CN107312508B - 铝盐络合物在制备钻井液中的应用及钻井液 - Google Patents

Abstract

本发明提供了铝盐络合物在制备钻井液中的应用，所述铝盐络合物具有式I通式。本发明提供了一种钻井液，包括固壁材料，所述固壁材料为具有式I通式的铝盐络合物，式I中，B⁺选自Na⁺、K⁺和NH₄ ⁺中的一种或两种。本发明具有式I通式的铝盐络合物在常规钻井液pH值下为络合离子形态存在，对钻井液流变性影响较小，并且，Al³⁺随滤液进入地层后，在一定的pH值和温度下与地层矿物发生反应，产生化学胶结，封堵微裂缝，从而增加地层强度。另外，K⁺、Na⁺或NH₄ ⁺可起到抑制坂土水化膨胀的作用，进一步提高井壁稳定能力。实验结果表明，本发明中的铝盐络合物具有很好的固壁能力，可使岩心抗压强度显著提高。

Description

铝盐络合物在制备钻井液中的应用及钻井液

技术领域

本发明涉及油田化学助剂技术领域，尤其涉及一种铝盐络合物在制备钻井液中的应用及钻井液。

背景技术

近年来，随着非常规油气藏勘探开发步伐进一步加快，钻遇硬脆性泥页岩地层的概率大幅度增加。硬脆性泥页岩中发育的一部分微裂缝是导致井壁失稳的重要原因，在压差、毛细管力和化学势差的作用下，钻井液滤液沿微裂缝进入地层，导致黏土矿物水化膨胀，孔隙压力迅速增加，同时由于液相的进入，导致微裂缝扩展延伸，降低泥页岩的结合强度和层理面之间的结合力，使泥页岩层理面或微裂隙裂开，一旦钻井液滤失量偏高时，就很容易发生井壁掉块、坍塌等井内复杂情况。由此看来，液相的进入是导致硬脆性泥页岩地层发生井壁失稳的主要诱因。因此，在钻井液中加入封堵材料或固壁材料等处理剂，对微裂缝进行物理化学封堵，截断钻井液中液相进入地层的通道，阻止压力的传递，使井壁稳固，这是防止含微裂缝的硬脆性泥页岩地层发生井壁坍塌的有效手段。

目前，国内外常用的封堵材料主要有改性沥青、聚合醇和硅酸盐等。其中，沥青类封堵剂荧光较强，不宜用于探井的钻进过程中；聚合醇类封堵剂存在着浊点的不确定性，且其抗温性也有待提高；硅酸盐类封堵剂存在对pH敏感的缺点，添加该剂的钻井液必须保持高pH值(>11)，一旦pH值降低，钻井液的粘度、切力急剧上升，就会失去封堵性能。为了提高对破碎性地层的固壁性，公开号为CN 104277800A的中国专利文献公开了一种钻井液用充填成膜固壁剂，其由包括单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和丙烯酰胺、络合剂EDTA、交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺、填充剂云母粉和天然植物纤维的原料，在引发剂的作用下聚合而成。

上述成膜固壁剂主要通过充填和吸附交联、粘结作用，在井壁岩石表面形成低渗透率的致密封堵膜(壳)，有效封堵不同渗透性地层和现形裂缝泥岩地层，可在一定程度上减少钻井液及滤液中水分进入量，但并不能有效提高岩心抗压强度，井壁稳定能力不是很好。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种铝盐络合物在制备钻井液中的应用及钻井液，本发明中的铝盐络合物对钻井液性能影响较小，具有很好的固壁能力，可使岩心抗压强度显著提高。

