CN107254300A - 一种水基钻井液及其制备方法和应用 - Google Patents

一种水基钻井液及其制备方法和应用 Download PDF

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CN107254300A CN201710470221.9A CN201710470221A CN107254300A CN 107254300 A CN107254300 A CN 107254300A CN 201710470221 A CN201710470221 A CN 201710470221A CN 107254300 A CN107254300 A CN 107254300A
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Abstract

本发明提供了一种水基钻井液及其制备方法和应用。所述钻井液包括如下重量份成分：钠基膨润土1.5份、凹凸棒土1.5份、环保型添加剂0.9～1.1份、增粘剂0.2～0.25份、降滤失剂2.1～2.3份、盐4份、pH调节剂0.2～0.23份和水100份。与现有技术相比，本发明提供的水基钻井液具有环保和成本低的优点，环保型添加剂可生物降解，增加了钻井液的环保特性；钻井液配方相对简单。

Description

一种水基钻井液及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及石油开采领域，具体的说，是涉及一种水基钻井液及其制备方法和应用。
背景技术
国内外研究页岩钻进时普遍使用油基钻井液，虽能较好的解决井壁稳定问题，但存在成本高和污染环境等问题。因此，页岩气水平井水基钻井液的研发值得关注，特别是针对环境保护问题。我国现阶段的油田开发与新型油田的工业发展，让我国的石油资源发生了巨大变化。对此我国制定了一系列较全面的建设施工法规，但是其中对环境保护方面的强调略显不足。
面对越来越严苛的环保法要求和降低成本的需要，需要一种与油基钻井液性能相近的水基钻井液。页岩气水平井水基钻井液需要提粘提切，降滤失，更为重要的是页岩/粘土水化抑制，这是替代油基钻井液的关键。这时我们需要添加材料为环境友好型材料，使得钻井液对页岩气水平井具有三方面的特性，抑制页岩水化、保证长水平段井眼清洁和井眼润滑。
中国发明专利“一种环保型钻井液润滑剂及其制备方”(申请号：201310183098.4)公开了用于强水敏活性粘土地层的钻井液，包含以下质量百分含量的组分：生物柴油：30～45％，润滑剂：25～55％，乳化剂：10～30％组成，所用的原材料价廉，易于取得；生产工艺路线收率高，副产物少，产品质量符合质量标准，安全可靠。
中国发明专利“由核桃青皮制备钻井液处理剂的方法及应用”(申请号：201310568632.3)公开了涉及由核桃青皮制备环保型钻井液处理剂的方法及应用，得到环保型钻井液处理剂，应用时，将环保型钻井液处理剂分散于水基钻井液中，采用API标准测定其降滤失性和增粘性，或者将环保型钻井液处理剂分散于废弃水基钻井液中，搅拌均匀，静置，废弃水基钻井液中的固相被絮凝下来，经改性后的果皮分散性增强，能够有效地降低水基钻井液的粘度和滤失量，可以用于做油田生产中钻井液的降滤失剂和增粘剂。
中国发明专利“一种复合无机盐钻井液”(申请号：201510744854.5)公开了一种复合无机盐钻井液，涉及油田开采技术领域。本发明主要由基液、NaOH、Na2CO3、增粘剂、降滤失剂、抑制剂、润滑剂、KCl、暂堵剂和有机盐加重剂组成。本发明制成的复合无机盐钻井液是一种无土相钻井液体系，具有良好的粘土分散抑制性和较强的页岩分散抑制性，同时还具有较高的润滑性能。
