CN104405371B - 一种增加井壁稳定性并降低滤失的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油钻井领域，特别涉及一种增加井壁稳定性并降低滤失量的方法，在钻井液井壁稳定技术中模拟生物矿物的沉积，在井壁上通过层层沉积快速形成结构致密和机械性能优异的有机/无机复合膜，来改变泥饼或井壁周围沉积层的微观结构和力学性能，稳定和硬化井壁，以此提高井壁稳定性和承压能力，同时降低滤失量，阻止钻井液的侵入。本发明可控性、稳定性高；所形成井壁涂层具有致密的微观结构，力学强度高、韧性强，可快速地将井壁表面硬化、封闭，从而大幅提高井壁稳定性，并起到高效降滤失效果；所采用的原材料及施工方法环境友好，符合环保要求。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井领域，特别涉及一种增加井壁稳定性并降低滤失的方法。
背景技术
在油气钻探过程中，井壁稳定是广泛存在的问题。井壁失稳易造成井壁垮塌、缩径、漏失、卡钻及储层污染等井下复杂情况和事故，不仅会拖延钻井周期，增加钻井成本，也会影响后续采油作业。严重时还可能使部分井眼报废甚至使整个井眼报废。据估计，全球每年由于井壁失稳造成的直接经济损失达数亿美元之巨，严重制约了油气田开发的速度。
造成井壁失稳的因素概括起来可分为三大类，包括地质、钻井液物理和化学、钻井作业等因素。地质因素是很难改变的，只能尽量准确地预测或确定，为钻井液配方和钻井作业工艺提供指导。钻井液本身的液柱压力有利于钻井过程中的井壁稳定，同时由于压差导致钻井液滤失围绕井壁形成的泥饼会封闭井壁、有助于稳定井壁；但钻井液液柱压力过高容易驱使过多钻井液进入泥页岩孔隙，使井眼附近的泥页岩含水量增加，强度降低，导致井壁失稳。改变钻井液的特性是目前井壁稳定的最主要手段之一，包括物理和化学手段两个方面。物理手段如提高钻井液密度、粘度减轻压力传统和扩散效应以减少压力激动，化学手段如加入化学药品以减少水对泥页岩的渗透、抑制地层水化分散，或有助于快速形成致密而坚韧的泥饼。此外，针对不稳定地层，通常需要采用特殊的钻井液预处理技术，对不稳定地层实施封堵加固，以显著提高井壁的稳定性能和承压能力。
目前人们针对不同的地质条件和钻井工艺，开发了众多钻井液配方，如多元醇或聚乙烯醇钻井液体系、硅酸盐钻井液体系、聚电解质钻井液体系、油基钻井液体系等； 但存在以下缺点：（1）通过钻井液本身的液柱压力和泥饼形成对井壁的稳定效果不易控制，稳定性差；（2）钻井液需针对不同的地层进行调配，适应性差，而且很多地层没有合适的钻井液；（3）对于水基钻井液来说，泥岩吸水膨胀造成井眼收缩，砾岩、火山岩遇水造成跨塌，盐岩遇水而形成溶洞等，造成卡钻等不良后果甚至井眼报废；（4）钻井液中常含有原油、柴油和各种油类以及含有大量的化学处理剂，对地层、土壤、环境和生态可能造成不良影响。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，目的在于在钻井液井壁稳定技术中模拟生物矿物的沉积，在井壁上通过层层沉积快速形成结构致密和机械性能优异的有机/无机复合膜，来改变泥饼或井壁周围沉积层的微观结构和力学性能，稳定和硬化井壁，以此提高井壁稳定性和承压能力，同时降低滤失量，阻止钻井液的侵入。
在钻井过程中，由于钻井液滤失作用在井壁周围形成的泥饼对于稳定井壁具有关键作用。泥饼的成分主要为无机材料，还含有部分有机聚合物，其形成动力学、微观结构和力学性质是控制滤失量、避免地层污染、稳定井壁、平衡地层压力等的重要参数。理想的泥饼应该在短时间内快速形成，对地层具有强烈的亲合性，且具有致密的微观结构和高的力学性能，从而将井壁表面钝化、硬化或封闭，驱除表面水，构成阻止泥浆水侵入的屏障。
本发明的技术方案是：
一种增加井壁稳定性并降低滤失的方法，在油气钻井中，在井壁上进行高分子聚电解质/无机矿物的交替仿生矿化沉积形成有机/无机复合膜。
在以上方案的基础上，所述的增加井壁稳定性并降低滤失的方法包括如下步骤：
（1）首先在油气井中注入与地层表面吸附结合的聚电解质溶液，在井壁表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；
（2）继续注入带负电荷的聚电解质溶液，使得吸附有正电荷聚电解质的井壁再吸附上一层带负电荷的聚电解质吸附层；
（3）选择注入与步骤（1）相同或者不同的带正电荷的聚电解质分子溶液，形成聚电解质吸附层；
（4）继续在油气井中注入纳/微米无机矿物分散液，或者无机微纳米粒子与聚阴离子电解质的复合物，在上述聚阳离子电解质高分子吸附层表面进行吸附，形成无机矿物层；
（5）重复上述（1）、（2）、（3）、（4）聚电解质/无机矿物的注入吸附步骤至一定的循环次数，在井壁表面形成聚电解/无机矿物的交替仿生矿化沉积，形成结构致密和机械性能优异的有机/无机复合膜。
其中，以上步骤（2）、（3）可根据具体情况选择进行，从而提高有机/无机复合膜的厚度，且能改善无机微纳米粒子在复合膜内的分散效果，使得膜的机械性能更好。
