CN105255460A - 一种适合于页岩气开发的水基钻井液 - Google Patents

一种适合于页岩气开发的水基钻井液 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种适合于页岩气开发的水基钻井液，在水的基础上按体积百分比组成为：100％的水；2-6％的润滑剂；1-5％的抑制剂；1-5％的封堵防塌剂；1-5％的页岩封堵剂；1-5％的纳米封堵剂；1-3％的降滤失剂；1-3％的添加剂；0-0.4％的提切剂；0.1-0.6％的pH调节剂；0-300％的加重剂。本发明具有极低的滤失量，能够有效的封堵页岩裂缝，提高井壁稳定性能；并且润滑性能良好，极好的解决页岩气水平井所带来的摩阻与扭矩的问题；并且具有优异的流变性能。

Description

一种适合于页岩气开发的水基钻井液
技术领域
本发明涉及石油钻井工程领域所用的一种钻井液，特别涉及一种适合于页岩气开发钻井的水基钻井液。
背景技术
页岩气的勘探开发已经在中国逐步兴起，形成了一定的勘探开发规模，进入了快速发展的阶段。目前通用的钻井液为油基钻井液，油基钻井液具有优异的页岩稳定性能和润滑性能，并且耐污染能力强，可循环使用，已成为页岩气开发必不可少的一项关键技术。但是，油基钻井液高成本、环境保护问题的缺点也特别突出，因此，必须结合页岩气开发地质特点研究一套适合于页岩气钻井的水基钻井液体系就显得尤为重要。
国内主要通过使用强制性水基钻井液体系以保持页岩地层的井壁稳定性，同时也开展了类油基钻井液、仿油基钻井液、稳定页岩的水基钻井液等一系列水基钻井液的研究工作。
中国发明专利“一种稳定页岩的水基钻井液”(申请号：201410020098.7)，提供了一种稳定页岩的水基钻井液，该钻井液由钠基膨润土、页岩抑制剂、增粘剂、流型调节剂、降滤失剂、抗高温处理剂、架桥剂、堵漏剂以及防塌剂混合而成。
中国发明专利“一种用于页岩油气藏勘探开发的钻井液”(申请号：201310540113.6)提供一种用于页岩油气藏勘探开发的钻井液，其在水的基础上按照重量百分比含有：膨润土4～6％、硅酸钾2～5％、包被抑制剂0.2～0.5％、流型调节剂0.2～1.5％、降滤失剂4～6％、页岩防塌剂2～3％、封堵剂2～3％、滤饼表面改性剂0.5～1％、润滑剂2～4％、PH值调节剂0.4～0.6％。该钻井液针对页岩油气藏地层具有封堵性好、抑制性强、润滑性好、高温性能稳定特点，适合页岩油气藏的勘探开发。
中国发明专利“一种钻进页岩用低密度水基钻井液”(申请号：201310540113.6)涉及一种钻进页岩用低密度水基钻井液。它克服使用水基钻井液井壁失稳问题。其技术方案是制备该钻井液所用原料的组分及含量：钻井液用膨润土30-50；碳酸钠1.5-2.5；氢氧化钠5-10；提切剂SZT15-20；两性离子聚合物包被剂FA3672-5；降滤失剂CG810S-T10-15；钻井液流变性调节剂JHRM0.2-1；高光碳酸钙C-L50140-60；润滑剂R-1610-30；乳化石蜡25-35；钻井液用固体聚合醇JHGC40-60；自来水1000。先加入自来水、钻井液用膨润土、纯碱预水化24小时，在8000r/min搅拌下加入提切剂SZT之后在500r/min搅拌条件下依次加入上述处理剂，调节体系pH至8.5，最后加入重晶石。本钻井液体系抑制性好、封堵性强，用于页岩层长水平段的钻进。
中国发明专利“一种页岩气水平井强化井壁的水基钻井液及其应用”(申请号：201510144600.X)涉及一种页岩气水平井强化井壁的水基钻井液及其应用，该水基钻井液包含以下重量份的组分：水，100份；粘土，0～5份；微纳米颗粒封堵剂，0.5～3份；化学封堵剂，0.5～3份；增粘剂，0.1～2份；降滤失剂，1～5份；包被抑制剂，0.05～2份；聚胺抑制剂，0.1～3份；润滑剂，1～5份；碱度调节剂，0.1～1份，无机盐2～25份，加重剂，0～200份。该发明中的页岩气水平井强化井壁的水基钻井液中所述微纳米颗粒封堵剂与化学封堵剂具有协同强化井壁作用效果，既可以有效封堵页岩微孔缝阻缓压力传递，还可以显著改善泥页岩膜效率，有助于发挥化学活度平衡防塌作用。
