CN103013468B - 一种抗盐超高密度钻井液、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗盐超高密度钻井液、制备方法及应用。钻井液包括：重晶石450～750重量份；膨润土0.25～4重量份，分散剂2.5～20重量份，降滤失剂4～20重量份，氯化钠5～25重量份；流型调节剂1.25～7.5重量份，pH值调节剂1.5～5重量份，润滑剂2～8重量份，表面活性剂0.25～5重量份。方法包括：在水中加入膨润土、老化后按所述用量加入除重晶石外的其他组分，搅拌至溶解均匀，最后加入重晶石，搅拌后制得。本发明的钻井液密度可以达到2.7～3.0g/cm3，具有沉降稳定性和流变性好、失水量低、易于调节和控制等良好特性，可用于超高压地层的钻井施工。

Description

一种抗盐超高密度钻井液、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及石油钻井领域，进一步地说，是涉及一种抗盐超高密度钻井液、制备方法及应用。
背景技术
近年来，深井钻井技术取得了较大的发展，钻遇的高温、高压、盐岩及多压力系统等复杂地层不断增多，高密度钻井液的应用范围越来越广。
对于超高密度钻井液来说，固相含量高，常用的稀释剂对加重材料作用很小，甚至不起作用，致使钻井液粘度迅速增加、切力上升、内摩擦大、剪切稀释性差，当体系胶体性改变时，往往导致高密度固相颗粒产生聚结沉淀，导致钻井液流变性控制困难。超高密度钻井液中加重材料(以密度4.2g/cm3的重晶石为例)体积分数要占到钻井液总体积的60％左右，由于固相颗粒堆积方式与常规体系差别较大，导致滤饼质量变差，并且滤失量不再随降滤失剂用量的增加呈线性降低，而是呈现比较复杂的变化情况，同时严重影响钻井液流变性，且由于泥饼质量差，摩擦效应明显升高，极易造成卡钻事故。此外，钻遇泥页岩或泥质含量较高的强水敏性地层时，低密度钻屑及粘土进入钻井液以后，会导致钻井液固相含量的进一步增加，但超高密度钻井液由于其技术特点所限，常规离心机一般无法有效使用，即使是旋流清洁器一类的固控设备其有害质固相分离能力也非常低，因此现场只能使用振动筛清除有害固相，这导致钻井液中的低密度固相难以有效清除，加之钻屑和粘土的不断水化分散，低密度固相粒子进一步增加，使钻井液的粘度和切力急剧上升。在深井施工作业中，钻井液在循环过程中若受到高压地层流体(如高矿化度盐水)侵后，沉降稳定性会受到严重破坏，导致加重剂沉淀进而引发井下事故。
针对上述难点，国外钻进高压地层使用高密度钻井液时，为了降低体系的固相含量，往往从液相加重和固相加重两方面考虑，使用诸如NaBr、CaBr2等无机盐作为液相加重材料，可以实现钻井液密度达到2.30g/cm3以上，但成本较高。也有一些研究通过加入有机盐提高钻井液液相密度，如使用甲酸钠、甲酸钾可以将液相加重到1.60g/cm3，使用甲酸铯则可将液相加重到2.30g/cm3。采用提高液相密度的技术方案虽然可以降低加重材料的用量，但这些材料大量溶于水形成溶液以后，会改变自然水的物理化学特性，一旦形成钻井液后，体系中的自由水量仍然很少，且液相中含有大量的盐，对配套处理剂提出了更高的要求。当缺乏有效的自由水时，钻井液稳定性和流变性仍然不好控制，也就是说要想通过使用无机盐和有机盐加重，减少非水溶性加重剂的用量而得到更高密度的钻井液，以解决超高密度钻井液的流变性仍需进行大量的研究工作。
从有关的文献报道看，国外高密度钻井液体系的密度通常在2.3g/cm3以下，大于该密度的应用实例很少，文献AADE-04-DF-HO-12(The Application of HighTemperature Polymer Drilling Fluid on Smackover Operations in Mississippi)中用赤铁矿和重晶石复合加重配制密度1.98～2.64g/cm3压井液。