以上方案的基础上，所述的正电荷聚电解质选自聚二烯丙基二甲基氯化铵(poly(diallyldimethylammonium chloride)/PDDA)、聚烯丙基胺盐酸盐(poly(allylaminehydrochloride)/PAH)、支化聚乙烯亚胺溶液(branched polyethyleneimine/BPEI)中的任一种。
以上方案的基础上，所述的负电荷聚电解质选自聚乙烯基苯磺酸钠(poly(styrene sulfonate)/PSS)、聚丙烯酸(poly(vinyl alcohol)/PAA)的任一种。
以上方案的基础上，所述的纳/微米无机矿物分散液选自碳酸钙(CaCO3)、蒙脱土(MTM)、二氧化硅(SiO2)的任一种。
以上方案的基础上，无机微纳米粒子与聚阴离子电解质的复合物为PAA-CaCO3复合物。
本发明的有益效果是：
（1）所形成井壁涂层具有致密的微观结构，力学强度高、韧性强，可快速地将井壁表面硬化、封闭，从而大幅提高井壁稳定性，并起到高效降滤失效果；
（2）可控性、稳定性高；
（3）所采用的原材料及施工方法环境友好，符合环保要求。
附图说明
附图1 为本发明的操作原理示意图；
附图2为本发明具体实施例1的(PDDA/MTM)20扫描电镜图；
附图3为本发明具体实施例2的PDDA/(PAA-CaCO3/PAH)20扫描电镜图；
附图4为本发明具体实施例3的 (PDDA/SiO2)20扫描电镜图；
附图5为本发明具体实施例4的(PDDA/CaCO3)20原子力显微镜图，
其中，左图为高度图，右图为相图；
附图6为本发明具体实施例5的 (BPEI/MTM)20扫描电镜图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如下：
1wt% PDDA溶液配制方法为：称取1.0 g PDDA，加入100 ml去离子水，高速搅拌2h至完全溶解，用1M的HCl调节pH至4.0，备用。
1wt% PAH溶液配制：称取1.0 g PAH，加入100 ml去离子水，高速搅拌2h至完全溶解，用1M的HCl调节pH至8.0，备用。
1wt% BPEI溶液配制：称取1.0 g BPEI，加入100 ml去离子水，高速搅拌2h至完全溶解，用1M的HCl或NaOH调节pH至10.0，备用。
1wt% PAA溶液配制：称取1.0 g PAA，加入100 ml去离子水，高速搅拌2h至完全溶解，用1M的HCl调节pH至4.0，备用。
1wt% 的蒙脱土上清液制备：称取2g蒙脱土MTM，加入200mL去离子水中，连续高速搅拌一周后，再静置一周，取其上清液，用1M的NaOH调节pH至10.0，备用。
0.1 wt% 纳米碳酸钙溶液制备：平称取0.2g纳米CaCO3，加入200mL去离子水中，用磁力搅拌器搅拌均匀，备用。
纳米SiO2球形粒子微乳液的制备：
取2g表面活性剂AOT、1ml正丁醇和9ml庚烷于洁净干燥的玻璃瓶中，加入1ml超纯水充分混匀；在25℃恒温水浴静置24h。形成稳定的均相微乳液（W/O型体系）。取276.35ul正硅酸甲酯（TMOS）滴加到已经稳定好的微乳体系中，NH3·H2O为催化剂，滴加过程中用磁力搅拌器搅拌。滴加完后取出磁子并恒温25℃放置。反应48h以后加入适量的无水乙醇摇匀在10000rpm下离心并取出上清液。再加乙醇超声离心如此重复三次。最后用无水乙醇分散，制得稳定的纳米SiO2球形粒子，备用。
PAA-CaCO3复合物的分散体系的制备：
用去离子水配制0.1M的PAA溶液（单体浓度）和0.07 M的Na2CO3溶液，无水CaCl2(0.4662 g，0.0042 mol)加入到PAA水溶液中 (60 mL)，待CaCl2完全溶解后，再将Na2CO3 水溶液(60mL，0.07 M)加入到PAA 和 CaCl2的混合液中，即可制的均一、透明的 PAA-CaCO3复合物的分散体系，其pH=7.2. 其中PAA与CaCO3的浓度分别为0.05M和0.035 M，此分散体系在空气环境中稳定性能保持半年以上。
以上所述各溶液的浓度及pH可以根据不同的地质条件要求进行改变。
所制备的层层组装有机/无机复合膜的性能表征：
结构和形貌表征：将所制备有机/无机复合膜固定于样品台，溅射喷金，然后通过扫描电镜（Hitachi S-4800）或者原子力显微镜（Veeco di Multimode VIII）进行表面及截面形貌分析。
力学性质测定：利用原子力显微镜使用纳米压痕法进行复合膜的力学性能测定。
降滤失性实验：在滤纸上将高分子聚合物溶液与无机微纳米粒子层层组装至8个双层，利用ZNS型打气筒失水仪进行滤失性评价，具体操作步骤为：（1）松开减压阀，关死放空阀，打气使气筒压力达10MPa 左右，然后顺时针转减压阀，直到压力表读数为0.7MPa；（2）用食指堵住钻井液杯气接头小孔，倒入50mL的清水，使液面与钻井液杯内槽相齐，放好密封圈（擦干），铺二层滤纸（对照实验）或者一层组装有20个双层有机/无极复合膜的滤纸，拧紧钻井液杯盖，然后装入三通接头，并卡好挂架及量筒；（3）缓慢逆时针转放空阀并开始计时，当压力表指针开始下降或有进气声时及时打气，使压力保持为0.7MPa，记录15分钟时量筒中水的体积V15min。
