CN106675535B - 一种环保水基钻井液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种环保水基钻井液及其制备方法。该钻井液包括水100份、膨润土1‑5份、碳酸钠0.05‑0.4份、降滤失剂A 0.5‑3份、降滤失剂B 0.2‑3份、提粘切剂0.1‑1份、抑制剂0.5‑4份、润滑剂1‑5份、微纳米颗粒封堵剂2‑6份、加重材料0‑200份。该钻井液的制备方法为：将膨润土和碳酸钠加到水中；依次加入降滤失剂A、降滤失剂B、提粘切剂、抑制剂、润滑剂、微纳米颗粒封堵剂；用碳酸钠调节pH值；可选择地加入加重材料，使其密度达到钻井要求。该钻井液抗温达150℃，EC50大于3.0×104mg/L，无毒环保，具有良好的流变性、降滤失性、抑制性、润滑性、抗污染性和储层保护效果。

Description

一种环保水基钻井液及其制备方法
技术领域
本发明涉及钻井技术领域，特别涉及一种环保水基钻井液及其制备方法，可用于陆地或海洋的油气资源开采，也适用于页岩油气资源开采。
背景技术
钻井液保障了钻井工程安全、优质、快速、高效的需求，近年来随着人们环境保护的意识越来越强，各国法律都对钻井液的环保性也提出了严格的要求。但目前广泛使用的多种钻井液体系如丙烯酸及其衍生物系列的聚合物钻井液体系、聚磺钻井液体系、油基钻井液体系等存在环境污染严重、生物降解困难、后期处理难度大等问题，且使用的处理剂以人工合成的高分子聚合物及磺化类处理剂材料为主，有些还含有重金属离子，这就从源头上埋下了污染环境的隐患，由此导致了钻井清洁生产与钻井工程需要之间的矛盾。
目前，国内在源头上对污染程度较大的钻井液处理剂材料使用控制不严，钻井液配方复杂，尚未形成既能满足不同井深钻井需求、又能实现绿色环保要求的钻井液技术。因此，开发既要满足钻井工程安全、优质、快速、高效的需求，还要满足环保排放标准，不污染周围的环境(包括土壤、动植物、地下水等)的环保型钻井液势在必行。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明基于从源头控制污染、最大限度地减少污染、实现“绿色”钻井的目标，目的在于提供一种环保水基钻井液及其制备方法。
为达到上述目的，本发明首先提供了一种环保水基钻井液，以重量份计，其包括：水，100份；膨润土，1-5份；碳酸钠，0.05-0.4份；降滤失剂A，0.5-3份；降滤失剂B，0.2-3份；提粘切剂，0.1-1份；抑制剂，0.5-4份；润滑剂，1-5份；微纳米颗粒封堵剂，2-6份；加重材料，0-200份。
在上述的环保水基钻井液中，优选地，所述降滤失剂A为抗高温改性淀粉类降滤失剂，其抗温大于140℃，EC50大于3.0×104mg/L。更优选地，所述降滤失剂A为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的环保型降滤失剂ZJSJ，其抗温达150℃，EC50为1.11×106mg/L。
在上述的环保水基钻井液中，优选地，所述降滤失剂B为抗高温改性膨润土基降滤失剂，其EC50大于3.0×104mg/L。更优选地，所述抗高温改性膨润土基降滤失剂是由膨润土、水、十六烷基三甲基溴化铵、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸按照重量比(1～2):(6～8):(0.1～0.6):(0.5～1):(0.1～0.5)在一定引发剂作用下合成的，其EC50大于3.0×104mg/L。进一步优选地，所述抗高温改性膨润土基降滤失剂是通过以下步骤合成的：将1～2重量份的钠基膨润土与6～8重量份的水充分混合均匀，然后滴加0.1～0.6重量份的十六烷基三甲基溴化铵，超声震荡20～40min，得到改性膨润土悬浮液；然后将0.5～1重量份的丙烯酰胺和0.1～0.5重量份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合溶液的pH值调节至中性，加入到所述的改性膨润土悬浮液中，通氮气除氧20～40min，滴加单体(即丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸)质量的0.1～0.6％的过硫酸铵，在45～70℃下反应2～6h，烘干粉碎，得到所述的抗高温改性膨润土基降滤失剂。
