CN108424755B - 一种高钙盐钻井液及制备方法 - Google Patents

一种高钙盐钻井液及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高钙盐钻井液及制备方法。钻井液包括按重量份数计的以下组分：水100重量份；粘土矿物1～5重量份；氧化钙0.3～2重量份；氢氧化钠0.5～1.5重量份；流型调节剂0.1～1重量份；抗钙降滤失剂1～4重量份；分散剂0.5～4重量份；磺化酚醛树脂2～6重量份；沥青类防塌剂1～4重量份；润滑剂1～6重量份；超细碳酸钙1～5重量份；氯化钙10～20重量份；加重剂0～300重量份。本发明的高钙钻井液具有较好的抗温、抗盐钙污染和抑制防塌能力，流变性、悬浮稳定性好，高温高压滤失量低，适用于含高钙盐水地层以及易塌地层的钻进施工。

Description

一种高钙盐钻井液及制备方法
技术领域
本发明涉及钻井领域，进一步地说，是涉及一种高钙盐钻井液及制备方法。
背景技术
在石油天然气的勘探开发中常钻遇盐膏层及盐水层，对钻井液性能影响较大，尤其是当钙、镁离子含量高的地层水侵入钻井液时，导致钻井液的流变性及滤失量等性能失去控制，不仅严重影响钻探作业的速度，还大大增加了工程的安全风险。
钙、镁等高价金属离子对钻井液性能的破坏主要是因为其对造浆土以及高分子聚合物类处理剂的有严重的影响。Ca2+可强烈吸附在粘土颗粒表面或进入晶层间进行离子交换，强烈压缩双电层，使表面电位下降、水化膜变薄，不仅导致粘土晶片发生面-面、端-端聚结而发生粘土颗粒絮凝；而且表面电位下降严重影响聚合物处理剂与粘土间的吸附，二者的增粘、捕集及物理堵塞等过程也受到影响，滤失量的控制变差。而且，高价的金属离子可使高分子聚合物长链产生卷曲，一些功能基团被包裹或者与高价离子作用，大大降低其在粘土表面的吸附能力从而失去作用，而且长链的卷曲会直接导致其在水基钻井液中粘度的大幅度降低，含有固相加重剂的钻井液易产生加重剂的沉降，使钻井施工发生复杂事故。同时钻井液所处的高温环境会强化Ca2+对聚合物类降滤失剂、增粘剂以及粘土颗粒的影响，导致钻井液性能进一步恶化。
国外公司研发的AQUA-DRILL高钙醇基钻井液，含5～10％CaCl2、1～4％AQUA-COL聚乙二醇类处理剂，具有很强的页岩抑制性，在胜利油田雪古1井应用，但是在使用过程中逐渐暴露出抗高温性能不足、高浓度CaCl2条件下滤失量难以控制、处理剂消耗量大等问题。近年来在新疆中1H井、中原桥90井等井应用了强抑制性高钙盐钻井液，但井温不高于120℃，Ca2+不高于4000mg/L。目前缺乏钙离子浓度更高条件下的具有较高抗温能力的钻井液体系。
发明内容
针对现有技术中钻井液抗钙能力不强和在高钙条件下抗温能力不足、高温高压滤失量难以控制等问题，本发明公开了一种高钙盐钻井液及其制备方法，钻井液中氯化钙含量可达20％，抗温可达135℃，钻井液中大量的钙离子使其具有很强的页岩抑制性，可有效解决泥页岩地层膨胀分散和垮塌问题，以及钻遇钙镁离子含量高的盐水地层时钻井液性能恶化的问题。
本发明的目的之一是提供过一种高钙盐钻井液。
包括按重量份数计的以下组分：
Figure BDA0001224903940000021
所述粘土矿物优选由钠膨润土和抗盐土组成，抗盐土可以是凹凸棒土或短纤维海泡石。抗盐土可提高粘土矿物在高钙盐下的造浆性能，钠膨润土有助于流变性调节和滤失量控制
所述氢氧化钠和氧化钙均可调节体系的pH值在8～10，其中氧化钙可起到一定的pH值缓冲作用。
所述流型调节剂是生物聚合物，可以优选黄原胶、高粘PAC；
所述加重剂可以优选重晶石、碳酸钙、铁矿粉或微锰粉；
沥青类防塌剂可以优选磺化沥青粉、乳化沥青；
所述润滑剂优选为改性油脂类极压润滑剂；
所述超细碳酸钙粒径优选在1000～2000目。
所述分散剂自制，是我们自己前期研发的一种高密度钻井液用处理剂，可有效分散重晶石等加重材料，对钻井液有稀释作用，兼具降滤失作用，已经获得专利授权(ZL201110301295.2)，代号SMS-19。
所述抗钙降滤失剂是发明人之前的申请[申请号201611077028.0]，本申请中所述的抗钙降滤失剂即申请专利(申请号201611077028.0)中的增粘型抗钙盐聚合物降滤失剂，也是按照专利(申请号201611077028.0)中的方法制备的。
