CN104610943A - 水基纳米钻井液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水基纳米钻井液，包括分散在水中的如下成分：基浆，聚胺抑制剂，占钻井液体积的0.5%-3%，封堵剂，占钻井液质量的0.5%-2%，可变形封堵聚合物，占钻井液质量的0.5%-3%，润滑剂，占钻井液体积的0.5%-2%；其中，基浆包括如下成分：膨润土，占钻井液质量的1.5-4%，碳酸钠，占钻井液质量的0.1-0.3%，氢氧化钠，占钻井液质量的0.1-0.3%，低粘聚阴离子纤维素，占钻井液质量的0.8-2%，生物聚合物黄原胶，占钻井液质量的0.1-0.3%，部分水解聚丙烯酰胺，占钻井液质量的0.1-0.3%，以及用于调节钻井液比重的重晶石。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井勘探领域，具体涉及一种水基纳米钻井液及其制备方法。
背景技术
随着全球非常规石油钻井勘探和国内页岩气开发的兴起，以及全世界各油田的开发逐渐进入中后期，钻井作业的难度和油气井开发成本都在急剧地增加。典型的高难度井有超深井、高温井、高压井、大位移井和深水井，在多数情况下，井身剖面设计越复杂，在钻井中遇到的井下复杂情况也越来越多。
在非常规石油钻井勘探、水平井，多分支井钻井过程中经常遇到扭矩过大、机械钻速低、井眼失稳、起下钻遇阻、卡钻、井漏、和油气储集层地层伤害等问题。并且，目前在非常规油气（如页岩油（气））水平井钻探中，由于钻井过程中遇到泥页岩地层时，脆性页岩微裂缝较多，孔径非常小，传统的水基钻井液很难对其形成有效封堵，因此常引起井壁掉块和坍塌、井漏、压差粘附卡钻、产油产气储层伤害等复杂和事故的发生，甚至严重的井下、设备的安全事故，造成巨大的经济损失。无论国内、国外，解决这些问题的传统方法是采用油基泥浆和合成基钻井液。油基泥浆的润滑性，抑制性很好，但封堵性较弱，原因是可选用的封堵材料有限。而且油基泥浆在钻进中产生的钻屑，污水，废泥浆等对环境污染严重，处理工艺复杂，成本极高。随着环保部门对钻屑、钻井液废弃物等排放的控制日益严格，油基和合成基钻井液的使用在成本和环保方面受到很大程度的限制。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可替代油基泥浆的水基纳米钻井液及其制备方法。
本发明提供的水基纳米钻井液，包括分散在水中的如下成分：
基浆，
聚胺抑制剂，占水基纳米钻井液体积的0.5%-3%，
封堵剂，占水基纳米钻井液质量的0.5%-2%，
可变形封堵聚合物，占水基纳米钻井液质量的0.5%-3%，
润滑剂，占水基纳米钻井液体积的0.5%-2%；
其中，基浆包括如下成分：
膨润土，占水基纳米钻井液质量的1.5-4%，
碳酸钠，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
氢氧化钠，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
低粘聚阴离子纤维素，占水基纳米钻井液质量的0.8-2%，
生物聚合物黄原胶，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
部分水解聚丙烯酰胺，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
以及用于调节水基纳米钻井液比重的重晶石。
优选地，基浆中还包括氯化钾，其占水基纳米钻井液质量的3-6%。
优选地，上述的水基纳米钻井液由分散在水中的如下成分构成：
基浆，
聚胺抑制剂，占水基纳米钻井液体积的3%，
封堵剂，占水基纳米钻井液质量的2%，
可变形封堵聚合物，占水基纳米钻井液质量的3%，
润滑剂，占水基纳米钻井液体积的2%；
氯化钾，其占水基纳米钻井液质量的4%；
其中，基浆包括如下成分：
膨润土，占水基纳米钻井液质量的2%，
碳酸钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
氢氧化钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
低粘聚阴离子纤维素，占水基纳米钻井液质量的1%，
生物聚合物黄原胶，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
部分水解聚丙烯酰胺，占水基纳米钻井液质量的0.3%，
以及用于调节水基纳米钻井液比重的重晶石。