目前的抗高温降滤失剂多为磺化类的处理剂，EC50小于2.0×104mg/L，有生物毒性，不能用于环保钻井液。而本发明采用抗高温改性淀粉类降滤失剂和抗高温改性膨润土基降滤失剂，两者抗温均达150℃，且为环保型处理剂，能够满足环保钻井液的配制需求，而且二者产生协同作用，能够达到优异的降滤失效果。
在上述的环保水基钻井液中，优选地，所述提粘切剂为低粘聚阴离子纤维素、低粘羧甲基纤维素以及羟乙基纤维素等中的一种或几种的组合，并且所述提粘切剂的EC50大于3.0×104mg/L。更优选地，所述提粘切剂为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的低粘羧甲基纤维素LV-CMC，其EC50为1.36×105mg/L。
在上述的环保水基钻井液中，优选地，所述抑制剂为有机胺、聚胺以及聚醚胺等中的一种或几种的组合，并且所述抑制剂的EC50大于3.0×104mg/L。更优选地，所述抑制剂为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的低聚醇胺ZJ-1，其EC50为1.81×105mg/L。
在上述的环保水基钻井液中，优选地，所述润滑剂为植物油改性润滑剂和/或聚合醚等，并且所述润滑剂的EC50大于3.0×104mg/L。更优选地，所述润滑剂为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的环保型抗高温润滑剂ZJSR，其EC50为6.23×104mg/L。
在上述的环保水基钻井液中，优选地，所述微纳米颗粒封堵剂为粒径20～80nm的二氧化硅和/或1000目～2000目的碳酸钙粉体等。
在上述的环保水基钻井液中，优选地，所述加重材料为重晶石粉等。
本发明提供的钻井液具有良好的流变性、降滤失性、抑制性、润滑性、抗污染性和储层保护效果，还具有成分简单、成本低、现场配置简单、无生物毒性、安全环保、可直接排放的特点。该钻井液可用于陆地或海洋的油气资源开采，也适用于页岩油气资源开采。
另一方面，本发明还提供了一种上述的环保水基钻井液的制备方法，其包括以下步骤：
(1)按照比例将膨润土和碳酸钠加入到水中，搅拌20～60min，使其充分搅拌均匀，再预水化处理16～24h；
(2)在步骤(1)得到的混合液中，依次按照比例加入降滤失剂A、降滤失剂B、提粘切剂、抑制剂、润滑剂、微纳米颗粒封堵剂，同时观察每种处理剂的溶解或分散情况，当一种处理剂充分溶解或分散后，再加入下一种处理剂，直至全部加完；
(3)使用碳酸钠将步骤(2)得到的混合液的pH值调节到8～10；
(4)可选择地在步骤(3)得到的混合液中加入加重材料，搅拌20～40min，使其密度达到钻井要求，得到所述的环保水基钻井液。
在上述制备方法中，步骤(1)中的搅拌速度可以由本领域技术人员进行常规调节，只要使膨润土分散均匀即可。此外，需说明的是，膨润土和碳酸钠进行离子交换，即为水化，步骤(1)中的“预水化处理”是钻井液领域中的专业术语，本领域技术人员知晓其含义。
在上述制备方法中，优选地，步骤(2)和(4)是在搅拌下进行的，搅拌速度分别为10000～12000r/min，并且步骤(2)和(4)中的搅拌速度可以相同或不同，只要在该范围内即可。
本发明提供的环保水基钻井液具有如下优点：①本发明选用的各处理剂的EC50均大于3.0×104mg/L，从源头上保证了钻井液的无毒、环保；②本发明提供的钻井液颜色为白色或乳白色，有利于环保色度的处理；③本发明提供的钻井液抗温达150℃，具有良好的流变性、降滤失性、抑制性、润滑性、抗污染性和储层保护效果，且生物毒性实验结果表明该钻井液没有毒性，安全环保，可实现直接排放；④本发明提供的钻井液成分简单，处理剂价格便宜且加量少，钻屑可直接排放、废弃钻井液处理成本超低，大幅降低综合成本，经济效益突出。本发明提供的环保水基钻井液适用于陆地或海洋的油气资源开采，也适用于页岩油气资源开采，可以在各大油气田推广应用。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种不加重的环保水基钻井液，其含有：淡水400g、怀安膨润土12g、碳酸钠0.24g、环保型降滤失剂ZJSJ 6g、降滤失剂B 2g、低粘羧甲基纤维素LV-CMC0.8g、低聚醇胺ZJ-1 8g、环保型抗高温润滑剂ZJSR 6g以及1500目碳酸钙粉体8g。
