CN104830288A

CN104830288A - 一种钻井液用井壁稳定剂及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN104830288A
Application number: CN201510205446.2A
Authority: CN
Inventors: 孙保明; 王会
Original assignee: Apocalypse Oil Gas Technology Co Ltd Of Beijing Zhongke
Current assignee: Beijing Zhongke Risheng Technology Co., Ltd.
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2015-08-12

Abstract

本发明涉及一种钻井液用井壁稳定剂及其制备方法和用途，该井壁稳定剂由腐殖酸类物质与树脂类衍生物在碱存在下及催化剂作用下与铝盐类化合物反应制得，参与反应的各反应物的重量份数为：腐殖酸类物质5-25；树脂类衍生物5-25；碱1-5；催化剂0.1-0.5；铝盐类化合物5-20。本发明的钻井液用井壁稳定剂抗温性好，在高温下能改善泥饼质量，降低滤失量，抑制粘土水化，同时在钻遇微裂缝地层时，能通过物理化学作用生成铝化合物沉淀，进而封堵裂缝，起到稳定井壁的作用，并且其制备方法简单，条件温和，转化率高，成本低，无后处理，无三废，且绿色环保。

Description

一种钻井液用井壁稳定剂及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于油田钻井液用助剂技术领域，具体涉及一种钻井液用井壁稳定剂及其制备方法和用途。

背景技术

井壁失稳是钻井工程中常遇到的井下复杂情况之一，严重影响地质资料的录取、钻井速度、钻井质量及成本。对于部分新探区还会因井壁失稳而无法钻达目的层，进而导致延误勘探与开发速度，影响经济效益。井壁失稳的实质是力学不稳定。当井壁岩石所受到的应力超过其本身的强度时，就会发生井壁失稳。井壁失稳的原因复杂，主要可归纳为力学因素、物理化学因素和工程技术措施等三个方面，钻井过程中所钻遇的地层，如泥页岩、砂质或粉砂质泥岩、流岩、砂岩、泥质砂岩或粉砂岩、岩浆岩等均可能发生井壁失稳。

目前根据实践中所遇到的井壁失稳现象，总结出各种稳定井壁的技术措施，其中优选钻井液类型与配方是改善井壁失稳的重要措施之一，提高钻井液的抑制性；采用物理化学方法封堵地层的层理和裂隙，阻止钻井液滤液进入地层；提高钻井液对地层的膜效率，尽量减少钻井液滤液进入地层的量等。国内外常用的防塌钻井液处理剂有无机盐、沥青类、硅酸盐类、聚合物类等。无机盐如KCL、NH₄CL,其作用机理主要是抑制粘土水化及膨胀，但是作用强度有限。沥青类处理剂的使用温度低于其软化点时呈固态，接近其软化点时变软。在压差作用下，沥青类处理剂容易被挤入地层层理裂缝和孔喉中，在井壁形成一个封堵带，可有效阻止钻井液滤液进入地层，防止井壁坍塌。但是沥青类产品通常带有荧光，影响地质录井，因而其使用受到限制；聚合物类处理剂主要通过吸附和包被来抑制黏土水化分散、防止泥页岩坍塌，但聚合物类处理剂通常抗温性差、成本较高。上述的处理剂虽然各有优点，但是同时存在明显的不足，因此急需一种集各方优点于一身的钻井液用助剂。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的一个目的是提供一种新型钻井液用井壁稳定剂(下文可简称为“ZK-303”)，该钻井液用井壁稳定剂抗温性好，降滤失性好。

本发明的另一个目的是提供上述新型钻井液用井壁稳定剂的制备方法。该工艺简单，条件温和，转化率高，成本低，无后处理，无三废，且绿色环保。

本发明的第三个目的是提供上述新型钻井液用井壁稳定剂的用途。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种钻井液用井壁稳定剂，其特征在于，该钻井液用井壁稳定剂由腐殖酸类物质与树脂类衍生物在碱存在下及催化剂作用下与铝盐类化合物反应制得，参与反应的各反应物的重量份数为：

优选情况下，参与反应的各反应物的重量份数为：

进一步，所述腐殖酸类物质为腐殖酸、腐殖酸钾、腐殖酸钠或腐殖酸铵盐中的一种或多种组成的混合物。

进一步，所述树脂类衍生物是为酚醛树脂和/或酚醛树脂类衍生物。其中，酚醛树脂类衍生物为磺化酚醛树脂、磺化栲胶磺化酚醛树脂和磺化木质素磺化酚醛树脂中的一种或多种所组成的混合物。