优选地，所述聚胺抑制剂为Claytrol。
优选地，封堵剂为ZHFD-1。
优选地，所述润滑剂为PF-lube。
优选地，所述可变形封堵聚合物为PF-AQUALSEAL。
本发明提供上述的水基纳米钻井液的制备方法，包括如下步骤：
1）按照所述量，在水中加入碳酸钠，溶解后，加入膨润土，搅拌养护；
2）搅拌下，在步骤1）养护好的混悬液中加入除重晶石之外的其它成分；
3）在步骤2）得到的混合物中加入重晶石以调节水基纳米钻井液比重。
本发明的水基纳米钻井液能够达到以下效果：
1、本发明的水基纳米钻井液与传统水基钻井液相比，具有更强的抑制性，封堵性，润滑性，能在非常规油气（如页岩油（气））水平井钻探中替代油基钻井液，解决由于泥岩水化膨胀而缩径，以及页岩裂缝发育而井壁坍塌造成的井下事故和复杂；与传统的油基泥浆相比，具有成本低、后期岩屑处理简单、应用安全、环保等特点，是非常规石油钻井勘探、水平井，多分支井钻井工程中首选的钻井液。
2、本发明的水基纳米钻井液，具有油基钻井液的多种优良性能，可有效稳定泥岩和页岩、提高岩屑的完整性和提高机械钻井速度、降低井下钻具的扭矩和阻力，减少滑动钻进中的托压问题。
3、本发明的水基纳米钻井液与普通水基钻井液相比，有效地解决了钻井过程中的井壁失稳，垮塌、井漏、压差粘附卡钻、储集层伤害等技术难题，可大幅度节省钻井周期和完井时间，提高采收率。
4、本发明的水基纳米钻井液与油基钻井液相比，可大幅度节省钻井总成本，并有效地解决了油基钻井液与环境保护和废弃物处理问题。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供的水基纳米钻井液，包括分散在水中的如下成分：
基浆，
聚胺抑制剂，占水基纳米钻井液体积的0.5%-3%，
封堵剂，占水基纳米钻井液质量的0.5%-2%，
可变形封堵聚合物，占水基纳米钻井液质量的0.5%-3%，
润滑剂，占水基纳米钻井液体积的0.5%-2%；
其中，基浆中包括如下成分：
膨润土，占水基纳米钻井液质量的1.5-4%，
碳酸钠，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
氢氧化钠，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
低粘聚阴离子纤维素，占水基纳米钻井液质量的0.8-2%，
生物聚合物黄原胶，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
部分水解聚丙烯酰胺，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
以及用于调节水基纳米钻井液比重的重晶石，按实际需要控制重晶石的添加量。
本发明的上述钻井液体系引入该体系专用的具有阳离子特征，分子量又较低的聚胺抑制剂作为主要抑制剂。其独特的纳米级颗粒和物理化学特性，使其在加入水基钻井液时就能够迅速进入到粘土晶层之间，封堵了其他离子或水分子的进入，同时利用聚胺和大分子包被剂部分水解聚丙烯酰胺 的协同作用，有效的防止了粘土的水化、分散和膨胀，同时有效的保持地层的稳定性和钻井液的稳定性。另外，加入可变形封堵聚合物PF-AQUALSEAL（其为纳米级颗粒）和环保型润滑剂，提高了体系的封堵效果和润滑性，同时保持了水基钻井液的环保特性。该体系具有良好的抑制性、滤失性、处理剂之间的配伍性，可防止钻头和井下钻具的泥包，提高固控设备的工作效率，有利于保护油气层,降低对油气层的损害，提高油气储集层的渗透率恢复值。
以下以具体实施例对本发明进行进一步说明，在下述实施例中：
聚胺抑制剂为购自开平联技化工有限公司的Claytrol。
封堵剂为购自北京宏勤石油助剂有限公司的ZHFD-1。
可变形封堵聚合物为购自天津中海油服化学有限公司的PF-AQUALSEAL。
润滑剂为购自天津中海油服化学有限公司的PF-lube。
部分水解聚丙烯酰胺为购自山东聚鑫化工有限公司的PHPA。
实施例1
一、本实施例的水基纳米钻井液由分散在水中的如下成分构成：
基浆，
聚胺抑制剂，占水基纳米钻井液体积的3%，
封堵剂，占水基纳米钻井液质量的2%，
可变形封堵聚合物，占水基纳米钻井液质量的3%，
润滑剂，占水基纳米钻井液体积的2%；
其中，基浆中包括如下成分：
膨润土，占水基纳米钻井液质量的2%，
碳酸钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
氢氧化钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
