CN104762071A - 一种水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法。以丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体与乙烯基单体在助溶剂存在下的水介质中,加入引发剂引发聚合反应,所述微纳米颗粒封堵剂粒度分布为D10≤100nm、D50≤165nm、D90≤260nm。本发明提供的水基页岩微纳米颗粒封堵剂为一种微纳米尺度的可变形聚合物胶乳颗粒,能够通过吸附、架桥与可变形填充作用,在页岩内部形成连续的致密封堵层,起到阻缓压力传递与滤液侵入的作用,增强页岩井壁稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法,属于油田化学钻井液处理剂技术领域。
技术背景
我国页岩气资源预测技术可采储量达10.3×1012~47×1012m3,具有良好的勘探开发前景,一旦成功地规模化勘探开发,能够有效缓解我国油气供需矛盾,页岩气勘探和开发已成为“十二五”国家重大战略。现阶段,水平钻井技术是页岩气开发的核心技术之一,广泛应用于页岩气开发钻井。为了后期水力压裂增产,水平井段多分布在天然裂缝发育地层,且沿最小水平主应力方向钻进。在钻井过程中,钻井液滤液极易侵入页岩内部,可导致严重的井壁失稳问题。因此,井壁稳定问题成为水平井开发页岩气资源的关键技术难题之一。
研究表明,裂缝性页岩的井壁失稳与其自身的微观孔隙结构特征具有密切关系,其中页岩微裂缝、层理发育是导致井壁失稳的内在主要因素,加强钻井液的封堵、固结井壁能力,快速、有效地封堵裂缝性页岩纳米微孔及微裂缝,阻缓压力传递与滤液侵入,是钻井液井壁防塌的关键。据统计分析,我国页岩气储层孔隙尺寸多处于微纳米尺度,孔径主体分布范围为5~200nm。而针对页岩的极小孔喉尺寸和极低渗透率,沥青类、乳化石蜡类、聚合醇类等常规钻井液封堵剂粒径偏大,无法进入页岩内部实现良好的封堵效果。
同时,油基钻井液是目前页岩气水平井钻井的首选,但由于其配置成本与环保问题,其应用范围受到极大的限制。近年来兴起的高性能水基钻井液体系有望成为油基钻井液的理想替代品,而常规水基钻井液用封堵剂无法满足页岩气地层的特殊封堵需求。因此,亟需研制水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂,通过刚性纳米颗粒的吸附、架桥与可变形颗粒的填充作用,在页岩井壁形成致密封堵层,阻缓压力传递与滤液侵入,达到稳定井壁的目的。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种适合于裂缝性页岩地层的水基钻井液用微纳米颗粒封堵剂的制备方法,制得的封堵剂特别适合于页岩气储层的水基钻井液用,具有高效封堵、可变形封堵页岩纳米孔隙与微裂缝的特点。
本发明技术方案如下:
一种水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法,包括步骤如下:
将丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体、乙烯基单体、助溶剂加入装有水的反应釜中,高速搅拌形成稳定分散体系,所述水、助溶剂、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体、乙烯基单体的质量比为150~300:80~200:10~30:5~20;水浴加热密闭反应釜,加入引发剂引发聚合反应,所述引发剂加量为单体总质量的0.2-0.8%;控制反应时间2~4小时,反应结束,自然冷却即得水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂。
所述得微纳米颗粒封堵剂粒度分布为D10≤100nm、D50≤165nm、D90≤260nm。
所述丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丁酯中的任意一种或几种。
所述乙烯基单体为氯乙烯、苯乙烯、乙酸乙烯酯、对乙烯基苯磺酸钠中的任意一种或几种。
所述助溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、丙三醇、异丙醇中的任意一种或几种。
所述引发剂为过硫酸钾、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、异丙苯过氧化氢、过氧化苯甲酰中的任意一种或几种。
所述的水优选为蒸馏水。
根据本发明所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂制备方法,优选水浴加热温度为70~100℃。进一步优选,水浴加热温度为70~90℃。
根据本发明所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂制备方法,优选反应时间为2.5~3.5小时
根据本发明所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂制备方法,优选高速搅拌速度为1000~3000r/min。进一步优选高速搅拌速度为1200~2000r/min。
