CN107815299A - 一种低密度有机硅纳米水基钻井液 - Google Patents

Abstract

本发明的目的，提供一种有机硅纳米低密度水基钻井液,由按质量百分比计的以下组分：2～4.5％膨润土，0.2～1.5％羧甲基纤维素，1～2％磺化褐煤，1.5～3.0％磺化酚醛树脂，0.5％～1.5％氯化钾，0.5～2.0％聚丙烯酰胺和0.3～1.0％封堵剂组成，余量为水。本发明钻井液能有效抑制水分子在纳米孔道中的渗流，并且在常温与120℃条件下均具备良好的流变性能。

Description

一种低密度有机硅纳米水基钻井液

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程领域，特别是涉及一种低密度有机硅纳米水基钻井液及其制备方法。

背景技术

在使用常规水基钻井液钻井时，钻井液中的水分易通过井眼周围孔隙侵入岩层。特别地是，对于泥页岩岩层,遇水水化效应十分明显,附加的水化应力将破坏井眼原有稳定状态。若不即时制止,泥页岩水化将逐渐加剧且最终造成井眼崩塌。

因此,基于水分子渗流机理，可采用封堵剂堵塞水分子岩层渗流通道，即阻止水分子侵入岩层。然而,随着钻井的深入，地层孔隙已由最初的微米级孔隙演变为纳米级孔隙，也就是说，渗流通道孔径已到纳米级别。近年来，关于纳米封堵剂的报道甚多,主要分为无机纳米与有机纳米两大类。其中，无机纳米封堵剂具有分选好，尺度均一等特点。然而，无机纳米弹塑性性能差，填充孔隙后仍存在较大剩余空间。有机纳米随虽具有良好弹塑性，但强度过低，所成封堵压力不能满足一般施工要求。因此,发明综合考虑无机与有机纳米的优缺点,合成了一种有机硅纳米低密度水基钻井液,能有效抑制水分子在纳米孔道中的渗流，并且在常温与120℃条件下均具备良好的流变性能。

发明内容

本发明的目的，提供一种有机硅纳米低密度水基钻井液,能有效抑制水分子在纳米孔道中的渗流，并且在常温与120℃条件下均具备良好的流变性能。

本发明所述有机硅纳米水基钻井液，由按质量百分比计的以下组分：2～4.5％膨润土，0.2～1.5％羧甲基纤维素，1～2％磺化褐煤，1.5～3.0％磺化酚醛树脂，0.5％～1.5％氯化钾，0.5～2.0％聚丙烯酰胺和0.3～1.0％封堵剂组成，余量为水。

本发明还提供了有机硅纳米水基钻井液的制备方法，具体包括以下步骤：包括以下步骤：

1、基液的制备：将膨润土与水混合,45～52℃低速搅拌40～55min后,加入氯化钾搅拌10～20min,之后加入羧甲基纤维素，通氮气搅拌30min,最后35℃恒温养护5～6h即为基液；

2、封堵剂的制备：将质量分数为15％的双十八烷基二甲基氯化铵水溶液,超声搅拌20～30min,加入质量分数为10％纳米二氧化硅,105～110℃下,蒸馏10～12h即为封堵剂；

3、稳定液的制备：首先,取少量聚丙烯酰胺与水混溶,得到聚丙烯酰胺胶液；之后,按照质量比为1:1.5加入磺化褐煤及磺化树脂,55～65℃水浴搅拌4～5h得到稳定液；

4、将基液开封后迅速导入泥浆搅拌池,搅拌功率为正常作业功率,然后将封堵剂与水混溶形成透明态硅胶液后,加入到基液中，封堵剂与基液作用时间为3～5h,最后,加入稳定剂养护3～5h即得有机硅纳米水机钻井液。

