CN103160259A - 抗255℃超高温的水基钻井液及其施工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗255℃超高温的水基钻井液及其施工工艺。钻井液原料组成为：配浆水100份，pH调节剂0.1～0.3份，钠基膨润土1～4份，海泡石0～4份，超高温中分子聚合物降滤失剂0.2～1.2份，超高温聚合物解絮凝剂0.05～0.6份，磺甲基化酚醛树脂2～6份，磺甲基化褐煤树脂2～6份，高温封堵防塌剂1～4份，超高温润滑剂1～4份，高温稳定剂0.1～1.2份，防盐、膏溶解剂0～32份，重晶石加至所需密度。本发明还提供该钻井液应用时的施工工艺。本发明的抗超高温水基钻井液应用在深井、超深井钻井中，适用温度245℃～255℃。该钻井液超高温条件下稳定性强，流变性良好、且易于调控。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗超高温的水基钻井液及其施工工艺，属于石油与天然气钻井液技术领域。
背景技术
按照国际通用概念，井深超过4500m的井称为深井，超过6000m的井为超深井，超过9000m的井为特深井。随着石油与天然气勘探开发的纵深发展和钻井行业向国外市场的日益拓展，深井超深井钻井施工数量逐年增加。高温深井水基钻井液面临如下主要技术难题：第一，钻井液高温稳定性（老化）问题尤为突出。在高温作用下，钻井液中主要有机处理剂可逐渐变质、降解和失效，如淀粉类处理剂在温度超过120℃时容易发酵，纤维素类和常用高聚合物类处理剂在温度超过140℃时就会降解失效等。高温下这些处理剂的物理、化学作用，最终引起钻井液性能的变化或失效，可导致钻井工程无法正常进行。第二，高固相含量下的钻井液流变性及滤失性难以控制。高地层压力要求钻井液必须高密度（大于2.3g/cm3），如此高密度钻井液体系中，固相含量相当高（甚至达45%），且固相粒度级配不合理时，使钻井液流变性及滤失性更难控制。第三，往往要钻遇多套压力层系地层，安全密度窗口窄，地层承压能力差，塌、漏、卡等复杂情况共存。目前国内抗高温钻井液抗温低于220℃，而深井、超深井钻探要求钻井液抗温到达220℃以上，密度到达2.3克/立方厘米，在碰到含盐膏层、易水化地层时，盐水要到达饱和。在高温深井钻井工程中，上述技术问题聚集于一体，相互影响，传统水基钻井液技术措施，往往顾此失彼，难以协同解决。因此，高温深井水基钻井液技术仍是目前国内外未能解决好的钻井液重大技术难题。近年来国内外高温深井钻探实践也证明，钻井液抗高温及高密度的难题已成为高温深井钻探的技术瓶颈。
CN102965087A（CN201210440196.7）公开了一种抗高温钻井液，由3-5%基浆和以每100毫升的3-5%基浆中加入抗高温抗盐增粘剂0.2-0.5克、抗高温降滤失剂6-10克、降粘剂0.5-1克、堵漏剂1-3克、润滑剂0.5-2克组成，所述3-5%基浆为每100毫升水中加入3-5克钠基膨润土，在室温条件下经24小时水化形成的基浆。本发明所述的钻井液的抗温性能达到200℃以上，具有良好的抗高温性能；能够抗10％钠基膨润土，润滑系数可达0.08以下，具有良好的仿油基性能，适用于深井钻进。