简单评价降低滤失性效果公式：降低滤失性效率 = (50mL−V15min)/50mL。
实施例1：以PDDA与MTM制备有机/无机复合膜为例
具体沉积步骤如下：
.将模拟井壁表面浸入pH为4.0的1wt% PDDA溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim：
.继续将模拟井壁表面浸入pH为10.0的1 wt% 的MTM上清液，使得PDDA高聚物层吸附上一层无机纳米蒙脱土，吸附时间2mim：
.循环交替步骤(1)(2)至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的(PDDA/MTM)n有机/无机复合膜。
(PDDA/MTM)20有机/无机复合膜的扫描电镜图如图2所示，扫描电镜结果显示，大量MTM片层结构经由聚合物粘结形成了致密的有机/无机复合薄膜。
室内测试结果：(PDDA/MTM)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 6GPa，提高承压能力9MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失75%以上。
实施例2：以PDDA/(PAA-CaCO3/PAH)有机/无机复合膜为例
. 将模拟井壁表面浸入pH为4.0的1wt% PDDA溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim：
.继续将模拟井壁表面浸入PAA-CaCO3复合物溶液，使得PDDA高聚物表层吸附上一层含有无机纳米CaCO3的PAA-CaCO3复合物，吸附时间2mim：
. 将模拟井壁表面浸入pH为8.0的1wt%正电荷的聚电解质分子 PAH溶液，形成聚电解质吸附层；
.循环交替步骤(2)(3)至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的PDDA/ (PAA-CaCO3/PAH)20有机/无机复合膜。
PDDA/ (PAA-CaCO3/PAH)20有机/无机复合膜的扫描电镜图如图3所示，扫描电镜结果显示，聚合物和CaCO3颗粒之间实现了稳定结合，形成了致密的有机/无机复合薄膜。
室内测试结果：PDDA/(PAA-CaCO3/PAH)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 9GPa，提高承压能力12MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失95%以上。
实施例3：PDDA/ SiO2有机/无机复合膜的制备为例
. 将模拟井壁表面浸入pH为4.0的1wt% PDDA溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim；
.继续将模拟井壁表面浸入纳米SiO2球形粒子微乳液，使得PDDA高聚物层上吸附一层无机纳米SiO2，吸附时间2mim；
.循环交替步骤 至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的(PDDA/ SiO2)n有机/无机复合膜。
(PDDA/SiO2)20有机/无机复合膜的扫描电镜图如图4所示，扫描电镜结果显示，PDDA与SiO2球在表面紧密粘结形成了致密的有机/无机复合薄膜。
室内测试结果：(PDDA/SiO2)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 7.5GPa，提高承压能力8MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失99%以上。
实施例4：PDDA/ CaCO3有机/无机复合膜为例
. 将模拟井壁表面浸入pH为4.0的1wt% PDDA溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim；
.继续将模拟井壁表面浸入0.1wt%纳米CaCO3粒子微乳液，使得PDDA高聚物层吸附上一层无机纳米SiO2，吸附时间2mim；
.循环交替步骤 至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的(PDDA/ CaCO3 )n有机/无机复合膜。
(PDDA/CaCO3)20有机/无机复合膜的原子力显微镜图如图5所示，结果显示，PDDA与CaCO3纳米颗粒在表面紧密粘结形成了致密的有机/无机复合薄膜。
