CN105647492B - 全阳离子钻井液 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全阳离子钻井液，每立方米钻井液由下述组分组成：5‑15kg的阳离子抑制剂，0‑8kg的第一阳离子包被剂，0‑6kg第二阳离子包被剂，0‑20kg的第一阳离子降滤失剂，0‑20kg第二阳离子降滤失剂，0‑20kg的阳离子封堵剂，其余为钻井液基浆，其中阳离子抑制剂为分子量在小于500的季铵聚合物或叔铵聚合物，第一阳离子包被剂为分子量为40‑60万的聚丙烯酰胺，第二阳离子包被剂为分子量为150‑550万的聚丙烯酰胺，第一阳离子降滤失剂为阳离子褐煤，第二阳离子降滤失剂为阳离子木质素，阳离子封堵剂为粒径80‑200目的阳离子沥青。本发明提供的全阳离子钻井液全部主剂由阳离子型制剂组成，能够较好地与地层的电动电位相匹配，有效提高粘土矿物的稳定性，从而提高钻井速度，节约生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种全阳离子钻井液，属于油气钻井技术领域。
背景技术
在钻井过程中，井壁的稳定性能受地层粘土矿物分散、膨胀、收缩和坍塌等因素的影响。而井壁的稳定性直接影响钻井速度，而钻井速度的高低直接影响生产成本。经研究发现粘土矿物的稳定性与其电动电位有很大的关系，分析其原因为粘土矿物的电动电位控制着其扩散层的厚度和结合水的数量，一旦粘土矿物的电动电位发生变化，其扩散层的厚度和结合水的数量也随之发生变化，从而导致粘土矿物分散、膨胀、收缩或坍塌，稳定性降低。
在钻井过程中，粘土矿物与钻井液相接触，钻井液的电性必定会对粘土矿物的电动电位造成影响，从而影响粘土矿物稳定性。目前已有的阳离子聚合物水基钻井液(以下称“阳离子钻井液”)是二十世纪八十年代发展起来的一种新型水基钻井液体系。阳离子钻井液是以高分子量阳离子聚合物作包被絮凝剂、以小分子量阳离子有机化合物作为泥页岩抑制剂，并使用降滤失剂、增粘剂、封堵剂、润滑剂等处理剂的部分或全部而组成的。高分子量阳离子聚合物的包被絮凝作用和小分子量阳离子有机化合物的泥页岩抑制作用的相结合，使得阳离子水基钻井液体系较之传统的阴离子水基钻井液体系具有更强的抑制性(即抑制页岩中所含黏土矿物的水化、膨胀、分解作用，从而防止井塌)，在一定程度上维持了地层稳定，提高了机械钻速。
尽管现有的阳离子钻井液在提高机械钻速和储层保护方面见到一定效果，但是由于其中使用的降滤失剂、降粘剂以及封堵剂都是阴离子型物质，使得钻井液中出现了阴、阳离子处理剂的不相容问题，难以与地层各层的电动电位相等或匹配。但受条件限制，特别是阳离子处理剂的缺乏，在现有的阳离子钻井液体系中不得不较多地使用了阴离子型处理剂，这在一定程度上影响了这种体系的地层稳定性和抑制性。
发明内容
本发明提供一种全阳离子钻井液，能够较好地与地层的电动电位相匹配，有效提高粘土矿物的稳定性，并解决现有的阳离子钻井液阴、阳离子不相容的问题，从而提高钻井速度，节约生产成本。
本发明提供一种全阳离子钻井液，每立方米所述全阳离子钻井液由下述组分组成：
5-15kg的阳离子抑制剂，0-8kg的第一阳离子包被剂，0-6kg第二阳离子包被剂，0-20kg的第一阳离子降滤失剂，0-20kg第二阳离子降滤失剂，0-20kg的阳离子封堵剂，其余为钻井液基浆，其中
阳离子抑制剂选自分子量在小于500的季铵聚合物或叔铵聚合物，第一阳离子包被剂为分子量为40-60万的聚丙烯酰胺，第二阳离子包被剂为分子量为150-550万的聚丙烯酰胺，第一阳离子降滤失剂为阳离子褐煤，第二阳离子降滤失剂为阳离子木质素，阳离子封堵剂为粒径80-200目的阳离子沥青。
