.0～100.0(优选50.0～100.0)份聚烯烃，在100℃～250℃双螺杆挤出机制得复合材料。该复合材料在螺杆挤出机上与各区工艺温度100℃～230℃下，调整工艺条件使纺丝流体呈稳定流线排出且无气泡时，自纺丝组件开始纺丝，经牵伸卷曲成丝，切断为长2mm～5mm，而密度在0.90～1.10之间可调的超短纤材料。

最后，超短纤维以0.1wt.％～10wt.％量加入粘土配制的标准API钻井完井液基浆，高速搅拌均匀分散，在7MPa及计量时间7.5min测定滤失量及粘度。

2.如权利1，特征是采用有机化层状硅酸盐，晶体片层单元硅氧四面体与铝氧八面体结构的组成比例为2∶1，1∶1或者这两种结构共存。

3.如权利1和2，所述的有机化层状硅酸盐，其有机处理剂是6～18烷基季铵盐或者任意二者的共混物。

4.如权利1，所述的偶联剂是工业产品KH550，KH560或KH570。

5.如权利1，特征是所用聚烯烃是熔融指数10～1000(优选30～700)的聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯聚丙烯共聚或任意两种的混合物。

6.如权利1，特征是所制得的短纤维长度1.0mm～20.0mm，优选2.0mm～5.0mm，纤维直径1.0um～300um，优选2.0um～100um。

7.如权利1，特征是短纤维复合钻井完井液，采用现有工艺封堵地下具有孔隙或裂缝特征的油气储层，滤失量相对API标准基浆降低30％～100％。