与国外相比，国内对高(或超高)密度钻井液技术的研究与应用相对较多，为保证钻井液良好的流变性，常选择使用高密度、高质量的加重材料，如“高密度钻井液技术研究与应用”(钻井液与完井液2009.7)一文中曾采用铁矿粉和重晶石复合加重方式配制出了密度2.9g/cm3的超高密度钻井液，实际现场应用的最高密度是2.55g/cm3，铁矿粉的大量应用不仅使钻井液成本增加，而且由于铁矿粉具有磁性，会增大摩阻扭矩；
专利200710049033.5中使用改性重晶石配制了2.5g/cm3的超高密度钻井液，在河坝1井6130m井段使用；“赤水地区深井超高密度钻井液技术问题的研究及应用”(钻采工艺2006.3)报道了密度为3.0g/cm3的钻井液，为了降低体系的总固相含量使用密度大于4.3g/cm3的重晶石，这种高密度、高品质的重晶石矿源少，不利于推广应用。对加重材料进行表面处理也会影响其大面积应用。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种抗盐超高密度钻井液、制备方法及应用。采用未经处理的重晶石粉配制超高密度钻井液，沉降稳定性和流变性良好，滤失量低，抗盐能力强，可用于超高压地层的钻井施工。
本发明的目的之一是提供一种抗盐超高密度钻井液。
所述钻井液以水为100重量份计包括以下组分：
其中重晶石作为加重剂，为符合行业标准(Q/SH 0041-2007)的一级重晶石粉，密度4.2～4.3g/cm3，不作任何表面处理或其他改性；
所述分散剂为超高密度钻井液用低分子量磺酸盐聚合物，是一种表面活性物质，并具有一定的降滤失能力，其分子结构上存在各种活性基团，能有效吸附在固体质点的表面上，改善重晶石颗粒的表面性质，显著降低由于大量重晶石加入而引起的钻井液粘度、屈服值以及胶凝强度的增加，使钻井液保持适度分散以使其具有合适的流变性能。
所述分散剂是由包括以下组分的原料反应而得：
木质素    10～40 重量份，优选15～30重量份；
酚类      1.5～20重量份，优选4～15重量份；
磺化剂    2.5～15重量份，优选5～10重量份；
调聚剂    0.5～5重量份，优选1～4重量份；
催化剂    0.5～4重量份，优选0.8～2重量份；
水        100  重量份
所述的木质素为木本木质素和/或草本木质素；
所述的酚类是苯酚、对甲酚、间甲酚中的一种或两种；
所述的磺化剂是亚硫酸钠、亚硫酸氢钠或硫酸中的一种，其中所述硫酸为浓硫酸或发烟硫酸，优选发烟硫酸；
所述的调聚剂为醛类化合物；优选甲醛或乙醛；
所述的催化剂为胺基磺酸，苯磺酸，阳离子交换树脂中的一种或组合。
所述降滤失剂为抗盐降滤失剂或褐煤树脂类处理剂，其作用是减少钻井液的滤失量，优选抗盐降滤失剂，所述抗盐降滤失剂是含有大量磺酸基的低分子量聚合物，在含盐较高的情况下具有良好的降滤失能力，但又不会显著提高超高密度钻井液体系的粘度效应，是由包括以下组分的原料聚合反应而制得的：
所述褐煤为改性褐煤，优选磺化褐煤、褐煤树脂、腐植酸钠、腐植酸钾或硝基腐植酸钠；
所述醛优选为甲醛、乙醛或乙二醛；
所述磺酸盐聚合物为分子链中含有磺酸基的链节不少于30％的共聚物。优选分子量小于30万的含有大量磺酸基的聚合物。更优选申请文件(申请号：201010502681.3)中所述的磺酸盐聚合物。
适量的钠膨润土和重晶石共同组成了基本的胶体稳定体系，可以提高钻井液的悬浮稳定性；
流型调节剂为以天然聚合物经过化学结构改性而得到的低粘聚合物，其分子结构中含有磺酸基和大量酚羟基，可以吸附在固体颗粒的表面，拆散和消弱颗粒间的网架结构，辅助配合分散剂对超高密度钻井液体系的流变性能进行调节，以便能够使分散剂更好的发挥其分散效应，如改性的低粘聚阴离子纤维素(LV-PAC)、磺甲基单宁、磺化栲胶等。
在超高密度钻井液中，要求润滑剂不仅有好的润滑效果等，还必须不能破坏体系的整体性能，如不能对粘度的变化有任何的影响等，润滑剂的作用是提高泥饼表面的光滑程度，同时兼有抑制体系内摩擦效应的作用，防止体系粘切升高和减少或消除卡钻事故，如矿物油、酯类等润滑剂，可优选白油；