CN102002350A（CN201010543011.6）公开了一种超高温水基钻井液；按重量份：水100份，钠基膨润土1～6份、钻井液高温保护剂0.5～3份、高温降滤失剂GLJ-I2～6份、高温降滤失剂GLJ-II2～6份、高温封堵剂2～4份、重晶石0～300份；钠基膨润土为天然钠基膨润土或钙基膨润土钠化改性膨润土；钻井液高温保护剂为苯乙烯磺酸钠、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸三元共聚物，分子量为1000～5000；高温降滤失剂GLJ-I为磺化腐殖酸类降滤失剂；高温降滤失剂GLJ-II为磺化树脂型改性降滤失剂；高温封堵剂为磺化改性天然植物沥青；重晶石为硫酸钡，密度大于4.2g/cm3。该发明中植物沥青抗温低于240℃，钻井液体系在现场的使用温度最高为210℃左右。
发明内容
针对目前高温深井钻井中，现用水基钻井液高温稳定性差，流变性、滤失性调控难的技术问题，本发明提供一种抗超高温的高密度水基钻井液及其施工工艺。以解决深井、超深井中高温高密度苛刻条件下的水基钻井液技术瓶颈问题。
术语说明：本发明中所述的抗超高温钻井液是指抗温240℃及以上的钻井液。本发明的钻井液抗温245℃～255℃。
本发明的技术方案如下：
一种抗超高温水基钻井液，抗温高达255℃，该钻井液原料组成重量份如下：
其中，
所述的超高温中分子聚合物降滤失剂为a.N,N-二乙基丙烯酰胺或N,N-二甲基丙烯酰胺、b.2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、c.N-乙烯基吡咯烷酮、d.二甲基二烯丙基氯化铵或二乙基二烯丙基氯化铵的四元聚合物，粘均分子量为500,000-1200,000；
所述的超高温聚合物解絮凝剂为丙烯酸、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、丙烯酸甲酯和二甲基二烯丙基氯化铵的四元聚合物，粘均分子量为2,500-30,000；
所述的高温封堵防塌剂为经氧化和磺化改性的石油沥青；
所述的超高温润滑剂是改性石墨或抗温塑料小球之一或组合，或者是抗高温极压润滑剂或矿物油之一或组合；其中矿物油优选白油。所谓白油，是指经精制的白色矿物油，市场可购。
所述的高温稳定剂为抗高温除氧剂；
所述的重晶石主要成分为硫酸钡，密度≥4.3g/cm3。
根据本发明优选的，所述配浆水为矿化度（以氯化钠计）低于1.0%的天然淡水或经过处理的盐水。
根据本发明优选的，所述pH调节剂为强碱或强碱弱酸盐，选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠之一或组合。优选pH调节剂为碳酸钠与氢氧化钠3～4:2的组合。
根据本发明优选的，所述钠膨润土为天然钠基膨润土或钙基膨润土钠化改性膨润土；所述海泡石为天然海泡石矿粉碎至粒径小于200目的粉末。
本发明的磺甲基化酚醛树脂为传统磺化酚醛树脂甲基化改性产品，具有较强的抗温抗盐降滤失作用。优选的，磺甲基化酚醛树脂为羧甲基磺化酚醛树脂SD-101或SD-102，东营市石大创新科技有限责任公司有售。
本发明的磺甲基化褐煤树脂为传统褐煤碱液的磺甲基化改性产品，通过磺甲基化改性，具有很好的抗温抗盐降滤失作用。优选的磺甲基化褐煤树脂为羧甲基磺化褐煤树脂SD-201或SD-202，山东省东营市石大创新科技有限公司有售。
根据本发明优选的，所述的超高温中分子聚合物降滤失剂为N,N-二乙基丙烯酰胺、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、N-乙烯基吡咯烷酮、二甲基二烯丙基氯化铵的四元聚合物，粘均分子量为750,000-850,000。东营市石大创新科技有限责任公司有售，产品型号SDT-107。
