CN104312556A

CN104312556A - 一种钻井用气液转换井壁稳定液及其制备方法

Info

Publication number: CN104312556A
Application number: CN201410592693.8A
Authority: CN
Inventors: 操盛章; 周翰; 吴娇
Original assignee: CHENGDU DEDAO INDUSTRIAL Co Ltd
Current assignee: CHENGDU DEDAO INDUSTRIAL Co Ltd
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-10-29
Also published as: CN104312556B

Abstract

本发明公开了一种钻井用气液转换井壁稳定液及其制备方法，属于石油工业钻井工程领域，稳定液包括组分按重量份配比：基础油：30～60；阳离子表面活性剂：5～10；非离子表面活性剂：2～5；聚二甲基硅氧烷：3～10；油溶性树脂：10～15；石油沥青：5～10；聚合醇：5～10；去离子水：5～20。制备方法包括以下步骤：反应釜中基础油及非离子表面活性剂升温搅拌，加入阳离子表面活性剂搅拌，加入聚二甲基硅氧烷搅拌，加入油溶性树脂、石油沥青搅拌，加入聚合醇和水继续搅拌，然后在搅拌条件下冷却至25±5℃放出包装即可。本发明解决粘度因素导致保护层覆盖不均匀、连续的问题，解决保护层单薄抗冲刷能力低的问题。

Description

一种钻井用气液转换井壁稳定液及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石油工业钻井工程中在实施气体钻井结束后，转换为常规钻井液钻井前，为提高井壁稳定性而采取对井壁采取处理措施进行时所用的，具有使井壁表面疏水及封堵、覆盖井壁功能的复合物，以及其制备方法。

背景技术

中国经济的快速发展带动能源消费量急剧增加。能源最重要的种类是石油和天然气。钻井工程是油气资源获得的首要手段。

为提高勘探开发速度，在陆相地层应用了气体钻井技术，钻井速度明显提高，为加快勘探开发进程提供了强有力的技术支撑，经济效益和社会效益显著。但在气体钻井结束，转换为钻井液钻井过程中，往往出现井壁失稳垮塌，轻则阻卡划眼，重则造成卡钻等钻井事故，大大影响了气体钻井的实际应用效果。本申请发明人，通过实践、调查后，分析得出气液转换过程中井壁失稳的主要因素有以下几点：

(1)气体钻井过程中，井筒内气柱压力低于地层压力，处于一种欠平衡状态；同时由于空气锤或钻头的震动，引发井壁周围产生微裂缝或加剧原有地层微裂缝的发育，结果使地层原生裂缝加大并产生大量的次生裂缝，整个井壁处于“酥松”状态。特别对于含泥页岩和富含高岭石和伊利石等活度较高的地层，易沿着地层胶接面产生水化剥落掉块，引起井壁坍塌，严重影响钻井施工进度。

(2)由于携带钻屑的干燥空气将近井壁周围岩石所含水分带出，使井壁处于干燥状态，气体钻井后替入水基钻井液，水分因毛细管作用瞬间进入亲水“酥松”地层的三维网状微裂缝产生膨胀压，导致地层剥落、掉块、甚至垮塌。

(3)替入的水基钻井液对井壁的冲刷也是导致井壁失稳的重要原因。

针对上述原因，本申请发明人总结出解决气液转换过程中井壁失稳的主要措施是采用具有合理密度的强抑制性、强封堵性钻井液体系或无渗透钻井液体系，在进行气液转换时，提高钻井液的抑制性、封堵性，降低钻井液滤失量，从而防止井壁吸水膨胀、剥落掉块。然而在现场施工过程中，钻井液需要一定的液柱高度才能与地层建立起力学平衡，即钻井液液柱达到一定高度时，液柱压力才能使钻井液中的封堵材料进入井壁，阻止滤液的进一步渗透，实现有效封堵。但由于气体钻井时干燥的井壁吸水性很强，与钻井液接触瞬间即吸水，使得无渗透钻井液体系无法发挥最佳效果。因此，可在替入钻井液前先向井内泵入一种前置液，由于该前置液含有能改变井壁润湿性的井壁稳定剂，因而大大减弱了井壁的瞬时吸水性。

