CN105586018A - 一种含环氧树脂微球的钻井液 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含环氧树脂微球的钻井液，所述环氧树脂微球的粒径为10-500μm，在钻井液中的含量为1-10重量％。所述环氧树脂微球通过将环氧树脂、稀释剂、固化剂溶解均匀后作为油相，将其分散到添加有分散剂和助分散剂的水相中，通过油水比、搅拌速度和分散剂浓度控制粒径。油水乳液分散均匀后升温使环氧树脂固化，离心干燥后得到。将所述环氧树脂微球加入到钻井液中能提高钻井液的润滑性，应用效果优于中空玻璃微珠和聚苯乙烯微球。

Description

一种含环氧树脂微球的钻井液

技术领域

本发明涉及一种含环氧树脂微球的钻井液，属于油气田开发领域。

背景技术

随着石油勘探工作的发展及开采难度的不断增大，各种新的钻井工艺被越来越广泛的采用，如深井、超深井、丛式井、大位移井、大斜度定向井和水平井等。在这些钻井过程中，避免卡钻、降低钻具扭矩、减少钻柱磨损成为急需解决的问题之一。在钻井液中加入润滑剂可有效降低卡钻等事故的发生概率，对钻井工程的顺利进行、降低成本、提高效率具有良好的作用。

加入润滑剂可提高钻井液润滑性。润滑剂可分为液体润滑剂和固体润滑剂，液体润滑剂是以液体的形式起到防卡、增加泥饼润滑性、在钢铁岩石表面形成憎水膜等，包括油、表面活性剂、脂肪酸、高级醇等。液体润滑剂在包装、运输和储存往往存在许多的限制，不便在偏远地区和交通不便地区使用；混油的润滑剂容易污染环境，且易影响测井；特别是遇到高温地层时，常规的液体润滑剂容易失效，抗温性能差，易随钻井液的滤失而损失。

固体润滑剂是相对于液体润滑剂来说的，以固体的形式加入到钻井液中，具有运输便利、无荧光、润滑性能好等优点。目前所用的钻井液用固体润滑剂按照润滑机理主要有以下两种：

(1)石墨类，润滑机理主要靠层间的滑动。石墨是碳的一种结晶形态,具有六方晶格,原子呈层状排列。同一层晶面上碳原子间的距离为0.142nm，相互之间是共价键结合；层与层之间的距离为0.34nm，原子间呈分子键结合，层与层之间的作用力很小故很容易在层间发生相对滑动，从而起到很好的减磨作用。石墨粉作为润滑剂具有抗高温、无荧光、降摩阻效果明显、加量小、对钻井液性能无不良影响等特点。加入到钻井液后能牢固地吸附(包括物理和化学吸附)在钻具和井壁岩石表面，从而改善摩擦接触面之间的摩擦状态，起到降低摩阻的作用。

(2)圆形球状体，类似于细小滚珠。润滑机理是存在于钻柱与井壁之间，将滑动面之间的面接触变成点接触，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而大幅度降低扭矩和阻力，防止粘附卡钻，主要包括玻璃微球和塑料微球。玻璃微球成分为玻璃体，主要成分为二氧化硅，表面光滑，本体密度在2.6g/cm³，由于本体密度较大，为了不引起钻井液中密度较大的变化，一般都采用3M公司的中空玻璃微珠。例如，张雪娜,康万利等人在“中空玻璃微珠低密度钻井液性能探讨，钻井液与完井液,2007,24(6):75-77”中记载：将玻璃微珠加入到钻井液中，可以很大程度地降低钻井液对钻杆的摩擦阻力，使钻头迅速下钻，提高机械钻速，并且减少钻头磨损。陈德铭,刘亚元等在“二连油田水平井钻井液技术，钻井液与完井液,2006,23(5):70-73”中记载：在里海地区油井的实验中使用了直径小于0.9mm的玻璃微珠，添加量为5～20kg/m3，使提升钻杆所需的力矩减小了30％。