进一步，所述碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾。

进一步，所述铝盐类化合物为氯化铝、硫酸铝或硝酸铝中的一种或多种。

进一步，所述催化剂为酒石酸、焦亚硫酸钠、柠檬酸钠中的任意一种。

本发明提供的上述钻井液用井壁稳定剂的制备方法，包括以下步骤：

将碱完全溶于水中，将得到的碱溶液加入反应器中；

按配比将腐殖酸类物质和树脂类衍生物依次加入到反应容器中，搅拌，混合均匀；

按配比将催化剂配制成饱和水溶液后加入到反应容器中，搅拌，混合均匀；

按配比将铝盐类化合物加入到反应容器中，搅拌，控制反应温度60℃～80℃，恒温反应2～4小时，将反应产物干燥即得产品。

进一步，在向反应器中加入铝盐类化合物之前，反应器温度控制在30℃～50℃，优选为40℃-50℃。

此外，将铝盐类化合物加入到反应容器后，反应温度优选控制在70℃-80℃之间，反应时间优选为2.5-3.0小时。

本发明提供钻井液用井壁稳定剂应用在钻井液中时，该钻井液用井壁稳定剂以体积百分含量为1.5％～5％的用量加入到钻井液中。

本发明提供的钻井液用化学钻井液用井壁稳定剂ZK-303的抗温性好，在高温下能改善泥饼质量，降低滤失量，抑制粘土水化，同时在钻遇微裂缝地层时，能通过物理化学作用生成铝化合物沉淀，进而封堵裂缝，起到稳定井壁的作用。本发明的制备方法简单，条件温和，转化率高，成本低，无后处理，无三废，且绿色环保。

附图说明

图1显示了用氟离子标定络合铝的标准曲线，其中X轴表示标准溶液中氟离子浓度(ppm)，Y轴表示络合铝浓度(g/L)。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述。

本发明所用的腐殖酸类衍生物是一种复杂的、相对分子质量不均一的羟基苯羧酸的混合物，混合物分子上含有许多活性基团，其主要的官能团有羧基、酚羟基、醌基、甲氧基和羰基，这些官能团易于金属离子发生络合反应，生产大分子络合物。

本发明所使用的树脂类衍生物本身具有许多优良的特点，其性能稳定，用在钻井液中能增强钻井液的抗温性。同时又可与腐殖酸类衍生物上的官能团发生缩合反应生成其他的产物。本发明正是利用这两类物质能互相发生反应的同时又能与金属离子发生络合反应从而得到最终的产物。该产物用于钻井液中，能增强钻井液的抗温性，降低钻井液滤失量，其在一定条件下能生成铝化合物沉淀，该沉淀物能有效封堵地层裂缝，稳定井壁。

本发明的腐殖酸类衍生物主要来源于褐煤。褐煤来源广泛，成本较低，相应的腐殖酸类衍生物在自然界中也容易获取，其价格适中。树脂类衍生物是以酚醛树脂为主体，经磺化或引入其他官能团而制得的。由于腐殖酸类衍生物和树脂类衍生物来源丰富，成本适中，易于获取，因而产品的原料成本较低。

以下以实施例详细说明。实施例中所使用的药品和试剂均可自市场购得。本文中，wt％表示重量百分含量，v/v％表示体积百分含量。

实施例1

称取36.0Kg去离子水加入到反应釜中，开启搅拌装置，将1.0Kg氢氧化钠加入到反应釜中，充分搅拌使碱全部溶解；分别称取5.0Kg腐殖酸钠和25.0Kg酚醛树脂依次加入到反应釜中，搅拌使其混合均匀，同时控制温度在30～40℃之间；将0.1Kg酒石酸配制成质量分数为56％的水溶液，将酒石酸水溶液加入到反应釜中，充分搅拌10分钟，保持反应温度在30～40℃之间；然后称取5.0Kg硫酸铝缓慢加入到反应釜中，快速搅拌，控制温度在60～70℃，恒温反应2.0小时。待反应完全后，将产物于100℃下烘干、粉碎，制得产品。

实施例2

称取59.0Kg去离子水加入到反应釜中，开启搅拌装置，将3.0Kg氢氧化钾加入到反应釜中，充分搅拌使碱全部溶解；分别称取25.0Kg腐殖酸钾和5.0Kg磺化栲胶磺化酚醛树脂依次加入到反应釜中，搅拌使其混合均匀，同时控制温度在40～50℃之间；将0.5Kg焦亚硫酸钠配制成质量分数为54％的水溶液加入到反应釜中，充分搅拌20分钟，保持反应温度在40～50℃之间；然后称取15.0Kg硫酸铝缓慢加入到反应釜中，快速搅拌，控制温度在60～70℃，恒温反应3.0小时。待反应完全后，将产物于100℃下烘干、粉碎，制得产品。

