CN108949127B - 低固相超高温水基钻井液及其制备方法 - Google Patents

低固相超高温水基钻井液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低固相超高温水基钻井液，包括以重量计的100份溶剂水、3～4份膨润土、1.8～2.2份包被抑制剂、2.3～3.5份降滤失剂、2～2.5份抗高温树脂、2～2.5份页岩抑制剂、1.5～2份提切剂和15～35份超细碳酸钙；其制备方法简单，通过在溶剂水中加入一定量的膨润土制成将预水化膨润土浆，然后在高速电动搅拌下依次加入包被抑制剂、降滤失剂、抗高温树脂、页岩抑制剂、提切剂和超细碳酸钙，并最后室温下水化24h制备而成；该低固相超高温水基钻井液的抗温温度能够达到220℃，流变性良好，携岩性和封堵抑制性强，解决了低密度携岩稳定性的难题，在安探4X井得到成功应用，取得良好现场使用效果。

Description

低固相超高温水基钻井液及其制备方法
技术领域
本发明涉及油气田井下作业技术领域，特别涉及一种低固相超高温水基钻井液及其制备方法。
背景技术
随着勘探开发向深度地层发展，深井、超深井的数量越来越多，井底温度也越来越高，这对钻井液工艺技术带来了极大的挑战，原有的钻井液处理剂及体系也不能完全满足超高温钻井液工艺技术发展的要求。尽管油基钻井液具有耐温能力高、润滑性好、有利于井壁稳定等优点，但它同时存在污染比较严重和成本较高的问题，且安全风险大，而水基钻井液由于成本低、处理剂种类多而且来源广、配制维护处理简单，因此在国内外备受重视。
冀中坳陷杨税务潜山是华北油田目前重点开发地区之一。该地区储层温度极高(175℃以上，进入府君山组可达220℃左右)，压力中等偏低(约60MPa)，且存在大段非均质碳酸盐。该地区的钻探，从技术难度上，在环渤海湾乃至国内首屈一指。为保证安全钻进，钻井液需要攻克超高温、低密度钻井液携岩稳定性、强抑制性、封堵性的技术难题。目前华北及邻近油田尚没有密度1.20g/cm3、抗温220℃左右水基钻井液体系现场成功应用实例，因此迫切需要研制一种适用于该地区超高温、中低压地层的，封堵抑制性强的低固相超高温水基钻井液体系。
已公开专利CN103160259B公开了一种抗255℃超高温的水基钻井液，其包括以重量份计的100份水，0.1～0.3份pH值调节剂，1～4份钠基膨润土，0～4份海泡石，0.2～1.2份超高温中分子聚合物降滤失剂，0.05～0.6份超高温聚合物解絮凝剂，2～6份磺甲基化酚醛树脂，2～6份磺甲基化褐煤树脂，1～4份高温封堵防塌剂，1～4份超高温润滑剂，0.1～1.2份超高温稳定剂，0～32份防盐、膏溶解剂，以及一定比例的重晶石以加至所需密度。该钻井液密度1.04～2.6g/cm3可调，适用温度245～255℃，超高温条件下稳定性强，流变性良好、且易于调控。
已公开专利CN102002350B公开了一种超高温的水基钻井液，其包括以重量份计的100份水，1～6份钠基膨润土，0.5～3份钻井液高温保护剂，2～6份高温降滤失剂GLJ-I，2～6份高温降滤失剂GLJ-II，2～4份高温封堵剂，重晶石0～300份；其中，钠基膨润土为天然钠基膨润土或钙基膨润土，钻井液高温保护剂为苯乙烯磺酸钠、丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸三元共聚物，分子量为1000～5000，高温降滤失剂GLJ-I具体磺化腐植酸类降滤失剂，高温降滤失剂GLJ-II为磺化树脂型改性降滤失剂，高温封堵剂为磺化改性天然植物沥青，重晶石为硫酸钡，密度大于4.2g/cm3。该钻井液流变性好，粘度和切力较低，在现场的使用温度最高为210℃。
上述两件专利申请公开的超高温水基钻井液虽然抗超高温能力强，流变性好的特点，但二者适用于深井中高压力地层，而在压力中等偏低且含有大段非均质碳酸盐的地层钻进时，所表现携岩稳定性、抑制性和封堵性不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决深井、超深井超高温环境下钻井液性能不稳定、携岩能力差、固相含量高等问题的低固相超高温水基钻井液。