玻璃微珠的缺点是内部中空，壳层成分为玻璃体，性脆，在打钻过程中极易破碎，一般用于下套管时使用，而不能用于常规钻井中。塑料微球主要为苯乙烯与二乙烯苯的共聚物，韧性强，具有无毒、无荧光、可回收利用等特点。它耐酸、耐碱、不溶于水和油类，在钻井液中呈惰性，可与水基和油基的各种类型钻井液匹配，是一种高效润滑剂，近年来发展很快。

石墨为天然矿物材料，玻璃微珠由于脆性大，在打钻过程中无法应用，钻井液用固体润滑剂研究主要集中在塑料微球方面，塑料微球的韧性越好、抗温性越高，在钻井液中应用潜力越大。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种含环氧树脂微球的钻井液，由于环氧树脂微球可将钻具与井壁的面摩擦转化为点摩擦，因此润滑性好，可有效避免粘附卡钻现象。尤其适用于下套管和斜井段钻进时使用。

为实现上述目的，本发明的含环氧树脂微球的钻井液中，所述环氧树脂微球的粒径在10-500μm可调，优选在60-150μm可调，在钻井液中的含量为1-10重量％。钻井液可以为常规水基钻井液。

本发明还提供所述含环氧树脂微球钻井液的制备方法，包括：在搅拌状态下向配制好的水基钻井液中加入1-10重量％的环氧树脂微球，微球的粒径搭配根据现场使用情况调整。

在本发明的一个具体实施例中，所述环氧树脂微球的制备方法如下：

(1)将环氧树脂、稀释剂和固化剂搅拌均匀后作为油相溶液。

所述稀释剂可以选自丙酮、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯和醋酸丁酯中的至少一种，用量为环氧树脂的10-20重量％；也可以选自丁基缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、C12-14脂肪缩水甘油醚和新戊二醇二缩水甘油醚中的至少一种，用量为环氧树脂的10-30重量％；

固化剂可以选自有机酸酐、三氟化硼及络合物、脂肪二胺、多胺、芳香族多胺和双氰双胺中的至少一种，用量为环氧树脂的5-50重量％。

(2)将分散剂和乳化剂溶解在蒸馏水中作为水相溶液。

所述分散剂可以选自黄原胶、明胶、阿拉伯树胶、羧甲基纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、羟乙基纤维素和聚乙烯醇中的至少一种，用量为水相溶液的0.5-8重量％，优选为1-3重量％。所述乳化剂可以选自十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、司班80、司班60和OP-10中的至少一种，用量为水相溶液的0.01-1.0重量％，优选为0.1-0.3重量％。

(3)将油相与水相混合，升温固化得到所述环氧树脂微球；优选油相与水相的质量比为1:2～1:10，更优选为1:5～1:7。

具体操作为：室温下将水相注入带有冷凝回收管的三口烧瓶，搅拌条件下将油相加入到水相中，继续搅拌1h后，将三口烧瓶水浴加热至40～100℃，优选50～90℃，然后反应5～24小时，优选8～18小时后结束实验。整个反应过程中应不间断搅拌，搅拌速度控制在200～10000r/min，优选350～800r/min，抽滤烘干即得所述环氧树脂微球。

