CN104710967A - 一种水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂，包括将淀粉、碱金属氢氧化物、卤代有机酸、碳酸盐、疏水改性剂、醇和水进行反应得到的产物以及纳米碳酸钙。本发明还提供了一种所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂的制备方法，包括将所述组分按所述配比加入捏合机中进行捏合，即得到所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂。本发明的暂堵剂具有较强的抗温性，抗温达140℃；并且具有良好的暂堵效果和显著的储层保护效果，加入该暂堵剂的水基钻井液具有很高的暂堵率及油相渗透率恢复率；同时本发明的暂堵剂具有自解堵能力，在后期返排时能够通过疏水通道的形成实现自解堵，无需进行酸洗解除泥饼等过程，避免了对储层造成二次伤害。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井过程中自解堵疏水暂堵技术领域，具体是一种适用于保护储层的水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂及其制备方法。
背景技术
在钻井过程中的储层保护技术，主要在于一方面尽量防止钻井液侵入储层；另一方面侵入的组分尽量不引起储层堵塞。暂堵技术是近年来钻井过程中主要采用的储层保护措施，这种技术主要是在钻井液中加入足够的与储层孔隙匹配的架桥和填充粒子，以形成近井带的暂堵环，有效阻止钻井液中的固相和滤液侵入储层造成各种伤害，油井完成后可通过射孔、酸溶、油溶等方式解堵，从而起到储层保护作用。自上世纪90年代我国成功发展和应用屏蔽暂堵技术以来，各种暂堵剂层出不穷，包括水溶性暂堵剂、酸溶性暂堵剂、碱溶性暂堵剂和油溶性暂堵剂，都得到了广泛地开发和应用。
然而，尽管大力推广了屏蔽暂堵技术并广泛应用了各种暂堵剂产品，目前我国在暂堵剂开发应用方面仍存在许多技术难题需要解决。一方面，暂堵剂的抗温性亟待加强。由于不耐温，普通暂堵剂在打入目的层后往往被降解，不能起到暂堵效果。另一方面，常规暂堵剂均存在固有缺点。酸溶性暂堵剂在酸洗解除泥饼过程中会对储层造成二次伤害。油溶性暂堵剂的缺点首先是油溶性暂堵剂的软化点不一定是其唯一合适的使用温度，在实际应用中应在保证使用温度与暂堵剂软化点合理匹配的基础上，依据其匹配关系确定暂堵剂粒度与岩心孔隙直径之间的匹配关系，而这实现起来往往比较困难。其次，油溶树脂类物质在返排解堵时会造成糊筛布现象，给现场施工造成不必要的麻烦。再次，油溶性暂堵剂抗温性能往往不够好。
自解堵疏水暂堵技术为解决上述问题提供了一种全新的思路，即将疏水改性粒子与疏水改性聚合物进行交联复合，利用疏水成分，通过泥饼产生疏水通道。在钻完井期间，该通道控制滤液的流入，同时在泥饼中能够形成有效的油流通道，使油气容易进入井眼。产生的泥饼对水的渗透率非常低，对油的渗透率则高得多，在投产时期逐渐在油流中自动解离，从而达到自解堵的效果。自解堵疏水暂堵技术无需使用化学破胶剂，同时克服了酸洗解除泥饼过程中对储层造成二次伤害的问题，是一种简便、高效、无副作用的暂堵技术，主要用于裸眼完井作业中，在非裸眼完井作业中依然具有其独特的优势。
蓝强等（CN102134479A）采用淀粉和辛烯基琥珀酸酐，在15%乙醇溶液中进行疏水化反应，并加入纳米碳酸钙制备出一种油层保护用钻井液处理剂。该处理剂能够有效降低油流启动压力，用于油层保护具有很高的渗透率恢复率，但其仅能抗温115℃。甄剑武等（CN102911647A）以2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、丙烯酸、丙烯酰胺、无机材料和无机铝盐交联剂、N、N-亚甲基双丙烯酰胺有机交联剂以及引发剂，在碱性条件下进行交联聚合反应，制备出一种钻井液用暂堵剂。该暂堵剂抗温达150℃，能有效封堵井壁喉道，减少滤液侵入储层，提高油气层产能。但其属于酸溶性暂堵剂，需靠酸化解堵恢复地层的渗透率。同时具有较强抗温性和自解堵能力的暂堵剂目前在国内未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有暂堵技术的不足而提供的一种抗温性较强、具有自解堵能力且储层保护效果显著的水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂，同时本发明还给出了其制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂，包括将淀粉、碱金属氢氧化物、卤代有机酸、碳酸盐、疏水改性剂、醇和水进行反应得到的产物以及纳米碳酸钙。