根据本发明优选的，所述的超高温聚合物解絮凝剂为丙烯酸、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、丙烯酸甲酯和二甲基二烯丙基氯化铵的四元聚合物，粘均分子量为5500-6500。东营市石大创新科技有限责任公司有售，产品型号SDT-109。
根据本发明优选，所述超高温封堵防塌剂型号为HQ-10，是石油沥青经过氧化和磺化改性后的产品，具有软化点高、范围分布较宽的特点。北京宏勤石油助剂有限公司有售。
本发明所述超高温润滑剂，固体类的选自改性石墨或抗温性强的塑料小球，液体类的选自抗高温极压润滑剂或矿物油，或者它们的组合。优选超高温润滑剂为钻井液用极压润滑剂SD-505，具有优良的抗高温（250℃）抗污染性能，东营市石大创新科技有限责任公司有售。所述的矿物油优选白油。所谓白油是指经精制的白色矿物油，市场可购。
本发明所述高温稳定剂为抗高温除氧剂，主要起到降低有机物类处理剂高温氧化降解的作用，优选为亚硫酸钠、酒石酸、柠檬酸、低分子聚合醇、抗坏血酸棕榈酸酯中的一种或它们的组合。
根据本发明优选，所述重晶石为高品质高纯重晶石矿粉碎至石油天然气行业标准所要求规格，密度≥4.3g/cm3。
本发明所述防盐、膏溶解剂用于盐岩、膏岩地层钻进中防止盐、膏溶解引起钻井液性能变差和井壁不稳定，通常为氯化钠、氯化钙的混合物；本发明优选防盐、膏溶解剂为氯化钠∶氯化钙=（1～10）∶（1～8）质量比的复合盐。依据地层组成确定用量，也可以不用。
本发明优选的配方如下，一种抗超高温水基钻井液，原料组成重量份如下：
配浆水 100份，
pH调节剂 0.2～0.3份，
钠基膨润土 2～4份，
海泡石 0～2份，进一步优选海泡石1-2份；
超高温中分子聚合物降滤失剂 0.2～0.6份，
超高温聚合物解絮凝剂 0.1～0.3份，
磺甲基化酚醛树脂 2～4份，
磺甲基化褐煤树脂 2～4份，
高温封堵防塌剂 2～3份，
超高温润滑剂 1.5～3份，
高温稳定剂 0.1～0.6份，
防盐、膏溶解剂 0～18份，
重晶石 加重至所需密度。
根据本发明优选的，所述钻井液的密度1.04～2.6g/cm3，pH值8～10，200℃/3.5MPa下的高温高压滤失量≤15mL，膨胀率降低率≥60%，岩心渗透率恢复率≥85%。
本发明的抗超高温水基钻井液抗温245℃～255℃。适于在深井、超深井钻井中应用。
本发明的抗超高温水基钻井液中，所述各组成原料均可商购获得，可选用普通工业产品。其中，超高温中分子聚合物降滤失剂为合成的抗温抗盐聚合物降滤失剂，合成方法参见CN101531887A(200910020694.4)实施例1和实施例2；超高温聚合物解絮凝剂为合成的抗温抗盐四元聚合物降粘剂，制备方法参见CN101531886A（200910020693.X）实例1。
本发明的抗超高温水基钻井液的制备方法，包括以下步骤：
在配浆水中加入pH调节剂，搅拌下加入钠膨润土和海泡石，搅拌20～30分钟，在25℃±2℃下密闭预水化20～24小时得到基浆；在高速（10000-12000rpm）搅拌下向盛有基浆的高搅杯中依次加入超高温中分子聚合物降滤失剂、超高温聚合物解絮凝剂、磺甲基化酚醛树脂、磺甲基化褐煤树脂、高温封堵防塌剂、超高温润滑剂、高温稳定剂、重晶石，继续搅拌20～30分钟，密闭养护20～24小时，即得。
根据本领域的特点，抗超高温水基钻井液一般均在钻井现场现配现用。