具体如下：
所述抗钙降滤失剂是由包括以下单体的原料聚合而得，各单体按质量百分比计：
Figure BDA0001224903940000031
所述N-乙烯基酰胺类单体优选为N-乙烯基甲酰胺、N-乙烯基乙酰胺或N-甲基-N-乙烯基乙酰胺；
所述丙烯酰胺类单体优选为丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰或N,N-二乙基丙烯酰胺；
所述含乙烯基的磺酸单体优选为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸或2-丙烯酰氧基-2-甲基丙磺酸；
所述丙烯酸类单体优选为丙烯酸或甲基丙烯酸；
所述甲基丙烯酸酯类单体优选为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯或甲基丙烯酸丁酯。
所述抗钙降滤失剂的制备方法，包含以下步骤：
(1)将所述单体加入一定量去离子水中，搅拌下用碱性物质调节溶液的pH值在5～10，优选为6～9，得混合溶液A，混合溶液A中单体的总浓度为10～50％；优选的总重量浓度为20～50％；更优选的总重量浓度为25～45％。
所述碱性物质优选为氢氧化钠、氢氧化钾或氨水；
(2)将混合溶液A中加入高分子材料，高分子材料的重量为混合溶液A重量的0.05～3％；通氮气0.5～2小时，得混合溶液B；
将高分子材料溶于含单体的水溶液中，单体是在高分子聚合物溶液中平缓地进行聚合反应，易于控制；
所述高分子材料是在水中可溶解的聚合物，优选为黄原胶、聚阴离子纤维素、环糊精或淀粉；
上述步骤(2)中高分子材料的重量优选为混合溶液A重量的0.1～2％；通氮气优选的时间为0.5小时～1小时。
(3)混合溶液B在温度30℃～80℃、加入引发剂与络合剂条件下进行反应，反应时间为1小时～8小时，得凝胶状产物，其中引发剂为单体总重量的0.05～0.3％；络合剂为混合溶液B重量的0.03～0.2％；
所述引发剂为氧化-还原类引发剂，其中氧化剂为过氧化氢、过硫酸铵、过硫酸钾，还原剂为亚硫酸氢钠或四甲基乙二胺，所述氧化-还原类引发剂是从氧化剂中的任意一种与还原剂中的任意一种组合即可。
所述络合剂为有机胺类络合剂，优选为乙二胺四乙酸或其二钠盐。引发剂优选是为单体总重量的0.05～0.2％，更优选为单体总重量的0.05～0.15％；络合剂优选为混合溶液B重量的0.05～0.1％。
上述步骤中混合溶液B的反应温度优选40℃～70℃，加入引发剂与络合剂后反应，反应时间优选2～6小时。
(4)将步骤(3)中得到的凝胶状产物切割、干燥、粉碎，制得所述增粘型抗钙盐聚合物降滤失剂，干燥温度70℃～120℃，优选为80℃～100℃。
所述抗钙降滤失剂在高钙含量下具有一定的增粘、降滤失剂效果。
本发明的目的之二是提供一种高钙盐钻井液的制备方法。
包括：
在水中加入粘土矿物、老化后按所述用量加入除氯化钙、加重剂外的其他组分，搅拌至溶解均匀，最后加入氯化钙、加重剂，搅拌后制得所述的高钙盐钻井液。
具体可采用以下步骤操作：
按所述用量在水中加入粘土矿物，老化，老化以能充分水化为宜，一般超过24小时即可，然后加入流型调节剂、抗钙降滤失剂，搅拌至溶解完全；再加入分散剂、磺化酚醛树脂、沥青类防塌剂、润滑剂、超细碳酸钙，最后加入氯化钙、加重剂，搅拌时间以各组分能充分溶解、加重剂固体粉末分散均匀为宜，总搅拌时间一般可优选50分钟以上。
本发明使用抗钙聚合物作为降滤失剂和增粘剂，配合使用分散剂、防塌剂、润滑剂等处理剂，配制密度1.1～2.0g/cm3、氯化钙含量在10％～20％(钙离子含量36000～72000mg/L)的高钙钻井液。该高钙钻井液具有较好的抗温、抗盐钙污染和抑制防塌能力，流变性、悬浮稳定性好，高温高压滤失量低，适用于含高钙盐水地层以及易塌地层的钻进施工。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
抗钙降滤失剂的制备：
(1)将10g N-乙烯基甲酰胺、6g丙烯酰胺、80g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、2.5g丙烯酸、1.5g甲基丙烯酸甲酯加入150g去离子水中，用40g 40％氢氧化钠溶液调节pH值在8，得混合溶液A，混合溶液A中单体的总浓度为34.5％
