CN104610937A - 一种环保型高密度无固相加重剂及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种环保型高密度无固相加重剂，各组分配比如下：分散剂0.02～0.05份、增粘剂0.3～1份、螯合剂0.5～1.2份、缓蚀剂0.6～2份，余量为可溶性加重材料。分散剂为聚丙烯酸钠、膦酰基羧酸共聚物中的一种或两种；增粘剂为壳聚糖、琼脂、聚丙烯酰胺、黄原胶、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种；螯合剂为氨基膦酸型螯合树脂、乙二胺四乙酸二钠中的一种或两种；缓蚀剂为多元聚羧酸、葡萄糖酸钠中一种或两种；可溶性加重材料为甲酸钾、柠檬酸钾、乙酸钾、硅酸钾、硫酸钾中一种或多种。工艺步骤：按照重量配比取各组分原料混合，并搅拌均匀；加入水中高温(70-80℃)溶解；蒸干，得到固体；将得到的固体粉碎成粉末，制得固体加重剂。

Description

一种环保型高密度无固相加重剂及制备方法
技术领域
本发明属于新材料，涉及钻井液、完井液领域，尤其与一种环保型高密度无固相加重剂及制备方法有关。
背景技术
目前，广泛用于钻井液、完井液的加重剂主要有重晶石粉、石灰石粉、铁矿粉和钛铁矿粉等。因它们的密度不同，提高钻井液、完井液密度的能力也不同，但有一个共同的特点就是以固相颗粒的形式存在于所加重的流体中。使用这类加重剂会增加大量的固相颗粒，一方面会导致钻井液、完井液流变性和润滑性变差，影响其性能调控；另一方面，加重剂固相颗粒会堵塞岩石孔道，影响油气层渗透率，导致油气层破坏，油气井产量降低。油气层受到损害后恢复十分困难，且费用极其昂贵，这种损害若发生在完井、修井或压井作业中，情况会更加严重。采用无固相钻井液可防止固相侵入对油层孔隙的堵塞和污染。油气田完井液或测试液一般都要求使用无固相的无机盐或有机盐溶液加重体系。
以无机盐为主剂的加重剂，主要由NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2、NaBr和ZnCl2中的一种或若干种配制而成，成本高，流变性差，对油管具有很强的腐蚀作用，且环保性差。以甲酸铯为主剂的加重剂，是近年来发展起来的新型体系，虽然可使钻井液在无固相的情况下将密度提升至2.3g/cm3，但使用温度不超过150℃，这是由于甲酸盐在高溶解情况下，大大降低了水溶液的活度，从而造成外加剂与甲酸盐水溶液相溶性差的问题，在高温情况下尤为突出；且甲酸铯占比高的钻井液成本是普通盐水15-20倍，推广成本极高。然而无论无机盐还是有机盐在淡水或海水中的溶解度都是一定的，所以普通的无固相完井液体系密度一般不会很高，这样给高温高压井完井液和测试液的选择造成极大困难。
因此，现有的加重剂中，没有一种加重剂能够同时具备高密度、无固相、抗高温、环保无毒的特性。本发明针对此，提供一种新型加重剂及其制备方法，同时具有高密度、无固相、抗高温、环保的特性，尤其适合储层埋藏深、高温高压的油气井，适用于完井、射孔、试油气、修井、压裂作业。
发明内容
本发明提供一种环保型高密度无固相加重剂，解决现有无固相钻井液、完井液密度不高，腐蚀严重，且抗高温高压稳定性差等问题，同时具有无固相、高密度、抗高温、环保无毒、价格适中等特性。其密度可调，配制溶液的密度范围大，最高可达1.828g/cm3；适用温度范围宽，且腐蚀性小，有利于保护井下钻具及其橡胶件；同时，对地层污染性小，能被环境自然分解；与地层水、水基钻井液等的配伍性好，尤其适合储层埋藏深、高温高压的油气井，适用于完井、射孔、试油气、修井、压井等作业。
为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：