本发明提供铝盐络合物在制备钻井液中的应用，所述铝盐络合物具有式I通式：

式I中，B⁺选自Na⁺、K⁺和NH₄ ⁺中的一种或两种。

本发明提供一种钻井液，包括固壁材料，所述固壁材料为具有式I通式的铝盐络合物：

式I中，B⁺选自Na⁺、K⁺和NH₄ ⁺中的一种或两种。

优选地，所述钻井液的pH值为8～10。

优选地，所述钻井液为水基钻井液。

优选地，所述钻井液为淡水钻井液、饱和盐水钻井液或聚磺钾盐钻井液。

优选地，所述固壁材料在钻井液中的加量小于等于5wt％。

优选地，所述固壁材料按照以下方法制得：

将铝化合物和络合剂在pH值为4～6的条件下进行络合，得到固壁材料；

所述铝化合物为无水氯化铝、硝酸铝或硫酸铝，所述络合剂为氟化铵、氟化钾和氟化钠中的一种或两种。

优选地，所述络合的温度为10～40℃。

优选地，所述铝化合物和络合剂的质量比为(1～2.9)：(1.1～3.3)。

优选地，所述络合在搅拌的条件下进行2～3h，静置1～2h；之后依次经过滤和干燥，得到固壁材料。

与现有技术相比，本发明具有式I通式的铝盐络合物在常规钻井液pH值下为络合离子形态存在，对钻井液流变性影响较小，并且，Al³⁺随滤液进入地层后，在一定的pH值和温度下与地层矿物发生反应，生成-Al-O-Al-、Na₂SiF₆、K₃AlF₆、CaF₂等，产生化学胶结，封堵微裂缝，从而增加地层强度。另外，K⁺、Na⁺或NH₄ ⁺可起到抑制坂土水化膨胀的作用，进一步提高井壁稳定能力。实验结果显示，岩心在钻井液中浸泡后再烘干，同样条件下，较未加该固壁材料的钻井液浸泡后的同类岩心，本发明钻井液浸泡后的岩心的抗压强度提高了76.8～81.8％。表明本发明中的铝盐络合物具有很好的固壁能力，可使岩心抗压强度显著提高。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了铝盐络合物在制备钻井液中的应用，所述铝盐络合物具有式I通式：

式I中，B⁺选自Na⁺、K⁺和NH₄ ⁺中的一种或两种。

在本发明中，式I所示的铝盐络合物可作为钻井液用(胶结)固壁材料或封堵材料。所述铝盐络合物可在常规钻井液pH值为8～10时使用，对钻井液流变性影响较小，Al³⁺随滤液进入地层，在地层温度和pH值下与黏土矿物产生化学胶结，封堵微裂缝，提高井壁稳定能力。另外，K⁺、Na⁺或NH₄ ⁺可起到抑制坂土水化膨胀的作用，进一步提高井壁稳定能力。

本发明提供了一种钻井液，包括固壁材料，所述固壁材料为具有式I通式的铝盐络合物：

式I中，B⁺选自Na⁺、K⁺和NH₄ ⁺中的一种或两种。

本发明提供的钻井液包括固壁材料，其为具有式I通式的铝盐络合物。在本发明中，所述固壁材料在钻井液中的加量优选小于等于5wt％，更优选为1～3wt％。在本发明的一些实施例中，所述固壁材料的加量为2wt％。所述固壁材料对钻井液流变性能影响较小，可提高其在钻井液中的加量，保证滤液中Al³⁺的有效含量，提高胶结固壁及井壁稳定能力。

作为优选，所述固壁材料按照以下方法制得：将铝化合物和络合剂在pH值为4～6的条件下进行络合，得到固壁材料；所述铝化合物为无水氯化铝、硝酸铝或硫酸铝，所述络合剂为氟化铵、氟化钾和氟化钠中的一种或两种。

在本发明实施例中，所述固壁材料由铝化合物和络合剂在一定温度和pH作用下络合而成。其中，所述铝化合物为无水氯化铝、硝酸铝或硫酸铝，优选为无水氯化铝。所述络合剂为氟化铵、氟化钾和氟化钠中的一种或两种，优选为氟化铵。在本发明的一些实施例中，氟化钠与铝盐络合，会有呈蓝色溶溶体。在本发明的另一些实施例中，氟化铵与铝盐络合，可得到白色粉末，其溶解性受pH值限制较小。