本发明抗超高温水基钻井液在深井、超深井钻井中的应用，适用温度245～255℃。施工工艺步骤如下：
钻井进入高温深部地层前，向泥浆罐中注入配浆水，将pH值调节剂、钠膨润土和海泡石加入到配浆水中搅拌至形成钠膨润土、海泡石预水化基浆，再在搅拌条件下顺序加入超高温中分子聚合物降滤失剂、超高温聚合物解絮凝剂、磺甲基化酚醛树脂、磺甲基化褐煤树脂、超高温封堵防塌剂、超高温润滑剂、高温稳定剂和重晶石，养护形成稳定的悬浮体系，然后，压力输送到井下，开始深部高温高压地层钻井作业。本发明的抗超高温水基钻井液在胜科1井和泌深1井得到成功应用，取得良好现场使用效果。
本发明的优良效果：
超高温下钻井液的粘度调控是技术难点，本发明采用中分子量聚合物能够很好地控制“增粘效应”。本发明提供了抗245℃～255℃超高温水基钻井液及其在现场的应用工艺。该钻井液是一种新型的抗高温水基钻井液体系，适合深井超深井高温高压地层钻进。在性能上，本发明提供的抗255℃超高温水基钻井液具有超高温稳定性，高温高压条件下流变性、滤失性可调控，对深部泥页岩地层的封堵防塌性好，对中低渗透性储层的保护效果较好。在使用时，不需要特殊配置设备。
本发明的抗超高温水基钻井液超高温经试验证明在苛刻条件下稳定性强，流变性良好、且易于调控，四开钻井施工期间未出现流变性高温增稠或减稠现象，满足了超高温携岩和悬浮加重剂需要；滤失造壁性好，200℃下高温高压滤失量始终低于15mL，泥饼超高温润滑性好，满足了超深井超长裸眼井段施工需要；封堵防塌能力强，有效避免井壁坍塌，钻屑棱角分明，地质录井信息准确；抗污染能力强，复合盐质量百分比达到17%，钻井液中总固相含量和劣质土含量均很高。有效解决了深井超深井超高温稳定性问题（抗温达255℃），深部地层抑制、封堵防塌问题，超高温润滑防卡，超高温携岩和抗污染等高温深井钻井液技术瓶颈。
具体实施方式
下述具体实施例中所采用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。pH调节剂中氢氧化钠购买于上海邦成化工有限公司，碳酸钠购买于济南永泰化工有限公司；钠基膨润土（钙基膨润土钠化改性膨润土）购买于胜利油田泥浆公司，海泡石(粒径≤200目)购买于湖南宁乡县奥圣海泡石加工厂；超高温中分子聚合物降滤失剂（SDT-107）、超高温聚合物解絮凝剂（SDT-109）、磺甲基化酚醛树脂SD-101、磺甲基化褐煤树脂SD-201和超高温润滑剂（极压润滑剂、白油）购买于东营市石大创新科技有限责任公司；超高温封堵防塌剂HQ-10购买于北京宏勤石油助剂有限公司；高温稳定剂（抗坏血酸棕榈酸酯）购买于上海嘉辰化工有限公司；高纯重晶石（密度≥4.3g/cm3）购于灵寿县华西矿业加工厂；氯化钠、氯化钙购于济南鑫同创化工有限公司。
实施例中的配浆水为矿化度（以氯化钠计）低于1.0%的天然淡水。
实施例1：
1.1配方：400mL配浆水+0.6g碳酸钠+0.4g氢氧化钠+8g钠基膨润土+8g海泡石+1.2g超高温中分子聚合物降滤失剂+12g磺甲基化酚醛树脂+12g磺甲基化褐煤树脂+8g超高温封堵防塌剂+0.8g超高温聚合物解絮凝剂+2g亚硫酸钠+8g极压润滑剂+68g氯化钠氯化钙复合盐（氯化钠∶氯化钙=6∶1）+高纯重晶石加重至密度1.8g/cm3。