本发明的另一目的是提供一种制备上述低固相超高温水基钻井液的制备方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种低固相超高温水基钻井液，包括以重量计的100份溶剂水、3～4份膨润土、1.8～2.2份包被抑制剂、2.3～3.5份降滤失剂、2～2.5份抗高温树脂、2～2.5份页岩抑制剂、1.5～2份提切剂和15～35份超细碳酸钙；其中，
所述包被抑制剂为低粘聚阴离子纤维素、高粘聚阴离子纤维素和两性离子聚合物包被剂中至少一种；
优选，所述包被抑制剂为低粘聚阴离子纤维素、高()粘聚阴离子纤维素和两性离子聚合物包被剂的混合物，三者重量比为1:(0.5～1):(0～0.5)；通过采用复合离子型的包被抑制剂，即分子中引入阳离子基团，改变以往的处理剂与粘土颗粒及钻屑间的多点吸附或氢键，键合为正负电荷相互吸引形成的离子键，吸附牢固而且受温度影响较小，能有效地包被钻屑，防止钻屑和泥页岩水化；
所述降滤失剂为分子量为0～60万的聚合物类降滤失剂A和分子量≥200万的聚合物类降滤失剂B的混合物；其中，所述降滤失剂A为双聚铵盐、羧甲基纤维素、羧甲基淀粉中至少一种；所述降滤失剂B为有机硅聚合物降滤失剂、磺酸盐共聚物降滤失剂、抗高温降滤失剂中至少一种；
优选，所述抗高温降滤失剂为侧链上含有碳硫单键(C-S)和/或碳氮单键(C-N)聚合物类降滤失剂。具体地可采用雪佛龙菲利普斯化工有限公司生产的型号为Driscal D的抗高温降滤失剂。
优选，所述降滤失剂为降滤失剂A、有机硅聚合物降滤失剂、磺酸盐共聚物降滤失剂和抗高温降滤失剂的混合物，四者的重量比为0.5:(1～1.5):(0.5～1):(0.8～2)。
通过采用多种降滤失剂进行复配，使降滤失成分的分子链长短适中，并且含有较强的水化基团，在有效的加量范围内不使钻井液严重增稠，并使处理剂在高温下有良好的亲水性；具体来说，通过采用分子量为60万以内的中、小分子与分子量在200万以上的大分子复配使用，使小分子降滤失、改善泥饼质量，及大分子控制固相、稳定井壁和改善流型的优点得到充分发挥，从而使复配后的降滤失剂满足现场性能需求；
所述抗高温树脂为二甲基丙磺酸树脂、磺甲基酚醛树脂、羧甲基磺化酚醛树脂中至少一种；通过采用上述经过改性的树脂实现树脂取代度、磺化度与钻井液的矿化度相适应，保证处理剂在粘土颗粒表面能形成较厚的水化膜，使钻井液具有较强的热稳定性，同时可使泥饼致密并且压缩性好，使钻井液具有良好的防塌、防卡性能；
所述页岩抑制剂为磺化沥青、磺化沥青盐、高酸溶磺化沥青、改性磺化沥青中至少一种；采用磺化沥青或磺化沥青类物质作为页岩抑制剂，可有效抑制泥页岩水化膨胀，防止地层坍塌，同时增强钻井液体系的抗温抗盐能力。
所述提切剂为正电结构剂、增粘提切剂、聚酯提切剂中至少一种；其不仅具有良好的的耐高温效果，同时，其可以在钻井液体系中可形成空间网状结构，从而提高体系的切力和悬浮携带能力。
优选，所述溶剂水为以氯化钠计的矿化度低于1.0％的天然淡水。
优选，所述膨润土为天然钠基膨润土或钙基膨润土钠化改性膨润土。
优选，所述超细碳酸钙采用密度为2.7～2.9g/cm3，粒径为600目的轻质碳酸钙。
一种上述低固相超高温水基钻井液的制备方法，步骤如下：首先量取溶剂水，边搅拌边加入膨润土，经过低速搅拌20min，室温下养护24h制成预水化膨润土浆；然后将预水化膨润土浆放在高搅机上，在高速搅拌下，依次加入包被抑制剂、降滤失剂、抗高温树脂、页岩抑制剂、提切剂和超细碳酸钙，加入完毕后继续搅拌20min，再室温下养护24h，即制得该低固相超高温水基钻进液。
优选，在配制预水化膨润土浆时，在加入膨润土的同时还加入有占膨润土重量的5％的无水碳酸钠。
优选，所述低速电动搅拌的速度为0～3000r/min，所述高速电动搅拌的速度为11000±300r/min。
通过上述方法配制得到的低固相超高温水基钻井液的密度为1.1-1.2g/cm3。
与现有技术相比，该低固相超高温水基钻井液相对于油基钻井液成本低、对环境污染小；其通过选用复合离子型包被抑制剂、页岩抑制剂及可形成空间网状结构的提切剂，确保钻井液体系具有较强的悬浮性、携岩性及封堵抑制性；通过选用的降滤失剂能很好地控制“增粘效应”，及老化后“急剧降粘效应”；通过选用的处理剂磺化度、矿化度与钻井液体系的磺化度和矿化度相匹配，并且亲水基团的数量与磺化基团的数量保持在合适的比例，确保体系的抗温性，避免高温固化现象的发生。