上述水基钻井液体系中均存在一定的缺点和不足：①仅从抑制剂角度考虑页岩的井壁稳定问题，没有针对性；②水基钻井液体系的高温高压滤失量均较高，无法达到与油基钻井液同等的水平，无法满足页岩气开发钻井对井壁问的要求；③水基钻井液体系的润滑系数均较高，无法达到与油基钻井液同等的水平，有待提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种适合于页岩气开发的水基钻井液，解决页岩气勘探与开发对钻井液的特殊要求，该体系具有极低的滤失量，能够有效的封堵页岩的微裂缝和微孔隙，提高井壁稳定性能；并且润滑性能良好，极好的解决页岩气水平井所带来的摩阻与扭矩的问题；并且具有优异的流变性能，是一套适合于页岩气开发钻井的水基钻井液体系。
一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，在水的基础上按体积百分比组成为：
100％的水；
2-6％的润滑剂；
1-5％的抑制剂；
1-5％的封堵防塌剂；
1-5％的页岩封堵剂；
1-5％的纳米封堵剂；
1-3％的降滤失剂；
1-3％的添加剂；
0-0.4％的提切剂；
0.1-0.6％的pH调节剂；
0-300％的加重剂。
进一步地，所述的润滑剂为磺化妥尔油、磺化植物油、聚氧丙烯脂肪酸酯、烷基苯磺酸酰胺中的至少一种。
进一步地，所述所述的抑制剂为聚胺、聚醚胺、聚乙烯亚胺、聚季铵盐、胺基聚醇中的至少一种。
进一步地，所述的封堵防塌剂为磺化沥青、氧化沥青、天然沥青、乳化沥青中的至少一种。
进一步地，所述的页岩封堵剂为腐殖酸与沥青的缩合物，所述腐殖酸质量的有效含量大于或等于70％；沥青为能够全部溶于柴油，质量比为70:30；再进一步加入质量分数为3-10％氢氧化钾和质量分数为2-8％亚硫酸钠在180℃下密闭反应2-5小时即得到页岩封堵剂。
进一步地，所述的纳米封堵剂按下述按质量百分比为：10-20％甲基丙烯酸甲酯、10-20％丙烯酸丁酯、5-15％苯乙烯、5-15％丁二烯、30-70％去离子水加入到密闭反应釜，加入0.5-1.2％的乳化剂，再加入0.2-0.5％的引发剂，控制反应时间3-6小时，反应结束后自然冷却即得到纳米封堵剂。
进一步地，所述的降滤失剂为羧甲基淀粉、磺化淀粉、羟丙基淀粉、阳离子淀粉、磺化褐煤、磺化褐煤树脂、磺化酚醛树脂、低黏聚阴离子纤维素、低黏羧甲基纤维素中的至少一种。
进一步地，所述的添加剂为纳米气相二氧化硅、白炭黑、凹凸棒土、海泡石、硅酸铝、硅酸钠、铝酸钠中的至少一种。
进一步地，所述的提切剂为黄原胶、瓜尔豆胶、田菁胶、香豆胶、羟乙基纤维素、高黏聚阴离子纤维素中的至少一种。
进一步地，所述的pH值调节剂为氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸钾饱和溶液中的至少一种。
进一步地，所述的加重剂为重晶石、石灰石、铁矿粉中的至少一种。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用纳米乳液作为纳米封堵剂，纳米乳液具有温压成膜的特点，在井底能够迅速成膜，阻止钻井液中的自由水继续渗透到页岩中，从而提高页岩稳定性；
(2)本发明所采用的添加剂即能够达到纳米封堵的目的，又能够稳定流变性，提高钻井液的悬浮稳定性，并且还能够进一步降低滤失量；
(3)本发明所采用的页岩封堵剂和封堵防塌剂均能够在提高钻井液封堵能力的同时，其颗粒进入页岩裂缝内达到“镶嵌”与“胶结”的作用，进一步稳定井壁；
(4)本发明所提供的水基钻井液具有稳定的流变性能，极强的封堵抑制性能以及极佳的润滑性能，高温高压滤失量可以达到2mL以下，能够满足页岩气长水平段钻井的需求。。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
