CN102051162A

CN102051162A - 一种防止泥包钻头处理剂及其制备方法

Info

Publication number: CN102051162A
Application number: CN2010105429994A
Authority: CN
Inventors: 孙金声; 杨宇平; 蒋欢
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Drilling Research Institute Co Ltd
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Engineering Technology R&D Co Ltd
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2030-11-11
Also published as: CN102051162B

Abstract

本发明涉及一种防止泥包钻头处理剂及其制备方法；按重量份计，由10-15份的三乙醇胺、20-30份的植物脂肪酸、1-2份重量浓度为30-50％的亚磷酸水溶液、30-40份的烷基聚氧烷基醚硫酸酯、5-10份的硫酸二甲酯组成；将三乙醇胺、植物脂肪酸，加入反应容器中，加入重量浓度30-50％的亚磷酸催化，在真空条件下，150℃反应；用氢氧化钠调节溶液pH值7-9；将烷基聚氧烷基醚硫酸酯加入到反应容器中，在碱催化下，温度200℃，搅拌，反应6h；降温至60℃，加入硫酸二甲酯反应得到处理剂；该处理剂能够有效减少或消除钻屑在钻头及钻具面上的吸附，解决井底钻头泥包问题。

Description

一种防止泥包钻头处理剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种改变润湿防止泥包钻头处理剂及其制备方法。

背景技术

钻进过程中由于地质、泥浆性能、工程技术、钻头选型以及操作水平等因素都有可能造成PDC钻头泥包；尤其是在钻进软页岩地层，特别是粘泥页岩及膨胀页岩从钻井液里吸水之后，岩屑粘附于钻头、钻铤或有时粘附于钻杆上，出现更严重的泥包现象。泥包会严重影响机械钻速，泥包不仅增加了扭矩，降低了切削效率，而且在钻铤上形成的泥包有可能切断环空内的循环。在这种情况下压实页岩形成球状，泥包着整个钻头，从而妨碍了钻头的钻进。此后，现场通常会停止钻进，调整泥浆性能，并且提高排量加强水力冲洗效果，上提钻头脱离井底，提高转速增大离心力使泥块易于甩出，并上下大幅度活动几次，然后下压至井底不开转盘循环5-10分钟，并反复操作。这样往往延缓了钻进周期，且效果不显著。

利用钻井液技术可以减少或消除钻屑在钻头及钻具面上的吸附。但是由于环境法规以及钻井成本的制约，油基钻井液以及合成基钻井液的使用受到严格的限制，常规的水基钻井液又很容易引起钻屑在钻头及钻具面上的吸附，当钻屑从钻井液中吸收水后，这种吸附作用会更加严重，甚至导致泥包钻头。因此，开发出一种能够有效解决钻头泥包问题的钻井液处理剂，对于优快钻井、提高油气井勘探开发效益具有极为重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种防止泥包钻头处理剂(WAB)及其制备方法，该处理剂能够改变岩石表面润湿性，实现岩石的润湿性由强亲水向亲油的方向转变；并且该处理剂能够在钻头、钻具上以有机磷定向吸附的形式形成很强的定向的多分子层的物理和化学吸附，能在金属表面形成润滑油膜，从而有利于减弱或消除钻屑颗粒在钻头、钻具表面的吸附。

本发明所述的一种防止泥包钻头处理剂：按重量份计，由10-15份的三乙醇胺、20-30份的植物脂肪酸、1-2份重量浓度为30-50％的亚磷酸溶液、30-40份的烷基聚氧烷基醚硫酸酯、5-10份的硫酸二甲酯(CH₃)₂SO₄)组成，pH值调节剂为NaOH。

本发明所述的一种防止泥包钻头处理剂(WAB)的制备方法：

1)将10-15份的三乙醇胺、20-30份的植物脂肪酸，加入装有搅拌、温度计、氮气导管的四口烧瓶中，加入1-2份浓度30-50％的亚磷酸催化，在真空条件下，温度控制在150℃，反应1～2h；

2)用NaOH调节溶液pH值7-9；

3)缓慢将30-40份的烷基聚氧烷基醚硫酸酯醚化试剂加入到反应容器中，继续搅拌1-2h，在碱催化下，温度控制在200℃，搅拌转速控制在1000-2000rpm，进行醚化脱水缩合反应6h；

4)将上述反应产物降温至60℃，缓慢加入5-10份的硫酸二甲酯季铵化剂反应1～3h反应得到防止泥包钻头的处理剂(WAB)。

本发明改变润湿防止泥包钻头的处理剂的工作原理：

改变润湿防止泥包钻头处理剂通过在岩石、钻屑表面以单分子层吸附以及向岩石孔隙内部渗透，改变岩石表面及孔隙内部的润湿性，实现岩石的润湿性由强亲水向亲油的方向转变；并且在钻头、钻具上能够以有机磷定向吸附的形式形成很强的定向的多分子层的物理和化学吸附，能在金属表面形成润滑油膜，从而有利于减弱或消除钻屑颗粒在钻头、钻具表面的吸附。

