CN105885810A - 一种纤维素类复配体系钻井液降滤失剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维素类复配体系钻井液降滤失剂及其制备方法；目的是提供一种适用于盐水基浆的成本低廉、具有良好的降滤失性能、流变性能和对环境友好的纤维素类钻井降滤失剂。一种纤维素类复配体系钻井液降滤失剂包括如下重量份组分：PAC 0.6～0.9％，纳米纤维素晶须0.06～0.18％，其余为盐水基浆，所述盐水基浆中氯化钠的质量分数为14～16％，膨润土的质量分数为2.5～3.5％，钻井液的pH为9.5～10.5。本发明制备的维素类复配体系钻井液降滤失剂具有良好的协同降滤失效果；钻井液体系经老化后的API滤失量和高温高压滤失量显著降低，剪切变稀性更加明显，同时减少了PAC的加量，幅度最高可达50％，大大降低了成本。

Description

一种纤维素类复配体系钻井液降滤失剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有优越降滤失性能和流变性能的降滤失剂及其制备方法，具体涉及一种纤维素类复配体系钻井液降滤失剂及其制备方法。

背景技术

降滤失剂又称滤失控制剂、降失水剂。在钻井过程中，钻井液容易失水，钻井液的滤液侵入地层会引起泥页岩水化膨胀，严重时导致井壁不稳定和各种井下复杂情况发生，钻井遇到油气层时还会造成油气层的损害。而失水形成的滤饼可以阻挡进一步的失水，保护井壁。但滤饼也不能太厚，否则容易造成“卡钻”等情况的发生。因此，形成低渗透率的滤饼，既能降低滤失量，又能保证滤饼不会太厚，同时能够保证成本低廉、工艺简单，是降滤失剂研究的重点。

纤维素类降滤失剂主要有羧甲基纤维素(CMC)和羟乙基纤维素(HEC)两类。其中聚阴离子纤维素(PAC)是用于石油钻井的，取代基分布更均匀、性能更好的羧甲基纤维素，其抗盐、抗钙和增粘降滤失能力均比普通的CMC高。纤维素类是钻井液常用的降滤失剂，其具有来源广泛、环境友好等优点，但同时也具有如下缺点：作用单一、加入量较大、并且由于醚键、酯基等的存在，其抗高温和抗盐性能较差。

纳米纤维素晶体(CNC)，也叫纳米纤维素晶须，其长度大约10～1000nm，直径为10nm左右，长径比高达100。纳米纤维素晶须的结晶度高、亲水性好，还具有特殊的光学、机械和流变性能。此外，其优异的生物相容性和生物可降解性可用来制造环保型的纳米复合材料。

Li Mei-Chun等(ACS applied materials&interfaces,2015,7(8):5006-5016)将纤维素纳米颗粒作为流变改性剂和降滤失剂加入到蒙脱土中，发现纤维素纳米晶体比微纤化的纳米纤维素效果好很多。这是因为纤维素纳米晶体与粘土和水形成了核壳结构，锁住了一部分水分，从而明显降低了滤失量，形成了致密且薄的滤饼，钻井液的剪切变稀现象也更为明显。但是CNC的加入量大，而且没有研究各组分的加入方式以及加入量对降失水效果的影响，另外该实验是在淡水基浆中进行，对盐水基浆中的应用效果没有进行研究，对老化后的效果和高温高压下的效果也都没有进行探索。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于盐水基浆的成本低廉、具有良好的降滤失性能、流变性能和对环境友好的纤维素类钻井降滤失剂。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种纤维素类复配体系钻井液降滤失剂包括如下重量份组分：

PAC 0.6～0.9％，

纳米纤维素晶须 0.06～0.18％，

其余为盐水基浆，所述盐水基浆中氯化钠的质量分数为14～16％，膨润土的质量分数为2.5～3.5％，钻井液的pH为9.5～10.5。

进一步优选的，所述钻井液降滤失剂包括如下重量份组分：

PAC 0.6～0.9％，

纳米纤维素晶须 0.06～0.18％，

其余为盐水基浆，所述盐水基浆中氯化钠的质量分数为15％，膨润土的质量分数为3％，钻井液的pH为10。

进一步的，所述的PAC为高粘度PAC，取代度为0.85～1.2，纯度大于95％。高粘度PAC即在1％的溶液里粘度为800～1000mPa·S的PAC。具体的高粘度PAC理化指标和性能指标见表1，表1中所述百分比均为质量分数。

表1 高粘聚阴离子纤维素PAC-HV理化性能指标

项目	指标
		外观	自由流动粉末
水分，％	≤9.0
		纯度，％	≥95
取代度	0.85～1.2

更进一步的，所述的纳米纤维素晶须的直径为5～20nm，长度为50～1000nm，pH值为中性。

上述钻井液降滤失剂的制备方法包括如下步骤：

A.将所述纳米纤维素晶须在水中透析至中性；

B.将PAC缓慢加入到已经预水化至少24h的淡水基浆中，再加入氯化钠，最后加入纳米纤维素晶须悬浮液。

进一步的，所述降滤失剂常温API滤失量、120℃老化后的API滤失量以及120℃、3.5MPa下的高温高压滤失量(FL_HTHP)分别不小于4.4mL、4.8mL和14.8mL。