(2)在混合溶液A中加入0.3g黄原胶，通N2 0.5小时，得混合溶液B，其中黄原胶为混合溶液B重量的0.1％。
(3)将混合溶液B在50℃下加入引发剂过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.05g、络合剂乙二胺四乙酸二钠0.3g，反应3小时，得凝胶状产物，其中引发剂量为单体总重量的0.1％；乙二胺四乙酸二钠为混合溶液B重量的0.1％；
(4)将凝胶状产物剪切造粒，在85℃干燥10小时，粉碎即得抗钙降滤失剂A1。
(1)将20g N-乙烯基甲酰胺、5g丙烯酰胺、70g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、3g丙烯酸、2g甲基丙烯酸甲酯加入100g去离子水中，用38g 40％氢氧化钠溶液调节pH值在8，得混合溶液A，混合溶液A中单体的总浓度约为42％。
(2)在混合溶液A中加入4g聚阴离子纤维素(HV-PAC)，通N2 1小时，得混合溶液B，其中聚阴离子纤维素(HV-PAC)为混合溶液B重量的1.68％。
(3)将混合溶液B在30℃下加入引发剂过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.05g、络合剂乙二胺四乙酸二钠0.3g，反应5小时，得凝胶状产物，其中引发剂量为单体总重量的0.1％；乙二胺四乙酸二钠为混合溶液B重量的0.13％。
(4)将凝胶状产物剪切造粒，在90℃干燥8小时，粉碎即得抗钙降滤失剂A2。
(1)将10g N-乙烯基甲酰胺、10g丙烯酰胺、77g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、2g丙烯酸、1g甲基丙烯酸甲酯加入200g去离子水中，用40g 40％氢氧化钠溶液调节pH值在7，得混合溶液A，混合溶液A中单体的总浓度为29％。
(2)在混合溶液A中加入5gβ-环糊精，搅拌下通N2 1.5小时，直到β-环糊精完全溶解，得混合溶液B，其中β-环糊精为混合溶液B重量的1.89％。
(3)将混合溶液B在60℃下加入引发剂过硫酸铵和亚硫酸氢钠各0.05g、络合剂乙二胺四乙酸二钠0.5g，反应7小时，得凝胶状产物，其中引发剂量为单体总重量的0.1％；乙二胺四乙酸二钠为混合溶液B重量的0.15％。
(4)将凝胶状产物剪切造粒，在100℃干燥6小时，粉碎即得抗钙降滤失剂A3。
(1)将30g N-乙烯基甲酰胺、5g丙烯酰胺、55g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、7g丙烯酸、3g甲基丙烯酸甲酯加入150g去离子水中，用36.5g 40％氢氧化钠溶液调节pH值在7，得混合溶液A，混合溶液A中单体的总浓度为34.9％。
(2)在混合溶液A中加入0.5g黄原胶，通N2 1小时，得混合溶液B，其中黄原胶为混合溶液B重量的0.17％。
(3)将混合溶液B在30℃下加入引发剂过硫酸铵和四甲基乙二胺各0.05g、络合剂乙二胺四乙酸二钠0.2g，反应8小时，得凝胶状产物，其中引发剂量为单体总重量的0.1％；乙二胺四乙酸二钠为混合溶液B重量的0.07％。
(4)将凝胶状产物剪切造粒，在95℃干燥8小时，粉碎即得抗钙降滤失剂A4。
(1)将20g N-乙烯基甲酰胺、5g丙烯酰胺、70g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、3g丙烯酸、2g甲基丙烯酸甲酯加入100g去离子水中，用26g 25％氨水溶液调节pH值在8，得混合溶液A，混合溶液A中单体的总浓度为44％。
(2)在混合溶液A中加入0.3g黄原胶，通N2 1小时，得混合溶液B，其中黄原胶为混合溶液B重量的0.13％。
(3)将混合溶液B在40℃下加入引发剂过硫酸铵和四甲基乙二胺各0.03g、络合剂乙二胺四乙酸二钠0.2g，反应8小时，得凝胶状产物，其中引发剂量为单体总重量的0.06％；乙二胺四乙酸二钠为混合溶液B重量的0.09％。
(4)将凝胶状产物剪切造粒，在90℃干燥8小时，粉碎即得抗钙降滤失剂A5。
