CN1069755A

CN1069755A - 阳离子型钻井液

Info

Publication number: CN1069755A
Application number: CN 91105900
Authority: CN
Inventors: 张克勤; 刘雨晴; 杨先洪; 朴昌浩; 杜德林; 李跃先; 张建民; 吕发创; 李佳军; 沈丹青
Original assignee: Drilling Technology Int Research Inst Of Petroleum Exploration Development (c
Current assignee: Drilling Technology Int Research Inst Of Petroleum Exploration Development (c
Priority date: 1991-08-27
Filing date: 1991-08-27
Publication date: 1993-03-10
Anticipated expiration: 2006-08-27
Also published as: CN1037852C

Abstract

本发明披露了一种水基阳离子型钻井液，该钻井液是以大分子量的阳离子聚合物作为包被絮凝剂，以小分子量的有机阳离子化合物作为泥页岩抑制稳定剂，并配合使用增粘剂、降滤失剂、封堵剂等处理剂而组成的。在此组成的基础上，适当增减某些处理剂后，本发明给出了无固相和低固相含量的阳离子型钻井液，阳离子水包油乳化型钻井液共三大类阳离子型钻井液。这三大类阳离子型钻井液具有适应能力强，有利于保护油气层，维护较简单，井下安全以及提高钻速、降低成本等优点。

Description

本发明涉及一种钻井液，特别涉及一种水基阳离子型钻井液。

众所周知，钻井液在石油钻井工程中起着十分重要的作用。水基钻井液经历了从清水、浑水、细分散钻井液、粗分散钻井液到不分散钻井液的发展历程。目前，在钻井作业中采用比较多的还是粗分散钻井液体系，该体系中加有粘土，采用无机盐如NaCl、KCl等作为抑制剂，但是这种钻井液体系具有以下缺点：无机盐的加量大;影响钻井液本身的流变性和滤失量;而且存在放射性K⁺对电测的干扰等。不分散钻井液则采用具有较强抑制能力的有机阴离子聚合物作为抑制剂。但阴离子聚合物抑制粘土分散的能力比较差，因此，在水基阴离子聚合物钻井液的应用基础上，为了满足钻井工程的要求，改善钻井液的性能，有利于井壁稳定，有利于保护油气层，人们开始注意对水基阳离子聚合物钻井液进行研究。

中国专利申请第85107367号公开了一种钻井液，其主要目的在于确定用大分子量的阳离子聚合物作为聚沉剂和/或絮凝剂改善固控工作的可能性。该发明的不足之处在于仅对絮凝剂的选择作了研究，而没有对钻井液的各种性能及适用性进行说明，没有关于钻井液组成的具体实施例，也没有现场应用的报导。

1984年8月的《钻头》杂志上刊登了由John E（Chick）Smith撰写的一篇文章，“防止粘土膨胀的阳离子聚合物”（“Cationic polymer prevents clay swelling”，《Drill Bit》，1984，8，P27-29），该文披露了在膨胀性红色岩层钻井过程中，用阳离子聚合物作为聚沉剂在钻井液中的应用，以及应用所述钻井液实际打了6口井的报导。所述钻井液的不足之处在于该类钻井液的适用性较差，不适于在其它类型的地层进行钻井。

为了克服现有技术的不足，本发明的主要目的是提供一种既具有很强的抑制粘土矿物水化膨胀分散的功能，又具有良好的流变性，低滤失量的阳离子型钻井液。

本发明所述的阳离子型钻井液是以大分子量的阳离子聚合物作为包被絮凝剂，以小分子量的有机阳离子化合物作为泥页岩稳定剂，并根据钻井时的具体条件，有选择地使用其它处理剂而组成的。

本发明所述的阳离子型钻井液，包含：

a、至少一种作为包被絮凝剂的大分子量阳离子聚合物;

b、至少一种作为泥页岩稳定剂的小分子量有机阳离子化合物;

c、至少一种增粘剂;

d、至少一种降滤失剂;

e、至少一种碱度控制剂;

