CN108070365B - 一种适用于煤系地层钻进的水基钻井液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水基钻井液技术领域，尤其涉及一种适用于煤系地层钻进的水基钻井液，包括以下质量份原料：由以下质量份成分构成，水、抑制剂、钠基膨润土、无机正电胶、抗高温处理剂、增粘剂、降滤失剂、阳离子型表面活性剂、有机硅表面活性剂；本发明制备的水基钻井液通过一定的原料配比，具有独特的“固‑液双重性”，起到保护储层和稳定井壁的作用；增强煤岩和页岩的疏水性，减少与钻井液中水分的接触面积，从而增强井壁稳定性；降低钻井液的表面张力以保护储层；有良好的流变性、降滤失性能，钻井液的抑制性和润滑性，能够满足煤系地层钻进的要求。

Description

一种适用于煤系地层钻进的水基钻井液及其制备方法
技术领域
本发明属于水基钻井液技术领域，尤其涉及一种适用于煤系地层钻进的水基钻井液及其制备方法。
背景技术
煤系“三气”通常是指在煤系地层中以共生为特征的煤层气、页岩气和致密砂岩气，表现为在同一煤系内部垂向上发育两套或两套以上互相独立的含气系统。由于煤系“三气”具有埋层深、储层类型多样、渗透率低，而且煤系地层中煤岩、页岩、砂岩旋回交替出现构成多套“生储盖组合”的特点。因此，从提高开采过程中的技术经济性来看，以“合层开采”的方式来开采煤系“三气”更有利。
对于钻进工艺而言，由于煤系“三气”储层物性差异较大，频繁更换钻井液体系不太现实，因此煤系“三气”共采钻井液应同时满足三种地层的钻进要求。其中砂岩尤其是致密砂岩较少出现井壁失稳的问题，“三气”共采钻井液应能在多分支井中同时保证煤层和泥页岩层的井壁稳定，这就对钻井液性能提出了更高的要求。
发明内容
本发明以上技术问题，提供了一种适用于煤系地层钻进的钻井液及其制备方法。
具体是通过以下技术方案来实现的：
一种适用于煤系地层钻进的水基钻井液，由以下质量份成分构成，水100份、抑制剂2-10份、钠基膨润土2-8份、无机正电胶1-6 份、抗高温处理剂1-5份、增粘剂0.5-3份、降滤失剂0.1-2份、阳离子型表面活性剂0.001-0.02份、有机硅表面活性剂0.001-0.02份。
进一步，所述的适用于煤系地层钻进的水基钻井液，由以下质量份成分构成，水100份、抑制剂5-6份、钠基膨润土4份、正电胶3-3.5 份、抗高温处理剂2-2.3份、增粘剂1.25-1.5份、降滤失剂1-1.2份、阳离子型表面活性剂0.005-0.01份、有机硅表面活性剂0.005-0.01份。
进一步，所述钠基膨润土为辽宁省朝阳市建平县万兴膨润土有限责任公司生产的钠基膨润土。
进一步，所述的正电胶为湖北汉科新技术股份有限公司生产的无机正电胶。
进一步，所述的阳离子型表面活性剂为浙江上虞斯莫有机化学研究所生产的N-十二烷基双季铵盐。
进一步，所述的有机硅表面活性剂为湖北武汉优茂科技有限公司生产的油性有机硅表面活性剂。
进一步，所述的降滤失剂为徐州力源纤维素科技有限公司生产的低粘羧甲基纤维素钠。
进一步，所述的增粘剂为徐州力源纤维素科技有限公司生产的高粘羧甲基纤维素钠。
进一步，所述的抗高温处理剂为山东德顺源石油科技有限公司生产的褐煤树脂。
进一步，所述的抑制剂为上海市国药基团化学试剂有限公司生产的氯化钾。
有益效果，本发明提供的水基钻井液具有以下优点：(1)本发明提供的钻井液为一种水基钻井液，与油基钻井液相比，具有环保和低成本的优点；(2)本发明提供的钻井液中的无机正电胶可以吸附在带负电的煤岩和页岩表面，并且使钻井液具有独特的“固-液双重性”，起到保护储层和稳定井壁的作用；(3)阳离子型表面活性剂和油性有机硅表面活性剂的亲水端(极性端)能够吸附在煤岩和页岩表面，而疏水端指向钻井液，增强煤岩和页岩的疏水性，减少与钻井液中水分的接触面积，从而增强井壁稳定性；另外，表面活性剂能够降低钻井液的表面张力以保护储层；(4)该钻井液具有良好的流变性、降滤失性能，钻井液的抑制性和润滑性，能够满足煤系地层钻进的要求。
附图说明