中国发明专利“一种天然高分子环保型钻井液”(申请号：201510405027.3)公开了一种天然高分子环保型钻井液，由以下按重量百分比计的组分组成：0.3％～2.0％的天然防塌剂、1.0％～5.0％的封堵剂、0.3％～0.5％提粘切剂、0.5％～3.0％的降失水剂、0.5％～2.5％的润滑剂、0.02％～0.05％的低碳醇储层保护剂、0.03％～0.08％的戊二醛、剩余量为水。该发明钻井液具有很强的防塌性、抑制性、封堵性，能快速在近井壁带形成坚韧、致密的封固膜以稳定井壁，同时阻止滤液和固相进一步浸入储层，达到有效保护储层的效果；另外，该钻井液无生物毒性、无化学毒性、可生物降解有利于环境保护。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种水基钻井液；
本发明的另一目的在于提供所述水基钻井液的制备方法；
本发明的再一目的在于提供所述水基钻井液的应用。
为达上述目的，一方面，本发明提供了一种水基钻井液，其中，所述钻井液包括如下重量份成分：钠基膨润土1.4-1.6份、凹凸棒土1.4-1.6份、环保型添加剂0.8～1.2份、增粘剂0.1～0.3份、降滤失剂1.9～2.5份、盐3-5份、pH调节剂0.18～0.25份和水100份。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述钻井液包括如下重量份成分：钠基膨润土1.5份、凹凸棒土1.5份、环保型添加剂0.9～1.1份、增粘剂0.2～0.25份、降滤失剂2.1～2.3份、盐4份、pH调节剂0.2～0.23份和水100份。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述钻井液包括如下重量份成分：钠基膨润土1.5份、凹凸棒土1.5份、环保型添加剂0.9份、增粘剂0.2份、降滤失剂2.3份、盐4份、pH调节剂0.2份和水100份。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述环保型添加剂为pure-bore添加剂和pore-bore-lv添加剂。
根据本发明一些具体实施方案，其中，pure-bore添加剂和pore-bore-lv添加剂的质量比为2：1。
按此质量比添加，环保型钻井液体系可保持良好的抑制性能，同时流变性能不会过高。
根据本发明一些具体实施方案，其中，以钻井液中添加的水为100份计，pure-bore添加剂用量为0.6份，pore-bore-lv添加剂用量为0.3份。
本发明所述的pure-bore添加剂和pore-bore-lv添加剂可以市售获得，譬如美国雪佛龙公司生产的上述添加剂。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述增粘剂为羧甲基纤维素。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述降滤失剂为褐煤树脂。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述盐为氯化钠。
根据本发明一些具体实施方案，其中，所述钻井液用于页岩钻进。
另一方面，本发明还提供了所述水基钻井液的制备方法，其中，所述方法包括按照钠基膨润土、凹凸棒土、环保型添加剂、增粘剂、降滤失剂、盐、pH调节剂的顺序将上述成分在搅拌下加入水中，充分搅拌既得所述水基钻井液。
根据本发明一些具体实施方案，其中，本发明是在转速不小于6000r/min的搅拌条件下将钠基膨润土、凹凸棒土、环保型添加剂、增粘剂、降滤失剂、盐、pH调节剂加入水中。
再一方面，本发明还提供了所述水基钻井液在页岩钻进中的应用。
综上所述，本发明提供了一种水基钻井液及其制备方法和应用。本发明的方案具有如下优点：
与现有技术相比，本发明提供的水基钻井液具有环保和成本低的优点，环保型添加剂可生物降解，增加了钻井液的环保特性；钻井液配方相对简单。该钻井液具有较好的流变性、较低的滤失量、良好的润滑性及较强的抑制性，能满足页岩气水平井钻进岩屑携带和井壁稳定的要求。