低粘聚阴离子纤维素，占水基纳米钻井液质量的1%，
生物聚合物黄原胶，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
部分水解聚丙烯酰胺，占水基纳米钻井液质量的0.3%，
重晶石, 占水基纳米钻井液质量的52.8%，
氯化钾，其占水基纳米钻井液质量的4%。
二、本实施例的水基纳米钻井液的制备方法如下：
1．膨润土浆配制程序
1）在淡水中加入碳酸钠，低速搅拌至完全溶解；
2）加量入膨润土，低速搅拌1h后养护24h；
3）将养护好的膨润土混合物低速搅拌20min，淡水稀释至所需浓度,低速继续搅拌20min，得膨润土浆。
2．钻井液配制程序
1)取步骤1制得的膨润土浆，将钻井液中除重晶石之外的其余成分在110000r／min的剪切速率下加入；
2）加入重晶石加重，然后搅拌20min即配成钻井液。
三、本实施例的水基纳米钻井液性能测定及结果如下：
在50℃测试热滚前钻井液流变性能；
热滚120℃×16h后， 冷却至室温，钻井液110000r／min高速搅拌10min，在50℃测试流变性能及中压、高温高压滤失量。
本实施例的钻井液性能测定结果如下：
表中，YP代表钻井液的屈服值，YP/PV代表钻井液的动塑比，FLAPI代表钻井液的API虑失量， FLHTHP代表钻井液的高温高压虑失量。
四、本实施例的水基纳米钻井液的润滑系数对比实验：
| 钻井液 | 时间，5min | 时间，10min |
| 对比例1 | 0.082 | 0.01 |
| 本实施例的水基纳米钻井液 | 0.054 | 0.046 |
上表中，对比例1的成分及制备方法与本实施例相似，区别仅在于对比例1的水基纳米钻井液中未加入润滑剂。
从上表结果可看出，本实施例的水基钻井液具有卓越的润滑性、机械钻速的大幅提高、有效地防止钻头泥包、有效防止定向钻进中的托压问题、抗高温高压、复杂环境条件下良好的性能稳定性。本实施例的水基纳米钻井液可缩短常规水基钻井液和油基钻井液在处理井下复杂情况和储层保护之间的差距, 提升了大位移井、分支井、水平井的钻井效率。
五、本实施例的水基纳米钻井液对泥岩的抑制性对比实验：
| 配方 | 一次回收率，% | 二次回收率，% |
| 清水 | 11.93 | 3.2 |
| 基浆 | 59.77 | 31.2 |
| 对比例2 | 94.27 | 73.57 |
| 本实施例的水基纳米钻井液 | 93.77 | 89.03 |
上表中，对比例2的成分及制备方法与本实施例相似，区别仅在于对比例2的水基纳米钻井液中未加入可变形封堵聚合物。
从上表结果可看出，本实施例的水基钻井液改善页岩气水平井钻进的井眼稳定性——控制剥落和坍塌、抑制粘土水化膨胀、保持钻屑的完整性、防止水化分散、提高有害固相的清除效率、封堵微裂缝，阻止滤液侵入地层。
六、本实施例的水基纳米钻井液的封堵性对比实验
测定不同的钻井液在不同的压力和时间下的滤失量，结果如下：
上表中，瞬时滤失V1=2(2V7.5-V30)；PPT滤失VPPT=2V30； 静态滤失速率Vsf=2(V30-V7.5)/2.739。
上表中，对比例3的成分及制备方法与本实施例相似，区别仅在于对比例3的水基纳米钻井液中未加入封堵剂。
本实施例的水基纳米钻井液中可变形封堵聚合物PF-AQUALSEAL-封堵微裂缝——颗粒分布为0.2微米产品；配合封堵剂，均匀分散为纳米级微粒，嵌入并有效封堵泥页岩微裂缝；与盐水相配合形成半透膜，增强井眼稳定性和减小孔隙压力传递。
实施例2
一、本实施例的水基纳米钻井液由分散在水中的如下成分构成：
基浆，
聚胺抑制剂，占水基纳米钻井液体积的 0.5 %，
封堵剂，占水基纳米钻井液质量的 0.5%，
可变形封堵聚合物AQUALSEAL，占水基纳米钻井液质量的 0.5 %，
润滑剂，占水基纳米钻井液体积的0.5 %；
其中，基浆中包括如下成分：
膨润土，占水基纳米钻井液质量的2%，
碳酸钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
氢氧化钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
低粘聚阴离子纤维素，占水基纳米钻井液质量的1 %，
生物聚合物黄原胶，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
部分水解聚丙烯酰胺，占水基纳米钻井液质量的0.3%，
重晶石, 占水基纳米钻井液质量的52.8%，