本发明所述膨润土为细分散有机改性纳米蒙脱土,通过在蒙脱土负电性外表面接枝聚丙烯亚胺,经油浴旋蒸24h得到干黏土粉,并利用纳米粉碎将黏土粉碾磨至纳米级。

本发明在步骤2封堵剂的制备中，优选进一步利用纳米粉碎机进一步细化封堵剂纳米颗粒,使封堵剂水溶液颗粒粒径为50～60nm。

本发明稳定剂的加入，是保证纳米液中的纳米颗粒不沉降、不聚结。首先,取少量聚丙烯酰胺与水混溶,得到聚丙烯酰胺胶液；之后,按照质量比为1:1.5加入磺化褐煤及磺化树脂,两者不仅可以提高体系稳定性还可增强体系克服异常高温的能力。

本发明有机硅纳米水基钻井液主要分基液、封堵剂、稳定液三个部分。为防止老化,基液开封后需迅速导入泥浆搅拌池,搅拌功率为正常作业功率,保证基液活性即可。封堵剂不能直接加入,需先与水混溶形成透明态硅胶液,方可加入基液。封堵剂与基液作用时间为3～5h,保证封堵剂与基液体系形成具有一定吸附强度的偶极-偶极作用。最后,加入稳定剂进一步提高有机纳米硅与体系粘结力,养护3～5h即得有机硅纳米水机钻井液。

附图说明

图1：DWX粒径分布图；

图2：DWX钻井液老化前后抗盐性能变化；

图3：DWX钻井液老化前后抗钙性能变化；

图4：DWX钻井液对泥页岩水化抑制效果评价图。

具体实施方式

实施例1：DWX有机硅纳米水机钻井液制备

基液合成:将质量分数为2～4.5％的膨润土与水混合,45～52℃低速搅拌40～55min后,加入0.5～1.5％氯化钾搅拌10～20min,之后加入0.2～1.5％羧甲基纤维素，通氮气搅拌30min,最后35℃恒温养护5～6h即为基液。

膨润土为细分散有机改性纳米蒙脱土,实验室自制得到,通过在蒙脱土负电性外表面接枝聚丙烯亚胺,经油浴旋蒸24h得到干黏土粉,并利用纳米粉碎机(德国,飞驰)将黏土粉碾磨至纳米级得到。

封堵剂合成:配制质量分数为15％的双十八烷基二甲基氯化铵水溶液(上海楚星化工有限公司),超声搅拌20～30min,加入质量分数约10％纳米二氧化硅(阿拉丁试剂),105～110℃下,蒸馏约10～12h即可得淡黄色封堵剂。(优选利用纳米粉碎机进一步细化封堵剂纳米颗粒,封堵剂水溶液颗粒粒径为50～60nm。)

稳定液合成:首先,取质量分数0.5～2.0％聚丙烯亚胺配制具有一定结构强度的颗粒悬浮液,之后,按照质量比为1:1.5加入磺化褐煤及磺化树脂。

首先,取质量分数0.5～2.0％聚丙烯酰胺与水混溶,得到聚丙烯酰胺胶液；之后,按照质量比为1:1.5加入磺化褐煤及磺化树脂,55～65℃水浴搅拌4～5h得到稳定液。

将基液开封后迅速导入泥浆搅拌池,搅拌功率为正常作业功率,然后将封堵剂与水混溶形成透明态硅胶液后,加入到基液中，封堵剂与基液作用时间为3～5h,最后,加入稳定剂养护3～5h即得有机硅纳米水机钻井液(DWX)。实施例2：有机硅纳米水基钻井液评价

粒度分析：

采用英国马尔文激光粒度分析仪测定合成DWX颗粒粒径，其粒径分布如附图1所示。实验结果表明合成DWX颗粒为纳米级，d(0.1)＝133nm,d(0.5)＝179nm,d(0.9)＝247nm。