由以下组分配制对比例(在水的基础上按体积百分比)
淡水+4％的磺化妥尔油+3％的聚胺+2％的磺化沥青+3％的页岩封堵剂+3％的纳米封堵剂+2％的羟丙基淀粉+2％的纳米气相二氧化硅+0.2％的提切剂+0.3％的氢氧化钠+80％的重晶石，ρ＝1.50g/cm3
实施例2：
由以下组分配制对比例(在水的基础上按体积百分比)
淡水+4％的聚氧丙烯脂肪酸酯+3％的聚季铵盐+2％的氧化沥青+3％的页岩封堵剂+3％的纳米封堵剂+1％的磺化淀粉+3％的硅酸钠+0.1％的黄原胶+0.3％的氢氧化钾+130％的重晶石，ρ＝1.8g/cm3
实施例3：
由以下组分配制对比例(在水的基础上按体积百分比)
淡水+5％的烷基苯磺酸酰胺+3％的胺基聚醇+3％的天然沥青+3％的页岩封堵剂+4％的纳米封堵剂+1％的低黏聚阴离子纤维素+1％的铝酸钠+0.1％的瓜尔豆胶+0.3％的碳酸钾+150％的铁矿粉，ρ＝2.2g/cm3。
实施例4：
由以下组分配制对比例(在水的基础上按体积百分比)
淡水+2％的磺化植物油+5％的聚乙烯亚胺+1％的乳化沥青+1％的页岩封堵剂+5％的纳米封堵剂+3％的磺化酚醛树脂+2％的硅酸铝+0.1％的碳酸钠+300％的重晶石，ρ＝2.3g/cm3。。
实施例5：
由以下组分配制对比例(在水的基础上按体积百分比)
淡水+6％的烷基苯磺酸酰胺+1％的聚醚胺+5％的乳化沥青+5％的页岩封堵剂+1％的纳米封堵剂+2％的磺化褐煤+1％的海泡石+0.2％的田菁胶+0.6％的氢氧化钠+50％的重晶石，ρ＝1.3g/cm3。
实施例6：
由以下组分配制对比例(在水的基础上按体积百分比)
淡水+3％的磺化妥尔油+2％的聚胺+4％的磺化沥青+2％的页岩封堵剂+2％的纳米封堵剂+3％的羧甲基淀粉+3％的凹凸棒土+0.3％的羟乙基纤维素+0.4％的氢氧化钾，ρ＝1.2g/cm3。
对比例1：
市场上常见的水基钻井液体系，由以下组分配制对比例(在水的基础上按体积百分比):
淡水+3％膨润土+0.15％碳酸钠+0.1％氢氧化钠+0.2％黄原胶+0.3％聚阴离子纤维素+2％淀粉+3％聚合醇+10％KCL+60％重晶石，ρ＝1.50g/cm3。
对比例2：
常用的油基钻井液体系,由以下组分配制对比例(在水的基础上按体积百分比):
柴油+2％主乳化剂+1％辅乳化剂+1％氧化钙+2％有机土+3％降滤失剂+水+70％重晶石，ρ＝1.50g/cm3。
上述页岩气开发水基钻井液体系性能表如下：
钻井液 AV PV YP Φ3 API HTHP RHX HSL PPA CST
对比例1 31 21 10 6 4.5 10.4 0.112 88.34 18.4 64
对比例2 35 24 11 9 2 2.4 0.064 97.15 8.4
实施例1 31 22 9 5 1.4 2.0 0.047 97.43 6.8 21
实施例2 45 35 10 6 1.0 1.8 0.065 95.21 7.0 19
实施例3 56 48 8 6 0.6 1.4 0.084 97.42 7.2 22
实施例4 61 55 6 6 0.8 1.8 0.079 96.21 7.6 21
实施例5 31 22 9 7 1.0 1.4 0.060 97.41 6.0 18
实施例6 25 18 7 7 1.1 1.4 0.055 96.33 5.2 21
注：
AV：钻井液表观粘度，mPa·s
PV：钻井液塑性粘度，mPa·s
YP：钻井液动切力，Pa
Φ3：六速旋转粘度计3转读数，无量纲
API：钻井液中压失水(0.7MPa，室温，30min)，mL
HTHP：钻井液高温高压失水(3.5MPa，100℃，30min)，mL
RHX：钻井液润滑性系数，无量纲
HSL：钻井液对页岩的滚动回收率，％
PPA：钻井液高温高压微孔封堵性能，mL
CST：钻井液滤液的页岩抑制性能，s