本发明所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂制备方法,进一步优选水、助溶剂、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体、乙烯基单体的质量比为200~300:80~150:15~20:5~15。所述引发剂为单体总质量的0.3-0.6%。
本发明所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂在应用时直接加入钻井液基浆中即可。封堵剂用量为钻井液基浆重量的2%wt.。
本发明采用无皂乳液聚合方法,制备得到的页岩微纳米封堵剂,其胶乳粒子具有良好的单分散性与耐水性,且表面洁净;另外,更重要的是本发明方法避免使用乳化剂(表面活性剂),所制备的页岩微纳米封堵剂(胶乳)加入到水基钻井液之中,避免水基钻井液的起泡问题,因此,本发明所得的页岩微纳米封堵剂特别适用于水基钻井液,也可用于油基钻井液。而传统技术常规乳液聚合方法制备得到的页岩微纳米封堵剂在水基钻井液中存在易起起泡的问题,仅适用于油基钻井液。
按照本发明的制备方法得到的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂具有良好的单分散性,平均粒径分布在160nm左右,稳定性强,能够均匀分散在淡水、淡水加重、盐水钻井液中,可变形封堵页岩纳米孔隙与微裂缝,起到阻缓压力传递与滤液侵入的作用,增强页岩井壁稳定性。此外,所述的钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂对钻井液流变性能影响不大,且有利于降低钻井液滤失量。作用机理如下:页岩微纳米颗粒封堵剂为一种微纳米尺度的可变形聚合物颗粒,能够进入页岩纳米孔隙与微裂缝中,通过吸附、架桥与可变形填充作用,不断沉降、填充、压实,在页岩内部形成连续的致密封堵层,起到阻缓压力传递与滤液侵入的作用,增强页岩井壁稳定性。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1、本发明提供的水基页岩微纳米封堵剂制备方法,是在密闭加热条件下丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体、乙烯基单体的无皂乳液聚合反应,该制备方法操作简便,工艺简单;
2、本发明提供的水基页岩微纳米颗粒封堵剂为一种微纳米尺度的可变形聚合物胶乳颗粒,能够通过吸附、架桥与可变形填充作用,在页岩内部形成连续的致密封堵层,起到阻缓压力传递与滤液侵入的作用,增强页岩井壁稳定性。
3、本发明提供的水基页岩微纳米封堵剂可以直接加入水基钻井液中,使用方便,且不会因为钻井液起泡等问题而影响钻井液体系的性能。
附图说明
图1为实施例1制备的钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的透射电镜照片。
图2为实施例1制备的钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的激光粒径分布曲线。横坐标为粒径(μm),纵坐标为微分体积分数、累积体积分数(%)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法:向装有搅拌器、温度计和加热装置的反应釜中,加入200mL蒸馏水,边搅拌边加入丙酮100mL、甲基丙烯酸甲酯12.3g、苯乙烯9.6g,1500r/min高速搅拌形成稳定分散体系,水浴加热至温度为70℃,加入过硫酸钾0.08g,反应2.5h,自然冷却即得钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂。
实施例2
一种钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法:向装有搅拌器、温度计和加热装置的反应釜中,加入300mL蒸馏水,边搅拌边加入丙酮150mL、丙烯酸正丁酯16.7g、乙酸乙烯酯11.2g,1000r/min高速搅拌形成稳定分散体系,水浴加热至温度为85℃,加入偶氮二异庚腈0.12g,反应3.5h,自然冷却即得钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂。
实施例3
一种钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法:向装有搅拌器、温度计和加热装置的反应釜中,加入250mL蒸馏水,边搅拌边加入异丙醇130mL、甲基丙烯酸乙酯12.3g、苯乙烯9.6g,2000r/min高速搅拌形成稳定分散体系,水浴加热至温度为90℃,加入偶氮二异丁腈0.10g,反应2.0h,自然冷却即得钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂。
下面对实施例的产品性能及应用效果进行说明。
1.页岩微纳米颗粒封堵剂的粒径分布特征
利用激光粒度分布测试仪,测试了上述不同实施例的微纳米颗粒封堵剂的粒度分布特征。
由表1可知,上述的实施例1、实施例2、实施例3的微纳米颗粒封堵剂粒径分布的主峰分布区间在90~200nm之间,与页岩气储层的微纳米尺度孔隙、裂缝相匹配,能够在页岩地层内部形成连续的致密封堵层,起到阻缓压力传递与滤液侵入的作用,增强页岩井壁稳定性。
表1 页岩微纳米颗粒封堵剂的粒度分布特征