一种环保型高密度无固相加重剂，其特征在于，其各组分按重量分数配比如下：
分散剂：0.02～0.05份；
增粘剂：0.3～1份；
螯合剂：0.5～1.2份；
缓蚀剂：0.6～2份；
可溶性加重材料：余量。
进一步，所述分散剂为聚丙烯酸钠、膦酰基羧酸共聚物中的一种或两种。
进一步，所述增粘剂为壳聚糖、琼脂、聚丙烯酰胺、黄原胶、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种。优选增粘剂为黄原胶、羟丙基甲基纤维素中的一种或两种。
进一步，所述螯合剂为氨基膦酸型螯合树脂、乙二胺四乙酸二钠中的一种或两种。
进一步，所述缓蚀剂为多元聚羧酸、葡萄糖酸钠中的一种或两种。
进一步，所述可溶性加重材料为甲酸钾、柠檬酸钾、乙酸钾、硅酸钾、硫酸钾中的一种或多种。
一种环保型高密度无固相加重剂的制备方法，其特征在于，采用高温增溶分散工艺，具体包括以下步骤：
(1)按照重量配比取各组分原料混合，并搅拌均匀；
(2)加入水中高温溶解；
(3)蒸干，得到固体；
(4)将得到的固体粉碎成粉末，制得固体加重剂。
其中，步骤(2)所述高温溶解的温度为70-80℃。
按照上述方案制得固体加重剂，再与水按照不同比例配制成1.031～1.828g/cm3的加重剂水溶液。
本发明的有益效果是：
1、按照本发明的方案制备的固体加重剂，与水配制成加重剂水溶液，其密度范围为1.031-1.828g/cm3，可根据固体加重剂与水占比调整密度范围，饱和溶液最高密度达1.828g/cm3，大大高于现有常用无固相加重剂的密度(现有常用无固相加重剂密度最高在1.570g/cm3左右)；
2、按照本发明的方案制备的固体加重剂，与水配制成加重剂水溶液，其适用温度范围宽，抗温达220℃，与水配制成加重剂饱和水溶液，其结晶温度达-35℃，粘度随老化温度升高而增大的趋势小，流变性好；
3、按照本发明的方案制备的固体加重剂，与水配制成加重剂饱和水溶液，其防膨率≥90％，对膨润土具有强抑制性；
4、按照本发明的方案制备的固体加重剂，与水配制成加重剂饱和水溶液，其润滑系数降低率≥90％，润滑性好；
5、按照本发明的方案制备的固体加重剂，与水配制成加重剂水溶液，其腐蚀速率低，腐蚀速率≤0.02mm/a，可有效保护井下管柱和工具免受腐蚀；
6、按照本发明的方案制备的固体加重剂，与水配制成加重剂水溶液，其岩心渗透率恢复值均≥96％，其对地层伤害小，能避免对储层的二次污染，环保性能好；
7、按照本发明的方案制备的固体加重剂，与水配制成加重剂水溶液，其对环境友好，对植物无毒性危害，能被环境自然分解吸收，用高浓度(1100mg/L)加重剂水溶液饲养红斑鱼，红斑鱼长期存活率为70％，对环境友好，对动物毒性危害小；
8、按照本发明的方案制备的固体加重剂，与水配制成加重剂饱和水溶液，其岩屑滚动回收率为大于95％，说明其抑制性极好；
9、采用甲酸钾、柠檬酸钾、乙酸钾、硅酸钾、硫酸钾等可溶性加重材料，相比现有技术，这些组分价格便宜，极大降低了原料成本；
10、与地层水、水基钻井液等配伍性好，尤其适合储层埋藏深、高温高压的油气井，适用于完井、射孔、试油气、修井、压裂作业。
附图说明
图1示出了红斑鱼死亡条数与加重剂水溶液浓度关系的对数曲线图。
具体实施方式
一种环保型高密度无固相加重剂，其各组分按重量分数配比如下：
分散剂：0.02～0.05份；
增粘剂：0.3～1份；
螯合剂：0.5～1.2份；
缓蚀剂：0.6～2份；
可溶性加重材料：余量。
具体的，所述分散剂选用聚丙烯酸钠、膦酰基羧酸共聚物中的一种或两种。