其中，降滤失剂B为抗高温改性膨润土基降滤失剂，其是由膨润土、水、十六烷基三甲基溴化铵、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸按照重量比1.5:7:0.3:0.8:0.2合成的。具体地，所述抗高温改性膨润土基降滤失剂是通过以下步骤合成的：称取1.5重量份的钠基膨润土与7重量份的水充分混合均匀，然后滴加0.3重量份的十六烷基三甲基溴化铵，超声震荡30min，得到改性膨润土悬浮液；然后将0.8重量份的丙烯酰胺和0.2重量份的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸的混合溶液通过NaOH调节pH值至7～8，加到所述的改性膨润土悬浮液中，通氮气除氧30min，搅拌条件下滴加单体质量的0.3％的过硫酸铵，在50～60℃下反应4h，烘干粉碎，得到所述的抗高温改性膨润土基降滤失剂。
该环保水基钻井液是通过以下步骤制备得到的：
(1)将怀安膨润土和一部分碳酸钠加入到淡水中，搅拌30min，再预水化处理24h；
(2)在11000r/min的高速搅拌下，在步骤(1)得到的混合液中，依次加入环保型降滤失剂ZJSJ、降滤失剂B、低粘羧甲基纤维素LV-CMC、低聚醇胺ZJ-1、环保型抗高温润滑剂ZJSR以及碳酸钙粉体，同时观察每种处理剂的溶解或分散情况，当一种处理剂充分溶解或分散后，再加入下一种处理剂，直至全部加完；
(3)使用剩余的碳酸钠将步骤(2)得到的混合液的pH值调节到8～10，得到所述的环保水基钻井液。
实施例2
本实施例提供了一种密度为1.2g/cm3的环保水基钻井液，其含有：淡水400g、怀安膨润土16g、碳酸钠0.32g、环保型降滤失剂ZJSJ 6g、降滤失剂B 3g、低粘羧甲基纤维素LV-CMC 1.2g、低聚醇胺ZJ-1 10g、环保型抗高温润滑剂ZJSR 8g、40nm二氧化硅3g、1500目碳酸钙粉体5g以及重晶石粉115g。
其中，降滤失剂B为抗高温改性膨润土基降滤失剂，其与实施例1中的降滤失剂B相同。
该环保水基钻井液是通过以下步骤制备得到的：
(1)将怀安膨润土和一部分碳酸钠加入到淡水中，搅拌20min，再预水化处理24h；
(2)在11000r/min的高速搅拌下，在步骤(1)得到的混合液中，依次加入环保型降滤失剂ZJSJ、降滤失剂B、低粘羧甲基纤维素LV-CMC、低聚醇胺ZJ-1、环保型抗高温润滑剂ZJSR、40nm二氧化硅、1500目碳酸钙粉体，同时观察每种处理剂的溶解或分散情况，当一种处理剂充分溶解或分散后，再加入下一种处理剂，直至全部加完；
(3)使用剩余的碳酸钠将步骤(2)得到的混合液的pH值调节到8～10；
(4)在步骤(3)得到的混合液中加入重晶石粉，以10000～12000r/min的速度搅拌20min，使其密度达到1.2g/cm3，得到所述的环保水基钻井液。
实施例3
本实施例提供了一种密度为1.6g/cm3的环保水基钻井液，其含有：淡水400g、怀安膨润土16g、碳酸钠0.32g、环保型降滤失剂ZJSJ 8g、降滤失剂B 2g、低粘羧甲基纤维素LV-CMC 1.8g、低聚醇胺ZJ-1 10g、环保型抗高温润滑剂ZJSR 12g、1000目碳酸钙粉体4g、2000目碳酸钙粉体8g以及重晶石粉425g。
其中，降滤失剂B为抗高温改性膨润土基降滤失剂，其与实施例1中的降滤失剂B相同。
该环保水基钻井液的制备步骤与实施例2相同。
实施例4
