CN106167694B - 一种适用于深部钻探破碎地层固结护壁钻井液及其制备方法 - Google Patents

一种适用于深部钻探破碎地层固结护壁钻井液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种适用于深部钻探破碎地层固结护壁钻井液及其制备方法，本发明钻井液各组分质量百分数为：氯化钾1～2％，聚丙烯酰胺0.3～0.6％，磺化丙酮甲醛缩合物0.5～0.8％，碳酸钠2～4％，木质素磺酸钠1～3％，磺化褐煤0.5～0.7％，硫酸铝0.4～0.6％，三乙醇胺2～4％，聚甲基硅氧烷1～3％，余量为水。先将氯化钾、碳酸钠加入清水中，搅拌后静置，再依次加磺化丙酮甲醛缩合物及聚丙烯酰胺、木质素磺酸钠、硫酸铝、聚甲基硅氧烷，搅拌后静置；搅拌下加入剩余组分产品。本发明能有效抑制地层的膨胀性；同破碎地层中的阳离子产生交换作用，形成低水合度、高粘结力的高价离子及其水化合物，提高了近孔壁地层的力学强度。

Description

一种适用于深部钻探破碎地层固结护壁钻井液及其制备方法
技术领域
本发明涉及地质钻探工程领域，特别是涉及一种适用于深部钻探破碎地层固结护壁钻井液及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步和社会经济的快速发展，深部地质资源探查工作的重要地位日益凸显，因此，深孔、超深孔的钻探工作量也越来越多，而深部钻探所遇地层情况更为复杂，这给钻探工作提出了更高的要求。破碎地层是深部钻探经常遇到的复杂地层之一，破碎地层孔壁的失稳问题也是亟待解决的关键技术难题。破碎地层的显著特点是:破碎、不完整，胶结性差；裂缝发育；常伴有地层压力(地应力)。在深部钻探过程中，钻孔孔壁稳定性差，常出现孔壁坍塌、掉块、卡钻等复杂孔内事故，导致岩芯采取率低，无法满足实际要求。
目前破碎地层常用的钻孔护壁方法包括泥浆护壁、粘土护壁、水泥护壁、套管护壁等。这些方法都是基于被动护壁理论，在实际应用中具有局限性，难以广泛推广，体现为：(1)破碎地层往往伴随着钻井液的大量或全部漏失，难以形成有效的护壁泥皮，尤其是在地下水丰富的条件下，护壁效果不理想；(2)粘土护壁利用粘土的粘结力，将破碎地层粘结起来，但其胶结强度低，完整性差，在钻井液循环作用下很快失效，亦无法实现有效护壁；(3)水泥、套管护壁效果较好，形成人造孔壁，但水泥候凝时间长，套管成本高，回收率低，极大增加了深部钻探的成本。因此，依据主动护壁理论，从提高近孔壁破碎地层的力学强度着手，研制技术可行、经济实用的固结护壁钻井液具有理论和实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种适用于深部钻探破碎地层固结护壁钻井液及其制备方法，该钻井液可有效减少破碎地层遇水膨胀量，降低地层膨胀率；同破碎地层中的阳离子产生交换作用，形成低水合度、高粘结力的高价离子及其水化合物，从而提高近孔壁地层的力学强度；有效填充裂隙，提高孔壁的封堵能力，抑制微裂隙产生及扩展，从而增强孔壁稳定性；该配方具有良好的钻井液综合性能，且配制简便，易操作，材料无毒无害，便于推广使用，以减少深部钻探孔壁失稳事故的发生。
本发明采用的技术方案是：深部钻探破碎地层固结护壁钻井液，主要原料包括：
