CN105907384A - 一种水基钻井液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水基钻井液及其制备方法，所述的水基钻井液无需额外加入抗高温增粘剂、抗高温稀释剂及高温稳定剂或表面活性剂，其在220℃高温下仍然具有良好的降滤失性能、流变性能和高温稳定性，制备所述水基钻井液的方法简便易行，适合钻井现场使用。

Description

一种水基钻井液及其制备方法

技术领域

本发明涉及干热岩钻探、地热钻探、深部油气资源钻探及深部科学钻探过程中的钻井液技术领域，特别涉及一种耐高温水基钻井液。

背景技术

我国浅层石油资源几近枯竭，剩余油气资源主要埋藏分布在深部地层，其中70％的深部油气资源超过5000米。另外，随着人类对能源需求的不断增长及对环境问题的日益关注，人们开始在深部地层中寻找新种类的可再生且无污染的能源，如地热资源，上述两类资源的井底地层温度可能高达200℃以上，井内钻井液将长期处于高温环境。

在开发深部油气资源及地热资源的过程中，钻井液起着至关重要的作用。目前，常用的钻井液有水基钻井液、油基钻井液，由于水基钻井液成本低，污染小，因此应用最为广泛，但是，水基钻井液也存在不足。

在现有技术存在的水基钻井液中，常常以膨润土、海泡石等作为造浆材料，再向钻井液中加入聚合物类处理剂、沥青防塌剂及无机类处理剂等调节钻井液的性能，如：

中国专利CN 103087692 B公开了一种耐高温水基钻井液，所述钻井液采用钠基膨润土及海泡石作为造浆材料，并加入了高温稀释剂及高温稳定剂来调节钻井液的粘度及提高聚合物类处理剂的抗高温稳定性。

中国专利CN 103160259 A公开了一种抗255℃超高温的水基钻井液，该超高温水基钻井液采用钠基膨润土及海泡石作为造浆材料，并加入了超高温聚合物解絮凝剂(即稀释剂)及高温稳定剂来调节钻井液的粘度及提高聚合物类处理剂的抗温性能。

中国专利CN 102002350 B公开了一种超高温水基钻井液，该超高温水基钻井液采用钠基膨润土作为造浆材料，并加入了高温稳定剂来提高聚合物类处理剂的抗温性能。

中国专利CN 102676136 B公开了一种低荧光抗高温钻井液，该低荧光抗高温钻井液采用钠基膨润土作为造浆材料，并加入了脂肪醇聚氧乙烯醚及亚硫酸钠作为高温稳定剂来提高聚合物类处理剂的热稳定性。

中国专利CN 102965087 B公开了一种抗高温钻井液，该抗高温钻井液采用钠基膨润土作为造浆材料，并加入了抗高温抗盐增粘剂及降粘剂来调节钻井液的流变性能。

然而，上述的现有技术中的钻井液在高温条件下，各种组分往往会发生降解、增稠、胶凝等变化，例如，在高温下，膨润土会发生增稠或钝化，膨润土与泥浆处理剂之间发生过度交联，导致钻井液性能恶化，流变性能难以调节；在高温条件下，聚合物类处理剂会发生降解，分子链断裂，导致钻井液粘度明显降低、岩屑携带能力不足及滤失量增大，从而使钻井液性能发生剧变，变得不易调整和控制，严重时会导致钻井作业无法正常进行。

因此，亟需开发一种在高温条件下能够保持性能稳定的水基钻井液。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：在水基钻井液中以蒙皂石类组分作为造浆材料，与降滤失剂、防塌剂和封堵剂等进行组合，得到的水基钻井液在高温下粘度和滤失量等性能稳定，适于在深部地层钻井中使用，从而完成了本发明。

本发明的目的在于提供以下方面：

第一方面，本发明提供一种水基钻井液，其中，该钻井液包含蒙皂石类组分，还可包含如降滤失剂、防塌剂和封堵剂等的第二组分。

第二方面，本发明还提供一种制备上述水基钻井液的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将蒙皂石类组分与水混合，水化；