中国专利申请号：200710100288.X，本发明提供了一种钻井施工过程中循环介质由气体转换为液体时的前置液及其使用方法。该前置液中含有有机硅酸盐，在气液转换施工时，首先注入前置液对井壁进行涂覆处理，使井壁表面呈疏水性，然后再注入钻井液，井壁在与钻井液接触时，不会很快吸水，随着钻井液在环空中返高增加，液柱产生的压力使钻井液中的抑制剂、封堵剂等处理剂充分发挥作用。该方法为钻井液与井壁间建立力学平衡赢得了时间，提高了气液转换施工时井壁的稳定性。

但现有井壁稳定剂存在以下缺陷：

1)粘度不符合施工要求而影响涂覆，导致不易形成连续均匀的疏水层，钻井液极易渗入“空白”地层，造成页岩吸水膨胀后掉块和坍塌；

2)所形成的保护层单薄，经不起钻井液转换过程中钻井液对井壁的冲刷而导致井壁所形成的疏水层脱离，进而导致井壁失稳。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种石油工业钻井用气液转换井壁稳定液，解决粘度因素导致保护层覆盖不均匀、连续的问题，解决保护层单薄抗冲刷能力低的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种钻井用气液转换井壁稳定液，包括下列组分，下列各组分按重量份配比：

基础油：30～60；阳离子表面活性剂：5～10；非离子表面活性剂：2～5；聚二甲基硅氧烷：3～10；油溶性树脂：10～15；石油沥青：5～10；聚合醇：5～10；去离子水：5～20。

作为选择，所述基础油为0#柴油或5#白油。

上述方案中所述井壁稳定液为油包水乳状液，与常规井壁稳定剂相比，具有粘度低，流动性好，能在井壁表面涂覆均匀、连续等优点，因而在现场使用时可不经调配就能满足施工要求，简化了施工程序，提高了施工进度。若井壁稳定液采用纯基础油作为液相，其中的油溶性聚合物分子上的亲水基团之间具有缔合作用，会导致聚合物分子形成空间网络结构，从而增大其流体力学体积，导致井壁稳定液粘度过高。而井壁稳定液采用油包水乳状液作为液相，聚合物的亲水基团会优先排列在水滴的表面，从而取代了原有的缔合作用，破坏了聚合物分子间的空间网络结构，使聚合物的流体力学体积大大减小，从而起到降低井壁稳定液液相粘度的作用。

作为选择，所述阳离子表面活性剂为双十二烷基二甲基氯化铵或/和双十六烷基二甲基氯化铵。这类表面活性是一种阳离子润湿反转剂，它的阳离子亲水基团会在静电引力作用下吸附于负电性粘土表面，在其表面覆盖一层憎水性亲油基团，使粘土表面由亲水性变为疏水性，从而阻碍粘土的吸水，降低吸水膨胀压，大大减弱井壁的瞬时吸水性，为钻井液液柱建立力学平衡赢得时间，使其中的抑制剂和封堵剂充分发挥作用。同时，由于这类表面活性剂具有“双子”结构，分子的亲油端为两条长碳链，因此比常规润湿反转剂在粘土表面所覆盖的亲油基团更加致密，使粘土表面的疏水性更强。

作为选择，所述非离子表面活性剂为山梨醇单酐油酸酯或/和山梨醇单酐硬脂酸酯。该类油溶性表面活性剂的HLB值为4～5，且其乳化性能优良，非常适合做油包水乳状液的乳化剂。

作为选择，所述聚二甲基硅氧烷的数均分子量为1000～5000，其结构式为：

由于聚二甲基硅氧烷中的氧原子能与井壁粘土表面的化合物形成氢键，从而有效地吸附在井壁粘土的表面上。由于聚二甲基硅氧烷本身是一种憎水性的聚合物，其与阳离子表面活性剂的协同作用使粘土表面的憎水层更厚更致密，从而有效地阻止地层自由水侵入地层而导致的井壁失稳。