本发明通过在钻井液基浆中加入阳离子包被剂、阳离子抑制剂、阳离子降滤失剂、阳离子封堵剂四类单剂，形成全阳离子钻井液。本发明的全阳离子钻井液使其中的粘土颗粒电动电位在-10mV至-20mV左右，基本接近地层条件下粘土颗粒的电动电位，地层粘土矿物与本发明提供的全阳离子钻井液接触时其电动电位不发生变化，从而能达到稳定井壁、提高钻井速度目的。在钻井作业过程中，可通过在上述范围内调节各阳离子单剂的浓度来调节钻井液的电动电位和性能，使之平衡地层电动电位和满足现场要求。
具体地，在用于上部地层时，每立方米全阳离子钻井液包括：5-15kg的阳离子抑制剂，4-6kg的阳离子包被剂，5-10kg的第二阳离子降滤失剂，其余为钻井液基浆。优选每立方米钻井液包括8-12kg的阳离子抑制剂，4-6kg的第二阳离子包被剂，6-8kg的第二阳离子降滤失剂，其余为钻井液基浆。所述上部地层指井深小于2800米以上地层，例如塔里木油田哈拉哈塘地区第四系、新近系库车组、康村组地层。
上述第二阳离子降滤失剂为阳离子木质素，抗温抗压能力相对于第一阳离子降滤失剂较弱，为中压降滤失剂，但阳离子化程度较高，能降低中压(通常为大于7个大气压)条件下的失水。
对于上部地层，胶结较弱，易分散，因此稳定性较差，可使用上述第二阳离子包被剂(CPH-2)，其通常可为分子量在150-550万左右的聚丙烯酰胺，优选分子量为300-400万的聚丙烯酰胺。上述第二阳离子包被剂分子链长，桥联作用强，可在粘土颗粒表面形成多点吸附，从而将粘土颗粒连接在一起，起到包被作用在钻井作业中更好地稳定上部地层。
在用于下部地层时，每立方米所述钻井液包括：5-15kg的阳离子抑制剂，4-8kg的阳离子包被剂，5-10kg的第二阳离子降滤失剂，5-20kg第一阳离子降滤失剂，5-20kg的阳离子封堵剂，其余为钻井液基浆。优选地，每立方米钻井液包括8-12kg的阳离子抑制剂，5-7kg的第一阳离子包被剂，6-8kg的第二阳离子降滤失剂，5-15kg的第一阳离子降滤失剂，5-15kg的阳离子封堵剂，其余为钻井液基浆。所述下部地层指2800米以下地层，例如塔里木油田哈拉哈塘地区古近系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系地层。
第一阳离子降滤失剂(CPF)为阳离子褐煤类，分子量通常可为1-10万，抗温能力相对于CPF-1高，为高温高压降滤失剂，但阳离子化程度较低。在用于下部地层时，可与第一阳离子降滤失剂配合使用，以保证良好的降滤失效果。
第一阳离子包被剂(CPH-1)可选择分子量较小的聚丙烯酰胺，以适用于胶结较强，分散性较弱的下部地层，例如通常可选择分子量30-70万的聚丙烯酰胺。
上述阳离子封堵剂(CPA)为粒径80-200目的阳离子沥青，优选可以使用120-150目的阳离子沥青，细目的沥青有利于进行微小空隙之中，增强其封堵效果。
通常情况下，钻井液基浆中可包括膨润土和水。本领域技术人员可以根据施工具体情况，加入适量的烧碱和/或加重剂，加重剂例如为本领域常用的重晶石、石灰石等。上述膨润土、水、烧碱和加重剂的加入量可通过本领域已知的常规方法来确定。其中，钻井液中的水优选加入淡水。
此外，在本发明提供的钻井液中，还可根据具体的钻井条件要求的流变性能及功能来确定钻井液中需要添加的其他处理剂，例如润滑剂、成膜剂、井眼稳定剂等。本领域技术人员可通过本领域已知的常规方法根据实际情况来确定这些处理剂的添加量。例如，可以向钻井液中加入润滑剂，润滑剂的添加量可以根据钻井液体系所要求的摩阻系数通过本领域已知的常规方法来确定。