在本发明的一个优选实施方式中，所述暂堵剂包括将淀粉1000质量份、碱金属氢氧化物250-350质量份、卤代有机酸350-500质量份、碳酸盐50-150质量份、疏水改性剂120-250质量份、醇600-1000体积份和水50-150体积份进行反应得到的产物以及纳米碳酸钙800-1200质量份，其中质量份/体积份为克/毫升。
在本发明中将淀粉、碱金属氢氧化物、卤代有机酸、碳酸盐、疏水改性剂、醇和水进行反应得到的产物为带有疏水改性基团的淀粉颗粒。所述疏水改性基团选自结构式为：
和/或其中R选自H、CH3、CH2CH3和COCl中的任意一种。
在本发明的一个优选实施方式中，所述碱金属氢氧化物选自氢氧化锂、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，优选氢氧化钠。氢氧化钠的作用在于一方面进攻淀粉结构单元形成醚化反应活性中心，另一方面能够促进淀粉快速溶胀而使其分子内部通道打开，有利于醚化剂与淀粉充分接触反应。
在本发明的一个优选实施方式中，所述卤代有机酸选自氟代有机酸、氯代有机酸、溴代有机酸和碘代有机酸中的至少一种，优选氯乙酸。氯乙酸作为醚化剂，能够在淀粉结构单元中引入羧甲基基团，显著提高暂堵剂的抗温性。
在本发明的一个优选实施方式中，所述碳酸盐选自碳酸钠和/或碳酸钾，优选碳酸钠。碳酸钠能够促进疏水改性剂与淀粉结构单元之间的反应，使疏水改性反应更充分，得到的暂堵剂疏水程度更高，自解堵疏水暂堵效果更明显。
在本发明的一个优选实施方式中，所述淀粉为蜡质玉米淀粉。蜡质玉米淀粉中几乎全部是支链淀粉，其糊液稳定性好，不易老化，具有高度的膨胀性，是普通玉米淀粉的2.5倍，并且具有透明度高和成膜性好等优点。
在本发明的一个优选实施方式中，所述疏水改性剂选自苯甲酰氯、对甲基苯甲酰氯、对乙基苯甲酰氯、对苯二甲酰氯、苯甲酸钠和苯乙酸钠中的至少一种。
在本发明的一个优选实施方式中，所述纳米碳酸钙的吸油值（DOP）为25-40mL/100g，粒径为40-60nm。
在本发明的一个优选实施方式中，所述醇选自乙醇、丙醇和异丙醇中的至少一种，优选乙醇。乙醇作为反应介质，能够促进淀粉溶胀，同时使体系热量均匀散开，确保反应顺利进行。
本发明还提供了一种所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂的制备方法，包括将所述组分按所述配比加入捏合机中进行捏合，即得到所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂。
在本发明的一个优选实施方式中，所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂的制备方法按如下步骤进行：
(1)将淀粉置于捏合机中，加入碱金属氢氧化物的第一部分、醇的第一部分以及水进行捏合；
(2)在步骤(1)得到的捏合物中加入碱金属氢氧化物的第二部分、卤代有机酸以及醇的第二部分，继续进行捏合；
(3)在步骤(2)得到的捏合物中加入碳酸盐，继续进行捏合；
(4)在步骤(3)得到的捏合物中加入醇的第三部分和疏水改性剂，继续进行捏合；
(5)在步骤(4)得到的捏合物中加入纳米碳酸钙，继续进行捏合；
如此得到所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂。
优选的，在上述制备方法中，以1000质量份淀粉为基准，碱金属氢氧化物的第一部分为100-150质量份，碱金属氢氧化物的第二部分为150-200质量份；醇的第一部分为200-300体积份，醇的第二部分为200-300体积份，醇的第三部分为200-400体积份。
优选的，在上述制备方法中，将步骤(5)得到的捏合物出料后用有机溶剂洗涤3-5次，在55-70℃真空干燥并粉碎得到所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂；其中，所述有机溶剂选自乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮、乙醚和石油醚中的至少一种。
在本发明的最优选的一个实施方式中，所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂的制备方法按如下步骤进行：