在本发明所述的阳离子型钻井液中，大分子量的阳离子聚合物的用量占钻井液总重量的0.1～0.5%（重量计），所述的聚合物包括分子量在5×10⁵-15×10⁶之间的聚季胺盐类，聚季磷盐类和/或聚叔硫盐类。可用于阳离子型钻井液的包被絮凝剂还包括以下物质：①Ni，Cr等金属离子的有机聚合物;②磷酸或五氧化二磷的醇溶液;③金属盐和N-乙烯内酰胺聚合物;④马来酸酐和N-乙烯基-5-甲基-2-吡唑烷二酮共聚物;⑤非离子乙烯吡咯烷酮聚合物;⑥阳离子乙烯醚聚合物;⑦盐酸咪唑啉;⑧氢氧化钠醇溶液;⑨有机硅;⑩脲素;

盐酸胍;

石油重质;

树脂。

在本发明所述的阳离子型钻井液中，其中所述的小分子量有机阳离子化合物的用量占钻井液总量的0.1%-0.5%（重量计），其包括双三甲基氯化铵和/或环氧丙基三甲基氯化铵。

用于本发明的阳离子型钻井液的增粘剂、降滤失剂、碱度控制剂都采用公知的化学产品，其包含的物质及其用量如下：

增粘剂：田菁粉，植物胶类，生物聚合物类，丙烯聚合物类

降滤失剂：淀粉类、纤维素类、腐植酸类等

碱度控制剂：氯化钙、氯化钾、石灰、石膏等

上述处理剂在钻井液中的用量（以重量计）如下：

增粘剂：0.1%-5%;

降滤失剂：0.1%-5%;

碱度控制剂：0.1%-2%。

在易水化膨胀和坍塌的岩层钻井时，因地层造浆严重，易产生泥包钻具，影响钻速等问题。因此，为了解决这类问题，本发明提出了一种阳离子型钻井液，这种钻井液在配制时，不加粘土矿物，靠采用大分子量阳离子聚合物和小分子量的有机阳离子化合物来抑制泥页岩的水化、膨胀，再配合使用增粘剂、降滤失剂、碱度控制剂等，可保持井壁稳定，而且因该钻井液本身不含固相，其密度可大大降低（最低可达＜1.03g/cm³），故称之为无固相阳离子型钻进液，其兼有钻井液与完井液的功能，可简化钻井工艺，套管程序，净化设备等，并可降低钻井成本。

在本发明所述的阳离子型钻井液的基本组成基础上，本发明所述的钻井液还进一步包括粘土矿物和扩胶性聚合物，其用量分别占钻井液总量的1%-5%和0.01%-1%，故称之为低固相含量的阳离子型钻井液。其中所述的粘土矿物包括膨润土和/或抗盐土，护胶性聚合物包括铁铬木质素磺酸盐和/或腐植酸缩聚树脂等。另外，其中的降滤失剂还进一步包括纤维素类，如高粘羧甲基纤维素和/或低粘羧甲基纤维素。

在本发明所述的低固相含量的阳离子型钻井液中，大分子量的阳离子聚合物由于其带高正电荷，中和能力强，聚合物链长，架桥作用好，而小分子量的有机阳离子化合物又能进入粘土片的晶层形成永久性的吸附，因此比无机盐或阴离子聚合物具有更好的抑制泥页岩粘土水化、膨胀、分散的能力，其中最显著的特征表现为本发明所述的低固相含量的阳离子型钻井液的Zeta电位在-5mV-+10mV之间，而阴离子聚合物钻井液的Zeta电位一般在-36mV左右。由于上述钻井液具有这样的特征，因此使得其既具有很强的抑制粘土矿物水化膨胀分散的功能，又具有良好的流变性、低滤失量，从而有利于减少井下复杂情况，保持井壁的持续稳定，起下钻畅通和电测顺利。

为了增强本发明所述的低固相含量的阳离子型钻井液的适应性，在其原有的组成基础之上再加入0.5%-5%（重量计）的抗高温处理剂和0.2%-3%（重量计）的封堵剂，从而有效地降低滤失量，改善滤饼质量，使此类钻井液既能适应膨胀性、水敏性地区，又能适用于硬脆性、裂缝性地层。其中所述的抗高温处理剂包括腐植酸缩聚树脂，磺化酚醛树脂和/或磺化聚合物类;封堵剂包括磺化沥青，磺化腐植酸等。