封堵性能评价：

混合10～15％碳酸钙(2000目)、1.5～2％纳米二氧化钛、5％～7％纳米蒙脱土及3～4.5％聚丙烯酰胺，搅拌24h。之后，利用高温高压失水仪(青岛同春仪器厂)压制纳米孔隙介质(压差7MPa,温度1200℃),直到失水仪下端30min内无液体流出,停止压制。倾倒釜内液体,小心取出下层沉淀物,放入真空干燥箱750℃干燥12h，即得纳米孔隙介质DL。依据达西渗流公式,以纯水试验其渗透率为8.531×10-7um²满足纳米介质要求。然而,加入1.0％DWX后,实测渗透率为3.183×10-7um²,说明DWX能有效封堵纳米介质。

DWX水基钻井液流变性：

利用旋转粘度仪(青岛同春仪器厂)及失水仪，测试DWX钻井液老化热滚16h前后粘度与滤失量变化,实验结果如下表1所示。

表1. DWX钻井液120℃老化前后流变性对比

(HTHP:温度120℃，压力5Mpa)。

DWX钻井液抗盐抗钙性能：

将DWX钻井液盛入反应釜,1200℃条件下滚动反应16小时，热滚后静置冷却1h，测其老化前后粘度变化如附图2和附图3所示。

DWX钻井液随盐钙含量增加,其塑性粘度下降，老化后PV下降更明显。但总体变化幅度不大，说明DWX钻井液具有优异的抗盐抗钙性能，基本上能够抗饱和盐和钙。

DWX钻井液对泥页岩水化影响：

取四川省礁石坝地区软质泥页岩，粉碎至1000目细小颗粒,根据石油与天然气现行行业标准《泥页岩理化性能试验方法》压制岩心,采用双通道线性膨胀仪(青岛同春仪器厂)对比基浆与DWX钻井液对泥页岩水化的影响。泥页岩16小时内线性膨胀率如附图4所示。

通过上述实验,可看出DWX钻井液可以有效抑制泥页岩的水化，且泥页岩最大膨胀量远小于基浆作用效果。这是因为DWX纳米颗粒能有效嵌入泥页岩表面孔隙阻止后续水分的侵入。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种有机硅纳米水基钻井液，其特征在于，所述纳米水基钻井液由按质量百分比计的以下组分：2～4.5％膨润土，0.2～1.5％羧甲基纤维素，1～2％磺化褐煤，1.5～3.0％磺化酚醛树脂，0.5％～1.5％氯化钾，0.5～2.0％聚丙烯酰胺和0.3～1.0％封堵剂组成，余量为水。

2.权利要求1所述的封堵剂，其特征在于通过以下方法制得：将质量分数为15％的双十八烷基二甲基氯化铵水溶液,超声搅拌20～30min,加入质量分数为10％纳米二氧化硅,105～110℃下,蒸馏10～12h即得所述封堵剂。

3.权利要求1-2的任一项权利要求所述的封堵剂，其特征在于，所述封堵剂水溶液颗粒粒径为50～60nm。

4.权利要求1所述的有机硅纳米水基钻井液的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1、基液的制备：将膨润土与水混合,45～52℃低速搅拌40～55min后,加入氯化钾搅拌10～20min,之后加入羧甲基纤维素，通氮气搅拌30min,最后35℃恒温养护5～6h即为基液；

2、封堵剂的制备：将质量分数为15％的双十八烷基二甲基氯化铵水溶液,超声搅拌20～30min,加入质量分数为10％纳米二氧化硅,105～110℃下,蒸馏10～12h即为封堵剂；

3、稳定液的制备：首先,取少量聚丙烯酰胺与水混溶,得到聚丙烯酰胺胶液；之后,按照质量比为1:1.5加入磺化褐煤及磺化树脂,55～65℃水浴搅拌4～5h得到稳定液；

4、将基液开封后迅速导入泥浆搅拌池,搅拌功率为正常作业功率,然后将封堵剂与水混溶形成透明态硅胶液后,加入到基液中，封堵剂与基液作用时间为3～5h,最后,加入稳定剂养护3～5h即得有机硅纳米水机钻井液。