本发明采用纳米乳液作为纳米封堵剂，纳米乳液具有温压成膜的特点，在井底能够迅速成膜，阻止钻井液中的自由水继续渗透到页岩中，从而提高页岩稳定性；采用的多功能添加剂即能够达到纳米封堵的目的，又能够稳定流变性，提高钻井液的悬浮稳定性，并且还能够进一步降低滤失量。而且与对比例相比水基钻井液体系的润滑系数明显降低，高温高压滤失量均较低，因而极好的解决页岩气水平井所带来的摩阻与扭矩的问题；并且具有优异的流变性能，是一套适合于页岩气开发钻井的水基钻井液体系。
其中所有的实施例的性能参数已经远远超过常用的水基钻井液(对比例1)，而接近或超过了常用的油基钻井液(对比例2)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，在水的基础上按体积百分比组成为：
100％的水；
2-6％的润滑剂；
1-5％的抑制剂；
1-5％的封堵防塌剂；
1-5％的页岩封堵剂；
1-5％的纳米封堵剂；
1-3％的降滤失剂；
1-3％的添加剂；
0-0.4％的提切剂；
0.1-0.6％的pH调节剂；
0-300％的加重剂。
2.如权利要1所述的一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，所述的润滑剂为磺化妥尔油、磺化植物油、聚氧丙烯脂肪酸酯、烷基苯磺酸酰胺中的至少一种。
3.如权利要1所述的一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，所述所述的抑制剂为聚胺、聚醚胺、聚乙烯亚胺、聚季铵盐、胺基聚醇中的至少一种。
4.如权利要1所述的一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，所述的封堵防塌剂为磺化沥青、氧化沥青、天然沥青、乳化沥青中的至少一种。
5.如权利要1所述的一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，所述的页岩封堵剂为腐殖酸与沥青的缩合物，所述腐殖酸质量的有效含量大于或等于70％；沥青为能够全部溶于柴油，质量比为70:30；再进一步加入质量分数为3-10％氢氧化钾和质量分数为2-8％亚硫酸钠在180℃下密闭反应2-5小时即得到页岩封堵剂。
6.如权利要1所述的一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，所述的纳米封堵剂按下述按质量百分比为：10-20％甲基丙烯酸甲酯、10-20％丙烯酸丁酯、5-15％苯乙烯、5-15％丁二烯、30-70％去离子水加入到密闭反应釜，加入0.5-1.2％的乳化剂，再加入0.2-0.5％的引发剂，控制反应时间3-6小时，反应结束后自然冷却即得到纳米封堵剂。
7.如权利要1所述的一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，所述的降滤失剂为羧甲基淀粉、磺化淀粉、羟丙基淀粉、阳离子淀粉、磺化褐煤、磺化褐煤树脂、磺化酚醛树脂、低黏聚阴离子纤维素、低黏羧甲基纤维素中的至少一种。
8.如权利要1所述的一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，所述的添加剂为纳米气相二氧化硅、白炭黑、凹凸棒土、海泡石、硅酸铝、硅酸钠、铝酸钠中的至少一种。
9.如权利要1所述的一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，所述的提切剂为黄原胶、瓜尔豆胶、田菁胶、香豆胶、羟乙基纤维素、高黏聚阴离子纤维素中的至少一种。
10.如权利要1所述的一种适合于页岩气开发的水基钻井液，其特征在于，所述的加重剂为重晶石、石灰石、铁矿粉中的至少一种。
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