附图说明
图1为实施例1中油田页岩岩样与水基钻井液接触后的膨胀量变化曲线图。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。
实施例1
本实施例1主要反映：(1)本实施例水基钻井液的制备方法；(2)本实施例水基钻井液的环保性评价；(3)本实施例水基钻井液的基本性能参数(流变参数和滤失量)；(4)页岩与本实施例水基钻井液的接触后的膨胀量变化情况；(5)本实施例水基钻井液的润滑性能；(6)本实施例水基钻井液的水活度。
本实例1提供了一种水基钻井液，以每100mL水中的加入量来计算，上述各组分的质量份分别为：钠基膨润土1.5g、凹凸棒土1.5g、pure-bore0.6g、pure-bore-lv0.3g、羧甲基纤维素0.2g、褐煤树脂2.1g、氯化钠4g、碳酸钠0.2g。
实验仪器：GJD-B12K变频高速搅拌机。
其制备方法如下：
(1)首先按照上述配比，称取适量的水、钠基膨润土、凹凸棒土、环保型添加剂、降滤失剂、盐、pH调节剂。
(2)在容器(泥浆杯)中加入水，在6000r/min转速条件下，按顺序添加钠基膨润土、凹凸棒土、环保型添加剂(pure-bore及pure-bore-lv添加剂)、增粘剂(羧甲基纤维素)、降滤失剂(褐煤树脂)、盐(氯化钠)、pH调节剂(碳酸钠)，充分搅拌后即得到本实施例水基钻井液。
一、基本性能参数
实验仪器：ZNN-D6S型六速旋转粘度计、ZNS-5A中压失水仪。
测试本实施例水基钻井液的基本性能参数，测试结果见表1。
表1本实施例的水基钻井液的基本性能参数
钻井液类型 AV/mPa·s PV/mPa·s YP/Pa FL/mL
水基钻井液 40.5 21 19.5 3.6
其中：AV为表观粘度，PV为塑性粘度，YP为动切力，FL为API滤失量，下同。
通过表1可以看出，在添加剂数量和添加剂用量都较少的基础上，本实施例水基钻井液在流变性能(表观粘度、塑性粘度和动切力)和滤失性能上都表现出色，符合页岩气水平井对钻井液的需求。
二、环保性评价
实验仪器：ZNN-D6S型六速旋转粘度计、可见分光光度计
本发明中环保型添加剂，即pure-bore添加剂和pure-bore-lv添加剂。此环保型添加剂是一种具有表面活性的水溶性聚合物，可与钻屑和新钻开的井眼表面发生相互作用，形成微型包被作用，增强钻井液的抑制性能，对地层微孔隙具有强封堵作用，从而形成更好的滤失控制和抑制地层水化的作用，同时可以控制页岩气水平井的钻井液粘度，保证钻井液的流变性能。其组份结果见表2。表2显示各个元素的质量百分比(wt％)和原子百分比(at％)。
表2环保型添加剂组份分析
成分 wt％ at％
C 52.91 62.94
O 28.90 25.80
Na 17.99 11.18
Cl 00.20 00.08
通过表2可以看出，环保型添加剂的主要元素为C、O、Na和少量的Cl，不含有金属元素，对环境无污染。
对本实施例的水基钻井液进行生物降解实验，每100mL钻井液中加入复合酶0.5g，实验结果见表3。
表3本实施例水基钻井液粘度和切力随时间的变化情况
通过表3可以看出，本实施例水基钻井液在复合酶的作用下粘度和切力不断降低，6h表观粘度降低45.68％，说明该钻井液在酶的作用下可发生降解。
对本实施例水基钻井液进行生物降解实验，先在钻井液滴入3，5-二硝基水杨酸(DNS)，每100mL钻井液中加入复合酶0.5g，通过可见分光光度计分别测定加入复合酶前后的吸光光度值，实验结果见表4。
表4本实施例水基钻井液加入复活酶前后的吸光光度值
温度/℃ 加酶之前 加酶24h后
常温 0.178 0.204
通过表4可以看出，本实施例水基钻井液在加入复合酶之后，光度值提高，钻井液中的葡萄糖含量提高，说明该钻井液在酶的作用下可发生降解。
三、膨胀量评价
实验仪器：JHP岩心压制机、ZNP-1型膨胀量测定仪。