作为选择，所述油溶性树脂是指松香改性酚醛树脂。当钻井液接触井壁时，粘附在井壁表面的松香改性酚醛树脂能在碱性的环境下发生反应，形成具有粘弹性的凝胶物质。这种凝胶物质能在井壁上形成一层具有粘弹性疏水膜，一方面使井壁的亲水性转变为憎水性，减少钻井液中的自由水侵入地层，起到强化抑制性，稳定井壁的作用，另一方面这种粘弹性膜具有一定的强度，能有效抵挡钻井液的冲刷，从而起到保护井壁表面的作用。

所述石油沥青是指原油加工过程的一种产品，在常温下是黑色或黑褐色的粘稠的液体、半固体或固体，主要含有可溶于三氯乙烯的烃类及非烃类衍生物，其性质和组成随原油来源和生产方法的不同而变化。因为沥青的化学组成复杂，对组成进行分析很困难，且其化学组成也不能反映出沥青性质的差异，所以一般不作沥青的化学分析。通常从使用角度出发，将沥青中按化学成分和物理力学性质相近的成分划分为若干个组，这些组就称为“组分”。石油沥青的组分为油分、树脂、地沥青质。本发明的石油沥青由市售产品购得，市售可用于常规钻井用气液转换井壁稳定剂的石油沥青均可用于本发明，且不影响本发明的本质实现。比如，采用武汉华腾世纪化工有限公司，组织机构地址：湖北武汉江岸区黄浦花园宝福阁2栋6层G室，型号100^#的普通石油沥青；采用上海全路达新材料科技有限公司，组织机构地址：湖北省荆门市五一路1号，型号90^#的普通石油沥青。

石油沥青类物质在高温油环境下可以部分溶胀并发生塑性形变，能在井壁岩石的微孔隙与微裂缝上形成软性的封堵，大大降低地层岩石与泥饼的渗透率，阻止钻井液中自由水进入地层。沥青类物质封堵微孔隙与微裂缝后，其自身的憎水性也可以通过毛细管作用进一步阻止自由水的侵入。

作为选择，所述聚合醇是指数均分子量为5000～20000的聚乙二醇，其分子式为H(OCH₂CH₂)_nOH。聚合醇溶解于油包水乳状液的内向水中，当温度高于其浊点时，其发生相分离，以胶体颗粒的形式析出。这些胶体颗粒可以在井壁岩石孔喉处聚集长大，堆积起来，并且由于其具有可变性，可根据孔隙形状调整自身形状，因而能很好的嵌在孔隙中，在井壁上形成极低渗透率的封堵层，有效阻止水相的进入。

上述方案中，在井壁稳定液中加入一定量的阳离子表面活性剂，改变井壁岩石表面的润湿特性。通过加入聚二甲基硅氧烷增加疏水层的厚度和致密度，使井壁在与钻井液接触时，吸水渗透性大大减小。通过乳化技术及各优选组分、配比调节稳定液粘度符合施工要求，使其具有一定的流动性的同时又能均匀的在井壁附着，得以在井壁形成均匀连续的保护层。在成分中加入了油溶性树脂，使其在井壁表面由亲水反转为亲油的基础上，通过油成膜性能而形成具有一定强度的保护层，加强了抗钻井液冲刷的能力。而石油沥青、聚合醇的嵌缝封堵作用，能进一步有效阻止钻井液中水相的侵入。

作为选择，所述的钻井用气液转换井壁稳定液，包括下列组分，下列各组分按重量份配比：

基础油：40～45；阳离子表面活性剂：6～9；非离子表面活性剂：2～3；聚二甲基硅氧烷：5～8；油溶性树脂：12～15；石油沥青：8～10；聚合醇：6～8；去离子水：10～15。