为了降低钻进液的比重，使钻井液具有良好的润滑性能，在本发明所述的低固相含量阳离子型钻井液组成基础上，还进一步含有5%-60%（重量计）的油类和0.2%-10%（重量计）的水包油型乳化剂，故称之为阳离子水包油乳化型钻井液。其中所使用的油类包括柴油和/或原油;水包油型乳化剂包括C_11-13烷基二甲基苄基氯化铵和/或斯盘型（Span）乳化剂。该类钻井液具有润滑性能好，起下钻顺利，不划眼，不抽吸，机械钻速高等特点，而且因为大分子量阳离子聚合物与小分子量有机阳离子化合物的作用，该类钻井液还具有抑制能力强，能有效地控制地层造浆，维护时间长等特点。特别是因为钻井液的比重降低了，能保证井下安全，并节省套管。

有关本发明所述的低固相含量的阳离子型钻井液的Zeta电位的变化曲线见附图。

附图说明：

图1，低固相含量阳离子型钻井液中小分子量有机阳离子化合物加量与Zeta电位关系曲线。

下面结合实例进一步说明本发明所提供的阳离子型钻井液的组成及其性能和应用效果，但并不限制本发明。

实例1

由以下组分配制无固相阳离子型钻井液（%重量百分比）

1.5%高改沥青+0.6%田菁粉+2%阳离子淀粉+0.2%氯化钙+0.4%氯化钾+0.5%环氧丙基三甲基氯化铵+0.3%聚胺甲基丙烯酰胺，余量为水。

实例2

由以下组分配制无固相阳离子型钻井液。（%重量百分比）

2.5%高改沥青+0.3%田菁粉+1.0%阳离子淀粉+0.3%蘑芋粉+0.4%氯化钾+0.5%环氧丙基三甲基氯化铵+0.3%聚胺甲基丙烯酰胺，余量为水。

实例3

由以下组分配制低固相含量的阳离子型钻井液。（%重量百分比）

2%膨润土+1%铁铬木质素磺酸盐+0.5%低粘羧甲基纤维素+2%改性淀粉+0.1%氢氧化钙+0.5%双三甲基乙基氯化铵+0.2%聚胺甲基丙烯酰胺，余量为水。

实例4

由以下组分配制低固相含量阳离子型钻井液。（%重量百分比）

5%海泡石+3%膨润土+1%铁铬木质素磺酸盐+0.2%高粘羧甲基纤维素+0.2%低粘羧甲基纤维素+0.5%氢氧化钙+0.3%双三甲基乙基氯化铵+0.1%聚胺甲基丙烯酰胺，余量为水。

实例5-6

在实例3-4所述的钻井液的组成基础上分别加入2%磺化沥青和2%的腐植酸缩聚树脂，从而形成实例5-6的钻井液。（%重量百分比）

实例7 按以下方法配制阳离子水包油乳化型钻井液。（%重量百分比）

将2%膨润土和平衡组分水，1.5%铁铬木质素磺酸盐与1%磺化沥青混合搅拌60分钟，再加入0.5%氧化钙，0.4%的环氧丙基三甲基氯化铵，0.4%的聚胺甲基丙烯酰胺，和0.3%的C_11-13烷基二甲基苄基氯化铵（浓度40%），混合后搅拌60分钟，最后再加入10%的柴油搅拌 60分钟，从而得到阳离子水包油乳化型钻井液。

实例1-7所述的钻井液的各种性能及应用效果见下列各表

表1无固相阳离子型钻井液性能与钻屑回收率

钻井液钻井液性能

D比重 FV＊ AV＊ PV＊ YP＊ API＊ PH 钻屑回收率

WL

(g/cm³) (S)(mpa·) (mpa·s) (p/100ft²) (ml) (%)