本发明方案的实施，至少具有以下优势：
1、本发明提供的全阳离子钻井液通过在钻井液基浆中添加具有不同的阳离子度和电动电位的添加剂，增加钻井液的电动电位，使其达到与地层条件下粘土矿物电动电位相等或相匹配状态，避免粘土矿物的分散、膨胀、收缩、坍塌，在稳定井壁的同时提高了钻井速度。
2、本发明提供的全阳离子钻井液中，含有的多个添加剂具有不同的阳离子基团，电动电位也不尽相同，能够根据多种地层电动电位的要求，选择钻井液的具体组成，配置出体系电动电位和性能满足要求的钻井液。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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
室内评价全阳离子钻井液各项性能：
本实施例中提供的全阳离子钻井液中，每立方米钻井液包含：50kg膨润土，20kg阳离子褐煤第一阳离子降滤失剂(CPF)，10kg阳离子木质素第二阳离子降滤失剂(CPF-1)，8kg第一阳离子包被剂(CPH-1)，6kg分子量为400万左右的聚丙烯酰胺第二阳离子包被剂(CPH-2)，10kg分子量小于500的季铵聚合物作为阳离子抑制剂(CPI)，20kg粒径为120-150目的阳离子沥青作为阳离子封堵剂，其余为水。再向其中加石灰石粉至钻井液密度为1.25kg/cm3，加3kgNaOH调节PH值至9。将此全阳离子钻井液在150℃下老化24小时，测试性能见表1。
表1
(其中API为滤失量，HTHP为高温高压)
由表1中各项数据可知，本实施例提供的全阳离子钻井液在150℃下老化24小时后，各项性能良好，均达到使用标准。
实施例2：
室内评价全阳离子钻井液抗饱和盐、抗钙性能：
本实施例中提供的全阳离子钻井液中，每立方米钻井液包含：30kg膨润土，10kg阳离子抑制剂(CPI)，8kg第一阳离子包被剂(CPH-2)，6kg第二阳离子包被剂(CPH-2)，20kg第一阳离子降滤失剂(CPF)，20kg第二阳离子降滤失剂(CPF)，20kg阳离子封堵剂(CPA)，其余为水。其中各阳离子制剂的选择可与实施例1中相同。再向其中加重晶石至钻井液密度为2.3kg/cm3，调节PH值至10。
测试时向上述全阳离子钻井液中加入360kg氯化钠，60kg石膏，并将此全阳离子钻井液在150℃下老化24小时，测试性能见表2，。
表2
由表2中各项数据可知，本实施例提供的全阳离子钻井液在饱和盐水和6％石膏污染下，其各项性能仍优良，说明该全阳离子钻井液抗饱和盐、抗钙污染性能优异。
实施例3
室内评价全阳离子钻井液抗温性能：
本实施例中提供的全阳离子钻井液中，每立方米钻井液包含：30kg膨润土，10kg阳离子抑制剂(CPI)，8kg第一阳离子包被剂(CPH-2)，6kg第二阳离子包被剂(CPH-2)，20kg第一阳离子降滤失剂(CPF)，20kg第二阳离子降滤失剂(CPF)，20kg阳离子封堵剂(CPA)，其余为水。其中各阳离子制剂的选择可与实施例1中相同。再向其中加重晶石至钻井液密度为2.3kg/cm3，调节PH值至10，
测试时向上述全阳离子钻井液中加入300kg氯化钠，并将此钻井液在180℃下老化24小时，测试性能见表3。
表3
由表3中各项数据可知，本实施例提供的全阳离子钻井液饱和盐水的污染下，以及在180℃下老化24小时后，各项性能良好，均达到使用标准，可见其抗饱和盐和抗温性能优异。