作为选择，所述的钻井用气液转换井壁稳定液，由下述按重量百分比的组分组成：

基础油44％；聚二甲基硅氧烷7％；非离子表面活性剂3％；阳离子表面活性剂6％；油溶树脂12％；石油沥青8％；聚合醇6％；去离子水14％。

一种前述钻井用气液转换井壁稳定液的制备方法，包括以下步骤：反应釜中基础油及非离子表面活性剂升温至60±5℃后搅拌30±5min，加入阳离子表面活性剂60±5℃下搅拌30±5min，加入聚二甲基硅氧烷60±5℃下搅拌40±5min，加入油溶性树脂、石油沥青60±5℃下搅拌60±10min后，加入聚合醇和水继续60±5℃下搅拌60±10min，然后在搅拌条件下冷却至25±5℃放出包装即可。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案：如本发明，各选择即可和其他选择任意组合，本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：粘度控制合理，引入成膜材料及封堵材料从而使稳定液均匀的喷涂在井壁形成连续的有较高耐冲刷能力的封堵保护层，避免因地层水化而引的井壁掉块或坍塌，从而起到稳定井壁，保证顺利的进行气液转换，减少井下复杂，提高钻井效率。

1)本发明通过乳化技术及材料的优选，将所形成的液体表观粘度控制在10～15mpa·s,使其具有一定的流动性的同时又能均匀的在井壁附着，得以在井壁形成均匀连续的保护层。

2)本发明在成分中加入了油溶性树脂、沥青及聚合醇，使其在通过表面活性剂润湿井壁表面由亲水反转为亲油的基础上，通过油溶性树脂、沥青及聚合醇的嵌缝、成膜性能而形成保护层，加强了抗钻井液冲刷的能力。使用本发明做页岩滚动回收率实验，实验表明其回收率可到达92％，使用本发明做人造岩心线性膨胀量降低率为89％。