(1)将1000质量份的淀粉置于捏合机中，加入100-150质量份的氢氧化钠、200-300体积份的乙醇以及50-150体积份的水，在温度20-30℃下密闭捏合反应50-80分钟；
(2)在步骤(1)得到的捏合物中加入150-200质量份的氢氧化钠、350-500质量份的氯乙酸以及200-300体积份的乙醇，在温度40-60℃下密闭捏合反应100-180分钟；
(3)将步骤(2)得到的捏合物冷却后，加入50-150质量份的碳酸钠，在温度20-30℃下密闭捏合反应40-80分钟；
(4)在步骤(3)得到的捏合物中加入200-400体积份的乙醇和120-250质量份的疏水改性剂，在温度30-50℃下密闭捏合反应60-120分钟；
(5)在步骤(4)得到的捏合物中加入800-1200质量份的纳米碳酸钙，在温度30-50℃下密闭捏合反应40-80分钟；
(6)停止搅拌，将温度降至室温，并继续放置3-6小时后，出料；随后用有机溶剂洗涤3-5次，在55-70℃下真空干燥、粉碎得所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂。
本发明的有益效果：
本发明与现有技术相比具有如下优势：
（1）本发明的暂堵剂具有较强的抗温性，抗温达140℃。
（2）本发明的暂堵剂具有良好的暂堵效果和显著的储层保护效果，加入该暂堵剂的水基钻井液具有很高的暂堵率及油相渗透率恢复率。
（3）本发明的暂堵剂具有自解堵能力，在后期返排时能够通过疏水通道的形成实现自解堵，无需进行酸洗解除泥饼等过程，避免了对储层造成二次伤害。
（4）本发明的暂堵剂对水基钻井液粘度影响不大，与各种钻井液处理剂配伍性良好。
（5）本发明的暂堵剂制备方法为捏合法，全过程在捏合机中进行，反应充分、均匀，反应量大，有机溶剂使用量小，生产成本较低，并大幅度降低对环境的压力。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明的范围并不限于以下实施例。
实施例1
本实施例的水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂的制备方法按如下步骤进行：
(1)将1000克淀粉置于捏合机中，加入100克氢氧化钠、200毫升丙醇以及100毫升水，在温度20℃下密闭捏合反应50分钟；
(2)在步骤(1)得到的捏合物中加入150克氢氧化钠、350克氯乙酸以及200毫升丙醇，升温至40℃，密闭捏合反应100分钟；
(3)将步骤(2)得到的捏合物冷却后，加入50克碳酸钠，在温度20℃下密闭捏合反应40分钟；
(4)在步骤(3)得到的捏合物中加入200毫升丙醇和120克对甲基苯甲酰氯，升温至30℃，密闭捏合反应60分钟；
(5)在步骤(4)得到的捏合物中加入800克纳米碳酸钙（吸油值为25mL/100g、粒径为40nm），在温度30℃下密闭捏合反应40分钟；
(6)停止搅拌，将温度降至室温，并继续放置3小时后，出料；随后用异丙醇洗涤3次，在55℃真空干燥24小时后粉碎得所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂。
本实施例的方法制备得到的水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂包括将淀粉1000克、氢氧化钠250克、氯乙酸350克、碳酸钠50克、疏水改性剂对甲基苯甲酰氯120克、丙醇600毫升和水100毫升进行反应得到的产物疏水改性淀粉以及纳米碳酸钙800克。
实施例2
本实施例的水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂的制备方法按如下步骤进行：
(1)将1000克淀粉置于捏合机中，加入150克氢氧化钠、250毫升乙醇以及50毫升水，在温度25℃下密闭捏合反应60分钟；
(2)在步骤(1)得到的捏合物中加入170克氢氧化钠、450克氯乙酸以及250毫升乙醇，升温至50℃，密闭捏合反应180分钟；
(3)将步骤(2)得到的捏合物冷却后，加入100克碳酸钠，在温度25℃下密闭捏合反应60分钟；
(4)在步骤(3)得到的捏合物中加入350毫升乙醇和180克苯甲酰氯，升温至40℃，密闭捏合反应90分钟；
(5)在步骤(4)得到的捏合物中加入900克纳米碳酸钙（吸油值为40mL/100g、粒径为60nm），在温度40℃下密闭捏合反应60分钟；
(6)停止搅拌，将温度降至室温，并继续放置4小时后，出料；随后用乙醇洗涤4次，在60℃真空干燥24小时后粉碎得所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂。
