CN102796498B

CN102796498B - 泡沫钻井液

Info

Publication number: CN102796498B
Application number: CN201210310014.4A
Authority: CN
Inventors: 舒小波; 赵晓东; 孟英峰; 万里平; 李皋; 钟水清
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: CN102796498A

Abstract

本发明涉及石油钻井领域，具体涉及气体钻井遇地层出水以后维持井壁稳定、防止钻头泥包、保持继续钻进的泡沫钻井液。本发明提供一种泡沫钻井液，包括如下组分，各组分按质量百分比计：发泡剂为0.5%~2.0%、稳泡剂为0.2%~0.5%、泥页岩抑制剂为2%~10%、泥页岩稳定剂为0.2%~1.0%，余量为水；且泡沫钻井液的pH值为8~10。本发明的泡沫钻井液具有优良的泡沫性能、较强的泥页岩抑制能力以及长久的泥页岩抑制性能，能够解决气体钻井遇地层出水以后的携岩携水问题、井壁失稳问题以及粘附卡钻等井下复杂问题，从而实现安全、快速钻井。

Description

泡沫钻井液

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，具体涉及气体钻井遇地层出水以后维持井壁稳定、防止钻头泥包、保持继续钻进的泡沫钻井液。

背景技术

气体钻井技术是指钻井过程中以气体作为循环介质来实现钻进的技术，其在提高机械钻速、有效发现和保护储层、解决井下复杂事故等方面具有独特的优势，因而在国内外得到迅速发展和推广。然而，气体钻井对井下工程地质条件、现场设备和施工工艺要求很高，一旦条件不满足就无法顺利实施气体钻井。其中，地层出水问题是影响气体钻井安全钻进的重大因素之一。

气体钻井遇地层出水以后，泥页岩地层中的水敏性黏土矿物水化膨胀，一方面导致岩屑粘结成团，形成滤饼环，造成井眼净化不良、环空堵塞或卡钻等井下复杂；另一方面泥页岩黏土矿物水化膨胀，产生附加水化应力，泥页岩力学强度降低，井壁稳定性下降。最终导致气体钻井无法继续钻进，影响了气体钻井的应用效果。

泡沫钻井作为欠平衡钻井中的一种，在提高机械钻速、解决地层出水问题、有效控制地层漏失、减少压差卡钻等井下复杂问题上具有突出优点。因此，当气体钻井遇地层出水以后，可转换为泡沫钻井，实现良好的携岩携水要求，同时保证较高的机械钻速。然而，在泡沫钻井过程中，随着钻井时间的增加，在泥页岩层段同样存在水敏性黏土矿物水化膨胀的问题，最终导致井壁失稳，无法继续钻进。

目前，控制水敏性黏土矿物水化膨胀的方法主要是在钻井液中添加化学处理剂，通过处理剂与水分子在黏土活性部位进行竞争，吸附在黏土表面上，达到降低黏土水化膨胀的能力。目前，常用的处理剂包括以下两种类型：一种是无机盐类如氯化钾、硅酸盐、甲酸盐等；另一种是有机类物质如水解聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、甲基葡萄糖甙、有机硅腐植酸钾等。但对其应用时，应考虑处理剂间相互匹配的问题；另外，不同处理剂对泥页岩的抑制能力也不尽相同，而现有技术中大部分处理剂不具备长久抑制性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种泡沫钻井液，该泡沫钻井液具有优良的泡沫性能、较强的泥页岩抑制能力以及长久的泥页岩抑制性能。

本发明的技术方案为：

本发明提供一种泡沫钻井液，包括如下组分，各组分按质量百分比计：发泡剂0.5%~2.0%、稳泡剂0.2%~0.5%、泥页岩抑制剂2%~10%、泥页岩稳定剂0.2%~1.0%，余量为水；泡沫钻井液的pH值为8~10。

所述发泡剂为十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）、十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）、十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、α-烯烃磺酸钠（AOS)、十二烷基苯磺酸钠（ABS）或椰子酰胺丙基甜菜碱中的至少一种。

优选的，所述发泡剂为十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）、十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）或十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）中的至少一种。