3)由于本发明的表观粘度控制在10～15mpa·s，因此现场施工时无需再进行调配即可满足施工要求，因而简化了施工程序，提高了施工进度。

4)本发明的技术指标：

表观粘度，mPa·s 10.0～15.0；

岩心线性膨胀降低率％ ≥85.00；

页岩滚动回收率％ ≥85.00。

具体实施方式

下列非限制性实施例用于说明本发明。

实施例1～4采用的是“钻井液测试程序”(SY/T5621-93)和“泥页岩理化性能试验方法”(SY/T5613-2000)中的实验方法。

实施例1：

一种石油工业钻井用气液转换井壁稳定液，由下述按重量百分比的组分组成：

1.0^#柴油30％；

2.聚二甲基硅氧烷(数均分子量为1000)10％；

3.双十二烷基二甲基氯化铵10％；

4.山梨醇单酐硬脂酸酯5％；

5.松香改性酚醛树脂15％；

6.石油沥青5％；

7.聚乙二醇(数均分子量为5000)5％；

8.去离子水20％。

技术指标：

表观粘度，mPa·s 14.0mPa·s；

岩心线性膨胀降低率％ 95.4％；

页岩滚动回收率％ 99.7％。

上述实验表明，该前置液具有良好的流变性能与抑制性能。

实施例2：

1.5^#白油45％；

2.聚二甲基硅氧烷(数均分子量5000)8％；

3.双十二烷基二甲基氯化铵7％；

4.山梨醇单酐油酸酯2％；

5.松香改性酚醛树脂13％；

6.石油沥青10％；

7.聚乙二醇(数均分子量20000)5％；

8.去离子水10％。

技术指标：

表观粘度，mPa·s 12.0mPa·s；

岩心线性膨胀降低率％ 94.8％；

页岩滚动回收率％ 99.2％。

上述实验表明，该前置液具有良好的流变性能与抑制性能。

实施例3：

一种石油工业钻井用气液转换井壁保护剂，由下述按重量百分比的组分组成：

1.5^#白油60％；

2.聚二甲基硅氧烷(数均分子量3000)3％；

3.双十六烷基二甲基氯化铵5％；

4.山梨醇单酐油酸酯2％；

5.松香改性酚醛树脂10％；

6.石油沥青5％；

7.聚乙二醇(数均分子量10000)10％；

8.去离子水5％。

技术指标：

表观粘度，mPa·s 10.0mPa·s；

岩心线性膨胀降低率％ 94.2％；

页岩滚动回收率％ 98.9％。

上述实验表明，该前置液具有良好的流变性能与抑制性能。

实施例4：

1.5^#白油59％；

2.聚二甲基硅氧烷(数均分子量3000)3％；

3.双十六烷基二甲基氯化铵5％；

4.山梨醇单酐油酸酯3％；

5.松香改性酚醛树脂10％；

6.石油沥青8％；

7.聚乙二醇(数均分子量10000)7％；

8.去离子水5％。

技术指标：

表观粘度，mPa·s 10.5mPa·s；

岩心线性膨胀降低率％ 94.8％；

页岩滚动回收率％ 99.0％。

上述实验表明，该前置液具有良好的流变性能与抑制性能。

前述钻井用气液转换井壁稳定液的制备方法：反应釜中加入基础油及非离子表面活性剂升温至60±5℃后搅拌30±5min，加入阳离子表面活性剂60±5℃下搅拌30±5min，加入聚二甲基硅氧烷60±5℃下搅拌40±5min，加入油溶性树脂、石油沥青60±5℃下搅拌60±10min后，加入聚合醇和水继续60±5℃下搅拌60±10min，然后在搅拌条件下冷却至25±5℃放出包装即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种钻井用气液转换井壁稳定液，其特征在于包括下列组分，下列各组分按重量份配比：基础油：30～60；阳离子表面活性剂：5～10；非离子表面活性剂：2～5；聚二甲基硅氧烷：3～10；油溶性树脂：10～15；石油沥青：5～10；聚合醇：5～10；去离子水：5～20。

2.如权利要求1所述的钻井用气液转换井壁稳定液，其特征在于包括下列组分，下列各组分按重量份配比：基础油：40～45；阳离子表面活性剂：6～9；非离子表面活性剂：2～3；聚二甲基硅氧烷：5～8；油溶性树脂：12～15；石油沥青：8～10；聚合醇：6～8；去离子水：10～15。

3.如权利要求2所述的钻井用气液转换井壁稳定液，其特征在于由下述按重量百分比的组分组成：基础油44％；聚二甲基硅氧烷7％；非离子表面活性剂3％；阳离子表面活性剂6％；油溶树脂12％；石油沥青8％；聚合醇6％；去离子水14％。

4.如权利要求1、2或3所述的钻井用气液转换井壁稳定液，其特征在于：所述基础油为0^#柴油或5^#白油。

5.如权利要求1、2或3所述的钻井用气液转换井壁稳定液，其特征在于：所述阳离子表面活性剂选自双十二烷基二甲基氯化铵或/和双十六烷基二甲基氯化铵。

6.如权利要求1、2或3所述的钻井用气液转换井壁稳定液，其特征在于：所述非离子表面活性剂为山梨醇单酐油酸酯或/和山梨醇单酐硬脂酸酯。

7.如权利要求1、2或3所述的钻井用气液转换井壁稳定液，其特征在于：所述油溶性树脂为松香改性酚醛树脂。

8.如权利要求1、2或3所述的钻井用气液转换井壁稳定液，其特征在于：所述聚合醇为聚乙二醇，数均分子量为5000～20000。

9.如权利要求1至9中任一权利要求所述的钻井用气液转换井壁稳定液的制备方法，其特征在于包括以下步骤：反应釜中基础油及非离子表面活性剂升温至60±5℃后搅拌30±5min，加入阳离子表面活性剂60±5℃下搅拌30±5min，加入聚二甲基硅氧烷60±5℃下搅拌40±5min，加入油溶性树脂、石油沥青60±5℃下搅拌60±10min后，加入聚合醇和水继续60±5℃下搅拌60±10min，然后在搅拌条件下冷却至25±5℃放出包装即可。