本实施例的方法制备得到的水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂包括将淀粉1000克、氢氧化钠320克、氯乙酸450克、碳酸钠100克、疏水改性剂苯甲酰氯180克、乙醇850毫升和水50毫升进行反应得到的产物疏水改性淀粉以及纳米碳酸钙900克。
实施例3
本实施例的水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂的制备方法按如下步骤进行：
(1)将1000克淀粉置于捏合机中，加入150克氢氧化钠、300毫升异丙醇以及150毫升水，在温度30℃下密闭捏合反应80分钟；
(2)在步骤(1)得到的捏合物中加入200克氢氧化钠、500克氯乙酸和300毫升异丙醇，升温至60℃，密闭捏合反应150分钟；
(3)将步骤(2)得到的捏合物冷却后，加入150克碳酸钠，在温度30℃下密闭捏合反应80分钟；
(4)在步骤(3)得到的捏合物中加入400毫升异丙醇和250克苯乙酸钠，升温至50℃，密闭捏合反应120分钟；
(5)在步骤(4)得到的捏合物中加入1200克纳米碳酸钙（吸油值为35mL/100g、粒径为50nm），在温度50℃下密闭捏合反应80分钟；
(6)停止搅拌，将温度降至室温，并继续放置6小时后，出料；随后用石油醚洗涤5次，在70℃真空干燥24小时后粉碎得所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂。
本实施例的方法制备得到的水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂包括将淀粉1000克、氢氧化钠350克、氯乙酸500克、碳酸钠150克、疏水改性剂苯乙酸钠250克、异丙醇1000毫升和水150毫升进行反应得到的产物疏水改性淀粉以及纳米碳酸钙1200克。
实施例4
本发明的水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂的性能评价：
以现场常用水基钻井液基本配方为基础，测定自解堵抗温暂堵剂的性能。
实验浆采用以下配方：5%膨润土浆+0.3%纯碱+0.2%烧碱+0.1%聚丙烯酰胺干粉+0.3%改性铵盐+0.3%低粘羧甲基纤维素钠盐+0.2%聚丙烯酰胺钾盐+3%聚合醇+2%抗温抗盐防塌降滤失剂+3%磺化酚醛树脂SMP-2。在实验浆基础上分别加入质量分数为3.0%实施例1-3的自解堵抗温暂堵剂，设定不同温度于滚子加热炉滚动16h，取出后冷却至室温，测量其性能，考察自解堵抗温暂堵剂对水基钻井液的影响，结果见表1。
表1自解堵抗温暂堵剂对水基钻井液的影响
具体测试方法见GB/T16783.1-2006，其中AV表示表观粘度、PV表示塑性粘度、YP表示动切力、Gel表示静切力以及FL表示常温常压滤失量。
由表1结果可以看出，本发明的暂堵剂在水基钻井液体系中具有降滤失功能；该暂堵剂加入钻井液后，表观粘度和切力变化不大，说明暂堵剂同原体系各处理配伍性良好，不会对现场施工造成较大影响。
此外，由表1可知，未加入本发明的暂堵剂的钻井液1的表观粘度、塑性粘度、动切力和静切力随着温度升高而显著下降。但是分别加有实施例1-3的钻井液2-4随着温度升高，钻井液粘度不断增加，这主要是由于随着温度升高，疏水改性淀粉继续溶胀伸展，同时疏水位的外露也增强了纳米碳酸钙和各处理剂的疏水位之间的疏水缔合作用，从而引起钻井液体系的整体粘度增加。当温度超过140℃之后，其粘度开始下降，所形成的泥饼开始发虚，滤失量明显增大。表明该暂堵剂抗温达140℃。
由上述分析可以看出本发明的暂堵剂具备良好的抗温性，一方面是由于通过醚化反应引入了羧甲基基团，另一方面是通过纳米碳酸钙提供更多疏水位点，增强体系的疏水缔合作用，因此较之于单一聚合物能够耐受更高的温度。
采用岩心流动实验评价暂堵剂的暂堵效果和储层保护效果，所用仪器为JHMD-Ⅱ高温高压岩心动态损害评价系统。分别选取高、中、低渗人造砂岩岩心各一块进行实验（高渗岩心气相渗透率为1035.22～1067.11毫达西，孔隙度为13.9～16.5%；中渗岩心气相渗透率为216.07～239.33毫达西，孔隙度为12.1～13.7%；低渗岩心气相渗透率为51.38～59.16毫达西，孔隙度为9.1～9.7%，所有岩心长度为6.10～6.18cm，直径为2.50～2.56cm）。
结果如下：
表2高渗岩心流动实验结果
表3中渗岩心流动实验结果
表4低渗岩心流动实验结果