图1为实施例1中贵州六盘水煤岩岩样与适用于煤系地层钻进的水基钻井液接触后的膨胀量变化曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。
实施例1
一种适用于煤系地层钻进的水基钻井液，由以下质量份成分构成，水100mL、抑制剂5g、钠基膨润土4g、正电胶3g、抗高温处理剂2g、增粘剂1.25g、降滤失剂1g、阳离子型表面活性剂0.005g、有机硅表面活性剂0.005g。
制备方法：首先在每100mL水中加入阳离子型表面活性剂和油性有机硅表面活性剂，搅拌均匀后，将阳离子型表面活性剂和油性有机硅表面活性剂的浓度稀释至每100mL水0.005g，在6000r/min转速条件下，按顺序依次加入钠基膨润土、正电胶、降滤失剂、增粘剂、抗高温处理剂、抑制剂，充分搅拌后即得到适用于煤系地层钻进的水基钻井液。
实施例2
进一步，所述的适用于煤系地层钻进的水基钻井液，由以下质量份成分构成，水100mL、抑制剂5g、钠基膨润土4g、正电胶3.5g、抗高温处理剂2.2g、增粘剂1.5g、降滤失剂1g、阳离子型表面活性剂0.01g、有机硅表面活性剂0.01g。
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、正电胶、阳离子型表面活性剂、油性有机硅表面活性剂、降滤失剂、增粘剂、抗高温处理剂、抑制剂。
(2)在每100mL水中加入阳离子型表面活性剂和有机硅表面活性剂。搅拌均匀后，然后在7000转/分转速条件下，按顺序依次加入钠基膨润土、无机正电胶、降滤失剂、增粘剂、抗高温处理剂、抑制剂，充分搅拌后即得到适用于煤系地层钻进的水基钻井液。
实施例3
一种适用于煤系地层钻进的水基钻井液，由以下质量份成分构成，水100mL、抑制剂6g、钠基膨润土4g、正电胶3g、抗高温处理剂2g、增粘剂1.4g、降滤失剂1.2g、阳离子型表面活性剂0.01g、有机硅表面活性剂0.01g。
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、无机正电胶、阳离子型表面活性剂、油性有机硅表面活性剂、降滤失剂、增粘剂、抗高温处理剂、抑制剂。
(2)在每100mL水中加入阳离子型表面活性剂和有机硅表面活性剂。搅拌均匀后，然后在6000r/min条件下，按顺序依次加入钠基膨润土、无机正电胶、降滤失剂、增粘剂、抗高温处理剂、抑制剂，充分搅拌后即得到适用于煤系地层钻进的水基钻井液。
实验例
1、钻井液性能评价
将实施例1-3制备的钻井液和普通钻井液，普通钻井液配方如下，以每100mL水中加入量计算：钠基膨润土4g、褐煤树脂2g、磺化沥青2g、高粘聚阴离子纤维素0.5g。
测试本发明中适用于煤系地层钻进的水基钻井液的基本性能参数，并与普通聚合物钻井液作对比，数据分析见表1。
实验仪器：ZNN-D6S型六速旋转粘度计、ZNS-5A中压失水仪。
表1适用于煤系地层钻进的水基钻井液的基本性能参数对比
Figure BDA0001508545800000061
由表1可见，本发明提供的适用于煤系地层钻进的水基钻井液 (实施例1)相对于普通聚合物钻井液而言粘度略低，只有33.5mPa·s，而滤失量更小，只有7mL。
2、适用于煤系地层钻进的水基钻井液的润滑性评价
实验仪器：EP极压润滑仪。
实验方法：(1)将适用于煤系地层钻进的水基钻井液倒入EP 极压润滑仪试样杯中，测试润滑系数，并与清水、4％膨润土钻井液的润滑系数进行对比；(2)将适用于煤系地层钻进的水基钻井液放入老化罐中，分别在80℃、100℃和120℃下热滚16h后，测试其润滑系数，结果如下。
表2不同水基钻井液的润滑系数
钻井液类型 润滑系数
清水 0.34
清水+4％钠基膨润土 0.46
实施例1 0.18
表3适用于煤系地层钻进的水基钻井液(实施例1)在不同温度下的润滑系数
温度/℃ 润滑系数
25 0.18
80 0.152
100 0.168
120 0.172