本发明实施例将所述铝化合物和络合剂按照一定质量配比，加入反应容器中；所述铝化合物和络合剂的质量比优选为(1～2.9)：(1.1～3.3)。本发明实施例可将所述铝化合物配制成一定浓度的水溶液，加入反应容器中，优选在不断搅拌状态下慢慢加入络合剂，控制pH值，搅拌反应。

在本发明实施例中，所述铝化合物和络合剂在pH值为4～6的条件下络合。所述络合的温度优选为10～40℃，更优选为10～30℃。所述络合优选在搅拌的条件下进行，搅拌反应2～3h。

反应结束后，本发明实施例可静置1～2h，直至反应容器中上层出现澄清的溶液，底部出现白色沉淀。本发明实施例在静置之后，依次经过滤和干燥，得到固壁材料。其中，所述过滤为本领域技术人员熟知的技术手段；所述干燥可采用烘干的方式，烘干的温度优选为50～60℃，烘干后即得产物。本发明实施例上述固壁材料的制备工艺简单，操作简便，收率高。并且，所得产物溶解性好，与钻井液配伍性好。

在本发明的实施例中，所述钻井液的pH值为8～10。在本发明中，所述钻井液可为水基钻井液，优选为淡水钻井液、饱和盐水钻井液或聚磺钾盐钻井液。本发明对所述钻井液的制备和添加剂等没有特殊限制；其中，所述饱和盐水钻井液中的可溶性盐可为NaCl、KCl。在本发明的一些实施例中，所述聚磺钾盐钻井液组分主要为KCl和磺化材料以及聚合物处理剂，所述磺化材料如磺化褐煤、磺化酚醛树脂等。

本发明实施例将岩心在钻井液中浸泡后再烘干，同样条件下，相较于未加该固壁材料的钻井液浸泡后的同类岩心，本发明可使岩心的抗压强度提高76.8～81.8％。本发明中的铝盐络合物固壁材料具有很好的固壁能力，对钻井液性能影响较小，可使岩心抗压强度显著提高，随滤液进入地层产生化学胶结，封堵微裂缝，增加地层强度。

为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的铝盐络合物在制备钻井液中的应用及钻井液进行具体地描述。

实施例1

在反应容器中，100g水中加入13.334g氯化铝，充分溶解，搅拌状态下慢慢加入10g氟化铵，出现白色浑浊，控制pH值为4、络合温度为10℃，搅拌反应2h，静置1h，上层出现澄清的溶液，容器底部出现白色沉淀。过滤，然后所得固体于60℃下烘干，即得23g白色粉末状目的产物。

该产物为氯化铝和氟化铵这两种化合物形成的络合物，即为具有式I通式的铝盐络合物，其中含有络合铝离子，式I中的B⁺为NH₄ ⁺。室温下，该产物在pH值为8～10的水溶液中的溶解度为15～50g/L。

实施例2

在反应容器中，100g水中加入13.334g氯化铝，充分溶解，搅拌状态下慢慢加入20.0g氟化钾，出现白色浑浊，控制pH值为5、络合温度为20℃，搅拌反应2h，静置1h，上层出现澄清的溶液，容器底部出现白色沉淀。过滤，然后所得固体于60℃下烘干，即得30g白色粉末状目的产物。

该产物为氯化铝和氟化钾这两种化合物形成的络合物，即为具有式I通式的铝盐络合物，其中含有络合铝离子，式I中的B⁺为K⁺。室温下，该产物在pH值为8～10的水溶液中的溶解度为15～50g/L。

实施例3

在反应容器中，100g水中加入13.334g氯化铝，充分溶解，搅拌状态下慢慢加入25.2g氟化钠，出现白色浑浊，控制pH值为6、络合温度为30℃，搅拌反应3h，静置2h，上层出现澄清的溶液，容器底部出现白色沉淀。过滤，然后所得固体于60℃下烘干，即得37g白色粉末状目的产物。

实施例4～9

采用不同比例的铝化合物和络合剂，按照实施例1的方法，制备得到目的产物。具体原料组分见表1，表1为实施例4～9具体原料组分列表。

表1实施例4～9具体原料组分列表(单位为g)

