CN108587579B - 钻井液用泥饼硬化增强剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开钻井液用泥饼硬化增强剂，其特征在于，所述泥饼硬化增强剂由多元硅醇、泥饼硬化剂、低分子量聚合物、成膜剂和有机螯合剂组成；多元硅醇、泥饼硬化剂、低分子量聚合物、成膜剂和有机螯合剂的质量比为30～45：35～50：5～12：8～15：2～8。通过在钻井液和完井液中加入泥饼硬化增强剂，可有效改变钻井液泥饼的性质，改善钻井液泥饼质量，减少泥饼厚度，形成薄而韧的泥饼，增加泥饼强度，进而提高固井时的界面胶结强度，并将固井界面的物理性结合转变为化学性亲和，从而提高泥饼与水泥环及套管与水泥环之间的界面胶结质量，降低了界面胶结处渗透率，提高了固井优质率，延长油、气井使用寿命，也相应提高了原油采收率。

Description

钻井液用泥饼硬化增强剂

技术领域

本发明涉及石油钻井工程中的钻井液助剂。更具体地，涉及一种钻井液用泥饼硬化增强剂。

背景技术

固井施工是油气井开采过程中的重要工序之一，固井的主要目的就是封隔地层，封隔好油、气、水层，阻止地层间的流体相互窜流，保护生产层，可以说，一口井想要达到其应有的产能，主要取决于固井过程中所达到的层间封隔质量。固井质量不好时会发生投产后层间窜和管外冒等现象，严重影响后续的油气开采及油井寿命。

从理论上说，固井界面实际上应该是水泥浆形成的固化体(水化产物)与井壁表面形成的泥饼的胶结界面和泥饼与井壁形成的胶结界面，两个胶结界面形成的复合胶结界面，钻井液和水泥浆一样是构成固井双界面的基本主体。而人们通常把套管与水泥环之间的胶结面称为固井第一界面，把水泥环与地层之间的胶结面称为固井第二界面。而对石油固井作业来说，固井界面胶结强度及质量的好坏直接影响着油气井的使用寿命和开采效益。

近年来的研究发现，许多进入开采后期有着层间窜和管外冒等现象的油气井，其共性的问题都是界面封固质量不合格，特别是固井第二界面胶结处存在着薄弱过渡区，形成了界面胶结结构疏松、孔渗增大的环形水泥过渡带，使得油、气、水流体可以通过薄弱的界面相互窜通，这是导致固井质量不合格、减少产能甚至产生报废井的重要原因，而高渗透层区块的这种现象尤为突出。

由此可见，提高固井界面质量和固井优质率，消除油、气井层间的窜流现象，延长油、气井的使用寿命，提高原油采收率，确保油田开发的增产增效，是石油开发过程中急需解决的问题之一。中国专利文献CN 104119843 A公开的钻井泥饼硬化增强剂在一定程度上提高了固井界面封固质量和固井二界面胶结强度，使得固井优质率提高了30.6个百分点；但是依旧存在如下有待进一步改进之处：固井一界面胶结强度提高不足10％，尤其是固井二界面胶结强度提高不足30％。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种能够有效提高固井一界面胶结强度和固井二界面胶结强度的钻井液用泥饼硬化增强剂。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种钻井液用泥饼硬化增强剂，所述泥饼硬化增强剂由多元硅醇、泥饼硬化剂、低分子量聚合物、成膜剂和有机螯合剂组成；多元硅醇、泥饼硬化剂、低分子量聚合物、成膜剂和有机螯合剂的质量比为30～45：35～50：5～12：8～15：2～8。

上述钻井液用泥饼硬化增强剂，所述泥饼硬化增强剂中多元硅醇、泥饼硬化剂、低分子量聚合物、成膜剂和有机螯合剂的质量比为35：42：8：12：3。

上述钻井液用泥饼硬化增强剂，所述的多元硅醇为双羟基乙氧基丙基聚二甲基硅氧烷。

上述钻井液用泥饼硬化增强剂，所述的泥饼硬化剂为晶须硅、硅酸铝、铝酸钙和石棉的一种或多种矿物纤维，所述泥饼硬化剂的纤维长度为5～500μm，直径为0.5～10μm。

上述钻井液用泥饼硬化增强剂，所述的低分子量聚合物为3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷。