实验表明，实施例1制备的适用于煤系地层钻进的水基钻井液与 4％膨润土钻井液相比(表2)，大大提高了钻井液润滑性；在120℃热滚后仍然能够保持较低的润滑系数(表3)，满足钻进要求。
3、页岩和煤岩岩样在适用于煤系地层钻进的水基钻井液浸泡后的接触角变化情况
实验仪器：JC2000C型接触角测量仪、岩心钻取机、电热鼓风恒温干燥箱等。
实验方法：(1)将页岩岩心切片，煤岩敲成小块，抛光后置于钻井液中浸泡16-24h；(2)将岩心取出后在100℃下烘干30min； (3)使用JC2000C型接触角测量仪测试两种岩样与清水的接触角，结果如表4所示。
表4煤岩和页岩在钻井液中浸泡后接触角
钻井液 页岩接触角/° 煤岩接触角/°
未加入表面活性剂的水基钻井液 33.5 47
实施例1 45.5 65
与未加入表面活性剂的水基钻井液相比，实施例1制备的适用于煤系地层钻进的水基钻井液能够有效增大页岩和煤岩的接触角，这主要是因为：(1)适当比例的阳离子型表面活性剂N-十二烷基双季铵盐在静电引力作用下，与煤岩/页岩表面结合，形成一层水化膜，降低清水与岩样的接触面积；(2)表面活性剂的亲水端与岩样结合，疏水端指向钻井液/清水，能够有效降低岩样的水润湿性，减少水基钻井液对地层的侵害。
4、适用于煤系地层钻进的水基钻井液与普通钻井液的气液表面张力值对比
实验仪器：QBZY系列全自动表面张力仪。
实验方法：使用QBZY系列全自动表面张力仪测试适用于煤系地层钻进的水基钻井液的表面张力值，并与清水、4％钠基膨润土钻井液对比，结果如表5所示。
表5不同水基钻井液的表面张力值
钻井液类型 表面张力(mN/m)
清水 68.03
4％钠基膨润土钻井液 67.52
实施例1 43.86
由表5可知，适用于煤系地层钻进的水基钻井液能够有效降低钻井液的表面张力，一定程度上降低钻井液对地层的伤害。
5、适用于煤系地层钻进的水基钻井液电性评价；
实验仪器：马尔文ZsizerNano ZS 90纳米粒度和ζ电位仪等。
实验方法：分别测试4％钠基膨润土钻井液的滤液、清水和适用于煤系地层钻进的水基钻井液滤液的ζ电位，实验结果如表6所示。
表6不同溶液的ζ电位
测试溶液 ζ电位(mv)
清水 -3.63
4％钠基膨润土钻井液 -56.2
实施例1 -30.4
由表中数据可知，与清水相比4％钠基膨润土钻井液表现为强负电性，而在钻井液中加入了带有正电的正电胶和阳离子型表面活性剂等正电性物质后,钻井液的负电性得到了有效的控制。由于正电胶颗粒在离子交换吸附的作用下带永久正电荷，能够与钻井液中带负电的粘土颗粒结合形成结构体，从而降低钻井液的负电性，同时使得钻井液具有独特的“固-液双重性”。
6、适用于煤系地层钻进的水基钻井液的热稳定性评价
实验仪器：ZNN-D6S型六速旋转粘度计、ZNS-5A中压失水仪、 OFITE滚子加热炉。
将适用于煤系地层钻进的水基钻井液装入老化罐中，在120℃条件下滚动16h，待钻井液冷却后测试其基本性能参数，结果见表7。
表7适用于煤系地层钻进的钻井液热滚后性能
Figure BDA0001508545800000091
由表与表1对比可见，适用于煤系地层钻进的水基钻井液在120℃条件下滚动16 h后其粘度及切力略有降低，滤失量仅增加1-2 mL。总体来说，该钻井液能够在120℃下保持较好的稳定性。
7、适用于煤系地层钻进的水基钻井液的毒性评价
实验仪器：微孔板型多功能检测仪(GloMax-Multi2011ZSIR036 9US)
实验方法：将适用于煤系地层钻进的水基钻井液与3.0％NaCl溶液按照1:9体积比混合均匀，静置60min，取中层悬浮液为试验液，并将其稀释成不同浓度，采用标准菌种，用生物毒性测定仪分别测定不同浓度试验液相对于3.0％NaCl溶液的发光度，当发光细菌的相对发光度减弱一半时，试验液的浓度记为钻井液的LC50。
表8生物毒性等级分类标准
毒性分级 剧毒 高毒 中毒 微毒 实际无毒 排放限制标准
LC<sub>50</sub>(ppm) <1 1-100 100-1000 1000-10000 >10000 >30000
经测试，该适用于煤系地层钻进的水基钻井液的LC50值为 294000ppm，达到排放标准，说明其具有良好的环保性。