氯化钾，其占水基纳米钻井液质量的4%。
二、本实施例的水基纳米钻井液的制备方法同实施例1。
三、本实施例的水基纳米钻井液性能测定及结果如下：
在50℃测试热滚前钻井液流变性能；
热滚120℃×16h后， 冷却至室温，钻井液110000r／min高速搅拌10min，在50℃测试流变性能及中压、高温高压滤失量。
本实施例的钻井液性能测定结果如下：
四、本实施例的水基纳米钻井液的润滑系数测定结果：
| 时间 | 时间，5min | 时间，10min |
| 润滑系数 | 0.092 | 0.079 |
五、本实施例的水基纳米钻井液对泥岩的抑制性测定结果：
| 一次回收率，% | 二次回收率，% |
| 83% | 65% |
六、本实施例的水基纳米钻井液的封堵性对比实验
实施例3
一、本实施例的水基纳米钻井液由分散在水中的如下成分构成：
基浆，同上
聚胺抑制剂，占水基纳米钻井液体积的1.75 %，
封堵剂，占水基纳米钻井液质量的1.25 %，
可变形封堵聚合物AQUALSEAL，占水基纳米钻井液质量的1.75%，
润滑剂，占水基纳米钻井液体积的1.25%；
其中，基浆中包括如下成分：
膨润土，占水基纳米钻井液质量的2%，
碳酸钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
氢氧化钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
低粘聚阴离子纤维素，占水基纳米钻井液质量的1 %，
生物聚合物黄原胶，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
部分水解聚丙烯酰胺，占水基纳米钻井液质量的0.3%，
重晶石, 占水基纳米钻井液质量的52.8%，
氯化钾，其占水基纳米钻井液质量的4 %。
二、本实施例的水基纳米钻井液的制备方法同实施例1。
三、本实施例的水基纳米钻井液性能测定及结果如下：
在50℃测试热滚前钻井液流变性能；
热滚120℃×16h后， 冷却至室温，钻井液110000r／min高速搅拌10min，在50℃测试流变性能及中压、高温高压滤失量。
本实施例的钻井液性能测定结果如下：
四、本实施例的水基纳米钻井液的润滑系数测定结果：
| 时间 | 时间，5min | 时间，10min |
| 润滑系数 | 0.061 | 0.052 |
五、本实施例的水基纳米钻井液对泥岩的抑制性测定结果：
| 一次回收率，% | 二次回收率，% |
| 91.2 | 86.3 |
六、本实施例的水基纳米钻井液的封堵性对比实验
实施例4
一、本实施例的水基纳米钻井液由分散在水中的如下成分构成：
基浆，
聚胺抑制剂，占水基纳米钻井液体积的3%，
封堵剂，占水基纳米钻井液质量的2 %，
可变形封堵聚合物，占水基纳米钻井液质量的3 %，
润滑剂，占水基纳米钻井液体积的2 %；
其中，基浆中包括如下成分：
膨润土，占水基纳米钻井液质量的 1.5%，
碳酸钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
氢氧化钠，占水基纳米钻井液质量的0.1 %，
低粘聚阴离子纤维素，占水基纳米钻井液质量的0.8%，
生物聚合物黄原胶，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
部分水解聚丙烯酰胺，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
重晶石, 占水基纳米钻井液质量的54%，
氯化钾，其占水基纳米钻井液质量的3 %。
二、本实施例的水基纳米钻井液的制备方法同实施例1。
三、本实施例的水基纳米钻井液性能测定及结果如下：
在50℃测试热滚前钻井液流变性能；
热滚120℃×16h后， 冷却至室温，钻井液110000r／min高速搅拌10min，在50℃测试流变性能及中压、高温高压滤失量。
本实施例的钻井液性能测定结果如下：
四、本实施例的水基纳米钻井液的润滑系数测定结果：
| 时间 | 时间，5min | 时间，10min |
| 润滑系数 | 0.055 | 0.047 |
五、本实施例的水基纳米钻井液对泥岩的抑制性测定结果：
| 一次回收率，% | 二次回收率，% |
| 93.67 | 88.6 |
六、本实施例的水基纳米钻井液的封堵性对比实验
实施例5
一、本实施例的水基纳米钻井液由分散在水中的如下成分构成：
基浆，
聚胺抑制剂，占水基纳米钻井液体积的3%，