室内测试结果：(PDDA/CaCO3)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 8GPa，提高承压能力11MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失99%以上。
实施例5：BPEI/ MTM制备有机/无机复合膜为例
. 将模拟井壁表面浸入pH为10.0的1 wt% BPEI溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim：
.继续将模拟井壁表面浸入pH为10.0的1 wt% 的MTM上清液，使得BPEI高聚物层吸附上一层无机纳米蒙脱土，吸附时间2mim：
.循环交替步骤 至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的(BPEI/MTM)n有机/无机复合膜。
(BPEI/MTM)20有机/无机复合膜的扫描电镜图如图4所示，扫描电镜结果显示，大量的MTM片层结构经由聚合物BPEI粘结形成了致密的有机/无机复合薄膜。
室内测试结果：(BPEI/MTM)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 10GPa，提高承压能力15MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失86%以上。
实施例6：BPEI/ SiO2 制备有机/无机复合膜为例
. 将模拟井壁表面浸入pH为10.0的1 wt% BPEI溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim：
.继续将模拟井壁表面浸入纳米SiO2球形粒子微乳液，使得BPEI高聚物层吸附上一层无机纳米SiO2，吸附时间2mim；
.循环交替步骤 至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的(BPEI/SiO2)n有机/无机复合膜。
室内测试结果：(BPEI/SiO2)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 7GPa，提高承压能力8.3MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失99%以上。
实施例7：BPEI/ PAA/BPEI/MTM制备有机/无机复合为例
. 将模拟井壁表面浸入pH为10.0的1 wt% BPEI溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim；
.继续将模拟井壁表面浸入pH为4.0的1 wt% PAA溶液，使得BPEI高聚物表层吸附上一层带负电荷的PAA，吸附时间2mim；
.再次将模拟井壁表面浸入pH为10.0的1 wt% BPEI溶液，吸附时间2mim；
.继续将模拟井壁表面浸入pH为10.0的1 wt% 的MTM上清液，使得BPEI高聚物层吸附上一层无机纳米蒙脱土，吸附时间2mim：
.循环交替步骤 至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的（BPEI/PAA/BPEI/MTM)n有机/无机复合膜。
室内测试结果：(BPEI/PAA/BPEI/MTM)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 14GPa，提高承压能力19MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失99%以上。
实施例8：制备PAH/MTM有机/无机复合为例
. 将模拟井壁表面浸入pH为8.0的1wt%正电荷的聚电解质分子 PAH溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim;
.继续将模拟井壁表面浸入pH为10.0的1wt% 的MTM上清液，使得PAH高聚物层吸附上一层无机纳米蒙脱土，吸附时间2mim：
.循环交替步骤 至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的(PAH/MTM)n有机/无机复合膜。
室内测试结果：(PAH/MTM)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 9.4GPa，提高承压能力11MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失80%以上。
实施例9：制备PAH/ SiO2 制备有机/无机复合膜为例
. 将模拟井壁表面浸入pH为8.0的1wt%正电荷的聚电解质分子 PAH溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim;
.继续将模拟井壁表面浸入纳米SiO2球形粒子微乳液，使得PAH高聚物层吸附上一层无机纳米SiO2，吸附时间2mim；