(1)将10g N-乙烯基甲酰胺、15g丙烯酰胺、72g 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、2g丙烯酸、1g甲基丙烯酸甲酯加入150g去离子水中，用36g 40％氢氧化钠溶液调节pH值约在7，得混合溶液A，混合溶液A中单体的总浓度为40％。
(2)在混合溶液A中加入0.3g黄原胶，通N2 1小时，得混合溶液B，其中黄原胶为混合溶液B重量的0.1％。
(3)将混合溶液B在40℃下加入引发剂过硫酸铵和四甲基乙二胺各0.03g、络合剂乙二胺四乙酸二钠0.2g，反应8小时，得凝胶状产物，其中引发剂量为单体总重量的0.06％；乙二胺四乙酸二钠为混合溶液B重量的0.07％。
(4)将凝胶状产物剪切造粒，在90℃干燥8小时，粉碎即得抗钙降滤失剂A6。
实施例所用原料如下：
钠膨润土：新疆夏子街膨润土有限责任公司
凹凸棒土：江苏盱眙鑫源科技有限公司
黄原胶：山东淄博中轩生化有限公司
抗钙降滤失剂：代号SMPFL-C,中国石化石油工程技术研究院
分散剂：代号SMS-19，中国石化石油工程技术研究院
润滑剂：代号SMJH-1,中国石化石油工程技术研究院
沥青类防塌剂：代号SMNA-1中国石化石油工程技术研究院
磺化酚醛树脂：成都川锋化学工程有限责任公司
超细碳酸钙：广东佛山勃震化工有限公司
氧化钙、氢氧化钠、氯化钙：国药集团化学试剂公司
水：自来水，随取。
实施例1
密度为1.3g/cm3钻井液组分配比为以水为100重量份计如下：
Figure BDA0001224903940000081
Figure BDA0001224903940000091
具体配制过程如下：
(1)搅拌下，将钠膨润土和凹凸棒土分散于水中，室温放置24小时以上；(2)加入氧化钙、10％的氢氧化钠水溶液，高速搅拌5分钟；(3)高搅下，依次缓慢加入黄原胶、抗钙降滤失剂，高速搅拌30分钟，至溶解完全；(4)高搅下，加入分散剂、磺化酚醛树脂、沥青类防塌剂、润滑剂、超细碳酸钙，高速搅拌10分钟；(5)加入氯化钙，高速搅拌20分钟，再加入重晶石搅拌10分钟。
按照上述流程配制高钙盐钻井液，倒入老化罐，在135℃下热滚16小时，降温，在50℃下用六速粘度计测定流变性能，之后测定中压滤失量和高温高压滤失量。上述组分配比的高钙钻井液性能如下：
表1
Figure BDA0001224903940000092
从以上结果可以看出，本发明的含氯化钙10％的高钙钻井液，在135℃/16小时老化后的塑性粘度在44mPa.s，老化后的中压滤失量1.6mL，高温高压滤失量11mL，表明在氯化钙达到10％的高钙钻井液的流变性能良好、滤失量较低。
按照上述配方及流程配制含20％氯化钙的高钙盐钻井液，在135℃下热滚16小时后，测定钻井液各项性能如下：
表2
Figure BDA0001224903940000101
从以上结果可以看出，本发明的含氯化钙20％的高钙钻井液，在135℃/16小时老化后的塑性粘度在40mPa.s，老化后的中压滤失量2mL，高温高压滤失量17mL，表明在氯化钙达到20％的高钙钻井液的流变性能良好、滤失量较低。
实施例2
密度为1.6g/cm3钻井液组分配比为以水为100重量份计如下：
Figure BDA0001224903940000102
具体配制过程同实施例1：
按照上述流程配制高钙盐钻井液，倒入老化罐，在150℃下热滚16小时，降温，在50℃下用六速粘度计测定流变性能，之后测定中压滤失量和高温高压滤失量。上述组分配比的高钙钻井液性能如下：
表3
Figure BDA0001224903940000111
从以上结果可以看出，本发明的含氯化钙10％的高钙钻井液，在135℃/16小时老化后的塑性粘度在56mPa.s，老化后的中压滤失量2.1mL，高温高压滤失量15mL，表明在氯化钙达到10％的高钙钻井液的流变性能良好、滤失量较低。
按照上述配方及流程配制含15％氯化钙高钙盐钻井液，在135℃下热滚16小时后，测定钻井液各项性能如下：
表4
Figure BDA0001224903940000112
从以上结果可以看出，本发明的含氯化钙15％的高钙钻井液，在135℃/16小时老化后的塑性粘度在56mPa.s，老化后的中压滤失量2.2mL，高温高压滤失量16mL，表明在氯化钙达到15％的高钙钻井液的流变性能良好、滤失量较低。