封堵剂，占水基纳米钻井液质量的2%，
可变形封堵聚合物，占水基纳米钻井液质量的3 %，
润滑剂，占水基纳米钻井液体积的2 %；
其中，基浆中包括如下成分：
膨润土，占水基纳米钻井液质量的4 %，
碳酸钠，占水基纳米钻井液质量的0.3 %，
氢氧化钠，占水基纳米钻井液质量的0.3%，
低粘聚阴离子纤维素，占水基纳米钻井液质量的2 %，
生物聚合物黄原胶，占水基纳米钻井液质量的0.3%，
部分水解聚丙烯酰胺，占水基纳米钻井液质量的0.3 %，
重晶石, 占水基纳米钻井液质量的48 %，
氯化钾，其占水基纳米钻井液质量的6 %。
二、本实施例的水基纳米钻井液的制备方法同实施例1。
三、本实施例的水基纳米钻井液性能测定及结果如下：
在50℃测试热滚前钻井液流变性能；
热滚120℃×16h后， 冷却至室温，钻井液110000r／min高速搅拌10min，在50℃测试流变性能及中压、高温高压滤失量。
本实施例的钻井液性能测定结果如下：
四、本实施例的水基纳米钻井液的润滑系数测定结果：
| 时间 | 时间，5min | 时间，10min |
| 润滑系数 | 0.053 | 0.045 |
五、本实施例的水基纳米钻井液对泥岩的抑制性测定结果：
| 一次回收率，% | 二次回收率，% |
| 94 | 89.8 |
六、本实施例的水基纳米钻井液的封堵性对比实验
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种水基纳米钻井液，其特征在于，包括分散在水中的如下成分：
基浆，
聚胺抑制剂，占水基纳米钻井液体积的0.5%-3%，
封堵剂，占水基纳米钻井液质量的0.5%-2%，
可变形封堵聚合物，占水基纳米钻井液质量的0.5%-3%，
润滑剂，占水基纳米钻井液体积的0.5%-2%；
其中，基浆包括如下成分：
膨润土，占水基纳米钻井液质量的1.5-4%，
碳酸钠，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
氢氧化钠，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
低粘聚阴离子纤维素，占水基纳米钻井液质量的0.8-2%，
生物聚合物黄原胶，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
部分水解聚丙烯酰胺，占水基纳米钻井液质量的0.1-0.3%，
以及用于调节水基纳米钻井液比重的重晶石。
2.根据权利要求1所述的水基纳米钻井液，其特征在于，基浆中还包括氯化钾，其占水基纳米钻井液质量的3-6%。
3.根据权利要求2所述的水基纳米钻井液，其特征在于，由分散在水中的如下成分构成：
基浆，
聚胺抑制剂，占水基纳米钻井液体积的3%，
封堵剂，占水基纳米钻井液质量的2%，
可变形封堵聚合物，占水基纳米钻井液质量的3%，
润滑剂，占水基纳米钻井液体积的2%；
氯化钾，其占水基纳米钻井液质量的4%；
其中，基浆包括如下成分：
膨润土，占水基纳米钻井液质量的2%，
碳酸钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
氢氧化钠，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
低粘聚阴离子纤维素，占水基纳米钻井液质量的1%，
生物聚合物黄原胶，占水基纳米钻井液质量的0.1%，
部分水解聚丙烯酰胺，占水基纳米钻井液质量的0.3%，
以及用于调节水基纳米钻井液比重的重晶石。
4.根据权利要求1~3任一项所述的水基纳米钻井液，其特征在于，
所述聚胺抑制剂为Claytrol。
5.根据权利要求1~3任一项所述的水基纳米钻井液，其特征在于，封堵剂为ZHFD-1。
6.根据权利要求1~3任一项所述的水基纳米钻井液，其特征在于，所述润滑剂为PF-lube。
7.根据权利要求1~3任一项所述的水基纳米钻井液，其特征在于，所述可变形封堵聚合物为PF-AQUALSEAL。
8.根据权利要求1~7任一项所述的水基纳米钻井液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）按照所述量，在水中加入碳酸钠，溶解后，加入膨润土，搅拌养护；
2）搅拌下，在步骤1）养护好的混悬液中加入除重晶石之外的其它成分；
3）在步骤2）得到的混合物中加入重晶石以调节水基纳米钻井液比重。
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