上述钻井液用泥饼硬化增强剂，所述的成膜剂为层状结晶二硅酸钠，所述层状结晶二硅酸钠为晶态结构。

上述钻井液用泥饼硬化增强剂，所述的有机螯合剂为丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物T-225。

本发明钻井液用泥饼硬化增强剂各组分的具体作用如下：

(1)多元硅醇：多元硅醇化合物中的Si-OH键和粘土矿物表面上的Si-O-键形成Si-O-Si键，使粘土表面吸附一层Si-CH₃，发生润湿反转，由亲水转变为亲油，从而阻止或减弱了粘土矿物表面对水分子的吸附，同时有机硅醇中的-OH基团在粘土上发生吸附，能降低钻井液的滤失。而活性硅醇离子中的Si-O-键易与泥饼及地层岩石表面结合形成较为牢固的化学键，使的泥饼紧密结合在一起，并在地层岩石表面形成一层膜，在遇到低pH值环境的地层水后，一方面会形成胶凝物质，另一方面与地层中的二价离子之间发生沉淀反应，进而可在近井壁地带形成一个封堵屏障，起到了保护井壁的作用。

(2)泥饼硬化剂：选择晶须硅作为硬化剂，引入了泥饼硬化的增强因子，由于晶须硅、硅酸铝、铝酸钙和石棉的矿物纤维的特殊的组成和结构，矿物纤维的长度为5～500μm，直径为0.5～10μm。这些矿物纤维加入钻井液后，一方面参与水化的颗粒通过与泥浆的相互作用，在泥饼内部形成了类硅酸盐晶体，这些晶体又形成了较强的结构，增强了泥饼本身的强度，提高了泥饼的硬化性。另一方面未参与水化的颗粒分散于泥饼中起到骨架支撑作用，形成一定的空间网络结构，改善了泥饼各组分之间的结构性能和泥饼的微观结构，提高了泥饼的密实度，从而提高了泥饼强度，使得固井界面交界处的结构变得致密，从而提高了胶结强度，改善了固井质量。

(3)低分子量聚合物：选择3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷作为硅离子载体，提高了硅醇的吸附能力和分散性。

(4)成膜剂：选择层状结晶二硅酸钠作为成膜剂，通过形成非极性的有机膜改变了界面的亲水状态，降低了界面渗透率，从而有利于提高固井质量。

(5)有机螯合剂：选择丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物T-225作为螯合剂，可以将水泥浆滤液中的钙离子通过螯合作用生成稳定的螯合物，使得水泥石界面与泥饼界面具有很好的亲和性，增强了二者之间的胶结强度。

本发明的有益效果如下：

在钻井液和完井液中添加本发明的泥饼硬化增强剂，对钻井液体系没有不良影响，配伍性好，对不同区域的油井都有很好的适应性和有效性；钻井液泥饼的穿透时间增加到原来的5倍，强度明显提高，韧性增强效果明显；油田现场应用，加入该增强剂产品，钻井液的滤失量降低，在地层界面处形成的泥饼致密性好，与后期固井形成的水泥界面有良好的胶结效果，由此可以提高固井一、二界面的胶结强度；固井质量效果显著提升，从目前的现场试验来看，固井优质率从现有的50％左右提高到了89％，优质率提高约39个百分点，合格率为100％，在现场试验中，无论是生产井、采油井，还是开发井，固井质量均为优质。具体优点阐述如下：

1.本发明利用已有的化工原料等，通过对原料厂家产品质量等进行优选，筛选出最优质的原料。

2.本发明的产品经过了室内试验评价以及现场实际应用的反馈，产品性能稳定，质量可靠，各项技术指标均可达到客户要求。

3.本发明的产品在现场应用后均取得了较好的作业效果，可以明显提高固井质量。经过油田现场多口井的使用效果分析，平均固井一界面胶结强度提高了18.6％，平均固井二界面胶结强度提高了64.1％，有着良好的市场价值和社会效益。

4.本发明的产品生产简单，性能突出，应用效果明显，具有广阔的市场前景。

5.本发明的产品价格便宜，加量低，一般用量为钻井液量的1％-3％(即每100mL钻井液加入1-3克)，增产增效明显，经济效益显著。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