按照上述配方及流程配制含20％氯化钙高钙盐钻井液，在135℃下热滚16小时后，测定钻井液各项性能如下：
表5
Figure BDA0001224903940000113
从以上结果可以看出，本发明的含氯化钙20％的高钙钻井液，在135℃/16小时老化后的塑性粘度在68mPa.s，老化后的中压滤失量2.4mL，高温高压滤失量19mL，表明在氯化钙达到20％的高钙钻井液的流变性能良好，滤失量可控。
实施例3
密度为2.0g/cm3钻井液组分配比为以水为100重量份计如下：
Figure BDA0001224903940000121
具体配制过程同实施例1：
按照上述流程配制高钙盐钻井液，倒入老化罐，在135℃下热滚16小时后降温至50℃用六速粘度计测定流变性能，之后测定中压滤失量和高温高压滤失量。上述组分配比的高钙钻井液性能如下：
表6
Figure BDA0001224903940000122
从以上结果可以看出，本发明的含氯化钙10％的2.0g/cm3密度的高钙钻井液，分别在135℃老化16小时后，塑性粘度在63mPa.s，老化后的中压滤失量2.4mL，高温高压滤失量18mL，表明高钙钻井液的流变性能良好、滤失量较低。

Claims (6)

1.一种高钙盐钻井液，其特征在于所述钻井液包括按重量份数计的以下组分：
Figure FDA0002290395070000011
所述抗钙降滤失剂是由包括以下单体的原料聚合而得，各单体按质量百分比计：
Figure FDA0002290395070000012
所述N-乙烯基酰胺类单体为N-乙烯基甲酰胺、N-乙烯基乙酰胺或N-甲基-N-乙烯基乙酰胺；
所述丙烯酰胺类单体为丙烯酰胺、N，N-二甲基丙烯酰或N,N-二乙基丙烯酰胺；
所述含乙烯基的磺酸单体为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸或2-丙烯酰氧基-2-甲基丙磺酸；
所述丙烯酸类单体为丙烯酸或甲基丙烯酸；
所述甲基丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丙酯或甲基丙烯酸丁酯。
2.如权利要求1所述的高钙盐钻井液，其特征在于：
所述钻井液包括按重量份数计的以下组分：
Figure FDA0002290395070000021
3.如权利要求1所述的高钙盐钻井液，其特征在于：
所述抗钙降滤失剂中
Figure FDA0002290395070000022
Figure FDA0002290395070000031
4.如权利要求1所述的高钙盐钻井液，其特征在于：
所述抗钙降滤失剂的制备方法包括：
(1)将所述单体加入去离子水中，搅拌下用碱性物质调节溶液的pH值在5～10，得混合溶液A；
混合溶液A中单体的总浓度为10～50％；
(2)将混合溶液A中加入高分子材料，通氮气0.5～2小时，得混合溶液B高分子材料的重量为混合溶液B重量的0.05～3％；
所述高分子材料为在水中可溶解的聚合物；
(3)混合溶液B在温度30℃～80℃加入引发剂与络合剂条件下进行反应，反应时间为1小时～8小时，得凝胶状产物；
其中引发剂为单体总重量的0.05～0.3％；
络合剂为混合溶液B重量的0.03～0.2％；
所述引发剂为氧化-还原类引发剂；
所述络合剂为有机胺类络合剂；
(4)将步骤(3)中得到的凝胶状产物切割、干燥、粉碎，制得所述增粘型抗钙盐聚合物降滤失剂，干燥温度为70℃～120℃。
5.如权利要求1所述的高钙盐钻井液，其特征在于：
所述流型调节剂为黄原胶或高粘PAC；
所述加重剂为重晶石、碳酸钙、铁矿粉或微锰粉；
所述沥青类防塌剂为磺化沥青粉或乳化沥青；
所述润滑剂为改性油脂类极压润滑剂；
所述超细碳酸钙粒径在1000～2000目。
6.一种如权利要求1～5之一所述的高钙盐钻井液的制备方法，其特征在于所述方法包括：
在水中加入粘土矿物、室温老化后按所述用量加入除氯化钙、加重剂外的其他组分，搅拌至溶解均匀，最后加入氯化钙、加重剂，搅拌后制得所述的高钙盐钻井液。
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