具体的，所述增粘剂选用壳聚糖、琼脂、聚丙烯酰胺、黄原胶、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种。作为优选，所述增粘剂为黄原胶、羟丙基甲基纤维素中的一种或两种。
具体的，所述螯合剂为氨基膦酸型螯合树脂、乙二胺四乙酸二钠中的一种或两种。
具体的，所述缓蚀剂为多元聚羧酸、葡萄糖酸钠中的一种或两种。
具体的，所述可溶性加重材料为甲酸钾、柠檬酸钾、乙酸钾、硅酸钾、硫酸钾中的一种或多种。
一种环保型高密度无固相加重剂的制备方法，采用高温增溶分散工艺，具体包括以下步骤：
(1)按照重量配比取各组分原料混合，并搅拌均匀；
(2)加入水中高温溶解；
(3)蒸干，得到固体；
(4)将得到的固体粉碎成粉末，制得固体加重剂。
其中，步骤(2)所述高温溶解的温度为70-80℃。
1、按照上述方案制备进行实施例1～10，获得不同组分配比情况下固体加重剂，具 体实施例1～10的固体加重剂组分配比如下表所示：
2、将实施例1～10中的固体加重剂进行溶解实验，分别与不同比例的水配制成加重剂水溶液，均完全溶解、无沉淀，具体配比与溶液密度关系如下表所示(密度在20℃条件下进行测试)：
  固体占比，％ 水占比，％ 密度(20℃)，g/cm3
实施例1 13.85 96.15 1.031
实施例2 13.80 86.20 1.114
实施例3 24.20 75.80 1.222
实施例4 32.40 67.60 1.316
实施例5 40.50 59.50 1.415
实施例6 46.80 53.20 1.495
实施例7 54.50 45.50 1.602
实施例8 60.90 39.10 1.709
实施例9 64.80 35.20 1.787
实施例10 70.90 29.10 1.828
上述溶解实验表明：本发明制备的加重剂水溶液，饱和溶液最高密度达1.828g/cm3，密度范围为1.031-1.828g/cm3，可根据固体加重剂与水占比调整密度范围。
3、分别对上述不同密度的加重剂水溶液进行凝点测试，具体测试结果如下表所示：
测试物料 凝点
加重剂水溶液1.031g/cm3 -5℃
加重剂水溶液1.114g/cm3 -8℃
加重剂水溶液1.222g/cm3 -14℃
加重剂水溶液1.316g/cm3 -20℃
加重剂水溶液1.415g/cm3 -26℃
加重剂水溶液1.495g/cm3 -28℃
加重剂水溶液1.602g/cm3 -30℃
加重剂水溶液1.709g/cm3 -32℃
加重剂水溶液1.787g/cm3 -35℃
加重剂水溶液1.828g/cm3 -35℃
上述凝点测试数据表明：加重剂饱和水溶液的凝点达-35℃，能满足高寒地区冬季作业需求。
4、对1.828g/cm3的加重剂水溶液进行高温老化及沉降实验，分别取350ml在80℃、160℃、220℃的温度环境下老化16小时，然后在常温条件下测试老化后加重剂水溶液的流变参数，测试数据如下表所示：
老化实验后，分别取100ml不同密度的加重剂水溶液，置于具塞量筒中进行沉降实验，放置7天，观测，均没有出现分层现象。
上述老化及沉降实验表明，加重剂水溶液在80℃、160℃、220℃温度条件下热滚16小时，密度无明显变化；80℃老化后，加重剂水溶液的粘度较常温基本无增长；220℃老化后时，加重剂水溶液粘度增长较少，且无沉降分层现象，说明其粘度随老化温度升高而增大的趋势小，流变性好，抗高温沉降稳定性好，抗温达220℃。
5、对1.828g/cm3的加重剂水溶液进行配伍性实验，实验方法为将加重剂水溶液与某水基钻井液按不同质量比例混合，测试混合前后钻井液的流变性能和密度，测试结果如下表所示：
上述配伍性实验表明，水基钻井液与加重剂混合后，无沉淀，密度增大，流变性能和高温高压滤失性能稳定，说明加重剂和水基钻井液配伍性良好。