1.2配制方法：在400mL配浆水中加入0.6g碳酸钠、0.4g氢氧化钠，在搅拌下加入8g钠膨润土、8g海泡石，12000rpm高速搅拌20分钟，在25℃±2℃下密闭预水化24小时得到基浆；在12000rpm高速搅拌下向盛有基浆的高搅杯中依据配方依次加入超高温中分子聚合物降滤失剂、磺甲基化酚醛树脂、磺甲基化褐煤树脂、超高温封堵防塌剂、超高温聚合物解絮凝剂、亚硫酸钠、极压润滑剂、氯化钠氯化钙复合盐，最后加入高纯重晶石加重至所需密度，继续搅拌20分钟，密闭养护24小时，得到抗255℃超高温水基钻井液。作为实验浆用于下述钻井液性能测定。
1.3钻井液性能测试：
将实验浆装入老化罐中，分别在245℃下热滚72小时和在255℃下热滚16小时，冷却至室温，移入高搅杯中搅拌5分钟。测量其粘度、切力，中压滤失量和高温高压滤失量，结果见表1所示。
表1实施例1中抗超高温水基钻井液配方性能测试
实施例1的钻井液在胜利油田胜科1井中应用，胜科1井是胜利油田的一口超深井，是东部油田目前为止最深的一口井，设计井深7000米，实际完钻井深7026米。该井面临深部超高温钻井液性能的稳定问题、中深部盐膏泥混层井壁稳定与阻卡问题、钻井液固控及抗污染问题、深层钻井液润滑性与阻卡预防措施等多项钻井液技术瓶颈，其中水基钻井液的高温稳定性问题尤为突出，预计井底温度达240℃～260℃（实际完钻井底温度达236℃）。该井四开井段（4050米-7026米）使用了本发明的抗超高温水基钻井液，共钻进2976米，现场部分井深处钻井液性能见表2所示。
表2胜科1井四开井段抗255℃超高温水基钻井液性能
结果显示，实施例1的钻井液在胜科1井现场应用中获得良好效果，表现出以下特点：①超高温苛刻条件下稳定性强，满足了四开井段长达天钻井施工需要；始终满足了②流变性良好、且易于调控，四开期间未出现流变性高温增稠或减稠现象，满足了超高温携岩和悬浮加重剂需要；③滤失造壁性好，200℃下高温高压滤失量始终低于15mL，泥饼超高温润滑性好，满足了超深井超长裸眼井段施工需要；④封堵防塌能力强，四开钻井施工过程中未出现井壁坍塌情况，钻屑棱角分明，地质录井信息准确；⑤抗污染能力强，氯化钠氯化钙复合盐质量百分比达到17%，钻井液中总固相含量和劣质土含量均很高。
实施例2：
2.1配方：400mL配浆水+0.8g碳酸钠+0.4g氢氧化钠+16g钠基膨润土+2.4g超高温中分子聚合物降滤失剂+16g磺甲基化酚醛树脂+16g磺甲基化褐煤树脂+12g超高温封堵防塌剂+0.4g超高温聚合物解絮凝剂+1.6g抗坏血酸棕榈酸酯+8g白油+高纯重晶石加重至密度1.35g/cm3。
2.2配制方法：在400mL配浆水中加入0.8g碳酸钠、0.4g氢氧化钠，在搅拌下加入16g钠基膨润土，高速搅拌20分钟，在25℃±2℃下密闭预水化24小时得到基浆；在高速搅拌下向盛有基浆的高搅杯中依据配方依次加入超高温中分子聚合物降滤失剂、磺甲基化酚醛树脂、磺甲基化褐煤树脂、超高温封堵防塌剂、超高温聚合物解絮凝剂、抗坏血酸棕榈酸酯、白油，最后加入高纯重晶石加重至所需密度，继续搅拌20分钟，密闭养护24小时得到，得到抗255℃超高温水基钻井液，作为实验浆用于下述钻井液性能测定。
2.3钻井液性能测试：
将实验浆装入老化罐中，分别255℃下热滚16小时和在250℃下热滚48小时，冷却至室温，转入高搅杯中搅拌5分钟。测量其粘度、切力，中压滤失量和高温高压滤失量，结果见表3所示。
表3实施例2中抗超高温水基钻井液配方性能