本实施例提供了一种密度为2.0g/cm3的环保水基钻井液：淡水300g、怀安膨润土12g、碳酸钠0.28g、环保型降滤失剂ZJSJ 8g、降滤失剂B 1g、低粘羧甲基纤维素LV-CMC1.5g、低聚醇胺ZJ-1 9g、环保型抗高温润滑剂ZJSR 10g、20nm二氧化硅4g、1500目碳酸钙粉体6g以及重晶石580g。
其中，降滤失剂B为抗高温改性膨润土基降滤失剂，其与实施例1中的降滤失剂B相同。
该环保水基钻井液的制备步骤与实施例2相同。
上述实施例提供的钻井液性能如下：
(1)流变性、API滤失量、高温高压滤失量的测定
根据《GB/T16783.1-2006石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》中的测定方法，评价实施例1-4的钻井液体系150℃老化前后的流变性和API滤失量，以及150℃、3.5MPa下的高温高压滤失量。其中测定的参数包括AV(表观粘度)、PV(塑性粘度)、YP(动切力)、ρ(钻井液密度)、FLAPI(API滤失量)、FLHTHP(高温高压滤失量)，测定结果见表1。
表1 各测试对象流变性能和滤失量参数数据表
(2)抑制性
将350mL测试对象高速搅拌20min，密封4h进行养护；
通过页岩滚动分散实验，评价实施例1-4的钻井液抑制泥页岩水化分散性能。实验所用泥页岩岩样为玉门区块泥页岩，测试结果如表2所示。由表2可知，上述实施例1、实施例2、实施例3和实施例4具有较高的岩屑滚动回收率，表明其具有优异的抑制泥页岩水化分散性能。
表2 不同钻井液抑制性能测试结果
配方 清水 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
回收率/％ 25.2 95.1 96.5 95.8 97.2
(3)润滑性
利用钻井液极压润滑仪，评价实施例1-4的钻井液150℃老化后的润滑性。测试结果如表3所示。水平井一般要求钻井液的摩擦系数小于0.1，以减少钻具的旋转阻力和提拉阻力。由表3可知，上述实施例1、实施例2、实施例3和实施例4的极压润滑系数均小于0.1，表明其具有良好的钻井液润滑性能，能够满足长井段水平井现场施工要求。
表3 不同钻井液润滑性能测试结果
配方 清水 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
极压润滑系数 0.34 0.067 0.068 0.076 0.085
(4)抗污染性能(实施例3)
在实施例3的环保水基钻井液配方中加入一定量的CaCl2、NaCl、页岩岩屑粉(采用威远-长宁龙马溪组页岩过100目的岩屑粉)，通过观察体系的流变性变化，来评价实施例3的抗污染性能，实验结果如表4所示。
表4 抗污染性能试验结果
由抗污染实验数据可以看出，加入CaCl2、饱和NaCl和不同量的岩屑粉后，环保水基钻井液体系性能没有出现较大变化，表明其具有很强的抗污染能力。该体系抗NaCl盐至饱和，抗钻屑污染达到10％。
(5)储层保护实验(实施例2)
对实施例2的环保水基钻井液进行储层伤害评价实验，结果如表5所示。从表5可以看出，环保钻井液污染砂岩岩心后，其渗透率恢复值达到了85％以上，最高可达90.5％，说明环保钻井液对油层损害程度很小，具有良好的油气储层保护效果。
表5 新型环保钻井液动态污染后岩心渗透率的变化
(6)生物毒性实验
根据油田化学剂及钻井液的生物毒性容许值规定，如果生物毒性检验结果大于20000mg/L，视为无毒。对实施例1-4的钻井液进行了发光杆菌生物毒性试验，结果如表6所示。实验结果表明：实施例1-4的EC50均远大于20000mg/L，没有毒性，可直接排放，有利于环境保护。
表6 不同钻井液生物性能测试结果
配方 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
EC<sub>50</sub>/mg.L<sup>-1</sup> 76500 70100 66700 68500