.循环交替步骤 至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的(PAH/SiO2)n有机/无机复合膜。
室内测试结果：(PAH/SiO2)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 7.8GPa，提高承压能力9.1MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失99%以上。
实施例10：PAH/ CaCO3有机/无机复合为例
. 将模拟井壁表面浸入pH为8.0的1wt%正电荷的聚电解质分子 PAH溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim；
.继续将模拟井壁表面浸入0.1wt%纳米CaCO3粒子微乳液，使得PAH高聚物层吸附上一层无机纳米SiO2，吸附时间2mim；
.循环交替步骤 至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的(PAH/ CaCO3 )n有机/无机复合膜。
室内测试结果：(PAH/CaCO3)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 6.7GPa，提高承压能力10.5MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失99%以上。
实施例11：PAH/ MTM/ PAH/ CaCO3有机/无机复合为例
. 将模拟井壁表面浸入pH为8.0的1wt%正电荷的聚电解质分子 PAH溶液，在其表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；吸附时间2mim；
.继续将模拟井壁表面浸入pH为10.0的1wt% 的MTM上清液，使得PAH高聚物层吸附上一层无机纳米蒙脱土，吸附时间2mim；
.再将模拟井壁表面浸入pH为8.0的1wt%正电荷的聚电解质分子 PAH溶液，吸附时间2mim；
.继续将模拟井壁表面浸入0.1wt%纳米CaCO3粒子微乳液，使得PAH高聚物层吸附上一层无机纳米SiO2，吸附时间2mim
.循环交替步骤 至所需层数，即可在模拟井壁表面形成所需厚度的结构致密和机械性能优异的(PAH/MTM/ PAH/CaCO3)n有机/无机复合膜。
室内测试结果：(PAH/MTM/PAH/CaCO3)20有机/无机复合膜杨氏模量 ≥ 13.6GPa，提高承压能力17.3MPa。抗滤失性实验结果表明，此有机/无机复合薄膜可以降低水的滤失99%以上。
Claims (5)
1.一种增加井壁稳定性并降低滤失的方法，其特征在于，在油气钻井中，在井壁上进行高分子聚电解质/无机矿物的交替仿生矿化沉积形成有机/无机复合膜，包括如下步骤：
(1)首先在油气井中注入与地层表面吸附结合的聚电解质溶液，在井壁表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；
(2)继续在油气井中注入纳/微米无机矿物分散液，或者无机微纳米粒子与聚阴离子电解质的复合物，在步骤1获得带正电荷的聚电解质吸附层表面进行吸附，形成无机矿物层；
(3)重复上述聚电解质/无机矿物的注入/吸附步骤至一定的循环次数，在井壁表面形成聚电解/无机矿物的交替仿生矿化沉积，形成有机/无机复合膜；
或采取如下的步骤：
A.首先注入与地层表面吸附结合的聚电解质溶液，在井壁表面形成带正电荷的聚电解质吸附层；
B.继续注入带负电荷的聚电解质溶液，使得吸附有正电荷聚电解质的井壁再吸附上一层带负电荷的聚电解质吸附层；
C.选择注入与步骤(1)相同或者不同的带正电荷的聚电解质分子溶液，形成聚电解质吸附层；
D.继续在油气井中注入纳/微米无机矿物分散液，或者无机微纳米粒子与聚阴离子电解质的复合物，在步骤3获得的聚电解质吸附层表面进行吸附，形成无机矿物层；
E.重复上述A、B、C、D聚电解质/无机矿物的注入吸附步骤至一定的循环次数，在井壁表面形成聚电解/无机矿物的交替仿生矿化沉积，形成有机/无机复合膜。
2.根据权利要求1所述的增加井壁稳定性并降低滤失的方法，其特征在于，所述的带正电荷的聚电解质选自聚二烯丙基二甲基氯化铵、聚烯丙基胺盐酸盐、支化聚乙烯亚胺溶液中的任一种。
3.根据权利要求1所述的增加井壁稳定性并降低滤失的方法，其特征在于，所述的带负电荷的聚电解质选自聚乙烯基苯磺酸钠、聚丙烯酸的任一种。
4.根据权利要求1所述的增加井壁稳定性并降低滤失的方法，其特征在于，所述的纳/微米无机矿物分散液选自碳酸钙、蒙脱土、二氧化硅的任一种。
5.根据权利要求1所述的增加井壁稳定性并降低滤失的方法，其特征在于，所述的无机微纳米粒子与聚阴离子电解质的复合物为PAA-CaCO3复合物。
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