表面活性剂以失水山梨醇脂肪酸酯类的非离子型为主，优选失水山梨醇单油酸酯(Span-80)，其作用是使油基润滑剂在超高固相含量的水基体系中能够形成适度的乳化效应，以便使油基润滑剂能够充分分散均匀，提高其润滑减阻能力，同时兼具改善重晶石的表面性质，使其易于在体系中均匀分布；
pH值调节剂是保持钻井液pH值在9～11，本领域内通常的PH值调节剂都适用，可优选氢氧化钠或氢氧化钾；
氯化钠可进一步提高体系的抑制防塌能力，提高该超高密度体系的抗盐性能。
本发明的目的之二是提供一种抗盐超高密度钻井液的制备方法。
所述方法包括：
在水中加入膨润土、老化后按所述用量加入除重晶石外的其他组分，搅拌至溶解均匀，最后加入重晶石，搅拌后制得所述抗盐超高密度钻井液。
具体可采用以下步骤操作：
按所述用量在水中加入膨润土，老化，老化以能充分水化为宜，一般超过24小时即可，然后加入分散剂、降滤失剂、流型调节剂、润滑剂、表面活性剂、氯化钠、pH值调节剂等除重晶石外的其他组分，搅拌至溶解均匀，最后加入重晶石粉，高速搅拌制得所述抗盐超高密度钻井液。搅拌时间以各组分能充分溶解、重晶石粉分散均匀为宜，总搅拌时间一般可优选40分钟以上。
本发明的目的之三是提供一种抗盐超高密度钻井液在超高压盐水地层钻井中的应用。
本发明的特征在于使用符合行业标准的重晶石粉作为加重剂，低分子量磺酸盐聚合物分散剂和抗盐降滤失剂为主要组分，配制2.7～3.0g/cm3的超高密度钻井液。该超高密度钻井液具有抗盐性，具有流变性好、悬浮稳定性好、高温高压滤失量低、现场施工易于维护等良好的技术和操作特性，适用于超高压流体层的钻进施工。
在超高密度钻井液中，加重剂的重量百分比占到80％以上，配制超高密度钻井液需要大量的加重剂，以往的超高密度钻井液往往用高纯度重晶石(密度大于4.3g/cm3)或重晶石与更高比重的铁矿粉、锰矿粉等复合使用才能将钻井液比重提到超高；并且以往的超高密度钻井液所用重晶石经表面改性了，这会增加成本，本发明中所采用的加重剂重晶石的密度为4.2～4.3g/cm3，不作任何表面处理或其他改性，就能配制出密度高于2.65g/cm3的超高密度钻井液，并且符合行业标准的一级重晶石粉货源比较丰富，应用时不需要做任何表面处理或改性，价格便宜，有利于超高密度钻井液技术的大面积推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
抗盐超高密度钻井液的评价方法参照中华人民共和国行业标准ZB/T E13004-90(钻井液测试程序)。
实施例中所用原料如下：
分散剂的制备：
木本木质素18份，对甲酚10份，亚硫酸钠8份，甲醛3份，对甲苯磺酸1份，水100份，混合均匀后160～170℃下反应8h，干燥后制得分散剂SMS-19A。
草本木质素20份，苯酚10份，亚硫酸钠8份，甲醛2份，对甲苯磺酸1.2份，水100份，混合均匀后160～170℃下反应8h，干燥后制得分散剂SMS-19B。
木本木质素25份，苯酚8份，亚硫酸钠8份，乙醛4份，胺基磺酸1份，水100份，混合均匀后170～180℃下反应6h，干燥后制得分散剂SMS-19C。
降滤失剂的制备：
磺化褐煤28份，甲醛2份，磺酸盐聚合物11份，水100份，将混合均匀后200℃下反应6h，干燥、粉碎后制得褐煤接枝共聚降滤失剂SML-4A。
磺化褐煤35份，甲醛4份，磺酸盐聚合物8份，水100份，将混合均匀后190℃下反应8h，干燥、粉碎后制得褐煤接枝共聚降滤失剂SML-4B。
磺化褐煤50份，乙醛2份，磺酸盐聚合物11份，水100份，将混合均匀后210℃下反应8h，干燥、粉碎后制得褐煤接枝共聚降滤失剂SML-4C。
实施例1：
密度为2.75g/cm3抗盐超高密度钻井液组分配比为以水为100重量份计如下：
按上述组分配比，配制钠膨润土浆，老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19、抗盐降滤失剂SML-4、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠，搅拌至溶解均匀，搅拌下加入重晶石粉，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能如下：