6、对1.828g/cm3的加重剂水溶液进行扭矩和润滑系数降低率测试，测试方法为： 与水进行对比，在FANN 21200极压润滑仪上进行，测试结果如下所示：
温度℃ 测试介质 扭矩读值 润滑系数降低率，％
25 水 32 -
4 加重剂水溶液1.828g/cm3 2 93.8
25 加重剂水溶液1.828g/cm3 0.5 98.4
50 加重剂水溶液1.828g/cm3 0.5 98.4
75 加重剂水溶液1.828g/cm3 0.5 98.4
上述扭矩和润滑系数降低率测试数据表明，本发明制备的加重剂饱和水溶液，其润滑系数降低率≥90％，润滑性好。
7、对1.828g/cm3的加重剂水溶液进行防膨率测试，测试按照《SY/T5971-94注水用粘土稳定剂性能评价方法》第4节离心法测试防膨率执行，测试结果如下表所示：
测试物料 防膨率，％
清水 0
KCl 91.8
加重剂水溶液1.828g/cm3 94.6
上述防膨率测试数据表明，本发明制备的加重剂水溶液，其防膨率≥90％，说明其对膨润土具有强抑制性。
8、对1.828g/cm3的加重剂水溶液进行岩屑滚动回收率实验，实验方法为：分别取350ml加重剂水溶液、某井聚磺仿油基钻井液、某井氯化钾聚磺水基钻井液和自来水进行对比测试，分别与50.00g页岩屑(6目)混合，在100℃老化16小时后洗净，过40目筛，并于120℃烘干3小时后称重，计算得到岩屑滚动回收率，结果如下表所示：
测试物料 滚动回收率，％
某井聚磺仿油基钻井液 95.18
某井氯化钾聚磺水基钻井液 94.58
自来水 36.02
加重剂水溶液1.828g/cm3 95.32
上述岩屑滚动回收率实验表明，本发明制备的加重剂饱和水溶液，其岩屑滚动回收率为＞95％，说明其抑制性极好。
9、分别取密度为1.495g/cm3、1.828g/cm3的加重剂水溶液进行抗腐蚀实验，测试方法为：以A3钢片、13cr钢片、P110钢片为腐蚀样品，将预处理过的腐蚀样品悬挂全浸于不同密度的加重剂水溶液中，在80℃±2℃恒温干燥箱中静态挂片腐蚀7天后，清洗，计算腐蚀速率。具体测试结果如下表所示：
上述抗腐蚀实验表明，本发明制备的加重剂水溶液腐蚀速率低，腐蚀速率≤0.02mm/a，抗腐蚀性好，可有效保护井下管柱和工具免受腐蚀。
10、对加重剂水溶液进行岩心渗透率恢复值测试，岩心渗透率恢复值为96.1％，说明其对地层伤害小，能避免对储层的二次污染，环保性能好。
11、分别对加重剂水溶液进行植物毒性测试和动物毒性测试。
(1)植物毒性测试：
将实施例10的固体加重剂配制成浓度为2000mg/L的加重剂水溶液，分别在60天内持续浇灌一盆吊兰，同时用相同用量自来水以相同的浇灌方式浇灌一盆生长情况相同的吊兰，隔10天观察一次结果，实验结果如下所示：
上述植物毒性测试数据表明，经本发明制备的加重剂水溶液浇灌的吊兰正常生长，无异常，与用自来水浇灌的吊兰生长对比无明显差异，说明其对环境友好，对植物无毒性危害，能被环境自然分解吸收。
根据上表可得出，用浓度为2000mg/L加重剂水溶液浇灌植物，植物未出现死亡，即植物LC50≥2000mg/L。
(2)动物毒性测试：
根据《GB/T 13267-91 水质 物质对淡水鱼(斑马鱼)急性毒性测定方法》制定了本动物毒性测试方法：将实施例10的固体加重剂配制成浓度分别为200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、900mg/L、1000mg/L、1100mg/L的加重剂水溶液，在温度25℃，溶氧量＞4mg/L的条件下，在3500ml上述不同浓度的加重剂水溶液中分别饲养10条红斑鱼，观察其96h存活率，其实验条件和结果如下表所示：