发明效果

(1)用该方法制备的环氧树脂微球粒径均匀，圆形度好，表面光滑。粒径可以通过调整分散剂用量和搅拌速度进行控制；

(2)制备出的微球抗温、抗压、抗研磨性好，抗腐蚀，适合于油田钻井特殊的应用环境。将其用于钻井液润滑性好，可有效防止粘附卡钻。

附图说明

图1为玻璃微珠原始显微形态。

图2为玻璃微珠用手研磨10下后的显微形态。

图3为环氧树脂微球原始显微形态。

图4为环氧树脂微球用手研磨10下后的显微形态。

具体实施方式

制备例1

(1)将40g环氧树脂、4g二甲苯和3.5g1,5-戊二胺搅拌溶解均匀后得到油相溶液；

(2)将2g明胶和0.02g十二烷基硫酸钠加入到盛有200ml蒸馏水的三口烧瓶中，搅拌溶解得到水相溶液；

(3)将搅拌速度设定为200r/min，将油相溶液加入到水相溶液中，搅拌反应1h，然后升温至40℃反应18h；

(4)用真空抽滤装置将所述乳液进行固液分离，固相烘干后即得平均粒径为370μm的环氧树脂微球。

制备例2

(1)将46g环氧树脂、9g丁基缩水甘油醚和23g双氰双胺搅拌溶解得到油相溶液；

(2)将8g聚乙烯醇和0.4g十二烷基苯磺酸钠加入到盛有400ml蒸馏水的三口烧瓶中，搅拌溶解得到水相溶液；

(3)将搅拌速度设定为500r/min，将油相溶液加入到水相溶液中，搅拌反应1h，然后升温至50℃反应8h。

(4)用真空抽滤装置将所述乳液进行固液分离，固相烘干后即得平均粒径为106μm的环氧树脂微球。

制备例3

(1)将46g环氧树脂、11g醋酸丁酯和23g对苯二胺搅拌溶解得到油相溶液；

(2)将9g明胶和0.4g十二烷基苯磺酸钠加入到盛有400ml蒸馏水的三口烧瓶中，搅拌溶解得到水相溶液；

(3)将搅拌速度设定为500r/min，将油相溶液加入到水相溶液中，搅拌反应1h，然后升温至80℃反应12h。

(4)用真空抽滤装置将所述乳液进行固液分离，固相烘干后即得平均粒径为86μm的环氧树脂微球。

制备例4

(1)将50g环氧树脂、15g乙二醇二缩水甘油醚和14g顺丁烯二酸酐搅拌溶解得到油相溶液；

(2)将80g明胶和1.0g十二烷基苯磺酸钠加入到盛有1000ml蒸馏水的三口烧瓶中，搅拌溶解得到水相溶液；

(3)将搅拌速度设定为250r/min，将油相溶液加入到水相溶液中，升温至100℃反应24h。

(4)用真空抽滤装置将所述乳液进行固液分离，固相烘干后即得平均粒径为60μm的环氧树脂微球。

制备例5

(1)将50g环氧树脂、7g丁基缩水甘油醚和17g多乙烯多胺(橙红色透明粘稠液体，是乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺和四乙烯五胺的交联产物，有氨气味，极易吸收空气中的水分与二氧化碳。与酸生成相应的盐，低温时会凝固。呈强碱性。能与水、醇和醚混溶。有腐蚀性。主要用作环氧树脂固化剂、原油破乳剂等)。搅拌溶解得到油相溶液；

(2)将20g聚乙烯醇和4g十二烷基磺酸钠加入到盛有400ml蒸馏水的三口烧瓶中，搅拌溶解得到水相溶液；

(3)将搅拌速度设定为500r/min，将油相溶液加入到水相溶液中，升温至90℃反应20h。

(4)用真空抽滤装置将所述乳液进行固液分离，固相烘干后即得平均粒径为33μm的环氧树脂微球。

环氧树脂微球呈惰性，与钻井液处理剂基本不发生化学反应，因此对钻井液体系和配伍处理剂没有特殊要求。以膨润土浆和膨润土浆为例来说明环氧树脂微球加入后对钻井液润滑性及其他性能的影响。

利用泥饼黏附系数测定仪(NF～2型泥饼粘附系数测定仪，青岛海通达专用仪器有限公司)测量环氧树脂微球加入前后钻井液的黏附系数变化情况，黏附系数测定方法见标准Q/SHCG4～2011《水基钻井液用润滑剂技术要求》4.2.7“泥饼黏附系数降低率”；利用滑板式泥饼摩阻系数测定仪测量环氧树脂微球加入前后泥饼的粘滞系数，具体方法见《钻井液工艺学》(主编：鄢捷年，2006年出版)112页“1.滑板式泥饼摩租系数测定仪”。

实施例1

配制6％博友土浆作为基浆，在其中加入3％重量，制备例2制备的环氧树脂微球作为钻井液。利用钻井液粘附系数测定仪分别测定基浆与含有环氧树脂微球钻井液的粘附系数，测试结果如表1所示。