(2)向步骤1中得到的体系中加入第二组分，搅拌混合。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

以下详述本发明。

根据本发明的第一方面，提供一种水基钻井液，其中，该钻井液包含蒙皂石类组分。

在本发明中，所述蒙皂石类组分优选为皂石类组分，所述皂石类组分可以是天然皂石类组分和/或合成皂石类组分，其中，天然皂石类组分为皂石、镁皂石和/或锂皂石等；所述合成皂石类组分为合成锂皂石和/或合成镁皂石等，优选为合成锂皂石。

蒙皂石类组分属于2:1型结构的层状硅酸盐，由上下两层硅氧四面体晶片中间夹一层铝(镁)氧八面体晶片构成，它在水中能够吸胀，形成凝胶。因此，本发明尝试使用蒙皂石类组分作为钻井液的造浆材料，以期得到性能优越的钻井液。

在本发明中，所述蒙皂石类组分包括皂石类组分和蒙脱石类组分，其中，所述皂石类组分包括天然皂石类组分和合成皂石类组分，其中，天然皂石类组分，尤其是天然锂皂石属于稀缺特种粘土，通常在硅质灰岩中沿裂隙、节理、层理分布，其在天然皂石矿中的含量一般为3％～5％，局部能够达到15％～25％，而且，天然皂石矿中通常含有种类复杂繁多的杂质，不仅难于提纯，而且天然皂石的形状不规则，在研究和实际应用中存在较大的困难；此外，成色优良的天然皂石是制作工艺品的上佳原料，因此，价格昂贵，用其作为钻井液造浆材料成本会急剧增加。

令人欣喜的是，现有技术中存在皂石的合成工艺，制得的合成皂石结构规整，尤其是通过水热法合成的皂石，特别是合成镁皂石和合成锂皂石，具有完整的形状和较好的单分散性，常被作为理想状态的皂石模型，因此，本发明选择使用合成皂石作为造浆材料，优选使用合成锂皂石。

在合成锂皂石中，本发明选择氧化锂(Li₂O)重量分数为0.8％～1.5％的合成锂皂石，基于锂皂石的总重量，如，南京百益可新材料科技有限公司、广州博峰化工科技有限公司生产的合成锂皂石及深圳市吉田化工有限公司等公司生产的产品。本发明人发现，上述合成锂皂石的合成工艺成熟，容易获得结构规整的产品，吸水性强，而且由其形成的凝胶高温稳定性能佳。

本发明人发现，上述合成锂皂石加入水中后，能够快速膨胀，形成包含大量水网络结构的凝胶，这种凝胶不论在室温条件下，还是在高温条件下都具有良好的触变性、分散性和增稠性，即其具有良好的高温稳定性。

此外，本发明人还发现，用上述蒙皂石类组分作为造浆材料配制的水基钻井液具有合适的粘度，无需再额外加入抗高温增粘剂或抗高温稀释剂来调节钻井液在高温下的流变性能；而且，制得的钻井液具有良好的抗高温稳定性，无需再额外加入高温稳定剂或表面活性剂来提高钻井液的高温稳定性。

在本发明一种优选的实施方式中，如实施例1中，以合成锂皂石作为造浆材料制备得到的钻井液，在高温下的流变性能得到明显改善。

在本发明中，在所述钻井液中还包含第二组分，所述第二组分包含降滤失剂、防塌剂和封堵剂，优选不包含蒙皂石类组分。

在钻井液中，尤其是水基钻井液中，水作为分散介质在钻井液中以三种形态存在，即化学结合水、吸附水和自由水，在压力差作用下，钻井液中的自由水向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透，称为钻井液的滤失作用，而钻井液的滤失量大，在钻井过程中得到的泥饼厚而松软，导致泵压增大，增加了井下坍塌等安全事故，因此，钻井液的滤失量是钻井液性能的一项重要指标。

在本发明中，所述降滤失剂为褐煤树脂SPNH、磺化酚醛树脂SMP-I、磺化褐煤SMC及降滤失剂KJAN中的多种，优选为两种，所述降滤失剂优选为磺化褐煤SMC与降滤失剂KJAN任意重量配比的组合物，和/或褐煤树脂SPNH与磺化酚醛树脂SMP-I任意重量配比的组合物，更优选为等重量的磺化褐煤SMC与降滤失剂KJAN的组合物，和/或等重量的褐煤树脂SPNH与磺化酚醛树脂SMP-I的组合物。

