CN1042740C - 含水钻井泥浆及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

公开的是一种用于对层状粘土没有侵蚀性的含水粘土基泥浆的制备方法，该方法包括第一步骤是用含有所必需量的分散剂的水溶液处理粘土使泥浆形成流体；第二步骤是从含有没被吸附的分散剂的水溶液中分离该处理的粘土，最后一个步骤是为了配制泥浆在水中重新分散该处理的粘土。

Description

含水钻井泥浆及其制备方法和应用

本发明涉及预处理粘土。它们的制备、和它们在配制对层状粘土没有侵蚀性钻井泥浆中的应用。

在油井钻井中经常使用含粘土(特别是膨润土)和各种添加剂的水基流体，其中为了获得理想的流变性分散剂是必须的。与油基泥浆相比较，这些水基泥浆表现出成本低和污染性低的优点；不幸的是，它们表现出对在钻孔钻井过程中遇到的粘土层和对在同一钻井过程中产生的粘土渣具有侵蚀性的缺点。

这种粘土分散到流体中引起钻井液体的流变性变差，结果造成钻孔侧壁部分或、在最坏情况下全部倒塌。

该侵蚀性部分地是由于分散剂造成的，为了使膨润粘土更好的分散和使泥浆具有合适的流动性，通常向泥浆中加入聚合物类分散剂。然而事实上该聚合物类分散剂仅部分的被吸附在膨润土上，因此在溶液中仍游离的部分分散剂仍能在层状粘土上和在含有钻井废渣料的粘土上起作用，从而增加了上述问题。

为了解决、或至少减少这些缺点，在现有技术中描述进一步使用添加剂(这不论怎样造成总泥浆成本的增加)。例如，US4664818要求一种用于钻孔钻井流体的添加剂，它是由部分水解共聚(丙烯酸酯-丙烯酰胺)、羧甲基纤维素和KCl构成的，其含量大于50％。

GB-A-2216574指出将一种聚甘油加入到钻井泥浆中，以解决该问题。

EP-A-333458公开的是可溶于水的高分子量添加剂的混合物，当其用碱和一种或多种具有足够高碱性的钾盐处理时能够形成足够强的亲核位点，从而将钻井泥浆的pH值增加至高于9。

US-A-3953336要求了含有一种纤维素衍生物的水基泥浆的应用。

本申请人已发现了一种新的制备钻井泥浆的方法，它减少了对层状粘土的侵蚀性，它通过不含有超过最少量的溶于溶液中的游离分散剂而克服了现有技术中存在的缺陷。

按照以上所述，本发明涉及制备含水粘土基钻井泥浆的方法，该泥浆对层状粘土没有侵蚀性，该方法包括：(1)在含有使泥浆液体化所需要用量的分散剂的水溶液中分散粘土；(2)从含有未吸附的分散剂的水溶液中分离出粘土；(3)为了配制泥浆重新在水中分散该处理过的粘土。按照优选的实施方案，为了制备泥浆而使用的粘土是膨润土。

为了使膨润土泥浆流化，量常用的分散剂是木质素磺酸盐、褐煤、聚丙烯酸盐以及部分水解聚丙烯酰胺。

按照本发明的优选实施方案，该分散剂是聚丙烯酸盐或它们的共聚物，而更优选为聚丙烯酸盐。

为了使所述泥浆流化，所需要的分散剂的用量取决于该分散剂的化学性质、以及膨润土的类型。

当使用木质素分散剂时，其用量通常处于0.5至3％的范围内(以泥浆的重量为基)，而当使用聚合物分散剂时，其用量处于0.03至0.5％(重量比)的范围内。

可以将粘土悬浮于水中，并且加入分散剂、或者没有什么不同地，将分散剂的水溶液加入到未处理的粘土中。

为了实现分散剂的吸附，膨润土的水分散溶液和分散剂用一段至少足够长的时间进行混合；所述时间通常为约30分钟。

在这一步骤过程中，该分散剂的一部分吸附于粘土表面上，并与剩余在溶液中的平衡。在粘土表面上吸附量为相应于固体分散剂平衡的用量。对于聚丙烯酸类分散剂，其用量是为了使该泥浆流化而加入的总用量的约三分之一。

用该分散剂平衡的粘土的温度不是一定的；该方法优选在10至40℃温度范围内进行。

然后回收预处理粘土，即在其表面用分散剂添加剂包裹的粘土。

所述粘上能按照固-液分离的已知技术、优选使用离心作用从该水溶液中分离出来。

该粘土回收步骤之后可以后续一次或多次水洗涤步骤，以便完全去除任何对粘土没有强键合的分散剂。

随后，将该处理过的粘土在水中重新分散，并将所得到的泥浆用作钻孔的钻井流体，且特别适用于具有约120-170℃温度的钻井油井中。

所得的钻井泥浆能与其它通常在最后的配方中施用的添加剂相混合。因此，例如，增稠剂、流体损失添加剂、过滤控制剂、等等都能被加入。

另外，为了调节离子强度、，可以向该配制的钻井泥浆中加入可水溶性的盐，还可以加入适当的物质将该泥浆的pH值调至理想值。通常，这样配制的泥浆的pH值的范围是在9-12之间。

