CN104513651B - 一种能够提高油井固井质量的钻井液添加剂 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于石油钻井工程的能够提高固井质量的钻井液添加剂，是一种由超细无机短纤维、纳米超细晶体、半刚性纤维、柔性颗粒、表面改性剂等构成的混合体，组份根据作用机理分为泥饼硬化剂、界面亲和剂和界面清洗剂，各自的质量百分含量分别为：硬化剂10％‑90％，界面亲和剂5％‑70％，界面清洗剂2％‑10％。界面亲和剂由纳米超细晶体、半刚性纤维、柔性颗粒构成，各自的质量百分含量分别为：纳米超细晶体30％‑90％，半刚性纤维10％‑50％，柔性颗粒1％‑20％。该石油钻井液添加剂能够增强固井界面的胶结强度，有效提高油井的固井质量。该石油钻井液添加剂加量少、施工方便、对钻井液的主要性能几乎无影响。

Description

一种能够提高油井固井质量的钻井液添加剂
技术领域
本发明涉及一种用于石油钻井工程的能够提高固井质量的钻井液添加剂。
背景技术
在钻井完井过程中，完井固井质量的好坏直接影响到油井的开发效率和成本。固井施工中，在第一界面和第二界面上存在泥浆黏附层，在渗透性地层井壁上会形成1-5毫米厚的泥饼。由于这些黏附泥浆以及形成的泥饼具有明显的层状结构，不能与水泥浆良好地胶结，固化性很差，形成了固井胶结的弱界面。在有地下活动的油气水存在的条件下，这些弱界面会形成油气水流通的通道，随着时间的延长，第一界面和第二界面的胶结明显变差，造成了固井质量明显下降。为解决界面胶结不良的问题，目前采用的方法有紊流顶替、活动套管(上提下放／旋转)、加套管附件(扶正器、导流器、刮泥器等)、采用隔离液和专用冲洗液等。但这些措施只取得部分效果。其中，用简单冲洗的方法只能除去部分浮泥饼，效果不理想，完全消除井壁上的泥饼无论在理论上还是实践中都是不可行的。20世纪90年代中期，美国壳牌石油公司研发出钻井液转化水泥浆技术之后，随即又开发出了多功能钻井液和高密度矿渣固井液技术。即在水基钻井液中加入具有活性的高炉水淬矿渣，固井时在激活剂渗透和扩散作用下，使附着于井壁岩石上的泥饼和未顶替干净、残留在环空的钻井液参与水泥水化反应和凝结固化。矿渣MTC固井技术在理论上能够固化井壁窝存的钻井液和泥饼，但随着研究的深入，发现即便是钻井液与固井液一体化，当顶替效率低于50％时，固井质量也很难保证。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石油钻井液添加剂，该石油钻井液添加剂能够增强泥饼强度，改善固井弱界面现象，丛而提高油井的固井质量，而对于泥浆的流变性能没有大的影响。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：钻井液添加剂是一种由超细无机短纤维、纳米超细晶体、半刚性纤维、柔性颗粒、表面改性剂等构成的混合体，组份根据作用机理分为泥饼硬化剂、界面亲和剂和界面清洗剂，各自的含量分别为：硬化剂10％-90％，界面亲和剂5％-70％，界面清洗剂2％-10％。
本发明所提供的硬化剂是指一些经过超细粉碎加工的无机矿物纤维，包括钾、钠、钙、镁等金属的硅酸盐、有机磷酸盐和铝酸盐矿物纤维和人工合成的晶须，纤维的长度为5-500微米，直径为0.5-10微米，其长径比在6-50之间。本发明不推荐使用石棉类的纤维材料。
本发明所提供的界面亲和剂由纳米超细晶体、半刚性纤维、柔性颗粒构成，各自的质量百分含量分别为：纳米超细晶体30％-90％，半刚性纤维10％-50％，柔性颗粒1％-20％。
上述纳米超细晶体是指可以在泥饼中留存的微细晶体材料，包括与水泥晶体相亲、作为水泥硬化结晶晶种的超细微米或纳米颗粒，这些颗粒由含二氧化钛的无机矿物制备而成，包括超细金红石粉、超细锐钛型钛白粉等。
上述半刚性纤维是指具有一定的变形能力、封堵能力和抗水泥浆滤液腐蚀能力的纤维颗粒，包括一些含水富镁铝的硅酸盐粘土矿物纤维、富镁硅酸盐矿物纤维以及一些人工合成的纤维，如聚丙烯腈、聚丙烯、聚氨酯、聚乙烯醇缩甲醛纤、聚对苯二甲酸乙二酯等合成的纤维。
上述柔性颗粒是指聚醋酸乙烯、聚丙烯酰胺交联体、聚苯乙烯丁二烯、乙丙橡胶等。
本发明所提供的界面清洗剂是指能够提高上述超细短纤维、超细晶体、半刚性纤维和柔性颗粒等在水基泥浆中的悬浮能力、并能改善泥浆流变性能的处理剂，包括磺化丹宁、磺化腐殖酸等含有极性基团的低分子聚合物。
本发明所提供的钻井液添加剂作用机理如下：硬化剂引入了泥饼硬化的增强因子，通过与水泥浆的相互作用，在泥饼内部形成类硅酸盐晶体，这些晶体可以形成较强的结构，增强了泥饼本身的强度，提高了泥饼的硬化性。上述超细无机短纤维通过与水泥浆的相互作用，在泥饼内部形成了类硅酸盐晶体，这些晶体形成了较强的结构，增强了泥饼本身的强度，提高了泥饼的硬化性；界面亲和剂中的纳米超细矿物晶体可以留存在泥饼空隙中的，诱导水泥浆滤液中的硅酸根离子和钙离子在泥饼的孔隙中结晶生长，提高泥饼的硬度和强度，并促进泥饼与水泥浆固化体紧密结合；半刚性纤维和柔性颗粒可封堵添塞地层孔道，并与水泥浆滤液中的钙离子形成螯合物，将水泥环-泥饼-井壁之间的物理结合转变为化学亲和，并能体改泥饼的致密性，对油井井壁的孔道起到封堵作用，防止泥饼的破坏并降低水泥浆滤液的流失；利用静电排斥作用和润滑作用，界面清洗剂中的极性基团能对泥浆颗粒产生包被、吸附、置换、分散等作用，进而可减少泥浆颗粒之间的吸附能力并破除颗粒之间的结构力，配合水力的冲刷，能有效清除浮泥饼，降低泥饼厚度，进而提高固井界面的胶接强度。
本发明所提供的石油钻井液添加剂是一种灰白色的纤维状固体混合物，可根据钻井要求取适量直接加入到水基钻井液中，溶解性好，加量少，施工方便。
本发明所提供的石油钻井液添加剂通过硬化、诱导和耦合等作用有效改进了钻井液泥饼的结构性能，减少了水泥环胶结的弱界面现象，增强了固井一、二界面的胶结强度，有效提高了油井的固井质量，但对钻井液的主要性能，如粘度、密度、滤失量等几乎没有影响。
具体实施方式
实施例1
按照下述配方配料：
硅酸铝晶须50％，纳米锐钛型钛白粉20％，富镁硅酸盐矿物纤维20％，醋酸乙烯5％，磺化丹宁5％，混合后可制得本发明的石油钻井液添加剂，在钻井液中加入量为1％-3％。考察该钻井液添加剂对固井界面胶结强度及钻井液主要性能的影响，结果如表1和表2所示。
表1本发明的石油钻井液添加剂对界面胶结强度的影响
表2本发明的石油钻井液添加剂对钻井液主要性能的影响
实施例2
按照下述配方配料：
硅酸钙晶须30％，超细金红石粉50％，聚丙烯腈10％，聚丙烯酰胺交联体5％，磺化腐殖酸5％，混合后可制得本发明的石油钻井液添加剂，在钻井液中加入量为1％-2％。考察该钻井液添加剂对固井界面胶结强度及钻井液主要性能的影响，结果如表3和表4所示。
表3本发明的石油钻井液添加剂对界面胶结强度的影响
表4本发明的石油钻井液添加剂对钻井液主要性能的影响