在本发明中，褐煤树脂SPNH为磺化酚醛树脂与磺化褐煤组成的降滤失剂，如郑州东方助剂有限公司、河南海洋化工有限公司及新乡市百信化工有限公司等公司生产的褐煤树脂SPNH；磺化酚醛树脂SMP-I为磺甲基苯酚甲醛缩聚物，如郑州豫华助剂有限公司、河南海洋化工有限公司和山东省阳谷龙泉化工厂等公司生产的磺化酚醛树脂SMP-I；磺化褐煤SMC是由褐煤与甲醛磺甲基化反应制得，如山东省阳谷江北化工有限公司、河南海洋化工有限公司及天津萨米特化工有限公司等生产的磺化褐煤SMC；降滤失剂KJAN是由水解聚丙烯腈与改性后的腐植酸钠缩合共聚反应制得，如石家庄华莱鼎盛科技有限公司生产的降滤失剂KJAN。

在钻井作业中，随着井深的不断增加，井内情况变得复杂，在某些地层，井壁容易坍塌，而井壁坍塌是钻井工程中经常遇到的复杂情况，严重影响了钻井工作的速度和效率，因此，保持易坍塌地层的井壁稳定具有十分重要的意义和作用。

在本发明中，所述防塌剂为高软化点沥青粉末，优选为软化点为200℃以上的沥青粉末，在本发明中，优选粒径为80～200目的高软化点沥青粉，如山东高速青川天然沥青开发有限公司、潍坊北川沥青科技有限公司及潍坊瑞科商贸有限公司等公司生产的沥青，本发明人发现，用所述防塌剂与蒙皂石等配制而成的钻井液，在高温高压条件下也具有良好的防止井壁坍塌的作用，高温下高软化点沥青粉末软化变形充填井壁裂缝、稳定井壁并且能够降低钻井液的滤失量。

在本发明中，所述封堵剂优选为超细碳酸钙粉末，更优选为碳酸钙粉体的平均粒径为0.02μm<d≤0.1μm的超细碳酸钙粉末，如江西省白瑞碳酸钙有限公司、河北宁宇化工有限公司及井陉县鑫阳钙业有限公司等公司生产的超细碳酸钙粉末，本发明人发现，将上述封堵剂与蒙皂石类组分等制成的钻井液，在高温下条件下，在钻井液中能够稳定存在，对井壁上微裂缝或微裂隙具有封堵作用，稳定了井壁还降低了钻井液的滤失量，使得钻井作业顺利展开。

在本发明中，所述的水为矿化度(以氯化钠计)低于1.0％的水，优选为矿化度(以氯化钠计)低于1.0％的天然淡水。

在本发明一种优选的实施方式中，所述钻井液包含以下重量配比的组分，

蒙皂石类组分 1～8重量份

第二组分 6.5～31重量份

水 100重量份，

优选为，

蒙皂石类组分 1.5～6重量份

第二组分 8.3～26重量份

水 100重量份，

更优选为，

蒙皂石类组分 2～4重量份

第二组分 11～20重量份

水 100重量份，

在本发明进一步的优选实施方式中，所述钻井液包含以下重量配比的组分，

更优选为，

进一步优选为，

在本发明一个优选的实施方式中，所述水基钻井液包含以下重量配比的组分，

本发明人发现，在100重量份水中加入1～8重量份的蒙皂石类组分制得的钻井液，在高温条件下能够保持较小的滤失量，而且能够稳定井壁。

钻井液的密度需要根据地层破裂压力来调节，根据岩层变化适当增减钻井液的密度，防止缩径、垮塌等工程问题。

在本发明中，所述钻井液中还任选地包含加重组分，所述加重组分优选为重晶石。本发明人发现，在钻井液中加入上述加重组分后，制得的钻井液滤失量也有所降低，在高温条件下的流变性能稳定。