本发明以纤维素为原料，首先通过酸解法和透析法制备了中性的纳米纤维素晶须，其次将该纳米纤维素晶须与PAC通过高速搅拌共混制备成CNC/PAC复配钻井液体系，创新性地应用于氯化钠质量分数在15％左右的的盐水钻井基浆中，成功发现CNC与PAC具有良好的协同降滤失效果。添加CNC的钻井液体系经老化后的API滤失量和高温高压滤失量显著降低，滤饼变薄，剪切变稀性更加明显，同时PAC的加量大大减少，最大降低50％，大大降低了生产成本。这使得在15％左右的氯化钠盐水钻井体系中可以通过添加少量的CNC来减少PAC的加入量，也可以保证钻井液的各项性能都得到提升。

综上所述，采用本发明方法制备纤维素类复配体系钻井液降滤失剂具有如下有益效果：

1、本发明制备的纤维素类复配体系钻井液降滤失剂，可以用于15％左右的盐水钻井液体系，与同等加量的PAC体系相比，可以显著降低钻井液的常温API滤失量、120℃老化后的API滤失量以及高温高压滤失量，同时滤饼的厚度也更薄，在0.5mm以内。

2、本发明制备的纤维素类复配体系钻井液降滤失剂，与同等加量的PAC体系相比，剪切稀释性更加明显。高粘度可以方便携带岩屑，低粘度则可以减小钻杆的功率消耗，降低阻力。

3、本发明制备的纤维素类复配体系钻井液降滤失剂，在PAC用量为0.6％～0.9％的情况下，可以通过加入0.06％～0.09％的CNC达到钻井现场标准要求；不添加CNC时，PAC的加量需要为1.2％才能达到标准要求。因此本发明使得PAC的用量显著减少。

本发明制备的维素类复配体系钻井液降滤失剂具有良好的协同降滤失效果。添加CNC后的钻井液体系经老化后的API滤失量和高温高压滤失量显著降低，剪切变稀性更加明显，同时PAC的加量显著减少，减少幅度最高可达50％，降低了成本。这说明在15％左右的氯化钠盐水钻井体系中可以通过添加0.06％～0.18％的CNC来减少PAC的加入量，同时能使钻井液的性能得到提升。

附图说明

图1是本发明各实施例的动塑比YP/PV的变化曲线图；

图2是本发明以0.6％PAC/0.09％CNC体系和0.6％PAC体系为例，在15％氯化钠盐水泥浆体系中的常温中压API滤失量、120℃老化后的API滤失量以及在120℃、3.5MPa下的高温高压滤失量的对比图；

图3是以0.6％PAC/0.09％CNC体系和0.6％PAC体系为例，对比在15％氯化钠盐水泥浆体系中的粘度随剪切速率的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。所述实施例仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

根据2010年8月中国石油天然气集团公司发布的《钻井液技术规范》，对不同地层滤失量的要求见表2，对于一般地层，API失水量应该在10～15mL内，对于水敏地层或者油气层，API失水量应该小于5mL。

表2 不同性质地层的API失水量与高温高压滤失量

地层性质	API失水量(mL)	FLHTHP(mL)
			一般地层	不大于10	不大于20
易塌地层	不大于5	-
			油气层	不大于5	小于15

只加入PAC作为降滤失剂的实验作为对照组实验，具体实验情况如表3所示，表3中的样品加量即为PAC的加入的质量百分比。从表3所示数据可以看出若只加入PAC作为降滤失剂，则为满足一般地层的要求，PAC的加入量至少为1.2％。

表3 高粘聚阴离子纤维素PAC-HV钻井液性能指标(15％盐水中)

在15％的盐水钻井液体系中，所优选的纤维素类复配体系钻井液降滤失剂的配方实施例列于表4中，其粘度及滤失量测试结果见表5，动塑比变化见图1，0.6％PAC/0.09％CNC与0.6％PAC的滤失性能对比见图2，剪切流变性能见图3。实施例3和实施例4选用的PAC为高粘PAC、实施例1、2、5、6选用的PAC粘度为在1％的溶液里粘度为400～800mPa·S，实施例4、5、6选择的纳米纤维素晶须的直径为5～20nm，长度为50～1000nm，pH值为中性，实施例2和3选用的纳米纤维素晶须的直径为5～20nm，长度为10～1000nm，pH值为中性。

表4 纤维素类复配体系钻井液降滤失剂中CNC的配方实施例

注：表4中各百分数为占泥浆总质量的质量百分数

根据API滤失量测定要求，表4中所列的纤维素类复配体系钻井液降滤失剂的制备方法为：

1、基浆配制：淡水基浆配制：实验采用一个已经经过测试及使用性能基本稳定的基浆配方：100g H₂O+0.2％Na₂CO₃+3％膨润土。准确称取5000mL水，在低速电动搅拌下加入150g钠膨润土和10g碳酸钠，然后高速搅拌30min，于室温下静置充分水化24h，备用。