Claims (8)

1.一种能够提高油井固井质量的钻井液添加剂，其特征在于：所述添加剂的组分为泥饼硬化剂、界面亲和剂及界面清洗剂，各组分按照质量百分含量计算分别为：泥饼硬化剂10％-90％，界面亲和剂5％-70％，界面清洗剂2％-10％；上述泥饼硬化剂为超细无机短纤维，界面亲和剂由纳米超细晶体、半刚性纤维及柔性颗粒组成，界面清洗剂是一种表面改性剂。
2.根据权利要求1所述的能够提高油井固井质量的钻井液添加剂，其特征在于：所述超细无机短纤维是指经过超细粉碎加工的无机矿物纤维，包括钾、钠、钙或镁金属硅酸盐、有机磷酸盐和铝酸盐矿物纤维和人工合成的晶须，不使用石棉类的纤维材料；所述纤维的长度为5-500微米，直径为0.5-10微米，其长径比为6-50之间。
3.根据权利要求1所述的能够提高油井固井质量的钻井液添加剂，其特征在于：所述纳米超细晶体是指可以在泥饼中留存的微细晶体材料，包括与水泥晶体相亲、作为水泥硬化结晶晶种的超细微米或纳米颗粒，这些颗粒由含二氧化钛的无机矿物制备而成，包括超细金红石粉、超细锐钛型钛白粉。
4.根据权利要求1所述的能够提高油井固井质量的钻井液添加剂，其特征在于：所述半刚性纤维是指具有一定的变形能力、封堵能力和抗水泥浆滤液腐蚀能力的纤维颗粒，包括含水富镁铝的硅酸盐粘土矿物纤维、富镁硅酸盐矿物纤维以及人工合成的纤维。
5.根据权利要求1所述的能够提高油井固井质量的钻井液添加剂，其特征在于：所述柔性颗粒是指聚醋酸乙烯、聚丙烯酰胺交联体、聚苯乙烯丁二烯、乙丙橡胶。
6.根据权利要求1所述的能够提高油井固井质量的钻井液添加剂，其特征在于：界面亲和剂各组分按照质量百分含量计算分别为：纳米超细晶体30％-90％，半刚性纤维10％-50％，柔性颗粒1％-20％。
7.根据权利要求1所述的能够提高油井固井质量的钻井液添加剂，其特征在于：所述界面清洗剂是指能够提高超细无机短纤维、纳米超细晶体、半刚性纤维及柔性颗粒在水基泥浆中的悬浮能力、并能改善泥浆流变性能的处理剂，包括磺化单宁或磺化腐殖酸的含有极性基团的低分子聚合物。
8.根据权利要求4所述的能够提高油井固井质量的钻井液添加剂，其特征在于：所述半刚性纤维是聚丙烯晴、聚丙烯、聚氨酯、聚乙烯醇缩甲醛或聚对苯二甲酸乙二酯合成纤维。
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