氯化钾，无色立方晶体或白色结晶。可用于配置防塌钻井液完井液，可抑制井壁泥页岩水化膨胀。聚丙烯酰胺，白色粉末或细砂状，易吸附水分和保留水分。作为钻井液处理剂，具有抗污染、改善钻井液流型、增强钻井液剪切稀释性能的作用。磺化丙酮甲醛缩合物，甲醛、丙酮、亚硫酸氢钠、氢氧化钠、乙醇共聚物，褐红色溶液，呈碱性。主要作为高效减水剂，提高材料的保水性、保塑性，提高力学性能。碳酸钠，白色粉末或细颗粒结晶。用于调节钻井液的酸碱度，降低钙镁离子含量，提高其它处理剂的性能。木质素磺酸钠，棕色粉末状，具有耐酸、碱特性。主要用于降低钻井液表观粘度、提高表面活性度。磺化褐煤，黑色粉末，水溶液呈弱碱性。具有高温降失水作用，同时可以降低钻井液的表观粘度。硫酸铝，纯净物为白色或灰白色块状结晶体，因含有少量亚铁，常呈现淡绿色。具有选择性絮凝作用。三乙醇胺，无色透明粘稠液体，具有氨的气味。主要用于水泥等材料的速凝剂和早强剂。聚甲基硅氧烷，无色透明液体，运动粘度为50～100m2·s-1。可同两性含氧酸阴离子发生交联作用，并具有润滑功能。
深部钻探破碎地层固结护壁钻井液，各组分质量百分比为：
氯化钾1～2％，聚丙烯酰胺0.3～0.6％，磺化丙酮甲醛缩合物0.5～0.8％，碳酸钠2～4％，木质素磺酸钠1～3％，磺化褐煤0.5～0.7％，硫酸铝0.4～0.6％，三乙醇胺2～4％，聚甲基硅氧烷1～3％，余量为水。
深部钻探破碎地层固结护壁钻井液制备方法：首先按比例将氯化钾、碳酸钠加入常温的清水中，以3000～5000r/min电动搅拌速度搅拌20～30min，静置6～8小时后，再依次加入磺化丙酮甲醛缩合物(预水化30min)及聚丙烯酰胺、木质素磺酸钠、硫酸铝、聚甲基硅氧烷，在3000～5000r/min电动搅拌速度下搅拌20～30min，静置1～2小时后，在3000～5000r/min电动搅拌条件下，再按比例加入磺化褐煤、三乙醇胺，同等速度搅拌15～20min后得到固结护壁钻井液。
深部钻探破碎地层固结护壁钻井液使用方法：在深部钻探过程中，钻遇破碎复杂地层时，使用固结护壁钻井液替换常规钻井液。按照比例制备、添加该钻井液，并在钻井液循环过程中保证各组分的质量百分比，允许对各类添加剂做适当微调，以保证深部钻探的效率，减少或避免孔内钻探事故的发生。
深部钻探破碎地层固结护壁钻井液有益效果：本发明通过氯化钾的应用，抑制井壁泥页岩段的水化膨胀，降低地层膨胀率，有效防止井壁岩层坍塌，提高井壁稳定性；钻井液中0.5～0.8％磺化丙酮甲醛缩合物，1～3％木质素磺酸钠，0.4～0.6％硫酸铝，2～4％三乙醇胺，1～3％聚甲基硅氧烷，水等组分混合，可同破碎地层中的阳离子产生交换作用，形成低水合度、高粘结力的高价离子及其水化合物，从而提高近孔壁地层的力学强度；钻井液中1～2％氯化钾，0.5～0.8％磺化丙酮甲醛缩合物，2～4％碳酸钠，0.4～0.6％硫酸铝，水等组分混合，可有效填充裂隙，提高孔壁的封堵能力，抑制微裂隙产生及扩展，从而增强孔壁稳定性；钻井液中0.3～0.6％聚丙烯酰胺，2～4％碳酸钠，1～3％木质素磺酸钠，0.5～0.7％磺化褐煤，2～4％三乙醇胺，水等组分混合，可保证该配方具有良好的钻井液综合性能，且配制简便，易操作，材料无毒无害，便于推广使用，以保证深部钻探工作的顺利实施。
附图说明
图1为本发明在钻遇破碎漏失性地层岩芯固结效果；
图2为本发明钻遇破碎垮塌性地层；
图3为本发明钻遇破碎垮塌性地层时固结护壁钻井液和普通钻井液的对比效果。
1-固结护壁钻井液处理岩芯的效果，2-普通钻井液处理岩芯的效果。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细描述。
具体实施方式