上述动物毒性测试数据表明，用高浓度1100mg/L加重剂水溶液饲养红斑鱼，红斑鱼长期存活率为70％，对环境友好，对动物毒性危害小。
根据上表结果，绘制96h红斑鱼死亡条数与加重剂水溶液浓度关系的对数曲线，如图1所示。根据图1可得出，小鱼死亡尾数为5时的加重剂水溶液浓度为953mg/L，即动物LC50≥900mg/L。
本发明制备的加重剂水溶液，其植物毒性LC50≥2000mg/L，动物毒性LC50≥900mg/L，毒性小，无危害。
综上所述，通过本发明制备的固体加重剂，与水配制成的加重剂水溶液，其密度范围为1.031-1.828g/cm3，可根据固体加重剂与水占比调整密度范围，饱和溶液最高密度达1.828g/cm3，抗温220℃，与水配制成密度为1.828g/cm3的加重剂饱和水溶液，结晶温度达-35℃；饱和水溶液的600rpm转速粘度≥80mPa.s，粘度高；饱和水溶液在80℃、160℃、220℃温度条件下热滚16小时不分层，粘度、密度无明显变化；饱和水溶液润滑系数降低率≥90％，润滑性好；饱和水溶液防膨率≥90％，岩屑滚动回收率≥95％，抑制性好；腐蚀速率≤0.02mm/a，抗腐蚀性好；水溶液岩心渗透率恢复值≥96％，生物毒性为植物LC50≥2000mg/L，动物LC50≥900mg/L，可被环境自然降解，环保性好。与自来水、水基钻井液等混合无沉淀，有良好的配伍性，具有高密度、无固相、抗高温、环保无毒等特性。

Claims (9)

1.一种环保型高密度无固相加重剂，其特征在于，其各组分按重量分数配比如下：
分散剂：0.02～0.05份；
增粘剂：0.3～1份；
螯合剂：0.5～1.2份；
缓蚀剂：0.6～2份；
可溶性加重材料：余量。
2.根据权利要求1所述的环保型高密度无固相加重剂，其特征在于，所述分散剂为聚丙烯酸钠、膦酰基羧酸共聚物中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的环保型高密度无固相加重剂，其特征在于，所述增粘剂为壳聚糖、琼脂、聚丙烯酰胺、黄原胶、羟丙基甲基纤维素中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的环保型高密度无固相加重剂，其特征在于，所述增粘剂为黄原胶、羟丙基甲基纤维素中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的环保型高密度无固相加重剂，其特征在于，所述螯合剂为氨基膦酸型螯合树脂、乙二胺四乙酸二钠中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述的环保型高密度无固相加重剂，其特征在于，所述缓蚀剂为多元聚羧酸、葡萄糖酸钠中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的环保型高密度无固相加重剂，其特征在于所述可溶性加重材料为甲酸钾、柠檬酸钾、乙酸钾、硅酸钾、硫酸钾中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的环保型高密度无固相加重剂的制备方法，其特征在于，采用高温增溶分散工艺，包括以下步骤：
(1)按照重量配比取各组分原料混合，并搅拌均匀；
(2)加入水中高温溶解；
(3)蒸干，得到固体；
(4)将得到的固体粉碎成粉末，制得固体加重剂。
9.根据权利要求8所述的环保型高密度无固相加重剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述高温溶解的温度为70-80℃。
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