所述稳泡剂为黄原胶（XC）、羧甲基纤维素钠（CMC）、无机硅酸钾或无机硅酸钾钠中的至少一种。

所述泥页岩抑制剂为氯化胆碱、聚氧乙烯二胺、六亚甲基二胺、环己二胺、聚醚胺或4,4-二氨基二环己基甲烷中的至少一种。

所述泥页岩稳定剂为：

甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵与醋酸乙烯酯共聚后水解的产物；或

二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺与醋酸乙烯酯共聚后水解的产物；或

甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵与聚乙烯醇的接枝共聚物；或

二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺与聚乙烯醇的接枝共聚物。

本发明的有益效果：

1、该泡沫钻井液具有良好的泡沫性能，其抗温、抗污染能力强；

2、气体钻井遇地层出水以后采用该泡沫钻井液进行处理，有助于提高钻井过程中的携岩携水能力，维持较高的机械钻速；

3、该泡沫钻井液具有较强的泥页岩抑制能力，能显著降低泥页岩水化的能力，维持钻进过程中泥页岩地层的稳定，减少井下复杂情况的发生；

4、该泡沫钻井液能提供长效的抑制性能，不因钻井液被地层水稀释或气液转换时抑制剂浓度降低或发生改变而加剧泥页岩水化；

本发明的泡沫钻井液具有优良的泡沫性能和较强的泥页岩抑制能力，能够解决气体钻井遇地层出水以后的携岩携水问题、井壁失稳问题以及粘附卡钻等井下复杂问题，从而实现安全、快速钻井。

附图说明

图1是须家河组泥页岩岩样分别放入本发明实施例1泡沫钻井液、实施例2泡沫钻井液、白油、水+5wt%聚乙烯醇+10wt%硅酸钾溶液(附图中以氯化钾+聚乙烯醇表示)、水+0.5wt%KPAM聚合物(附图中以聚合物表示)溶液中在65℃温度下热滚16小时后测得的硬度测试结果。

具体实施方式

本发明提供一种泡沫钻井液，包括如下组分，各组分按质量百分比计：发泡剂0.5%~2.0%、稳泡剂0.2%~0.5%、泥页岩抑制剂2%~10%、泥页岩稳定剂0.2%~1.0%，余量为水；且泡沫钻井液的pH值为8~10。

所述发泡剂为十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）、十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）、十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、α-烯烃磺酸钠（AOS)、十二烷基苯磺酸钠（ABS）或椰子酰胺丙基甜菜碱中的至少一种。优选十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）、十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）或十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）中的至少一种。

钻井液中的发泡剂能促使基液产生泡沫。本发明所用的发泡剂的使用量范围为0.5%~2.0%，当少于0.5%以后，泡沫性能变差，不能满足钻井要求；当大于2.0%以后，泡沫性能虽与0.5%~2.0%间的性能相差不大，但是增加了发泡剂加量，相当于增加了成本；发泡剂的一般加量在1%左右。

所述稳泡剂为黄原胶（XC）、羧甲基纤维素钠（CMC）或无机硅酸钾（钠）中的至少一种。钻井液中的稳泡剂能起到稳定泡沫的作用，其添加量优选为0.2%~0.5%，如果加量太大，不利于井口消泡，同时不必要的增加，不利于成本节约；此外，加量太大基液变得粘稠，流动性差。除上述稳泡剂外，还可以有其它稳泡剂，如两性离子聚合物处理剂FA367、羟乙基纤维素HEC、部分水解聚丙烯酰胺HPAM等。

所述泥页岩抑制剂为氯化胆碱、聚氧乙烯二胺、六亚甲基二胺、环己二胺、聚醚胺或4,4-二氨基二环己基甲烷中的至少一种。钻井液中的泥页岩抑制剂能吸附于黏土表面或进入晶层间阻止水分子的进入并水化黏土；抑制剂加量对泥页岩抑制性的影响是随抑制剂加量的增加抑制性能先增然后趋于稳定的过程，过多的添加只会增加成本，优选为2%~10%，可根据实际岩样来调节。抑制剂除了上述几种，还可以选用其它，如聚合醇、氯化钾等。

本发明的泥页岩稳定剂为自制产品，具体为：

甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵与聚乙烯醇的接枝共聚物；或

二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺与聚乙烯醇的接枝共聚物；

其中，甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵/二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺与醋酸乙烯酯共聚后水解的产物粘均分子量2×10⁴~5×10⁵；甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵/二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺与聚乙烯醇的接枝共聚物粘均分子量2×10⁴~5×10⁵。钻井液中的泥页岩稳定剂能吸附于黏土表面或部分分子链能嵌入晶层间阻止水分子进入并水化黏土。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步说明本发明。