实施例10

将岩心在含2wt％固壁材料(实施例1～9制得的铝盐络合物)的现场浆(现场井浆为聚磺钾盐钻井液，主要材料组成为KCl、磺化材料及聚合物处理剂)中浸泡9h，然后于105℃下烘干，检测岩心抗压强度。并且设置对照组，对照组是指将岩心在上述现场浆中浸泡9h，然后于105℃下烘干，检测岩心抗压强度。

另外，按照以下方法制备对比例的固壁材料，并进行性能指标对比检测。

称取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸20-22％的水溶液5000g，用氢氧化钠中和至中性，称取20-22％的丙烯酰胺1000g，交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺2g，络合剂EDTA 0.5g，充填剂天然云母粉360g。将以上4种物料投入反应釜中，在搅拌下逐渐加入天然云母粉。升温到40℃，充氮气30min，加引发剂聚合180min，将聚合所得胶体造粒干粉碎成100目粉末，将上述粉末与360g天然植物纤维粉末混匀，即可得到约2000g粉剂产品。

性能指标结果见表2，表2为实施例1～9制得的铝盐络合物和对比例的性能指标结果。

表2实施例1～9制得的铝盐络合物和对比例的性能指标结果

由表2可知，本发明收率大于92.5％，可在常规钻井液pH值(8～10)使用，对钻井液性能影响较小，可使岩心抗压强度提高76.8％～81.8％，随滤液进入地层产生化学胶结，封堵微裂缝，增加地层强度。而对比例中的固壁材料在钻井液中没有抗压强度要求，仅有钻井液封闭滤失量≤30mL，不能很好的体现材料的化学胶结固壁能力。

实施例11

提供淡水钻井液，设置不加固壁材料和固壁材料(实施例1所得产物)加量为2wt％的两组，按照国家标准GB/T 16783.1-2006《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分水基钻井液》中的方法对钻井液的性能进行检测。

钻井液性能见表3，表3为实施例11～13中钻井液性能结果。

实施例12

提供聚磺钾盐钻井液，具体组成为：KCl、磺化材料和聚合物处理剂。按照实施例11的方法对钻井液的性能进行检测，钻井液性能见表3。

实施例13

提供饱和盐水钻井液，即饱和NaCl盐水。按照实施例11的方法对钻井液的性能进行检测，钻井液性能见表3。

表3实施例11～13中钻井液性能结果

由以上实施例可知，本发明中的铝盐络合物作为固壁材料，固壁能力好，对钻井液性能影响较小，可使岩心抗压强度显著提高，随滤液进入地层产生化学胶结，封堵微裂缝，增加地层强度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。

Claims (6)

1.一种钻井液，包括固壁材料，其特征在于，所述固壁材料为具有式I通式的铝盐络合物：

式I中，B⁺选自Na⁺、K⁺和NH₄ ⁺中的一种或两种；

所述钻井液的pH值为8～10；所述钻井液为水基钻井液；所述固壁材料在钻井液中的加量小于等于5wt％。

2.根据权利要求1所述的钻井液，其特征在于，所述钻井液为淡水钻井液、饱和盐水钻井液或聚磺钾盐钻井液。

3.根据权利要求1～2中任一项所述的钻井液，其特征在于，所述固壁材料按照以下方法制得：

将铝化合物和络合剂在pH值为4～6的条件下进行络合，得到固壁材料；

所述铝化合物为无水氯化铝、硝酸铝或硫酸铝，所述络合剂为氟化铵、氟化钾和氟化钠中的一种或两种。

4.根据权利要求3所述的钻井液，其特征在于，所述络合的温度为10～40℃。

5.根据权利要求4所述的钻井液，其特征在于，所述铝化合物和络合剂的质量比为(1～2.9)：(1.1～3.3)。

6.根据权利要求5所述的钻井液，其特征在于，所述络合在搅拌的条件下进行2～3h，静置1～2h；之后依次经过滤和干燥，得到固壁材料。