为进一步阐明本发明的特点，结合实施实例对本发明做详细描述，不等同于限制本发明，对于本领域工作人员依照本发明进行的更改，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1：深部钻探破碎地层固结护壁钻井液，各组分质量百分比为：
氯化钾1.5％，聚丙烯酰胺0.4％，磺化丙酮甲醛缩合物，0.7％，碳酸钠3％；木质素磺酸钠2％；磺化褐煤0.5％；硫酸铝0.6％，三乙醇胺3％，聚甲基硅氧烷3％，水85.3％。
深部钻探破碎地层固结护壁钻井液现场制备过程：首先按比例将氯化钾、碳酸钠加入常温的清水中，匀速搅拌20min，静置6小时后，再依次加入磺化丙酮甲醛缩合物(预水化30min)及聚丙烯酰胺、木质素磺酸钠、硫酸铝、聚甲基硅氧烷，后匀速搅拌30min，静置1小时后，在匀速搅拌条件下，再按比例加入磺化褐煤、三乙醇胺，同等速度搅拌15min后得到固结护壁钻井液。
实施例1使用效果：ZK0401钻孔为危机矿山深部探查钻孔，设计深度2000米，全孔取芯。当钻进至1630米时，钻井液完全漏失，岩芯采取率仅有40％，并伴随间歇式卡钻，判断遇到破碎漏失性地层。向上提钻5米后，保持钻柱回转，然后在6立方米的钻井液搅拌罐中制备固结护壁钻井液，并按照钻井液循环流速将固结护壁钻井液加入泥浆池中，开启泥浆泵对原有钻井液进行替换。待孔口返出固结护壁钻井液后，开始正常钻进。该钻孔在后续施工中，无重大孔内事故发生，顺利完成2100米的钻进任务，实现岩芯采取率93％以上。
实施例2：深部钻探破碎地层固结护壁钻井液，各组分质量百分比为：
氯化钾2％，聚丙烯酰胺0.6％，磺化丙酮甲醛缩合物，0.8％，碳酸钠2％；木质素磺酸钠3％；磺化褐煤0.6％；硫酸铝0.5％，三乙醇胺4％，聚甲基硅氧烷2％，水84.5％。
深部钻探破碎地层固结护壁钻井液现场制备过程与实施例1相同。
实施例2使用效果：ZK15H6钻孔为页岩气、煤层气调查孔，设计深度2100米，全孔取芯。当钻进至1870米储层位置时，钻孔孔壁失稳，钻井液全部漏失，岩芯采取率仅有50％，提钻阻力大，判断遇到破碎垮塌性地层，地层露头见图2。提钻完毕后，在钻井液搅拌罐中制备固结护壁钻井液，然后缓慢加入泥浆池中，开启泥浆泵并下钻，同时对采取上的部分岩芯展开浸泡对比试验，如图3所示，固结护壁效果十分明显，图中1为本发明的固结护壁钻井液处理后的效果，2为普通钻井液处理后的效果。该钻孔在后续施工中，无重大孔内事故发生，超额完成2230米的钻进任务，实现岩芯采取率95％以上。

Claims (2)

1.一种适用于深部钻探破碎地层固结护壁钻井液，其特征在于：钻井液各组分的质量百分数为：氯化钾1～2％，聚丙烯酰胺0.3～0.6％，磺化丙酮甲醛缩合物0.5～0.8％，碳酸钠2～4％；木质素磺酸钠1～3％；磺化褐煤0.5～0.7％；硫酸铝0.4～0.6％，三乙醇胺2～4％，聚甲基硅氧烷1～3％，余量为水。
2.一种根据权利要求1所述的适用于深部钻探破碎地层固结护壁钻井液的制备方法，其特征在于：首先按比例将氯化钾、碳酸钠加入常温的清水中，以3000～5000r/min电动搅拌速度搅拌20～30min，静置6～8小时后，再依次加入预水化30分钟的磺化丙酮甲醛缩合物，再加入聚丙烯酰胺、木质素磺酸钠、硫酸铝、聚甲基硅氧烷，在3000～5000r/min电动搅拌速度下搅拌20～30min，静置1～2小时后，在3000～5000r/min电动搅拌条件下，再按加入磺化褐煤、三乙醇胺，同等速度搅拌15～20min后得到固结护壁钻井液。
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