表1配制的2.75g/cm3超高密度钻井液性能
从上表中实验数据可见，本发明的密度为2.75g/cm3的超高密度钻井液在经过120℃/16h老化后的漏斗粘度FV为94s、表观粘度AV为99mPa·s，老化后的常温常压滤失量FLAPI为2.0mL、高温高压滤失量FLHTHP为11mL，表明其流变性能好、滤失量易控制。
实施例2：
密度为2.88g/cm3抗盐超高密度钻井液组分配比为以水为100重量份计如下：
按上述组分配比，配制钠膨润土浆，老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19、抗盐降滤失剂SML-4、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠，搅拌至溶解均匀，搅拌下加入重晶石粉，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能如下：
表2配制的2.88g/cm3超高密度钻井液性能
注：“-”表示用六速粘度计测不出数值
从上表中实验数据可见，本发明的密度为2.88g/cm3的超高密度钻井液在经过120℃/16h老化后的漏斗粘度FV为201s，能够在六速粘度计上测出300转读数Φ300为283，表明其流变性较好；高温老化后的常温常压滤失量FLAPI为1.6mL、高温高压滤失量FLHTHP为8mL，滤失量较低。能够应用于超深井或高压地层的钻进施工。
实施例3：
密度为3.0g/cm3抗盐超高密度钻井液组分配比为以水为100重量份计如下：
按上述组分配比，配制钠膨润土浆，老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19、降滤失剂SML-4、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠。搅拌至溶解均匀，高搅下加入重晶石，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能如下：
表3配制的3.0g/cm3超高密度钻井液性能
注：“-”表示用六速粘度计测不出数值
从上表中实验数据可见，本发明的密度为3.0g/cm3的超高密度钻井液在经过120℃/16h老化后的漏斗粘度FV为279s，流变性尚好，老化后的常温常压滤失量FLAPI为0.7mL、高温高压滤失量FLHTHP为7mL，滤失量很低，能够应用于超深井或高压地层的压井作业及钻进施工。
实施例4：
密度为2.80g/cm3抗盐超高密度钻井液组分配比为以水为100重量份计如下：
配制两份2.80g/cm3超高密度钻井液。按上述组分配比配制钠膨润土浆，老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19、抗盐降滤失剂SML-4、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、pH值调节剂氢氧化钠，搅拌至溶解均匀，搅拌下加入重晶石粉，高搅20min后，将其中一份装入高温老化罐，在120℃下滚动16小时。另一份中按照组分配比加入氯化钙(1.7份)，高搅3min，装入高温老化罐，在120℃下滚动16小时。老化后的超高密度钻井液冷却到55℃测试钻井液性能，如下表：
表4配制的2.80g/cm3超高密度钻井液性能
从上表中实验数据可见，本发明的密度为2.80g/cm3的超高密度钻井液加入氯化钙后，浆体稍变稠，高温高压滤失量有所增大，但其流变性能仍然能够满足现场施工，表明超高密度钻井液抗钙污染能力较强。
实施例5：
密度为2.70g/cm3抗盐超高密度钻井液组分配比为以水为100重量份计如下：