以下实施例中，当需测试所得钻井液的基本性能时，参照国家标准《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》(GB/T 16783.1-2006)进行测试，其中，采用ZNN-D6六速旋转粘度计测定流变参数；采用三联常温中压失水仪WTH 140-40测定低温低压API滤失量。当需对比热滚前后钻井液的各项性能时，其热滚条件是将待测液体倒入不锈钢高温老化罐中，在140℃下置于滚子加热炉中热滚16h即制得高温老化后待测试样。

实施例1

称取双羟基乙氧基丙基聚二甲基硅氧烷为32g，晶须硅为48g，晶须硅的纤维长度为300μm，直径为5μm，3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷为6g，层状结晶二硅酸钠为10g，丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物T-225为4g，相互混合均匀配制成钻井液用泥饼硬化增强剂产品。

实施例2

称取双羟基乙氧基丙基聚二甲基硅氧烷为35g，晶须硅为42g，晶须硅的纤维长度为150μm，直径为10μm，3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷为8g，层状结晶二硅酸钠为12g，丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物T-225为3g，相互混合均匀配制成钻井液用泥饼硬化增强剂产品。

实施例3

称取双羟基乙氧基丙基聚二甲基硅氧烷为38g，晶须硅为36g，晶须硅的纤维长度为500μm，直径为10μm，3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷为10g，层状结晶二硅酸钠为14g，丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物T-225为2g，相互混合均匀配制成钻井液用泥饼硬化增强剂产品。

对上述实施例的钻井液用泥饼硬化增强剂，通过如下方法进行性能评价。

(1)与钻井液的配伍性和抗高温性能评价方法如下：

所用钻井液为4％的基浆液，所述4％基浆液即为每100mL水中加入4g钠膨润土充分搅拌均匀，封口静置，在室温条件下养护24h水化得到基浆。

(1.1)室温性能评价：准备4个浆杯，标号为1#、2#、3#和4#。分别取上述基浆400ml置于各个浆杯中，在搅拌条件下按基浆质量分数2％的加量分别加入实施例1、实施例2和实施例3所配制的样品于1#、2#和3#浆杯中，4#不加样品做空白对比，加完样品后高速搅拌20min，直至样品在基浆中充分溶解，即制得室温钻井液试样。

(1.2)高温老化性能评价：按室温性能评价方法的步骤制备好所需要的钻井液试样，倒入不锈钢高温老化罐中，并置于滚子加热炉中于140℃下热滚16h，即制得高温老化后的钻井液试样。

评价方法按GB/T 16783.1-2006规定进行，具体数据见表1。

表1：钻井液试样的基本性能

由表1中的数据表明：室温条件下，加有钻井液用泥饼硬化增强剂的试样相对于空白试样来说，其流变性能没有较大的变化，滤失量有一定的降低，说明加入该产品对钻井液影响变化不大，配伍性好。而经过高温老化后，加有钻井液用泥饼硬化增强剂的试样相对于空白试样来说，其流变性能没有较大的变化，滤失量有很大的降低，说明该产品有一定的抗高温性能。

(2)泥饼强度的评价方法如下：

将上述评价完API滤失项目后得到的泥饼保存好(注意不要使泥饼折皱、破裂)，用泥饼强度测试仪来测定泥饼的强度。

首先用自来水将泥饼表面的浮饼轻轻洗去，先测定出每个待测泥饼的厚度。并将泥饼平整地放置在玻璃板上，调整好测试仪出水口尖端与泥饼表面的距离在300～400mm高度，出水口处的水流速度恒定，流量以持续成一条线为佳，随着水流对泥饼的冲击作用，泥饼会逐渐变薄直至穿透，记下穿透泥饼所需的时间，用单位厚度泥饼所需的穿透时间来评价泥饼的强度。泥饼强度越大，水流穿透泥饼所需的时间会越长。具体数据见表2。

表2：泥饼强度的性能

序号	配比	泥饼穿透时间(s/mm)
			1#	基浆+2％实施例1试样	67
2#	基浆+2％实施例2试样	93
			3#	基浆+2％实施例3试样	61
4#	基浆	19

由表2中的数据表明：基浆中加入钻井液用泥饼硬化增强剂后，泥饼穿透时间均有较大的增加，穿透时间增加到了原来的3～5倍，说明加入该产品后，钻井液泥饼的强度明显提高，韧性增强效果明显。如果是在油田现场应用，说明其界面胶结强度会有很大的改善，固井优质率也会有很大的提升。

综上表1、表2所述，通过室内评价试验可以得出，该钻井液用泥饼硬化增强剂产品对钻井液的流变性能和滤失量影响很小，体系配伍性好，而对泥饼强度有很大的提高，可以得出本发明所阐述的产品在性能上能够满足钻井工程和固井工程的需要。

(3)油田现场应用试验情况：

将上述实施例2确定的产品应用于大港油田和大庆油田的钻井现场，以钻井液体积与产品质量比为100:2(mL/g)作为加入量。打开钻井液循环泵，在加重漏斗口以每分钟25kg的量加入，循环2小时后检测井浆性能，具体数据见表3.