1)阻止带状物的附聚。改变润湿防止泥包钻头处理剂以单分子层吸附在粘土颗粒表面，减弱了单个岩屑之间的相互吸附结合，限制了带状物的尺寸，有效的防止了带状物团聚沉积井底，造成重复破碎；在全尺寸钻井试验过程中，减小带状物的尺寸已经被观察到，对潜在的机理一个试验性的解释是，改变润湿防止钻头泥包剂提高剪切位面与单独的岩屑的渗透性和润滑性，使他们更容易破碎；

2)阻止裂缝的复原。由于处理剂的作用，使吸附在钻头上的泥团产生的裂缝表面被渗透进去的处理剂改变了表面吸附性，微裂缝面相互间不再吸附，在水力学原理的作用下，裂缝产生了增大的趋势；

3)阻止粘土在钻头和BHA表面上的吸附。粘土颗粒被处理剂作用的同时，改变润湿防止钻头泥包剂在钻头、钻具上能够以有机磷定向吸附的形式形成很强的定向的多分子层的物理和化学吸附，增加了钻头及钻具表面润滑性进一步向亲油的方向转变，同时，处理剂分子具有相当强的渗透性，能够把已经吸附了粘土的钻头、钻具表面润湿，降低表面对粘土颗粒的吸附性，使粘土从钻头表面解吸。

附图说明

图1WAB对钻井液体系接触角影响曲线。

图2WAB对钻井液体系表面张力影响曲线。

图3金属表面薄膜全谱溅射深度分析(0.5％WAB剂水溶液)。

具体实施方式

实施例1

该改变润湿防止泥包钻头处理剂(WAB)按重量份计，由10份的三乙醇胺、20份的植物脂肪酸、1份浓度30-50％的亚磷酸溶液、30份的醚化试剂(烷基聚氧烷基醚硫酸酯)、质量份数5份的季铵化剂(硫酸二甲酯，(CH₃)₂SO₄)、pH值调节剂NaOH。

一种合成该改变润湿防止泥包钻头处理剂(WAB)的制造工艺：

1)将三乙醇胺、植物脂肪酸，加入装有搅拌、温度计、氮气导管的四口烧瓶中，在重量浓度30-50％的亚磷酸催化下，于真空条件下150℃反应1～2h；

2)用pH调节剂调节溶液pH值7-9；

3)缓慢将醚化试剂(烷基聚氧烷基醚硫酸酯)加入到反应容器中，继续搅拌1-2h，在碱催化下，温度控制在200℃，搅拌转速控制在1000-2000rpm，进行醚化脱水缩合反应6h；

4)将上述反应产物降温至60℃，缓慢加入季铵化剂(硫酸二甲酯)反应1～3h反应得到改变润湿防止泥包钻头泥包处理剂(WAB)。

实施例2

一种改变润湿防止泥包钻头处理剂(WAB)，按重量份计由20份的三乙醇胺、25份的植物脂肪酸、2份浓度30-50％的亚磷酸溶液、20份的醚化试剂(烷基聚氧烷基醚硫酸酯)、20份的季铵化剂(硫酸二甲酯，(CH₃)₂SO₄)、pH值调节剂NaOH。

一种合成该改变润湿防止钻头泥包剂(WAB)的制造工艺：

1)将三乙醇胺、植物脂肪酸，加入装有搅拌、温度计、氮气导管的四口烧瓶中，在重量浓度30-50％的亚磷酸催化下，于真空条件下130℃反应2～3h；

2)用pH调节剂调节溶液pH值7-9；

4)将上述反应产物降温至60℃，缓慢加入季铵化剂(硫酸二甲酯)反应2～3h反应得到改变润湿防止钻头泥包剂(WAB)。

实施例3

一种改变润湿防止泥包钻头处理剂(WAB)，按重量份计，由18份的三乙醇胺、20份的植物脂肪酸、1.5份浓度30-50％的亚磷酸溶液、15份的醚化试剂(烷基聚氧烷基醚硫酸酯)、17份的季铵化剂(硫酸二甲酯，(CH₃)₂SO₄)、pH值调节剂NaOH。

一种合成该改变润湿防止钻头泥包剂(WAB)的制造工艺：

2)用pH调节剂调节溶液pH值7-9；

4)将上述反应产物降温至60℃，缓慢加入季铵化剂(硫酸二甲酯)反应2～3h反应得到改变润湿防止泥包钻头处理剂(WAB)。

(一)WAB对岩石润湿性的影响

1、接触角测定：应用泥页岩岩心(新疆)，蒸馏水，OCA20型视频接触角测定仪(德国)，电子天平(精度：0.0001g)，电热鼓风恒温干燥箱，渗透率测定仪，烧杯，量筒等。