由上述性能测试可以看出，本发明实施例提供的环保水基钻井液体系选用的各处理剂的EC50均大于3.0×104mg/L，从源头上保证了钻井液的无毒、环保。该体系颜色为白色或乳白色，有利于环保色度的处理。该体系抗温达150℃，具有良好的流变性、降滤失性、抑制性、润滑性、抗污染性和储层保护效果。生物毒性实验结果表明，该钻井液没有毒性，安全环保，可实现直接排放。该体系成分简单，处理剂价格便宜且加量少，钻屑可直接排放、废弃钻井液处理成本超低，大幅降低综合成本，经济效益突出。

Claims (12)

1.一种环保水基钻井液，以重量份计，其包括：水，100份；膨润土，1-5份；碳酸钠，0.05-0.4份；降滤失剂A，0.5-3份；降滤失剂B，0.2-3份；提粘切剂，0.1-1份；抑制剂，0.5-4份；润滑剂，1-5份；微纳米颗粒封堵剂，2-6份；加重材料，0-200份；
其中，所述降滤失剂B为抗高温改性膨润土基降滤失剂，其EC50大于3.0×104mg/L；所述抗高温改性膨润土基降滤失剂是由膨润土、水、十六烷基三甲基溴化铵、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸按照重量比(1～2):(6～8):(0.1～0.6):(0.5～1):(0.1～0.5)在一定引发剂作用下合成的；
所述降滤失剂A为抗高温改性淀粉类降滤失剂，其抗温大于140℃，EC50大于3.0×104mg/L。
2.根据权利要求1所述的环保水基钻井液，其中，所述降滤失剂A为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的环保型降滤失剂ZJSJ，其抗温达150℃，EC50为1.11×106mg/L。
3.根据权利要求1所述的环保水基钻井液，其中，所述提粘切剂为低粘聚阴离子纤维素、低粘羧甲基纤维素以及羟乙基纤维素中的一种或几种的组合，并且所述提粘切剂的EC50大于3.0×104mg/L。
4.根据权利要求3所述的环保水基钻井液，其中，所述提粘切剂为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的低粘羧甲基纤维素LV-CMC，其EC50为1.36×105mg/L。
5.根据权利要求1所述的环保水基钻井液，其中，所述抑制剂为有机胺、聚胺以及聚醚胺中的一种或几种的组合，并且所述抑制剂的EC50大于3.0×104mg/L。
6.根据权利要求5所述的环保水基钻井液，其中，所述抑制剂为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的低聚醇胺ZJ-1，其EC50为1.81×105mg/L。
7.根据权利要求1所述的环保水基钻井液，其中，所述润滑剂为植物油改性润滑剂和/或聚合醚，并且所述润滑剂的EC50大于3.0×104mg/L。
8.根据权利要求7所述的环保水基钻井液，其中，所述润滑剂为中国石油集团钻井工程技术研究院生产的环保型抗高温润滑剂ZJSR，其EC50为6.23×104mg/L。
9.根据权利要求1所述的环保水基钻井液，其中，所述微纳米颗粒封堵剂为粒径20～80nm的二氧化硅和/或1000目～2000目的碳酸钙粉体。
10.根据权利要求1所述的环保水基钻井液，其中，所述加重材料为重晶石粉。
11.一种权利要求1-10中任一项所述的环保水基钻井液的制备方法，其包括以下步骤：
(1)按照比例将膨润土和碳酸钠加入到水中，搅拌20～60min，使其充分搅拌均匀，再预水化处理16～24h；
(2)在步骤(1)得到的混合液中，依次按照比例加入降滤失剂A、降滤失剂B、提粘切剂、抑制剂、润滑剂、微纳米颗粒封堵剂，同时观察每种处理剂的溶解或分散情况，当一种处理剂充分溶解或分散后，再加入下一种处理剂，直至全部加完；
(3)使用碳酸钠将步骤(2)得到的混合液的pH值调节到8～10；
(4)可选择地在步骤(3)得到的混合液中加入加重材料，搅拌20～40min，使其密度达到钻井要求，得到所述的环保水基钻井液。
12.根据权利要求11所述的制备方法，其中，步骤(2)和(4)是在搅拌下进行的，搅拌速度分别为10000～12000r/min。
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