实施例1泡沫钻井液

泡沫钻井液的原料及质量配比为：

发泡剂(CTAB)1%，

稳泡剂(XC)0.2%，

泥页岩抑制剂(氯化胆碱：聚氧乙烯二胺：聚醚胺：4,4-二氨基二环己基甲烷=1：1：1.5：1.5的复配物)5%，

泥页岩稳定剂(二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺与醋酸乙烯酯共聚后水解的产物)0.4%，

余量为水，盐酸或氢氧化钠溶液调节溶液pH为8~10。

制备方法：在常温常压下，先将稳泡剂溶于水中进行预水化处理10小时以上（预水化处理就是把聚合物溶于水，让其分子链更加舒展，因这需要一定的时间，所以让其在水中呆10个小时左右），然后按上述配比称取原料，搅拌下将稳泡剂、发泡剂、泥页岩抑制剂及泥页岩稳定剂加入水中，混合搅拌均匀，调节pH为8~10，即得本发明的泡沫钻井液。

实施例2泡沫钻井液

泡沫钻井液的原料及质量配比为：

发泡剂(AES：BS-12=1：4的复配物)1%，

稳泡剂(XC：CMC=2：1的复配物)0.3%，

泥页岩抑制剂(氯化胆碱：聚醚胺：4,4-二氨基二环己基甲烷=2：2：1的复配物)5%，

泥页岩稳定剂(甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵与聚乙烯醇的接枝共聚物)0.5%，

余量为水，盐酸或氢氧化钠溶液调节溶液pH为8~10。

制备方法：在常温常压下，先将稳泡剂溶于水中进行预水化处理10小时以上，然后按上述配比称取原料，搅拌下将稳泡剂、发泡剂、泥页岩抑制剂及泥页岩稳定剂加入水中，混合搅拌均匀，调节pH为8~10，即得本发明的泡沫钻井液。

本发明对所得钻井液进行了室内实验：

1、泡沫钻井液的泡沫性能

采用Waring-Blender法测定泡沫钻井液的发泡能力和稳定性能。取上述实施例1和实施例2试样各100mL，分别置于Waring-blender搅拌器中，选取大于5000r/min搅速搅拌60s后，立即移入带刻度的量筒中，记录此时的泡沫体积V，表示该泡沫钻井液的发泡能力，同时记录泡沫中析出50ml液体所需时间，为泡沫的半衰期t_1/2，反应泡沫的稳定性；具体结果如表1所示。

2、泡沫钻井液抗污染性能

取上述实施例1和实施例2试样各100mL，分别添加不同污染物（10g质量浓度为10%NaCl、10mL煤油、10g质量浓度为10%泥页岩岩屑），混合均匀后，采用上述Waring-Blender法测定钻井液的发泡体积与泡沫半衰期，以此评价泡沫钻井液的抗污染性能；具体结果如表1所示。

3、泡沫钻井液的抗高温性能

采用滚子加热炉，将上述实施例1和实施例2试样分别在130℃热滚16h以后，各取100mL泡沫钻井液基液，采用Waring-Blender法测定钻井液的发泡体积与泡沫半衰期，以此评价泡沫钻井液的抗高温性能；具体实验结果如表1所示：

表1泡沫钻井液性能评价表

从表1实验结果可以看出，本发明所得的泡沫钻井液，具有良好的泡沫性能以及较强的抗温、抗盐，抗油，抗岩屑污染能力。

4、泡沫钻井液的泥页岩抑制性能及其与常规处理剂抑制性能比较

A滚动回收实验：

室内将50g蓬莱镇组泥页岩岩样分别与清水、实施例1号泡沫钻井液、实施例2号泡沫钻井液、白油、水+5wt%聚合醇+10wt%氯化钾溶液、水+0.5wt%KPAM聚合物溶液混合，在65℃条件下经16h滚动分散，过40目筛，烘干，称重，得岩屑的一次回收率。随后，将经上述处理液处理后的干样，分别称取50g放入清水中，按上述实验条件再次进行滚动回收实验后，测定过40目筛后剩余岩样的干重，获得二次回收率；结果如表2所示。

表2滚动回收率实验结果

从表2实验结果可以看出，清水滚动回收率仅为5.12%，而实施例1号和2号泡沫钻井液的一次回收率可达95%以上，具有与油基钻井液相同的效果，且回收岩样的棱角分明，基本无破碎或细化，展现出较强的抑制性能。同时，从二次回收率结果可以看出，经本发明泡沫钻井液处理后的岩样在清水中的滚动回收率仍然高达90%以上，展现出长久的抑制性能(即稳定性较强)，而其他钻井液如白油和KPAM聚合物溶液均无此种抑制性能。因聚合醇/KCl溶液的一次回收率太低，未进行二次回收率测定实验。