2、取500mL的上述淡水基浆放置在高速搅拌机下，边搅拌边缓慢加入PAC样品，注意加入PAC时要缓慢，避免形成“鱼眼”结构。然后加入75g的氯化钠，最后加入适量的CNC悬浮液。加完后高速搅拌30min，然后于室温下密闭养护24h后，高速搅拌5min，测定其流变参数和常温API滤失量，作为老化前数据或者将高速搅拌后的泥浆体系装入老化罐中，在120℃老化温度下高温滚动老化8h，取出冷却至室温，然后高速搅拌5min，室温下测其API滤失量及流变参数，作为老化后数据。

实施例的120℃热滚老化8h后的API滤失量和粘度结果见表5。

表5 PAC与不同浓度的CNC复配体系120℃老化后的API滤失量

表中AP为表观粘度，PV为塑性粘度，YP为屈服值，n为流性指数，K为稠度系数。从表5中可以看出，PAC与CNC有良好的协同降滤失效果，实施例2和3与实施例1相比，滤失量明显下降；实施例5和6与实施例4相比，滤失量也明显下降。实验结果表明添加CNC后滤饼的厚度都在0.5mm之内。这是因为CNC表面带有大量的羟基，增加了粘土颗粒表面的Zata电位，进而增大了粘土颗粒之间的排斥力，提高了体系的粘度和稳定性，降低了滤失量。

另外，从表5还能看出，在同样的PAC加量下，CNC的加入明显提高了体系的表观粘度AP和塑性粘度。

下面再结合图1、图2、图3对本发明效果进行说明：

图1是随着CNC的增加，以上6种实施例的动塑比YP/PV的变化曲线，从图1可以看出，当PAC为0.6％时，CNC的加入使得动塑比提高；当PAC为0.9％时，CNC的加入使得动塑比降低。

图2是以0.6％PAC/0.09％CNC体系和0.6％PAC体系为例，在15％氯化钠盐水泥浆体系中的常温中压API滤失量、120℃老化后的API滤失量以及高温高压滤失量的对比图。从图2可以看出，CNC与PAC有很显著的协同降滤失效果。CNC的加入使得PAC体系的常温API滤失量从10.8mL降到了4.4mL，下降了近59％；120℃老化后的API滤失量从19mL下降到了8.8mL，下降了53.7％；FL_HTHP从32.5mL下降到了19mL，下降了41.5％。

图3是以0.6％PAC/0.09％CNC体系和0.6％PAC体系为例，对比在15％氯化钠盐水泥浆体系中的粘度随剪切速率的变化曲线。所用仪器为Anton Paar公司生产的Physica MCR301型号的流变仪。从图3可以看出，相比于单一PAC体系，PAC/CNC复配体系的剪切变稀性更加明显。在剪切速率从218S^-1到1200S^-1的变化中，纯PAC体系的粘度基本保持0.0104Pa·S不变，甚至还有增大的趋势；而加入CNC后，体系的粘度从200S^-1时的0.0164Pa·S降低到了1200S^-1时的0.0143Pa·S。良好的流变性质可以使得钻井液在低剪切高粘度下有效的携带钻屑，高剪切低粘度下减小钻头的功率损耗。

从以上各表和图中可以看出，本发明所制备的纤维素类复配体系钻井液降滤失剂具有极好的协同降滤失效果，滤饼更薄，且剪切变稀性能更加明显，在氯化钠盐水基浆中有很大的应用空间。

Claims (6)

1.一种纤维素类复配体系钻井液降滤失剂，其特征在于：包括如下重量份组分：

PAC 0.6～0.9％，

纳米纤维素晶须 0.06～0.18％，

其余为盐水基浆，所述盐水基浆中氯化钠的质量分数为14～16％，膨润土的质量分数为2.5～3.5％，钻井液的pH为9.5～10.5。

2.根据权利要求1所述的钻井液降滤失剂，其特征在于：所述钻井液降滤失剂包括如下重量份组分：

PAC 0.6～0.9％，

纳米纤维素晶须 0.06～0.18％，

其余为盐水基浆，所述盐水基浆中氯化钠的质量分数为15％，膨润土的质量分数为3％，钻井液的pH为10。

3.根据权利要求1或2所述的钻井液降滤失剂，其特征在于：所述的PAC为高粘度PAC，取代度为0.85～1.2，纯度大于95％。

4.根据权利要求1或2所述的钻井液降滤失剂，其特征在于：所述的纳米纤维素晶须的直径为5～20nm，长度为50～1000nm，pH值为中性。

5.根据权利要求1至5所述的钻井液降滤失剂的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

A.将所述纳米纤维素晶须在水中透析至中性；

B.将PAC缓慢加入到已经预水化至少24h的淡水基浆中，再加入氯化钠，最后加入纳米纤维素晶须悬浮液。

6.根据权利要求6制备的钻井液降滤失剂，其特征在于：所述降滤失剂常温API滤失量、120℃老化后的API滤失量以及120℃、3.5MPa下的高温高压滤失量分别不小于4.4mL、4.8mL和14.8mL。