由表2-表4结果可以看出，本发明的自解堵抗温暂堵剂具有良好的暂堵效果和储层保护效果。无论是高、中、低渗岩心的暂堵率和油相渗透率恢复率都在90%以上，其中初始渗透率越高，暂堵率越高，渗透率恢复率越低。这是因为渗透率越高，钻井液的瞬时滤失量就越高，不可避免地进入一些固相颗粒，这些固相颗粒在高渗孔道运移到某处孔喉较窄处，就可能沉积下来，从而起到一定的封堵作用。温度对暂堵效果影响不大，随着温度升高，暂堵率略微下降，渗透率恢复率稍有增长，这是复合物中的大分子结构随温度升高逐渐伸展开来的结果。
从岩心流动实验结果还可以看出，该暂堵剂具有自解堵能力。进行油相渗透率恢复率测试前无需切掉一定厚度的岩心，而是通过泥饼中疏水成分的油相分散作用形成油流通道，即可实现返排解堵。由实验结果可知，各种岩心油流稳定时间均在6h以内，油相渗透率恢复率在3-6h内均能达到90%以上，表明该暂堵剂具有良好的自行解堵性能。总体而言，该暂堵剂的储层保护效果显著。所述油流稳定时间指的是岩心流动实验中油驱水时当水相被完全驱替出来且油相流量和驱替压力达到稳定的时间。油流稳定时间越短，说明后期返排解堵时疏水油流通道建立的速度越快，自解堵能力越强。
Claims (12)
1.一种水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂，包括将淀粉、碱金属氢氧化物、卤代有机酸、碳酸盐、疏水改性剂、醇和水进行反应得到的产物以及纳米碳酸钙。
2.根据权利要求1所述的暂堵剂，其特征在于，包括将淀粉1000质量份、碱金属氢氧化物250-350质量份、卤代有机酸350-500质量份、碳酸盐50-150质量份、疏水改性剂120-250质量份、醇600-1000体积份和水50-150体积份进行反应得到的产物以及纳米碳酸钙800-1200质量份，其中质量份/体积份为克/毫升。
3.根据权利要求1或2所述的暂堵剂，其特征在于，所述反应得到的产物为带有疏水改性基团的淀粉颗粒。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的暂堵剂，其特征在于，所述碱金属氢氧化物选自氢氧化锂、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，优选氢氧化钠。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的暂堵剂，其特征在于，所述卤代有机酸选自氟代有机酸、氯代有机酸、溴代有机酸和碘代有机酸中的至少一种，优选氯乙酸。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的暂堵剂，其特征在于，所述碳酸盐选自碳酸钠和/或碳酸钾，优选碳酸钠。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的暂堵剂，其特征在于，所述淀粉为蜡质玉米淀粉。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的暂堵剂，其特征在于，所述疏水改性剂选自苯甲酰氯、对甲基苯甲酰氯、对乙基苯甲酰氯、对苯二甲酰氯、苯甲酸钠和苯乙酸钠中的至少一种。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的暂堵剂，其特征在于，所述纳米碳酸钙的吸油值为25-40mL/100g，粒径为40-60nm。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的暂堵剂，其特征在于，所述醇选自乙醇、丙醇和异丙醇中的至少一种，优选乙醇。
11.一种根据权利要求1-10中任一项所述的水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂的制备方法，包括将所述组分按所述配比加入捏合机中进行捏合，即得到所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法按如下步骤进行：
1)将淀粉置于捏合机中，加入碱金属氢氧化物的第一部分、醇的第一部分以及水进行捏合；
2)在步骤1)得到的捏合物中加入碱金属氢氧化物的第二部分、卤代有机酸以及醇的第二部分，继续进行捏合；
3)在步骤2)得到的捏合物中加入碳酸盐，继续进行捏合；
4)在步骤3)得到的捏合物中加入醇的第三部分和疏水改性剂，继续进行捏合；
5)在步骤4)得到的捏合物中加入纳米碳酸钙，继续进行捏合；
如此得到所述水基钻井液用自解堵抗温暂堵剂。
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