综上所述，该低固相超高温水基钻井液的抗温温度能够达到220℃，流变性良好，携岩性和封堵抑制性强；并且在现场应用中，该低固相超高温水基钻井液在安探4X井得到成功应用，取得良好现场使用效果，具有极好的推广使用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
以下实施例1～3中使用的各成分均为市场上销售产品，且实验时严格按照行业标准或企业标准检验，合格才能使用。具体见表1。
表1：
Figure GDA0002627897130000051
Figure GDA0002627897130000061
实施例1
低固相超高温水基钻井液产品I：
先量取400mL溶剂水，边搅拌边加入3g膨润土和0.15g无水碳酸钠，低速搅拌20min，室温下养护24h制成预水化膨润土浆；然后再把预水化膨润土浆放入高搅机上，在高速11000r/min电动搅拌下，依次加入4g PAC-LV、4g PAC-HV和0.8g FA-367，搅拌20min后再加入2g CMS、6g DS-143、2g Redu-1、4g Driscal D，继续搅拌20min后再加入10g SMPC-Ⅲ、10g DYFT-II、8gHE-300和60克超细碳酸钙，添加完毕后搅拌20min，再室温下水化24h，即制得该低固相超高温水基钻井液，其密度为1.10g/cm3。
实施例2
低固相超高温水基钻井液产品II：
先量取400mL溶剂水，边搅拌边加入4g膨润土和0.2g无水碳酸钠，低速搅拌20min，室温下养护24h制成预水化膨润土浆；然后再把预水化膨润土浆放入高搅机上，在高速11000r/min电动搅拌下，依次加入4g PAC-LV、2g PAC-HV和1.2g FA-367，搅拌20min后再加入2g NPAN、4g DS-143、2g DSP-2、3.2g Driscal D，继续搅拌20min后再加入8g SMP-3、8gFF-I、6g SDZJ和102克超细碳酸钙，添加完毕后搅拌20min，再室温下水化24h，即制得该低固相超高温水基钻井液，其密度为1.15g/cm3。
实施例3
低固相超高温水基钻井液产品III：
先量取400mL溶剂水，边搅拌边加入4g膨润土和0.2g无水碳酸钠，低速搅拌20min，室温下养护24h制成预水化膨润土浆；然后再把预水化膨润土浆放入高搅机上，在高速11000r/min电动搅拌下，依次加入4g PAC-LV、2.8g PAC-HV、0.8g FA-367，搅拌20min后再加入2g NPAN、6g SO-1、2g Redu-1、8g Driscal D，继续搅拌20min后再加入8g SMP-Ⅲ、8gSoltex、6gPZX-1和140克超细碳酸钙，添加完毕后搅拌20min，再水化24h后，即制得该低固相超高温水基钻井液，其密度为1.2g/cm3。
性能测试：
将实施例1～3制备的低固相超高温水基钻井液产品加热至70℃，在高速11000r/min搅拌5min后测其粘度、切力、中压滤失量，之后将实验浆装入老化罐中，在220℃下热滚16h，冷却至70℃，在高速11000r/min高速搅拌5min后测其粘度、切力、中压滤失量和高温高压滤失量。测试结果见表2。
表2：
Figure GDA0002627897130000071
由表2所示，该低固相超高温水基钻井液在经220℃/16h老化后，粘度值均无下降，而是略有上升，证明体系中有效成分的分子链在高温下未发生断裂而失效，而是分子链进一步舒展，使较多官能团展露在分子链外侧，更好地发挥作用；另外，动切力和静切力均较高，证明体系中的有效成分可以有效悬浮携带钻屑，保证井眼的清洁。此外，在220℃/16h老化前后，体系的API滤失量均在4.0mL左右，说明体系中的有效分子和土及加重材料碳酸钙形成了较好的泥饼，能有效控制滤失量，并抑制井壁垮塌、掉块，保证安全钻进；高温高压滤失量均在15mL以下，符合超高温钻井液的现场应用要求。可见，该低固相超高温水基钻井液的热稳定性强，降滤失能力及形成较好泥饼的能力强，有利于抑制井壁垮塌、掉块，保证安全钻进。
进一步采用安探4X井6000～6200m井段的岩屑，对实施例中所配制的钻井液体系进行了滚动回收率测定。测试结果见表3。