实验步骤如下：
(1)10g秀山页岩粉末(过100目)，使用JHP岩心压制机8MPa条件下压制5min，测量岩心长度(10.5mm)和直径(25mm)；
(2)在室温条件下，测试该人工页岩岩样分别与ZNP-1型膨胀量测定仪测试页岩心在清水、4％NaCl溶液与本实施例水基钻井液膨胀量，记录16h。
记录的膨胀数据，可以画出膨胀变化曲线，分析本实施例水基钻井液对页岩的抑制效果，结果如表5和图1所示。
表5膨胀量测试结果对比
记录的膨胀数据，可以画出膨胀变化曲线，分析本实施例水基钻井液对页岩的抑制效果，结果如图1所示。
由以上结果可以看出：(1)秀山页岩岩样在清水和4％NaCl溶液中的膨胀量较大，在钻进过程中容易发生井壁失稳；(2)页岩在适用页岩的环保型钻井液中，相对于清水膨胀量降低率为60.73％，有效降低页岩膨胀量，有益于井壁稳定。
四、润滑性能和水活度评价
实验仪器：EP极压润滑仪、novisna labswift-aw水活度测试仪。
实验步骤如下：
将本实施例水基钻井液倒入EP极压润滑仪试样杯中，测试摩阻系数，并与清水摩阻系数进行对比；然后采用novisna labswift-aw水活度测试仪测量本实施例水基钻井液的水活度。
换算该钻井液的摩阻系数，分析该钻井液的润滑性能。该钻井液的摩阻系数和水活度如结果表6所示。
表6清水与本实施例水基钻井液的摩阻系数及水活度
钻井液类型 摩阻系数 水活度
清水 0.34 1
本实施例水基钻井液 0.2 0.991
通过表6可以看出，本实施例水基钻井液摩阻系数为0.2，摩阻系数降低率为41.18％，润滑性能良好满足页岩气水平井需求。水活度下降，增大井壁两侧化学势差，有利于页岩气水平井井壁稳定。
实施例2
本实施例2主要反映：(1)本实施例水基钻井液的环保性评价；(2)本实施例水基钻井液在高温高压条件下的流变参数(表观粘度和塑性粘度)变化情况；(3)本实施例水基钻井液在高温高压条件下的滤失性能分析；
本实施例2提供了一种水基钻井液，以每100mL水中的加入量来计算，上述各组分的质量份分别为：钠基膨润土1.5g、凹凸棒土1.5g、pure-bore0.7g、pure-bore-lv0.4g、羧甲基纤维素0.25g、褐煤树脂2.3g、氯化钠4g、碳酸钠0.23g。
实验仪器：GJD-B12K变频高速搅拌机。
其制备方法如下：
(1)首先按照上述配比，称取适量的水、钠基膨润土、凹凸棒土、环保型添加剂、降滤失剂、盐、pH调节剂。
(2)在容器(泥浆杯)中加入水，在6000转/分转速条件下，按顺序钠基膨润土、凹凸棒土、环保型添加剂(pure-bore及pure-bore-lv添加剂)、增粘剂(羧甲基纤维素)、降滤失剂(褐煤树脂)、盐(氯化钠)、pH调节剂(碳酸钠)，充分搅拌后即得到稳定页岩的水基钻井液。
一、环保性评价
实验仪器：ZNN-D6S型六速旋转粘度计
对本实施例水基钻井液进行降解实验，每100mL钻井液中加入复合酶0.5g，实验结果见表7。
表7本实施例水基钻井液粘度和切力随时间的变化情况
时间/h AV/mPa·s PV/mPa·s YP/Pa
0 42.5 25 17.5
1 38 23 15
2 35 21 14
3 32 19 13
4 27 17 10
5 25 16 9
6 23 14 9
通过表7可以看出，该环保型钻井液在复合酶的作用下粘度不断降低，6h表观粘度降低45.88％，说明该环保型钻井液在复合酶的作用下可发生降解。
二、抗高温性能评价
实验仪器：ZNN-D6S型六速旋转粘度计、XGRL-4型滚子加热炉
将本实施例水基钻井液放入XGRL-4型滚子加热炉中，在130℃条件下加热16h后取出，常温和高温下钻井液流变参数测量结果如表8所示。
表8本实施例水基钻井液在高温下的基本性能参数
通过表8可以看出，该环保型钻井液基本可抗130℃高温，表观粘度降低37.6％，130℃下表观粘度为26.5mPa·s，可基本满足页岩气水平井钻井要求。