在这样处理的膨润土的重新分散不会使已吸附的分散剂去除(至少在通常钻井泥浆使用时间和温度条件下)。这意味着所述吸附的分散剂将继续在即使溶液中缺少其它分散剂的条件下作为膨润上的分散剂发挥其作用。

由于该泥浆实际上不含水溶性分散剂，所以如此制备的泥浆表明对于层状粘土具有较少的侵蚀性并且整个工艺需要更低的分散剂添加剂的消耗，因为在起始水溶液中所含有的未被吸附的用量能够很容易地被回收和再循环。

按照本发明预处理的粘土也能进行长期的储存并能在为了制备钻井泥浆而需要时使用。

为了更好地说明本发明将给出以下实施例。实例

作为防腐蚀泥浆的膨润土的制备

方案1：为了获得不侵蚀层状粘土的钻井泥浆该工艺主要是从与分散剂相混合的膨润土的一种分散体中通过洗涤步骤去除在连续相中溶解的游离分散剂。

用适合量的分散剂来制备一种膨润上的水分散体；对该粘上分散体进行离心作用并且得到(1)一种具有吸附的分散剂的粘土密实沉淀物和(2)一种含有未吸附的分散剂的水溶液(上清液)。

这样制备的膨润土(步骤1)是用于制备其无侵蚀性泥浆的基本成分。实例1

加入该分散体中的分散剂的程度是要被粘土吸附，且吸附作用的可逆性是通过使用一种同离子钠蒙脱石SWy-1的水溶液分散体来证实的，其中SWy-1来自Wyoming，该分散剂是一种市售可得的聚丙烯酸盐(酯)，它具有约4000的分子量，制备在以下条件下进行：

Na-蒙脱石：0.27％(重量比)，分散剂：0.13％(重量比)，盐浓度：0.05,M NaCl,pH：11。

这样制备的分散体可在16小时内平衡，然后以14,000rpm的转速进行2小时的离心分离作用。对所获得的上清液进行TCC(Total Organic Carbon)分析，为的是测量在溶液中、在该起始分散体中所含有的游离分散剂的量。该沉淀物(吸附分散剂的膨润土)在一新鲜的溶剂中重新分散，在该情况下该溶剂具有与起始分散体相同的盐浓度和pH值(pH11、0.05M NaCl)，然后将该分散体平衡16小时。随之对所得的平衡的分散体再一次进行离心并且为了检查是否有可能释放已吸附的分散剂而对在该上清液中的分散剂含量进行测定。该循环被重复三次，并将结果列于表1中。

            表1

    连续洗涤分散剂的吸附试验

膨润土分散体    未吸收的分散体的ppm

起始值               840

1次重新分散之后       12

2次重新分散之后        4

3次重新分散之后        0可以观察到在连续地粘土重新分散之后发现在沉淀物中存在的分散剂含量越来越小。从该结果可以说明仍被吸收的分散剂部分与吸附粘土表面有强的健合。实例2

在这一实例中，通过3种分散体的相互比较，证实按照实例1的方案1所述的工艺制备的分散体的性能：(1)在水中Wyoming膨润土含量为3.7％(重量比)(“样品A”)；(2)与上述第(1)相同的分散体，加入一定量的分散剂，其中分散剂∶粘土的重量比为0.012(“样品B”)；(3)与上述第(1)的样品相同浓度的条件下具有预处理粘上的分散体(“样品C”)。

与样品A和B比较，由于方案1的工艺，其中经过了去离子水的洗涤，造成在溶液中最终的分散体里的盐含量的减少，对样品C使用了另一种制备工艺(方案2)，它与第一个工艺稍微有所不同。方案2：制备在水中含有3.7％(重量比)的Wyoming膨润土分散体，且为了进行水合作用放置24小时；然后按下述加入分散剂，分散剂∶粘土的比率为0.012(重量比)，所得到的分散体平衡48小时。对于所得到的分散体以14,000rpm的转速进行2小时的离心从含有溶解分散剂的上清液“LD”中分离获得固态的含有分散剂的沉淀物“SD”。与此同时，为了获得液态上清液“L”，对含有3.7％(重量比)Wyoming膨润土的起始水溶液分散体以14,000rpm的转速进行2小时的离心分离；最后，在上清液“L”中重新分散具有分散剂的沉淀物“SD”。

以该方法，获得其水相具有盐浓度和pH值与样品A和B大约相同的预处理粘土分散体。在表2中给出了以该方法制备的三种样品的流变特性。采用Boblin VOR旋转粘度计进行测量。在表2中给出在1.16s^-1和92.3s^-1条件下的粘度值，和存1Hz条件下的弹性模量G’值。

                  表2

基本分散体(A)、与分散剂(B)相混合的分散体

以及按照方案2(C)处理的分散体的流变特性

                  粘度       粘度

     G’                    (1.16s^-1) (92.3s^-1)