表3：
钻井液 投入质量/g 实验条件 回收质量/g 回收率/％
清水 39.99 220℃/16h 11.94 29.98
实施例1 39.99 220℃/16h 38.35 95.90
实施例2 40.00 220℃/16h 38.02 95.05
实施例3 40.00 220℃/16h 38.95 97.38
由表3所示，该低固相超高温水基钻井液的岩屑滚动回收率达到95％以上，证明该体系具有较好的抑制岩屑水化分散、净化井眼的能力，即实现了钻井液体系的低固相。
将实施例3的钻井液在华北油田安探4X井中进行现场应用。
其中，安探4X井是华北油田杨税务潜山的一口超高温探井，完钻井深为6455m，井底最高温达到206℃，是目前华北油田完钻的最深井。该井四开井段所用钻井液出现提升拉力大，返出砂子细，高分子聚合物抗温能力不高的问题。而当使用了本发明的低固相超高温钻井液体系后则取得了良好的效果，返出的岩屑以最初的形态返至地面，颗粒均匀，未出现分散的小颗粒及大的掉块，而且高分子聚合物抗温能力不强和提升拉力大的问题也得到较好的解决。现场部分井深钻井液性能见表4。
表4：
Figure GDA0002627897130000081
Figure GDA0002627897130000091
从表4中可以看出，现场钻井液应用效果好；具体来说，低固相超高温水基钻井液体系性能稳定，流变性良好，具有较强的包被抑制性，钻进中返出钻屑均为钻头破碎的岩屑，实现了钻井液低固相；体系封堵造壁性强，能有效抑制井壁垮塌、掉块；同时可有效悬浮携带钻屑，井眼净化能力强，很好地满足了后续地质录井的要求。

Claims (7)

1.一种低固相超高温水基钻井液，其特征在于，包括以重量计的100份溶剂水、3～4份膨润土、1.8～2.2份包被抑制剂、2.3～3.5份降滤失剂、2～2.5份抗高温树脂、2～2.5份页岩抑制剂、1.5～2份提切剂和15～35份超细碳酸钙；其中，
所述包被抑制剂为低粘聚阴离子纤维素、高粘聚阴离子纤维素和两性离子聚合物包被剂的混合物，三者重量比为1:(0.5～1):(0.1～0.5)；
所述降滤失剂为分子量≤60万的聚合物类降滤失剂A和分子量≥200万的聚合物类降滤失剂B的混合物；所述降滤失剂A为双聚铵盐、羧甲基纤维素、羧甲基淀粉中至少一种，所述降滤失剂B为有机硅聚合物降滤失剂、磺酸盐共聚物降滤失剂和抗高温降滤失剂的混合物；所述抗高温降滤失剂为Driscal D；所述降滤失剂为降滤失剂A、有机硅聚合物降滤失剂、磺酸盐共聚物降滤失剂和抗高温降滤失剂的混合物，四者的重量比为0.5:(1～1.5):(0.5～1):(0.8～2)；
所述抗高温树脂为SMPC-III、磺甲基酚醛树脂、羧甲基磺化酚醛树脂中至少一种；
所述页岩抑制剂为磺化沥青、磺化沥青盐、改性磺化沥青中至少一种；
所述提切剂为SDZJ型正电结构剂、聚酯提切剂中至少一种。
2.根据权利要求1所述的低固相超高温水基钻井液，其特征在于，所述溶剂水为以氯化钠计的矿化度低于1.0％的天然淡水。
3.根据权利要求1所述的低固相超高温水基钻井液，其特征在于，所述膨润土为天然钠基膨润土或钙基膨润土钠化改性膨润土。
4.根据权利要求1所述的低固相超高温水基钻井液，其特征在于，所述超细碳酸钙采用密度为2.7～2.9g/cm3，粒径为600目的轻质碳酸钙。
5.一种如权利要求1所述的低固相超高温水基钻井液的制备方法，其特征在于，步骤如下：首先量取溶剂水，边搅拌边加入膨润土，经过低速搅拌20min，室温下养护24h制成预水化膨润土浆；然后将预水化膨润土浆放在高搅机上，在高速搅拌下，依次加入包被抑制剂、降滤失剂、抗高温树脂、页岩抑制剂、提切剂和超细碳酸钙，加入完毕后继续搅拌20min，再室温下养护24h。
6.根据权利要求5所述的低固相超高温水基钻井液的制备方法，其特征在于，所述低速搅拌的速度≤3000r/min，所述高速搅拌的速度范围为11000±300r/min。
7.根据权利要求5所述的低固相超高温水基钻井液的制备方法，其特征在于，在配制预水化膨润土浆时，在加入膨润土的同时还加入有占膨润土重量的5％的无水碳酸钠。
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