三、膨胀量评价
实验仪器：JHP岩心压制机、ZNP-1型膨胀量测定仪。
实验步骤如下：
(1)10g秀山页岩粉末(过100目)，使用JHP岩心压制机8MPa条件下压制5min，测量岩心长度(10.5mm)和直径(25mm)；
(2)在室温条件下，测试该人工页岩岩样分别与ZNP-1型膨胀量测定仪测试页岩心在清水、4％NaCl溶液与本实施例水基钻井液膨胀量，记录16h。
记录的膨胀数据，可以画出膨胀变化曲线，分析本实施例水基钻井液对页岩的抑制效果，结果如表9所示。
表9膨胀量测试结果对比
由以上结果可以看出：(1)秀山页岩岩样在清水和4％NaCl溶液中的膨胀量较大，在钻进过程中容易发生井壁失稳；(2)页岩在适用页岩的环保型钻井液中，相对于清水膨胀量降低率为62.30％，有效降低页岩膨胀量，有益于井壁稳定。
四、润滑性能和水活度评价
实验仪器：EP极压润滑仪、novisna labswift-aw水活度测试仪。
实验步骤如下：
将本实施例水基钻井液倒入EP极压润滑仪试样杯中，测试摩阻系数，并与清水摩阻系数进行对比；然后采用novisna labswift-aw水活度测试仪测量本实施例水基钻井液的水活度。
换算该钻井液的摩阻系数，分析该钻井液的润滑性能。该钻井液的摩阻系数和水活度如结果表10所示。
表10清水与本实施例水基钻井液的摩阻系数及水活度
钻井液类型 摩阻系数 水活度
清水 0.34 1
本实施例水基钻井液 0.19 0.991
通过表10可以看出，本实施例水基钻井液摩阻系数为0.19，摩阻系数降低率为44.12％，润滑性能良好满足页岩气水平井需求。水活度下降，增大井壁两侧化学势差，有利于页岩气水平井井壁稳定。
实施例3
本实施例3主要反映：1)本实施例水基钻井液的环保性评价；(2)本实施例水基钻井液在高温高压条件下的流变参数(表观粘度和塑性粘度)变化情况；(3)本实施例水基钻井液在高温高压条件下的滤失性能分析；
本实施例3提供了一种水基钻井液，以每100mL水中的加入量来计算，上述各组分的质量份分别为：钠基膨润土1.5g、凹凸棒土1.5g、pure-bore0.65g、pure-bore-lv0.35g、羧甲基纤维素0.23g、褐煤树脂2.32g、氯化钠4g、碳酸钠0.21g。
实验仪器：GJD-B12K变频高速搅拌机。
其制备方法如下：
(1)首先按照上述配比，称取适量的水、钠基膨润土、凹凸棒土、环保型添加剂、降滤失剂、盐、pH调节剂。
(2)在容器(泥浆杯)中加入水，在6000转/分转速条件下，按顺序钠基膨润土、凹凸棒土、环保型添加剂(pure-bore及pure-bore-lv添加剂)、增粘剂(羧甲基纤维素)、降滤失剂(褐煤树脂)、盐(氯化钠)、pH调节剂(碳酸钠)，充分搅拌后即得到稳定页岩的水基钻井液。
一、环保性评价
实验仪器：ZNN-D6S型六速旋转粘度计
对本实施例水基钻井液进行降解实验，每100mL钻井液中加入复合酶0.5g，实验结果见表11。
表11本实施例水基钻井液粘度和切力随时间的变化情况
通过表11可以看出，该环保型钻井液在复合酶的作用下粘度不断降低，6h表观粘度降低42.86％，处理剂加量在本发明加量变化范围内时，粘度降低率稳定，说明本实施例水基钻井液在复合酶的作用下可发生降解。
二、抗高温性能评价
实验仪器：ZNN-D6S型六速旋转粘度计、XGRL-4型滚子加热炉
将本实施例水基钻井液放入XGRL-4型滚子加热炉中，在130℃条件下加热16h后取出，常温和高温下钻井液流变参数测量结果如表12所示。
表12本实施例水基钻井液在高温下的基本性能参数
T/℃ AV/mPa·s PV/mPa·s YP/Pa FL/mL
常温 42 24 18 4.1
130 26 15 11.2 8.2
通过表10可以看出，该环保型钻井液基本可抗130℃高温，表观粘度降低38.10％，130℃下表观粘度为26mPa·s，处理剂加量在本发明加量变化范围内时，粘度稳定，可基本满足页岩气水平井钻井要求。