实施例1. 1.03 52 27.5 15 25 14.0 8 94.71

实施例2. 1.03 40 27 16 22 5.0 7 96.6

注：FV：漏斗粘度

AV：表观粘度

PV：塑性粘度

YP：屈服点

API：滤失量

表2 无固相阳离子型钻井液加重试验结果

^＊阴离子聚合物钻井液的组成：

2%潍县土+1%铁铬木质素磺酸盐+0.5%低粘羧甲基纤维素+1%改性淀粉+0.1%氢氧化钙+0.5%水解聚丙烯腈+0.2%聚丙烯酸钾+5%氯化钾

表5 实例7钻井液的性能及钻屑回收率

钻井液性能

钻井液 600 300 FL PH 电导率 HTHP 失水钻屑

（ml) 100℃ 回收率（％）

350atm,ml

实施7 27 14 6.6 9 5.3×10 22 88.4

综合上述实例及有关数据，本发明所述的阳离子型钻井液的优点可归结为：

1.适应力强：既适用于膨胀性地层（膨润土含量高），也适用于硬脆性地层（依利石多），并且还适用于石膏，水泥及盐类污染的地层。

2.有利于保护油气层：有可能将钻井液与为了保护油气层的完井液更密切地联系起来，合二为一。（目前大多数情况是为了保护油气层，要在油气顶部下入套管，再另外配制完井液）。

3.维护较简单，可降低工人的劳动强度。

4.井下安全。

5.提高钻井速度，降低钻井成本，并具有起下钻通畅，电测顺利等优点。

6.抑制能力强：返出的钻屑清爽，假砂样少，井径规距，排放泥浆量少。

Claims

1、一种阳离子型钻井液，包含：

a、至少一种作为包被絮凝剂的大分子量阳离子聚合物；

b、至少一种作为泥页岩抑制稳定剂的小分子量有机阳离子化合物；

c、至少一种降滤失剂；

d、至少一种增粘剂；

e、至少一种碱度控制剂。

2、如权利要求1所述的阳离子型钻井液，其中所述的大分子量阳离子聚合物包括分子量在5×10⁵～15×10⁶之间的聚季胺盐类，聚季磷盐类和/或聚叔硫盐类。

3、如权利要求1所述的阳离子型钻井液，其中所述的小分子量有机阳离子化合物包括双三甲基氯化铵和/或环氧丙基三甲基氯化铵，或其它类含阳离子官能团的聚合物类，其用量占钻井液总重量的0.1%～0.5%。

4、如权利要求1所述的阳离子型钻井液，其中所述的降滤失剂包括淀粉类，沥青类和/或纤维素类，如高粘羧甲基纤维素和/或低粘羧甲基纤维素。

5、如权利要求1所述的阳离子型钻井液，其中所述的增粘剂包括田菁粉，植物胶类和/或生物聚合物类、丙烯聚合物类。

6、如权利要求1所述的阳离子型钻井液，其中所述的碱度控制剂包括氯化钙和/或氯化钾或石灰等二价或三价无机盐类。

7、如权利要求1所述的阳离子型钻井液，其中还进一步包含粘土矿物和护胶性聚合物。

8、如权利要求7所述的阳离子型钻井液，其中所述的粘土矿物包括膨润土和/或抗盐土;所述的护胶性聚合物包括铁铬木质素磺酸盐、沥青类和/或腐植酸缩聚树脂。

9、如权利要求7所述的钻井液，其中还进一步含有抗高温处理剂和/或封堵剂。

10、如权利要求9所述的钻井液，其中所述的抗高温处理剂包括腐植酸缩聚树脂，磺化酚醛树脂和/或磺化褐煤类;封堵剂包括磺化沥青，磺化腐植酸等。

11、如权利要求7所述的钻井液，其特征在于其Zeta电位在-5mV-+10mV之间。

12、如权利要求1所述的钻井液，其中还进一步含有油类和水包油型乳化剂。

13、如权利要求12所述的钻井液，其中所述的油类包括柴油和/或原油;所述的水包油型乳化剂包括C_11-13烷基二甲基苄基氯化铵和/或斯盘型（span）乳化剂。