实施例4
塔里木油田哈拉哈塘地区现场使用实例：
本实施例中应用于上部地层的全阳离子钻井液中，每立方米钻井液包含：10kg的分子量小于500的季铵聚合物作为CPI，5kg分子量为400万左右的聚丙烯酰胺作为CPH-2，8kg阳离子木质素作为CPF-1，其余为钻井液基浆。将上述各物质混合均匀。根据不同地层的施工条件，再向其中加入适量石灰石粉至钻井液密度为1.0-1.3kg/cm3，加NaOH调节pH值至9，配置成全阳离子钻井液。上述各阳离子制剂均由新疆中环辉腾石油科技有限公司生产。将本实施例提供的全阳离子钻井液应用于塔里木油田哈拉哈塘地区哈7-17井第四系、新近系库车组、康村组地层，本实施例的全阳离子钻井液阳离子浓度约为10000毫克每方，电动电位为-10mV左右，与地层电动电位基本相同。
应用于下部地层的全阳离子钻井液中，每立方米钻井液包含：10kg的分子量小于500的季铵聚合物作为CPI，6kg分子量为50万左右的聚丙烯酰胺作为CPH-1，8kg分子量为1-10万的阳离子木质素作为CPF-1，15kg阳离子褐煤作为CPF，15kg的粒径为120-150目的阳离子沥青作为CPA，其余为钻井液基浆。将上述各物质混合均匀。根据不同地层的施工条件，再向其中加入适量石灰石粉至钻井液密度为1.0-1.3kg/cm3，加NaOH调节pH值至9，配置成全阳离子钻井液。上述各阳离子制剂均由新疆中环辉腾石油科技有限公司生产。将本实施例提供的全阳离子钻井液应用于塔里木油田哈拉哈塘地区哈7-17井古近系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系地层，本实施例的钻井液阳离子浓度约为8000毫克每方，电动电位为-15mV左右，与地层电动电位基本相同。
本发明的钻井液各项性能均满足工程的要求，施工过程中其抑制性能强，抗温、抗钙和粘土能力强，易于维护，对环境和生物无毒害。应用本发明提供的全阳离子钻井液的哈拉哈塘哈7-17井，于2013年7月22日开钻，9月9日钻至6700m完钻，井底温度高达160℃，全井用时49.21天完钻，创当时该地区最短完钻周期纪录。
实施例5
塔里木油田新垦地区现场使用实例：
本实施例中应用于上部地层的全阳离子钻井液中，每立方米钻井液包含：10kg的分子量小于500的季铵聚合物作为CPI，5kg分子量为400万左右的聚丙烯酰胺作为CPH-2，8kg阳离子木质素作为CPF-1，其余为钻井液基浆。将上述各物质混合均匀。根据不同地层的施工条件，再向其中加入适量石灰石粉至钻井液密度为1.0-1.3kg/cm3，加NaOH调节pH值至9，配置成全阳离子钻井液。上述各阳离子制剂均由新疆中环辉腾石油科技有限公司生产。将本实施例提供的全阳离子钻井液应用于塔里木油田新垦地区新垦405井第四系、新近系库车组、康村组地层，本实施例的全阳离子钻井液阳离子浓度约为10000毫克每方，电动电位为-10mV左右，与地层电动电位基本相同。
应用于下部地层的全阳离子钻井液中，每立方米钻井液包含：10kg的分子量小于500的季铵聚合物作为CPI，6kg分子量为50万左右的聚丙烯酰胺作为CPH-1，8kg分子量为1-10万的阳离子木质素作为CPF-1，15kg阳离子褐煤作为CPF，15kg的粒径为120-150目的阳离子沥青作为CPA，其余为钻井液基浆。将上述各物质混合均匀，再向其中加石灰石粉至钻井液密度为1.25kg/cm3，加3kgNaOH调节PH值至9，配置成钻井液。上述各阳离子制剂均由新疆中环辉腾石油科技有限公司生产。将本实施例提供的全阳离子钻井液应用于塔里木油田新垦地区新垦405井古近系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系地层，本实施例的全阳离子钻井液阳离子浓度约为8000毫克每方，电动电位为-15mV左右，与地层电动电位基本相同。