表1粘附系数测试结果

测试过程中，利用钻井液粘附系数测定仪时，加入环氧树脂微球的钻井液铁块无法被压在泥饼上，这是因为在泥饼中存在的环氧树脂微球相当于突出的支点，不能使铁块与泥饼粘在一起，可避免粘附卡钻。

继续比较环氧树脂微球和聚苯乙烯微球(两种微球粒径均为100～150μm)在加热条件下的润滑效果，如表2所示。

表2粘附系数测试结果

空白1的测量条件是常温常压。比较实施例1和对比例1，100℃热滚16h后，含环氧树脂微球的钻井液依旧没有读数，而含聚苯乙烯微球的钻井液虽然比6％博友土浆润滑效果好，但润滑性低于含环氧树脂的钻井液。说明相比聚苯乙烯微球，环氧树脂微球的抗温性好，更适合在高温下使用。

实施例2

配制6％膨润土浆作为基浆，在其中加入3重量％，制备例3制备的环氧树脂微球作为钻井液，微球的粒径范围为60-120μm并与加入中空玻璃微珠(粒径范围60-120μm)的钻井液比较，润滑性能测试结果如表3所示。

表3润滑性能测试结果

由表3可以看出，与原始土浆对比，玻璃微珠和塑料微球都有降低钻井液润滑性的作用。然后在钻井液中加入研磨棒，经过16个小时滚动研磨后测试结果有很大变化，如表4所示：

表4研磨后润滑性能测试结果

从表4可以看出，中空玻璃微珠作为固体润滑剂在研磨之后流变性能变差，研磨后密度变大，而环氧树脂微球没有明显变化。为了更直观的看到两者的抗研磨性能差别，将两种微球分别于显微镜下观察原始形态，然后置于载玻片上，盖上盖玻片，用手轻轻研磨10下，再观察其形态，结果如图1-4所示。

图1和2为中空玻璃微珠研磨前后，放大1200倍下的形态对比。可以看出，中空玻璃微球研磨之后发生破碎，已不是球形形状，因此润滑效果变差。图3和4为环氧树脂微球研磨前后，放大1200倍下的形态对比，其形貌变化不大。充分说明了环氧树脂微球更有利于在钻井条件下应用。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (9)

1.一种钻井液，其含有粒径为10-500μm，优选为60-150μm的环氧树脂微球，所述环氧树脂微球在钻井液中的含量为1-10重量％。

2.根据权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述钻井液为常规水基钻井液。

3.根据权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述环氧树脂微球的制备方法包括：

1)将环氧树脂、稀释剂和固化剂搅拌均匀后作为油相溶液；

2)将分散剂和乳化剂溶解在蒸馏水中作为水相溶液；

3)将油相与水相混合并乳化均匀后升温固化。

4.根据权利要求3所述的钻井液，其特征在于，所述稀释剂选自丙酮、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯和醋酸丁酯中的至少一种，用量为环氧树脂的10-20重量％；或者选自丁基缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、苯基缩水甘油醚、C12-14脂肪缩水甘油醚和新戊二醇二缩水甘油醚中的至少一种，用量为环氧树脂的10-30重量％。

5.根据权利要求3所述的钻井液，其特征在于，所述固化剂选自有机酸酐、三氟化硼及络合物、脂肪二胺、多胺、芳香族多胺和双氰双胺中的至少一种，用量为环氧树脂的5-50重量％。

6.根据权利要求3所述的钻井液，其特征在于，所述分散剂选自黄原胶、明胶、阿拉伯树胶、羧甲基纤维素、聚乙烯基吡咯烷酮、羟乙基纤维素和聚乙烯醇中的至少一种，用量为水相溶液的0.5-8重量％，优选为1-3重量％。

7.根据权利要求3所述的钻井液，其特征在于，所述乳化剂选自十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、司班80、司班60和OP-10中的至少一种，用量为水相溶液的0.01-1.0重量％，优选为0.1-0.3重量％。

8.根据权利要求3所述的钻井液，其特征在于，所述油相与水相的质量比为1:2～1:10，优选为1:5～1:7。

9.根据权利要求3所述的钻井液，其特征在于，所述升温固化的温度为40～100℃，优选50～90℃，反应时间为5～24小时，优选8～18小时。