8、应用评价
1)贵州六盘水地区煤岩岩样的成分分析结果
测试贵州六盘水地区煤岩的矿物成分含量，结果如下所示。
表9贵州六盘水煤岩的矿物组成
矿物成分 石英 方解石 石墨 铁白云石 非晶质
含量/％ 11.05 3.9 9.1 40.95 35
实验表明，该地区煤岩非晶质含量较少，白云石和石英等脆性矿含量较高，硬度较大，属硬脆性煤岩。
2)贵州六盘水煤岩岩样在适用于煤系地层钻进的水基钻井液中的膨胀量变化情况
实验仪器：JHP岩心压制机、ZNP-1型膨胀量测定仪。
实验方法：(1)取5g煤粉、1g膨润土加入1g水玻璃后，在 JHP岩心压制机中加压至2MPa压制15min后取出；(2)在室温条件下，测试该人工煤岩岩样分别与ZNP-1型膨胀量测定仪测试煤岩心在清水、清水+4％钠基膨润土、普通聚合物钻井液体系与适用于煤系地层钻进的水基钻井液膨胀量，记录8h膨胀量曲线如说明书附图所示。
通过研究分析发现，本发明制备的适用于煤系地层钻进的水基钻井液，通过一定的原料配比，当表面活性剂浓度在0.005-％-0.1％时，此时达到表面活性剂的临界胶团浓度(CMC浓度)，此时表面活性剂分子在岩石表面呈单层吸附状态，亲水端(极性端)在范德华力和静电引力作用下与岩石表面结合，疏水端指向钻井液，在岩石表面形成一层水化膜，减缓钻井液对地层的侵入。
当正电胶浓度为3％时，钻井液的粘度、滤失量均能够满足钻进要求。由于正电胶分子带正电荷，能够与钻井液中带负电的粘土粒子结合形成“结构体”，使得钻井液具有“固-液”双重性；并且，带有正电的正电胶颗粒在静电引力的作用下能够牢牢的吸附在带有负电的岩石表面，起到保护井壁的作用。
因而，本发明提供的水基钻井液具有以下优点：(1)本发明提供的钻井液为一种水基钻井液，与油基钻井液相比，具有环保的优点；(2)本发明提供的钻井液中的无机正电胶可以吸附在带负电的煤岩和页岩表面，并且使钻井液具有独特的“固-液双重性”，起到保护储层和稳定井壁的作用；(3)阳离子型表面活性剂和油性有机硅表面活性剂的亲水端(极性端)能够吸附在煤岩和页岩表面，而疏水端指向钻井液，增强煤岩和页岩的疏水性，减少与钻井液中水分的接触面积，从而增强井壁稳定性；另外，表面活性剂能够降低钻井液的表面张力以保护储层；(4)该钻井液具有良好的流变性、降滤失性能，钻井液的抑制性和润滑性，能够满足煤系地层钻进的要求。

Claims (4)

1.一种适用于煤系地层钻进的水基钻井液，其特征在于，由以下质量份成分构成，水100份、抑制剂2-10份、钠基膨润土2-4份、无机正电胶1-6份、抗高温处理剂1-5份、增粘剂 0.5-3份、降滤失剂0 .1-2份、阳离子型表面活性剂0 .001-0 .02份、有机硅表面活性剂0.001- 0 .02份；
所述的抑制剂为氯化钾；所述的抗 高温处理剂为褐煤树脂；所述的阳离子型表面活性剂为N-十二烷基双季铵盐。
2.如权利要求1所述的适用于煤系地层钻进的水基钻井液，其特征在于，所述的适用于煤系地层钻进的水基钻井液，由以下质量份成分构成，水100份、抑制剂5-6份、钠基膨润土4份、正电胶3-3 .5份、抗高温处理剂2-2 .3份、增粘剂1 .25-1 .5份、降滤失剂1-1 .2份、阳离子 型表面活性剂0 .005-0 .01份、有机硅表面活性剂0 .005-0 .01份。
3.如权利要求1或2所述的适用于煤系地层钻进的水基钻井液，其特征在于，所述的有机硅表面活性剂为油性有机硅表面活性剂。
4.如权利要求1或2所述的适用于煤系地层钻进的水基钻井液，其特征在于，所述的适用于煤系地层钻进的水基钻井液，包括以下制备步骤：称取100份水，加入阳离子型表面活性剂和有机硅表面活性剂，搅拌，调节水中阳离子型表面活性剂和有机硅表面活性剂的浓度，6000r/min-7000r/min条件下加入抑制剂、钠基膨润土、无机正电胶、抗高温处理剂、增粘剂、降滤失剂即得。
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