三、膨胀量评价
实验仪器：JHP岩心压制机、ZNP-1型膨胀量测定仪。
实验步骤如下：
(1)10g秀山页岩粉末(过100目)，使用JHP岩心压制机8MPa条件下压制5min，测量岩心长度(10.5mm)和直径(25mm)；
(2)在室温条件下，测试该人工页岩岩样分别与ZNP-1型膨胀量测定仪测试页岩心在清水、4％NaCl溶液与本实施例水基钻井液膨胀量，记录16h。
记录的膨胀数据，可以画出膨胀变化曲线，分析本实施例水基钻井液对页岩的抑制效果，结果如表13所示。
表13膨胀量测试结果对比
由以上结果可以看出：(1)秀山页岩岩样在清水和4％NaCl溶液中的膨胀量较大，在钻进过程中容易发生井壁失稳；(2)页岩在适用页岩的环保型钻井液中，相对于清水膨胀量降低率为61.78％，有效降低页岩膨胀量，有益于井壁稳定。
四、润滑性能和水活度评价
实验仪器：EP极压润滑仪、novisna labswift-aw水活度测试仪。
实验步骤如下：
将本实施例水基钻井液倒入EP极压润滑仪试样杯中，测试摩阻系数，并与清水摩阻系数进行对比；然后采用novisna labswift-aw水活度测试仪测量本实施例水基钻井液的水活度。
换算该钻井液的摩阻系数，分析该钻井液的润滑性能。该钻井液的摩阻系数和水活度如结果表14所示。
表14清水与本实施例水基钻井液的摩阻系数及水活度
钻井液类型 摩阻系数 水活度
清水 0.34 1
本实施例水基钻井液 0.20 0.991
通过表14可以看出，本实施例水基钻井液摩阻系数为0.2，摩阻系数降低率为41.18％，润滑性能良好满足页岩气水平井需求。水活度下降，增大井壁两侧化学势差，有利于页岩气水平井井壁稳定。

Claims (10)

1.一种水基钻井液，其中，所述钻井液包括如下重量份成分：钠基膨润土1.4-1.6份、凹凸棒土1.4-1.6份、环保型添加剂0.8～1.2份、增粘剂0.1～0.3份、降滤失剂1.9～2.5份、盐3-5份、pH调节剂0.18～0.25份和水100份；优选为：钠基膨润土1.5份、凹凸棒土1.5份、环保型添加剂0.9～1.1份、增粘剂0.2～0.25份、降滤失剂2.1～2.3份、盐4份、pH调节剂0.2～0.23份和水100份。
2.根据权利要求1所述的水基钻井液，其中，所述钻井液包括如下重量份成分：钠基膨润土1.5份、凹凸棒土1.5份、环保型添加剂0.9份、增粘剂0.2份、降滤失剂2.3份、盐4份、pH调节剂0.2份和水100份。
3.根据权利要求1或2所述的水基钻井液，其中，所述环保型添加剂为pure-bore添加剂和pore-bore-lv添加剂；其中优选pure-bore添加剂和pore-bore-lv添加剂的质量比为2：1；其中更优选以钻井液中添加的水为100份计，pure-bore添加剂用量为0.6份，pore-bore-lv添加剂用量为0.3份。
4.根据权利要求1或2所述的水基钻井液，其中，所述增粘剂为羧甲基纤维素。
5.根据权利要求1或2所述的水基钻井液，其中，所述降滤失剂为褐煤树脂。
6.根据权利要求1或2所述的水基钻井液，其中，所述盐为氯化钠。
7.根据权利要求1或2所述的水基钻井液，其中，所述pH调节剂为碳酸钠。
8.根据权利要求1所述的水基钻井液，其中，所述钻井液用于页岩钻进。
9.权利要求1～8任意一项所述水基钻井液的制备方法，其中，所述方法包括将钠基膨润土、凹凸棒土、环保型添加剂、增粘剂、降滤失剂、盐和pH调节剂搅拌下加入水中，其中钠基膨润土、凹凸棒土、pH调节剂和增粘剂是按照上述顺序依次加入水中，充分搅拌既得所述水基钻井液；其中优选是在不小于6000r/min转速条件下将上述成分在搅拌下加入水中。
10.权利要求1～7任意一项所述水基钻井液在页岩钻进中的应用。
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