实施例3

称取42.0Kg去离子水加入到反应釜中，开启搅拌装置，将2.0Kg氢氧化钾加入到反应釜中，充分搅拌使碱全部溶解；分别称取15.0Kg腐殖酸铵和15.0Kg磺化木质素磺化酚醛树脂依次加入到反应釜中，搅拌使其混合均匀，同时控制温度在40～50℃之间；将0.3Kg柠檬酸钠配制成质量分数为59％的水溶液加入到反应釜中，充分搅拌30分钟，保持反应温度在40～50℃之间；然后称取15.0Kg氯化铝缓慢加入到反应釜中，快速搅拌，控制温度在70～80℃，恒温反应2.0小时。待反应完全后，将产物于100℃下烘干、粉碎，制得产品。

实施例4

称取75.0Kg去离子水加入到反应釜中，开启搅拌装置，将5.0Kg氢氧化钾加入到反应釜中，充分搅拌使碱全部溶解；分别称取25.0Kg腐殖酸铵和25.0Kg磺化木质素磺化酚醛树脂依次加入到反应釜中，搅拌使其混合均匀，同时控制温度在40～50℃之间；将0.5Kg柠檬酸钠配制成质量分数为59％的水溶液加入到反应釜中，充分搅拌30分钟，保持反应温度在40～50℃之间；然后称取20.0Kg氢氧化铝缓慢加入到反应釜中，快速搅拌，控制温度在70～80℃，恒温反应4.0小时。待反应完全后，将产物于100℃下烘干、粉碎，制得产品。

以下以实施例1为例，对所制得的化学钻井液用井壁稳定剂ZK-303的络合铝含量、抗温抗盐性和降滤失性能进行评价。

(1)络合铝含量的评价

①仪器校准液准备

a)用量筒量取30mL 0.0010M氟化钾标准溶液。

b)将30mL 0.0010M氟化钾标准溶液倒入塑料烧杯中。

c)用移液管或者10mL的塑料注射器取3mL乙酸/乙酸钾缓冲液(pH＝7.5，下同)倒入盛有30mL 0.0010M氟化钾标准溶液倒入塑料烧杯中。

d)搅拌5min以确保均匀混合。

e)用量筒量取30mL 0.0010M氟化钾标准溶液。

f)将30mL 0.010M氟化钾标准溶液倒入塑料烧杯中。

g)用移液管或者10mL的塑料注射器取3mL乙酸/乙酸钾缓冲液倒入盛有30mL 0.010M氟化钾标准溶液倒入塑料烧杯中。

h)搅拌5min以确保均匀混合。

②样品准备及测试

a)1wt％钻井液用井壁稳定剂ZK-303溶液配制：将1.00g实施例1钻井液用化学钻井液用井壁稳定剂ZK-303加入100mL蒸馏水中，用磁力搅拌器搅拌20min。

b)用塑料量筒量取30mL 0.010M氟化钾标准溶液，将其移入塑料烧杯中。

c)用塑料移液管移取0.5mL样品(1wt％钻井液用化学钻井液用井壁稳定剂ZK-303蒸馏水溶液)加入到烧杯中。

d)用三毫升一次性移液管或10mL注射器，加3mL乙酸/乙酸钾缓冲溶液于烧杯中，用仪器自带搅拌器搅拌5min。

e)将电极放入上述配置好的测试液中开始测试，等待氟离子电极读数稳定。

f)读取测试得到的氟离子浓度

g)重复以上步骤，同一样品分别测量三次，将测试得到的氟离子浓度代入图1所示的络合铝浓度标准曲线Y＝3.79784-0.01999X，从而得到络合铝浓度。

其中，

Y表示络和铝浓度，单位为g/L；

X表示氟离子浓度，单位为ppm；

V表示②中步骤a)配制的待测样品的溶液体积，这里V＝100mL；

M表示②中步骤a)中所取的待测样品质量，这里M＝1.00g。

三次测量对应的氟离子浓度、络合铝浓度及络合铝含量如下表1，最终的络合铝含量取三次试验的平均值。

③样品测试中的注意事项

a)(分析步骤间)用蒸馏水清洗电极

b)吸干电极探针，不能擦干。

c)每4小时测试标样，用于检查校准。

d)每次用蒸馏水清洗电极、吸干。

表1

氟离子浓度(ppm)	120	116	118
				络合铝浓度(g/L)	1.39904	1.47900	1.43902
络合铝含量(％)	13.99	14.79	14.39

(2)在淡水基浆中性能评价

淡水基浆的配置：量取350mL蒸馏水于高搅杯中，加入1.0gNaHCO₃，搅拌使溶解。边高速搅拌(搅拌速度在8000转/min以上，下同)边加入35.0g钻井液用评价土，高速搅拌20min，其间至少停下两次，以刮下粘附在容器壁上的土。