表3：现场钻井液的性能

由表3中的数据表明：在油田现场的实际应用中，加入该增强剂产品对钻井液的滤失量和漏斗粘度均有所降低，其它性能基本没有影响，说明加入该产品对钻井液体系没有不良影响，配伍性好。

现场应用的这三口井是在不同地区和不同区块，由表3中数据可以说明该钻井液用增强剂产品在不同区域有很好的适应性和有效性。

而滤失量的降低说明了在地层界面处形成的泥饼致密性好，与后期固井形成的水泥界面有良好的胶结效果，由此可以提高固井一、二界面的胶结强度(滨104X1井：固井一界面胶结强度提高18.5％，固井二界面胶结强度提高60.8％；中7-55-4井：固井一界面胶结强度提高17.2％，固井二界面胶结强度提高63.2％；南3-30-斜P217井：固井一界面胶结强度提高20.1％，固井二界面胶结强度提高68.3％)。

(4)油田现场固井质量情况：

滨104X1井是大港油田的一口生产井，电测后将钻井液各项性能调整好，达到设计要求，之后加入增强剂4吨，循环洗井3周以上，进行了正常的起钻下套管、顶替注水泥浆、候凝等固井施工作业，2周后采用声波变密度测井法测井，得出套管与水泥、水泥与地层之间均胶结完好，可以判定固井质量为全优。

中7-55-4井是大港油田的一口采油井，完井电测后将钻井液各项性能调整好，达到设计要求，之后加入增强剂3吨，循环洗井2周以上，进行了正常的起钻下套管、顶替注水泥浆、候凝等固井施工作业，2周后采用声波变密度测井法测井，得出套管与水泥、水泥与地层之间均胶结完好，可以判定固井质量为全优。

南3-30-斜217井是大庆油田开钻的一口开发井，完井电测后将钻井液各项性能调整好，达到设计要求，之后加入增强剂3吨，循环洗井2周以上，进行了正常的起钻下套管、顶替注水泥浆、候凝等固井施工作业，2周后采用声波变密度测井法测井，得出套管与水泥、水泥与地层之间均胶结完好，可以判定固井质量为全优。

固井施工作业完成后2周采用声波变密度测井法测井，具体数据见表4。

表4：固井质量情况

井号	井别	固井质量
			滨104X1井	生产井	优质
中7-55-4井	采油井	优质
			南3-30-斜P217井	开发井	优质

经过了在大港油田和大庆油田多口井的持续试验应用证明，加入本发明增强剂产品后，相对于应用前的常规固井方法，固井优质率从50％左右提高到了89％，优质率提高了约39个百分点，合格率为100％，固井质量效果显著提升，特别是对大庆老油田的保产稳收有很大的促进作用。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种钻井液用泥饼硬化增强剂，其特征在于，所述泥饼硬化增强剂由多元硅醇、泥饼硬化剂、低分子量聚合物、成膜剂和有机螯合剂组成；多元硅醇、泥饼硬化剂、低分子量聚合物、成膜剂和有机螯合剂的质量比为30～45：35～50：5～12：8～15：2～8；所述的多元硅醇为双羟基乙氧基丙基聚二甲基硅氧烷；所述的泥饼硬化剂为晶须硅、硅酸铝、铝酸钙和石棉的一种或多种矿物纤维，所述泥饼硬化剂的纤维长度为5～500μm，直径为0.5～10μm；所述的低分子量聚合物为3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷；所述的成膜剂为层状结晶二硅酸钠，所述层状结晶二硅酸钠为晶态结构；所述的有机螯合剂为丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物T-225。

2.根据权利要求1所述的钻井液用泥饼硬化增强剂，其特征在于，所述泥饼硬化增强剂中多元硅醇、泥饼硬化剂、低分子量聚合物、成膜剂和有机螯合剂的质量比为35：42：8：12：3。