实施例2配方的钻井液，在河南油田泌深1井中应用，泌深1井是河南油田的一口超深参数井，设计井深6000米，实际完钻井深6005米。该井面临深部地层超高温钻井液性能的稳定问题，深部大仓房组和玉皇顶组玉一段钻井液抗高温与抑制的矛盾问题，尽可能用淡水体系、抗高温兼顾防塌要求苛刻，下部存在未预测的地质复杂条件。特别是该井井底温度预计可达250℃（实际完井的井底温度241℃，），至今国内最高纪录，也属国际罕见，属世界性技术难题。该井四开井段（4502米-6005米）使用了本发明的抗超高温水基钻井液，共钻进1503米，现场部分井深处钻井液性能见表4所示。
表4泌深1井四开井段抗超高温水基钻井液性能
实施例2的钻井液在泌深1井现场应用结果表明：本发明提供的抗255℃超高温水基钻井液体系不论在泌深1井四开上部井段（4502-4912m）还是下部井段（4912-6005m），都很好地解决了超高温稳定性问题、深部地层井壁稳定问题、超高温条件下岩屑悬浮、携带及润滑防卡问题，完全满足了泌深1井钻井的需要。在井深5933m，井底温度达239℃，起钻后因钻机修理，钻井液静止长达115h，下钻仍然正常。
Claims (8)
1.一种抗超高温水基钻井液，其特征在于，钻井液原料组成重量份如下：
配浆水 100份，
pH调节剂 0.1～0.3份，
钠基膨润土 1～4份，
海泡石 0～4份，
超高温中分子聚合物降滤失剂 0.2～1.2份，
超高温聚合物解絮凝剂 0.05～0.6份，
磺甲基化酚醛树脂 2～6份，
磺甲基化褐煤树脂 2～6份，
高温封堵防塌剂 1～4份，
超高温润滑剂 1～4份，
高温稳定剂 0.1～1.2份，
防盐、膏溶解剂 0～32份，
重晶石 0～300份，加重至所需密度；其中，
所述的超高温中分子聚合物降滤失剂为a.N,N-二乙基丙烯酰胺或N,N-二甲基丙烯酰胺、b.2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、c.N-乙烯基吡咯烷酮、d.二甲基二烯丙基氯化铵或二乙基二烯丙基氯化铵的四元聚合物，粘均分子量为500,000-1200,000；
所述的超高温聚合物解絮凝剂为丙烯酸、2-甲基-2-丙烯酰胺基丙磺酸、丙烯酸甲酯和二甲基二烯丙基氯化铵的四元聚合物，粘均分子量为2,500-30,000；
所述的高温封堵防塌剂为经氧化和磺化改性的石油沥青；
所述的超高温润滑剂是改性石墨或抗温塑料小球之一或组合，或者是抗高温极压润滑剂或矿物油之一或组合；所述的高温稳定剂为抗高温除氧剂；
所述的重晶石主要成分为硫酸钡，密度≥4.3g/cm3。
2.如权利要求1所述的抗超高温水基钻井液，其特征在于所述配浆水为矿化度以氯化钠计低于1.0%的天然淡水或经过处理的盐水。
3.如权利要求1所述的抗超高温水基钻井液，其特征在于所述pH调节剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠之一或组合。
4.如权利要求1所述的抗超高温水基钻井液，其特征在于所述钠膨润土为天然钠基膨润土或钙基膨润土钠化改性膨润土；所述海泡石为天然海泡石矿粉碎至粒径小于200目的粉末。
5.如权利要求1所述的抗超高温水基钻井液，其特征在于所述高温稳定剂为亚硫酸钠、酒石酸、柠檬酸、低分子聚合醇、抗坏血酸棕榈酸酯中的一种或它们的组合。
6.如权利要求1所述的抗超高温水基钻井液，其特征在于所述防盐、膏溶解剂是氯化钠氯化钙复合盐。
7.如权利要求1所述的抗超高温水基钻井液，其特征在于所述钻井液的密度1.04～2.6g/cm3，pH值8～10。
8.权利要求1～7任一项抗超高温水基钻井液在高温深井、超深井钻井过程中的应用，适用温度245～255℃。
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