定量称取实施例1制得的钻井液用化学钻井液用井壁稳定剂ZK-303产品，边高速搅拌边加入至基浆中，高速搅拌20min，其间至少停下两次，以刮下粘附在容器壁上的样品。在密封容器中养护(室温下静置)24h后，高速搅拌5min，按“GB/T 16783：水基钻井液现场测试程序”测定其Φ₆₀₀读数及滤失量，结果如下表2。

表2

项目	Φ₆₀₀读数	滤失量，mL
			淡水基浆	7.0	15.0
淡水基浆+1v/v％实施例1产品	5.0	4.8

(3)在4％盐水浆中性能评价

4％盐水浆的制备：按每升蒸馏水加入40.0g氯化钠的比例配制4％的盐水；量取350mL4％盐水于高搅杯中，然后加入1.0g碳酸氢钠搅拌使其溶解后，边高速搅拌边加入35.0g钻井液用评价土。高速搅拌20min，其间至少应中断两次，以刮下粘附在高搅杯壁上的粘土。

定量称取实施例1制得的钻井液用化学钻井液用井壁稳定剂ZK-303产品，边高速搅拌边加入至基浆中，高速搅拌20min，其间至少停下两次，以刮下粘附在容器壁上的样品。在密封容器中养护24h后，高速搅拌5min，按“GB/T 16783：水基钻井液现场测试程序”测定其Φ₆₀₀读数及滤失量，结果如下表3。

表3

项目	Φ₆₀₀读数	滤失量，mL
			4％盐水基浆	8.0	100.0
4％盐水基浆+3v/v％实施例1产品	4.0	8.9

(4)在20％盐水浆中性能评价：

按照每升蒸馏水中加入200g氯化钠的比例配置20％盐水。

20％盐水基浆的配置：量取20％350mL盐水于高搅杯中，然后加入1.0gNaHCO₃搅拌使其溶解后，边高速搅拌边加入35.0g钻井液用评价土。高速搅拌20min，其间至少应中断两次，以刮下粘附在高搅杯壁上的粘土。

定量称取实施例1制得的钻井液用化学钻井液用井壁稳定剂ZK-303产品，边高速搅拌边加入至基浆中，高速搅拌20min，其间至少停下两次，以刮下粘附在容器壁上的样品。在密封容器中养护24h后，高速搅拌5min，按“GB/T16783：水基钻井液现场测试程序”测定其Φ₆₀₀读数及滤失量，结果如下表4。

表4

项目	Φ₆₀₀读数	滤失量，mL
			20％盐水基浆	8.5	全滤
20％盐水基浆+5v/v％实施例1产品	6.5	10.0

(5)抗温性能评价

按照如上(1)、(2)和(3)所述方式分别配制淡水基浆、4％盐水基浆和20％盐水基浆，将泥浆装入老化罐中，于150℃下老化16h后冷却至室温，高速搅拌5min，按“GB/T 16783：水基钻井液现场测试程序”测定其Φ₆₀₀读数及滤失量，结果如下表5。

表5

本发明实施例1-4所得钻井液用井壁稳定剂的各项性能指标见表6。

表6

上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims

1.一种钻井液用井壁稳定剂，其特征在于，该井壁稳定剂由腐殖酸类物质与树脂类衍生物在碱存在下及催化剂作用下与铝盐类化合物反应制得，参与反应的各反应物的重量份数为：

2.根据权利要求1所述的钻井液用井壁稳定剂，其特征在于，所述腐殖酸类物质为腐殖酸、腐殖酸钾、腐殖酸钠或腐殖酸铵盐中的一种或多种组成的混合物。

3.根据权利要求1所述的钻井液用井壁稳定剂，其特征在于，所述树脂类衍生物是为酚醛树脂和/或酚醛树脂类衍生物。

4.根据权利要求1所述的钻井液用井壁稳定剂，其特征在于，所述碱为氢氧化钠和/或氢氧化钾。

5.根据权利要求1所述的钻井液用井壁稳定剂，其特征在于，所述铝盐类化合物为氯化铝、硫酸铝或硝酸铝中的一种或多种。

6.根据权利要求1-5任一所述的钻井液用井壁稳定剂，其特征在于，所述催化剂为酒石酸、焦亚硫酸钠、柠檬酸钠中的任意一种。

7.权利要求1-6任一所述的钻井液用井壁稳定剂的制备方法，包括以下步骤：

将碱完全溶于水中，将得到的碱溶液加入反应器中；

按配比将铝盐类化合物加入到反应容器中，搅拌，控制反应温度60℃～80℃，恒温反应2.0～4.0小时，将反应产物干燥即得产品。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在向反应器中加入铝盐类化合物之前，反应器温度控制在30℃～50℃。

9.权利要求1-6任一所述的钻井液用井壁稳定剂在钻井液中的用途，其特征在于，所述钻井液用井壁稳定剂以体积百分含量为1.5％～5％的用量加入到钻井液中。