    (Pa)          (Pa^*s)    (Pa^*s)样品A    14.9          2.32       0.086样品B    0.5           0.17       0.006样品C    0.5           0.31       0.007从表2的数据中可以证实，为了使按照本发明所处理的分散体具有与按照常规工艺配制的样品B相同的流变特性，保留吸附在样品C的膨润土上的分散剂部分的量是足够大的。实例3

为了证实在粘土上分散剂的吸附作用是很强的，以及在高温度下仍能保持良好的膨润土粘土分散体，在高温老化之后进行流变性测量(150℃,16小时)。

按照实例2的方案2中所述的相同工艺制备用于测试的这些样品，并对2种分散体进行比较测量：(1)与分散剂相混合含7％的Magcogel膨润上的分散体，其中分散剂∶粘土的比率(重量比)为0.012(样品B)；(2)在预处理之后(样品C)与上述(1)相同的起始分散体。在表3中给出的结果涉及对样品B和C在热老化之前和之后所进行的测量。

                     表3

在150℃下进行16小时热老化之前和之后的流变性参数

           样品B               样品C

        老化前 老化后     老化前  老化后A.V.         30      46         28.5    38P.V.         23      32         23      28Y.P.         7       14         5.5     10凝胶         3.5/4   4/10       2/2.5   1/2pH           8.9     8.9        9.3     8.8从上述测量中可观察到，甚至在加热老化之后，两种分散体的流度特性一直保持大致相同。实例4

为了证明从其中去除溶液中游离分散剂的处理的分散体比按照常规的现有技术处理的加入分散剂的分散体具有更少的侵蚀性，采用了热轧试验(HRT)。

该试验通过以颗粒形式加入已知量的层状粘土到分散剂中来进行，该颗粒的限定粒度(2-4mm)。如此制备的分散体在93℃条件下进行4小时加热老化，在一容器内以17rpm的转速滚轧。最终，冷却该分散体，且从其中去除颗粒粘土的残渣。

这些被回收的颗粒用抑制液来洗涤，用炉子干燥，并称重以确定所回收的层状粘上的百分比量。分散体的侵蚀性越高，则回收的颗粒层状粘土量就越小。

在表4中，给出的结果是用具有R1F1B1装置的旋转粘度计Fann 35SA进行测量获得的，同时给出按照本发明处理的泥浆B和泥浆C的热轧试验结果。

表现粘度值A.V.、塑性粘度P.V.、流动点Y.P.以及凝胶强度，对于与分散剂混合的样品B利与分散剂混合并按照本发明处理的样品C，在进行HRT之前它们是很相似的。

                    表4

在HRT之前和之后的流变参数以及在HRT之后相应回收值

    样品B           样品C

老化前 老化后    老化前 老化后A.V.    30    40    28.5    33P.V.    23    29    23      23Y.P.    7     11    5.5     10凝胶    3.5/4 3/3.5 2/2.5   1/1.5粘土回收比率        45％          63％在这些分散体上进行HRT试验证明，通过从溶液中去除过量的分散剂，该分散体对于层状粘上的侵蚀性减少。使用样品B得到的回收率为45％，而对于样品C获得了63％的回收率。

在HRT试验之后，在分散体上进行的流变性测量表明，已部分分散的层状粘土通常增加其流变参数，然而在性能上没有加强作用。人们应观察到，通过将较少的层状粘土分散体引入泥浆，样品C则产生较少的增加。

从这一实验模型中可以总结出如下结论：按照本发明处理的粘土得到的分散体的流变特性与通过加入一种分散剂的分散体的那些是可以比较的；而且该处理过的分散体证明具有对层状粘上更低的侵蚀性。

Claims (9)

1．制备基于粘土的含水钻井泥浆的方法，该方法包括下列步骤：

(1)在含有水溶性分散剂的水溶液中分散粘土，基于泥浆的重量，该分散剂的用量为0.03-3％重量，所述水溶性分散剂选自木质素磺酸盐、褐煤、聚丙烯酸盐和部分水解的聚丙烯酰胺；

(2)从含有未吸附的水溶性分散剂的水溶液中分离粘土；

(3)为了配制泥浆，在水中重新分散该处理过的粘土。

2．按照权利要求1的方法，其中所述粘土是膨润土。

3．按照权利要求1的方法，其中该水溶性分散剂是一种聚丙烯酸盐或其共聚物。

4．按照权利要求3的方法，其中该水溶性分散剂是一种聚丙烯酸盐。

5．按照权利要求1的方法，其中所述粘土通过离心作用从含有水溶性分散剂的水溶液中分离出来。

6．按照权利要求1的方法，其特征在于，使用木质素类分散剂作为水溶性分散剂，基于泥浆重量，其用量为0.5-3％重量。

7．按照权利要求1的方法，其特征在于，使用聚合物类分散剂作为水溶性分散剂，基于泥浆重量，其用量为0.03-0.5％重量。

8．按照权利要求1-7中任一项的方法制得的含水钻井泥浆。

9．权利要求8的含水钻井泥浆在钻含有层状粘土油井中的应用。