根据本发明的第二方面，本发明还提供一种制备上述第一方面所述水基钻井液的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，将蒙皂石类组分与水混合，水化。

在本发明步骤1中，所述的蒙皂石类组分为第一方面中所述的蒙皂石类组分。

在本发明中，所述的水为本发明第一方面中所述的水。

在本发明中，蒙皂石类组分与水的重量配比如本发明第一方面中所述。

在本发明中，将蒙皂石类组分加入水中后，高速搅拌10～40分钟，优选高速搅拌15～30分钟，如20分钟后，在室温条件下静置水化10～25小时，优选12～22小时，如16小时后，得到钻井液基浆。

本发明人发现，本发明中所用的蒙皂石类组分在室温条件下，在水中水化10～25小时后，即可使之水化充分，作为钻井液基浆。

步骤2，向步骤1中得到的体系中加入第二组分，搅拌混合。

在本发明步骤2中，所述第二组分如第一方面中所述。

在本发明步骤2中，所述第二组分与水的重量配比如第一方面中所述。

在搅拌条件下，向步骤1中得到的体系中加入所述的第二组分，使第二组分与蒙皂石充分混合，形成接近均一的混合体系。

在本发明提供的方法中，还任选地包括以下步骤：

步骤3，根据所需要的密度，在高速搅拌的条件下，任选地向钻井液中加入加重组分，如重晶石，调节制得的钻井液密度。

根据本发明的第三方面，提供一种根据第二方面所述方法制得的水基钻井液。

根据本发明提供的水基钻井液，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的水基钻井液抗温达220℃，具有较低的滤失量及良好的流变性能；

(2)本发明提供的水基钻井液具有合适的粘度，无需再加入抗高温增粘剂或抗高温稀释剂来调节钻井液在高温下的流变性能；

(3)本发明提供的水基钻井液具有良好的抗高温稳定性，无需再加入高温稳定剂或表面活性剂来提高钻井液的高温稳定性；

(4)本发明提供的水基钻井液配方简单，易于维护及配制。

实施例

本发明实施例中所用的材料均从商业途径获得。

合成锂皂石购买于广州博峰化工科技有限公司，基于合成锂皂石的总重量，Li₂O重量分数为1.2％～1.5％；

褐煤树脂SPNH购买于郑州东方助剂有限公司；

磺化酚醛树脂SMP-I购买于郑州豫华助剂有限公司；

磺化褐煤SMC购买于河南海洋化工有限公司；

降滤失剂KJAN购买于石家庄华莱鼎盛科技有限公司；

防塌剂沥青粉购买于山东高速青川天然沥青开发有限公司，目数为100目；

封堵剂超细碳酸钙购买于井陉县鑫阳钙业有限公司；

重晶石购买于灵寿县垚鑫矿产品加工厂；

本发明实施例中的水为矿化度(以氯化钠计)低于1.0％的天然淡水。

实施例1

(1)水基钻井液包含以下组分：

(2)配制方法：在400mL水中加入10g合成锂皂石，高速搅拌20分钟，在室温水化16小时得到基浆；在高速搅拌下向盛有基浆的高搅杯中依据配方依次加入褐煤树脂SPNH、降滤失剂KJAN、防塌剂及封堵剂，最后加入重晶石加重至钻井液的密度为1.2g/cm³，继续搅拌20分钟制得水基钻井液。

(3)对制得的钻井液性能进行测试：

(a)采用六速旋转粘度计及中压滤失仪测试室温下配制出的耐高温合成锂皂石水基钻井液的流变性能及中压滤失量。

(b)将水基钻井液装入老化罐中，在220℃热滚16小时，冷却至室温，移入高搅杯中搅拌5分钟。

分别采用六速旋转粘度计、中压滤失仪及高温高压失水仪测试钻井液的流变性能、中压滤失量和高温高压滤失量，结果如表1所示：

表1 实施例1中水基钻井液性能测试

表1数据表明，实施例1制得的水基钻井液经220℃高温热滚16h后中压滤失量及高温高压滤失量低，而且流变性能稳定。

实施例2

(1)水基钻井液包含以下组分：

(2)配制方法：在400mL水中加入14g合成锂皂石，高速搅拌20分钟，在室温水化16小时得到基浆；在高速搅拌下向盛有基浆的高搅杯中依据配方依次加入磺化褐煤SMC、磺化酚醛树脂SMP-I、防塌剂及封堵剂，最后加入重晶石加重至钻井液的密度为1.4g/cm³，继续搅拌20分钟得水基钻井液。