按上述组分配比，配制钠膨润土浆，老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19、抗盐降滤失剂SML-4、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠，搅拌至溶解均匀，搅拌下加入重晶石粉，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能如下：
表5配制的2.70g/cm3超高密度钻井液性能
从上表中实验数据可见，本发明的密度为2.70g/cm3的超高密度钻井液在经过120℃/16h老化后的表观粘度AV为90mPa·s，老化后的常温常压滤失量FLAPI为2.8mL、高温高压滤失量FLHTHP为13mL，表明其流变性能好、滤失量易控制。
实施例6：
密度为2.70g/cm3抗盐超高密度钻井液组分配比为以水为100重量份计如下：
按上述组分配比，配制钠膨润土浆，老化24小时后，高搅下加入分散剂SMS-19、降滤失剂褐煤树脂SPNH、流型调节剂低粘PAC、润滑剂白油、表面活性剂Span-80、氯化钠、pH值调节剂氢氧化钠，搅拌至溶解均匀，搅拌下加入重晶石粉，高搅20min后测试钻井液老化前性能。按上述方法配制的超高密度钻井液放入高温老化罐，在120℃下滚动16小时，冷却到55℃测试钻井液老化后性能。上述组分配比的超高密度钻井液性能如下：
表6配制的2.70g/cm3超高密度钻井液性能
与表5实验数据相比，用降滤失剂褐煤树脂SPNH配制的密度为2.70g/cm3的超高密度钻井液在经过120℃/16h老化后的表观粘度更小，为88mPa·s，只是高温高压滤失量稍高，基本能满足现场需要。

Claims (10)

1.一种抗盐超高密度钻井液，其特征在于所述钻井液以水为100重量份计包括以下组分：
其中，
所述重晶石的密度为4.2～4.3g/cm3；
所述表面活性剂为失水山梨醇脂肪酸酯类表面活性剂；
所述流型调节剂是以天然聚合物经过化学改性而得到的低粘聚合物，其分子结构中含有磺酸基和酚羟基；
所述润滑剂为矿物油或酯类润滑剂；
所述分散剂由包括以下组分的原料反应而得：
所述的木质素为木本木质素和/或草本木质素；
所述的酚类是苯酚、对甲酚、间甲酚中的一种或两种；
所述的磺化剂是亚硫酸钠、亚硫酸氢钠或硫酸中的一种；
所述的调聚剂为醛类化合物；
所述的催化剂为胺基磺酸，苯磺酸，阳离子交换树脂中的一种或组合；
所述降滤失剂为褐煤树脂类处理剂或由包括以下组分的原料聚合反应而制得的
所述褐煤为改性褐煤。
2.如权利要求1所述的抗盐超高密度钻井液，其特征在于：
所述调聚剂为甲醛或乙醛；所述硫酸为发烟硫酸。
3.如权利要求1所述的抗盐超高密度钻井液，其特征在于：
所述分散剂以水为100重量份计，包括
4.如权利要求1所述的抗盐超高密度钻井液，其特征在于：
所述降滤失剂以水为100重量份，包括
褐煤           20～60重量份
醛             1～10重量份
磺酸盐聚合物   5～20重量份。
5.如权利要求1所述的抗盐超高密度钻井液，其特征在于：
所述褐煤为磺化褐煤、褐煤树脂、腐植酸钠、腐植酸钾或硝基腐植酸钠；
所述醛为甲醛、乙醛或乙二醛；
所述磺酸盐聚合物为分子链中含有磺酸基的链节不少于30％的低分子量共聚物。
6.如权利要求5所述的抗盐超高密度钻井液，其特征在于：
所述磺酸盐聚合物的分子量小于30万。
7.如权利要求1所述的抗盐超高密度钻井液，其特征在于以水为100重量份计，各组分用量如下：
8.如权利要求1所述的抗盐超高密度钻井液，其特征在于：
所述润滑剂为白油；
所述表面活性剂为失水山梨醇单油酸酯；
所述pH调节剂为氢氧化钠或氢氧化钾。
9.如权利要求1～8之一所述的抗盐超高密度钻井液的制备方法，包括：
在水中加入膨润土搅拌，老化后按所述用量再加入除重晶石外的其他组分，搅拌至溶解均匀，最后加入重晶石，搅拌后制得所述抗盐超高密度钻井液。
10.如权利要求1～8之一所述的一种抗盐超高密度钻井液在超高压盐水地层钻井中的应用。
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