实验方法：选取最容易形成钻头泥包的泥页岩岩心，将页岩岩芯平均分割，用不同浓度(浓度分别为0、0.2％、0.4％、0.6％、0.8％、1.0％)的快速钻进剂处理后，用OCA20型视频接触角测定仪测水滴在岩石的润湿接触角。

钻井液--4％土浆+0.1％80A51+0.5％胺盐+1％SPNH+1％FT-1+0.5XY-27结果表明：随着处理岩心的WAB浓度的增大，无论是水溶液、4％钠土浆、现场模拟钻井液，强水湿类型岩心的接触角增大，实现了岩石的润湿性由强亲水向亲油的方向转变。

2、表面张力测定：应用分析天平，容量瓶，去离子水，4％土浆，钻井液，JK99B型全自动表面张力仪等。

实验步骤：依次配制其它浓度的快速钻进剂溶液；将铂金板从碱液中取出，清洗，仪器调零，分别测试，结果见下图。

钻井液--4％土浆+0.1％80A51+0.5％胺盐+1％SPNH+1％FT-1+0.5XY-27图2WAB对钻井液体系表面张力影响曲线。结果表明，随着WAB浓度的增大，上述三种体系的表面张力均降低。

(二)改变润湿防止钻头泥包剂除泥包效果

利用一组钢管在受试的钻井液体系中热滚后观察钢管的泥包状态。可以看到钢管在基浆热滚16小时之后泥包非常严重，同样的实验条件下，逐渐提高改变润湿防止钻头泥包剂含量，泥包现象逐渐减弱，很明显当改变润湿防止泥包钻头处理剂含量从0.2％提高到0.5％的时候，继续改善的效果就不明显了。

钻井液：4％土浆+0.1％80A51+0.5％胺盐+1％SPNH+1％FT-1+0.5XY-27

(三)改变润湿防止钻头泥包剂在金属表面吸附层厚度表征

利用X射线光电子能谱溅射的方法分析了吸附层厚度。实验的溅射条件为：扫描型Ar⁺枪，面积为1×1mm²，溅射速率约为14nm/min，能量为2KV，发射电流为20mA。图4金属表面薄膜全谱溅射深度分析(0.5％WAB剂水溶液)

当溅射10nm深度的时候，可以看到，谱图并没有发生明显的变化；当继续溅射100nm深度的时候，WAB剂的特征谱带明显减弱或者消失；当溅射到200nm的时候出现了Fe2p峰值，250nm的时候该峰值增强。由此可以确定WAB在金属表面吸附层的厚度约为200nm。

综上，通过对改变润湿防止钻头泥包剂性能的表征，可以得出如下结论：

改变润湿防止钻头泥包剂通过在岩石、钻屑表面以单分子层吸附以及向岩石孔隙内部渗透，改变岩石表面及孔隙内部的润湿性，实现岩石的润湿性由强亲水向亲油的方向转变；并且在钻头、钻具上能够以有机磷定向吸附的形式形成很强的定向的多分子层的物理和化学吸附，能在金属表面形成润滑油膜，从而有利于减弱或消除钻屑颗粒在钻头、钻具表面的吸附。

1、改变润湿防止钻头泥包剂能够在岩石、钻屑表面以单分子层吸附以及向岩石孔隙内部渗透，改变岩石表面及孔隙内部的润湿性，实现岩石的润湿性由强亲水向亲油的方向转变；

2、改变润湿防止钻头泥包剂能够在钻头、钻具上能够以有机磷定向吸附的形式形成很强的定向的多分子层的物理和化学吸附，能在金属表面形成润滑油膜，从而有利于减弱或消除钻屑颗粒在钻头、钻具表面的吸附。

Claims

1.一种防止泥包钻头处理剂，其特征在于：按重量份计，由10-15份的三乙醇胺、20-30份的植物脂肪酸、1-2份重量浓度为30-50％的亚磷酸水溶液、30-40份的烷基聚氧烷基醚硫酸酯和5-10份的硫酸二甲酯组成。

2.一种权利要求1所述的防止泥包钻头处理剂制备方法，其特征在于：

1)将三乙醇胺、植物脂肪酸，加入装有搅拌、温度计、氮气导管的四口烧瓶中，加入重量浓度30-50％的亚磷酸催化，在真空条件下，控制温度150℃，反应1～2h；

2)用重量浓度30-50％的氢氧化钠水溶液调节溶液pH值7-9；

3)缓慢将烷基聚氧烷基醚硫酸酯加入到反应容器中，继续搅拌1-2h，在碱催化下，温度控制在200℃，搅拌转速控制在1000-2000rpm，进行醚化脱水缩合反应6h；

4)将上述反应产物降温至60℃，缓慢加入硫酸二甲酯反应1～3h反应得到防止泥包钻头处理剂。