本发明的钻井液各项性能均满足工程的要求，施工过程中其抑制性能强，抗温、抗钙和粘土能力强，易于维护，对环境和生物无毒害。应用本发明的新垦405井，于2012年3月29日开钻，5月26日钻至完钻井深6785米完钻，井底温度高达160℃，全井用时55.08天完钻，创当时该地区最短完钻周期纪录。
实施例6
除实施例4、5外，在塔里木油田哈拉哈塘地区、新垦地区、热普地区、哈得地区、其格地区等共应用17口井，全阳离子钻井液现场应用情况见表6。
以应用本发明的全阳离子钻井液的17井为例，钻井周期相比于同时期使用传统水基钻井液(不全是阳离子钻井液)的邻井66井，事故与复杂损失总时间减少10.2％，机械钻速提高14.9％，完钻周期短9.8％，平均单井可节约钻井时间10天，节约了生产成本，经济效益显著。
表6
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种全阳离子钻井液，其特征在于，每立方米所述全阳离子钻井液含有：
5-15kg的阳离子抑制剂，0-8kg的第一阳离子包被剂，0-6kg第二阳离子包被剂，0-20kg的第一阳离子降滤失剂，0-20kg第二阳离子降滤失剂，0-20kg的阳离子封堵剂，其余为钻井液基浆，其中
所述阳离子抑制剂为分子量在小于500的季铵聚合物或叔铵聚合物，所述第一阳离子包被剂为分子量为40-60万的聚丙烯酰胺，所述第二阳离子包被剂为分子量为300-400万的聚丙烯酰胺，所述第一阳离子降滤失剂为阳离子褐煤，第二阳离子降滤失剂为阳离子木质素，所述阳离子封堵剂为粒径80-200目的阳离子沥青。
2.根据权利要求1所述的全阳离子钻井液，其特征在于，每立方米所述全阳离子钻井液包括：5-15kg的所述阳离子抑制剂，4-6kg的所述第二阳离子包被剂，5-10kg的所述第二阳离子降滤失剂，其余为钻井液基浆。
3.根据权利要求2所述的全阳离子钻井液，其特征在于，每立方米所述全阳离子钻井液包括：8-12kg的所述阳离子抑制剂，4-6kg的所述第二阳离子包被剂，6-8kg的所述第二阳离子降滤失剂，其余为钻井液基浆。
4.根据权利要求1所述的全阳离子钻井液，其特征在于，每立方米所述全阳离子钻井液包括：5-15kg的所述阳离子抑制剂，4-8kg的所述第一阳离子包被剂，5-10kg的所述第二阳离子降滤失剂，5-20kg所述第一阳离子降滤失剂，5-20kg的所述阳离子封堵剂，其余为钻井液基浆。
5.根据权利要求4所述的全阳离子钻井液，其特征在于，每立方米所述全阳离子钻井液包括8-12kg的所述阳离子抑制剂，5-7kg的所述第一阳离子包被剂，6-8kg的所述第二阳离子降滤失剂，5-15kg的所述第一阳离子降滤失剂，5-15kg的所述阳离子封堵剂，其余为钻井液基浆。
6.根据权利要求1所述的全阳离子钻井液，其特征在于，所述第一阳离子包被剂为分子量为30-70万的聚丙烯酰胺。
7.根据权利要求1所述的全阳离子钻井液，其特征在于，所述全阳离子钻井液基浆包括膨润土和水。
8.根据权利要求7所述的全阳离子钻井液，其特征在于，所述全阳离子钻井液基浆中的水为淡水。
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