2.页岩微纳米颗粒封堵剂对钻井液性能影响
测试方法:采用GB/T 16783-1997:水基钻井液现场测试程序。
基浆配制:在高搅杯中加入4.0%预水化膨润土浆400mL,在不断搅拌下依次加入0.8g黄原胶、1.2g聚阴离子纤维素和4.0g改性淀粉,搅拌20分钟,即为基浆。
实验浆配制及测试:分别向实验基浆中加入2%wt.的评价样品(实施例1样品,实施例2样品,实施例3样品),高速搅拌均匀,利用六速粘度计与中压滤失仪测试实验浆的流变性及滤失性。将实验浆装入高温老化罐中,在120℃下热滚老化16h,用同样方法测试其流变性及滤失性。
由表2可知,本发明的钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂对钻井液的流变性能基本没有影响,但能够显著地改善钻井液的滤失性,降低钻井液的API滤失量。
表2 钻井液流变滤失性能测试结果
注:AV为钻井液表观粘度;PV为钻井液塑性粘度;YP为钻井液动切力;API为钻井液
中压失水量。
3.页岩微纳米颗粒封堵剂的封堵性能评价
借助高温高压井壁泥页岩/钻井液作用模拟实验装置,选取四川盆地须三段页岩岩心,利用压力传递实验评价本发明钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂封堵性能。实验方法如下:将页岩岩心置于岩心加持器,施加轴压与围压、加热至指定实验条件,以充分模拟实际地层温度压力环境;选定岩心上游、下游试液,建立岩心上游、下游的初始压差,保持上游压力不变,通过压力传感器和差压传感器实时检测岩心下端封闭流体的动态压力变化,并以实验前后岩心渗透率作为技术指标来评价页岩微纳米颗粒封堵剂的封堵性能。
由表3可知,加入实施例1、实施例2、实施例3的上游试液与岩心作用后,能够显著地降低页岩渗透率,渗透率降低率均达85%以上,阻缓压力传递与滤液侵入,增强裂缝页岩地层井壁稳定性。
表3 页岩微纳米颗粒封堵剂封堵性能测试结果
Claims (10)
1.一种水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法,包括步骤如下:
将丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体、乙烯基单体、助溶剂加入装有水的反应釜中,高速搅拌形成稳定分散体系,所述水、助溶剂、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体、乙烯基单体的质量比为150~300:80~200:10~30:5~20;水浴加热密闭反应釜,加入引发剂引发聚合反应,所述引发剂加量为单体总质量的0.2-0.8%;控制反应时间2~4小时,反应结束,自然冷却即得水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂。
2.如权利要求1所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法,其特征在于所述微纳米颗粒封堵剂粒度分布为D10≤100nm、D50≤165nm、D90≤260nm。
3.如权利要求1所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法,其特征在于所述丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丁酯中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法,其特征在于所述乙烯基单体为氯乙烯、苯乙烯、乙酸乙烯酯、对乙烯基苯磺酸钠中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法,其特征在于所述助溶剂为甲醇、乙醇、丙酮、丙三醇、异丙醇中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法,其特征在于所述引发剂为过硫酸钾、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、异丙苯过氧化氢、过氧化苯甲酰中的一种或几种。
7.如权利要求1所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂的制备方法,其特征在于所述的水优选为蒸馏水。
8.如权利要求7所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂制备方法,其特征在于水浴加热温度为70~100℃;优选水浴加热温度为70~90℃。
9.如权利要求7所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂制备方法,其特征在于高速搅拌速度为1000~3000r/min;优选高速搅拌速度为1200~2000r/min。
10.如权利要求7所述的水基钻井液用页岩微纳米颗粒封堵剂制备方法,其特征在于所述水、助溶剂、丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体、乙烯基单体的质量比为200~300:80~150:15~20:5~15。
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