B、硬度测试

硬度测试用于评价泥页岩暴露于测试溶液中一段时间后其硬度的大小。

将等重量的须家河组泥页岩岩样分别放入实施例1号泡沫钻井液、实施例2号泡沫钻井液、白油、5wt%聚乙烯醇+10wt%硅酸钾溶液、0.5wt%KPAM聚合物溶液中在65℃温度下热滚16小时后，将液体和岩样全部倾倒在40目分样筛上，在盛盐水的槽中湿式筛选1min，然后将筛余岩样放入硬度测试仪容器中（填满至刻度线），旋转扳手挤压测试岩样，观察岩样被挤压时仪器转数与压力表读数的变化；具体实验结果如图1所示。

从图1可以看出，本发明所得钻井液的硬度与白油的测试结果最为接近，而强于硅酸钾/聚乙烯醇钻井液，且远大于单一KPAM聚合物钻井液。相同旋转圈数下，测试压力越大，则泥页岩硬度越强，其所对应的处理液抑制性能就越好，可见，本发明所得泡沫钻井液具有较强的泥页岩抑制能力。

C、单轴抗压强度测试

岩石单轴抗压强度是指岩石抵抗单轴压力时保持自身不被破坏的极限应力，能反映岩石的基本力学性质。

室内对某一泥页岩岩样取7组，依次编号标记为1＃，2＃，3＃，4＃，5＃，6＃，7＃。1＃岩样直接放入盛有清水的高温罐里，在65℃条件下热滚16小时后进行单轴抗压强度实验；2＃和3＃岩样分别放入盛有实施例1制得的泡沫钻井液的高温罐里，在65℃条件下热滚16小时后，对2＃岩样直接进行单轴抗压强度实验，将3＃岩样再次放入清水中浸泡16小时后直接进行单轴抗压强度实验；4＃和5＃岩样分别放入盛有实施例2制得的泡沫钻井液的高温罐里，在65℃条件下热滚16小时后，对4＃岩样直接进行单轴抗压强度实验，将5＃岩样再次放入清水中浸泡16小时后直接进行单轴抗压强度实验；6＃岩样不经任何处理直接进行单轴抗压强度实验；7＃岩样放入清水中浸泡16小时后直接进行单轴抗压强度实验。7组样品的单轴抗压强度实验结果见表3。

表3单轴抗压强度实验结果

由表3看出，1＃岩样经清水热滚以后全部分散，其回收率低于5%，无法测定抗压强度；直接经实施例1和2制得的泡沫钻井液处理后的岩样2＃和4＃，以及经上述两种钻井液处理后再次放入清水中浸泡后的岩样3＃和5＃，其抗压强度均大于将岩样直接放入清水中浸泡后的7＃岩样的单轴抗压强度。这说明，本发明所得泡沫钻井液具有较强的抑制能力以及长久的抑制性能，对于缓减泥页岩强度的降低，维持泥页岩的稳定具有积极的意义。

Claims

1.泡沫钻井液，其特征在于，包括如下组分，各组分按质量百分比计：发泡剂0.5%～2.0%、稳泡剂0.2%～0.5%、泥页岩抑制剂2%～10%、泥页岩稳定剂0.2%～1.0%，余量为水；且泡沫钻井液的pH值为8～10；其中，所述的泥页岩抑制剂为氯化胆碱、聚氧乙烯二胺、六亚甲基二胺、环己二胺、聚醚胺或4,4-二氨基二环己基甲烷中的至少一种；所述泥页岩稳定剂为甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵与醋酸乙烯酯共聚后水解的产物、或二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺与醋酸乙烯酯共聚后水解的产物、或甲基丙烯酰丙基三甲基氯化铵与聚乙烯醇的接枝共聚物、或二甲基氨基丙基甲基丙烯酰胺与聚乙烯醇的接枝共聚物。

2.根据权利要求1所述的泡沫钻井液，其特征在于，所述发泡剂为十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基二甲基甜菜碱、十二烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、α-烯烃磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠或椰子酰胺丙基甜菜碱中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的泡沫钻井液，其特征在于，所述发泡剂为十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠、十二烷基二甲基甜菜碱或十六烷基三甲基溴化铵中的至少一种。

4.根据权利要求1-3任一项所述的泡沫钻井液，其特征在于，所述稳泡剂为黄原胶、羧甲基纤维素钠、无机硅酸钾或无机硅酸钠中的至少一种。