(3)对制得的钻井液性能进行测试：

(a)采用六速旋转粘度计及中压滤失仪测试室温下新配制出的耐高温合成锂皂石水基钻井液的流变性能及中压滤失量。

(b)将水基钻井液装入老化罐中，在220℃热滚16小时，冷却至室温，移入高搅杯中搅拌5分钟。

分别采用六速旋转粘度计、中压滤失仪及高温高压失水仪测试钻井液的流变性能、中压滤失量和高温高压滤失量，结果如表2所示：

表2 实施例2中水基钻井液性能测试

表2数据表明，实施例2制得的水基钻井液经220℃高温热滚16h后中压滤失量及高温高压滤失量低，而且流变性能稳定。

对比例

对比例1 钻井液中不含有蒙皂石类组分

本对比例所用方法与实施例1相同，区别仅在于不加入合成锂皂石。

对制得的水基钻井液的性能进行测试，结果如下表3所示：

表3 对比例1中水基钻井液性能测试

注：在本对比例中，制得的钻井液粘度太低，不能悬浮重晶石，因此无法对钻井液进行加重。

对比例2 使用膨润土替代蒙皂石类组分

本对比例所用方法与实施例2相同，区别仅在于用等量的膨润土替换合成锂皂石。

对制得的水基钻井液的性能进行测试，结果如下表4所示：

表4 对比例2中水基钻井液性能测试

注：在本对比例中，钻井液若加重至1.4g/cm³，常温下钻井液中的重晶石很快沉淀在搅拌杯底部，因此，无法对钻井液进行加重。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液包含蒙皂石类组分。

2.根据权利要求1所述的水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液还包含第二组分，其中，所述第二组分包含降滤失剂、防塌剂和封堵剂，优选不包含蒙皂石类组分。

3.根据权利要求1或2所述的水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液还包含加重组分，优选为重晶石。

4.根据权利要求1～3之一所述的水基钻井液，其特征在于，所述蒙皂石类组分优选为皂石类组分，所述皂石类组分可以是天然皂石类组分和/或合成皂石类组分，其中，

所述天然皂石类组分为皂石、镁皂石和/或锂皂石等；

所述合成皂石类组分为合成锂皂石和/或合成镁皂石等，优选为合成锂皂石。

5.根据权利要求4所述的水基钻井液，其特征在于，所述合成皂石类组分为合成锂皂石，优选氧化锂(Li₂O)重量分数为0.8％～1.5％的合成锂皂石，基于锂皂石的总重量计。

6.根据权利要求2～5之一所述的水基钻井液，其特征在于，

所述降滤失剂为褐煤树脂SPNH、磺化酚醛树脂SMP-I、磺化褐煤SMC及降滤失剂KJAN中的多种，优选为两种，和/或

所述防塌剂优选为高软化点沥青粉末，优选为软化点大于200℃沥青粉末，更优选粒径为80～200目的高软化点沥青粉末，和/或

所述封堵剂为超细碳酸钙粉末。

7.根据权利要求1～6之一所述的水基钻井液，其特征在于，

所述钻井液包含以下重量配比的组分，

蒙皂石类组分 1～8重量份，优选1.5～6重量份，

第二组分 6.5～31重量份，优选8.3～26重量份，

水 100重量份。

8.一种制备权利要求1～7之一所述水基钻井液的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将蒙皂石类组分与水混合，水化；

(2)向步骤1中得到的体系中加入第二组分，搅拌混合。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤2之后还包括如下步骤：

(3)调节水基钻井液的密度，任选添加加重组分。

10.根据权利要求1～7之一所述的水基钻井液，其根据权利要求8或9的方法进行制备。