CN109266316A - 一种钻井液用抗高温增粘提切剂及其制备方法和钻井液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及油田钻井液技术领域的一种钻井液用抗高温增粘提切剂及其制备方法和钻井液。所述钻井液用抗高温增粘提切剂为海藻酸钙微凝胶,所述海藻酸钙微凝胶为球形颗粒;所述海藻酸钙微凝胶的平均粒径(D50)为200~1000nm,优选为200~800nm,更优选为200~400nm。所述海藻酸钙微凝胶是通过海藻酸钠与氯化钙通过交联反应制备的。所述抗高温无土相水基钻井液,以所述抗高温无土相水基钻井液中的水为100重量份计,所述钻井液用抗高温增粘提切剂的用量为0.1~5重量份,优选为0.2~3重量份,更优选为0.5~1重量份。本发明的抗高温无土相水基钻井液具有优异的热稳定性,抗温可达160℃,适宜于深水平井钻井作业,具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及油田钻井液技术领域,更进一步说,涉及一种钻井液用抗高温增粘提切剂及其制备方法和钻井液。
背景技术
随着油气资源的日益枯竭,深水平井钻井已逐渐成为开发深层油气藏的重要技术手段。由于油气藏埋藏深、造斜点深,深水平井造斜段和水平段钻进过程中存在较高的摩阻和扭矩,不仅严重影响了钻进速度和井眼轨迹控制,同时也威胁到钻井作业的安全,是制约深水平井水平段延伸长度的核心难题,这对钻井液的润滑性能提出了较高的要求。传统水基钻井液体系中起主要增粘作用的成分是膨润土,但是以胶体尺度分散的膨润土片状颗粒会对钻井液的润滑性造成不利影响。此外,钻开油气层时微细的膨润土颗粒容易侵入储层,使其渗透率大大降低,影响油气产量。因此近年来不含膨润土的水基钻井液(无土相水基钻井液)成为研究热点并逐渐应用于对钻井液润滑性和储层保护性能要求苛刻的水平井。
水平井的井眼清洁问题是制约其技术发展的主要瓶颈之一。井眼清洁效果不好不仅直接影响水平井钻进,也会对电测、下套管、固井作业等后续操作造成不利影响,严重时甚至造成卡钻、断钻具等井下事故。因此钻井液能否及时有效地携带出井内岩屑,保持井眼清洁,防止岩屑床的形成,是水平井能否顺利施工的关键。目前水平井常用的无土相水基钻井液体系,主要采用生物聚合物或纤维素衍生物代替膨润土来赋予钻井液适当的粘度和切力以悬浮加重材料并携带岩屑。公开号为CN102127401A的中国专利公开了一种钻井液增粘剂,采用淀粉、瓜尔胶等天然产物和碱性氢氧化物及环氧化物为主要成分,这些高分子化合物通常在超过135℃的温度下就会因热降解而逐渐失效,只能使用于较浅的水平井。公开号为CN104829781A的中国专利公开了一种钻井液用水基钻井液增粘提切剂,由不饱和酸、不饱和酰胺和不饱和季铵盐单体聚合而成。公开号为CN101955564A的中国专利公开了一种能够有效调节钻井液流型的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和丙烯酸共聚物增粘剂。其中所述的共聚物类增粘剂尽管抗温可达160℃,但在无膨润土的钻井液中的增粘提切效果十分有限。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提出一种钻井液用抗高温增粘提切剂。具体地说涉及一种钻井液用抗高温增粘提切剂及其制备方法和钻井液。本发明的目的在于克服现有无土相水基钻井液中常用的增粘剂抗温能力不足的问题,本申请将海藻酸钙微凝胶作为抗高温增粘剂应用于钻井液。
本发明目的之一是提供一种钻井液用抗高温增粘提切剂,其中所述钻井液用抗高温增粘提切剂选自海藻酸钙微凝胶,所述海藻酸钙微凝胶优选为球形颗粒。
海藻酸钙微凝胶是通过海藻酸钠与Ca2+的交联反应生成的凝胶微球。目前海藻酸钙微凝胶微球主要用作为口服药物的缓释载体。本发明所述海藻酸钙微凝胶,属于微米级的凝胶颗粒,是一种具有分子内交联结构的聚合物微粒。本发明的发明人发现,将具有特定尺寸的海藻酸钙微凝胶作为适用于水基钻井液尤其是无土相水基钻井液的增粘提切剂,相比现有技术的黄原胶和改性纤维素等增粘剂热稳定性更好,能够在160℃的温度下发挥较好的增粘提切效果,使无土相水基钻井液获得较高的动切力、静切力和动塑比,增强体系携岩及悬浮加重材料的能力。此外,海藻酸钙微凝胶还具有良好的润滑性能,可以有效降低钻井液的摩阻系数。凝胶微球颗粒越大则分散在水中后的增粘效果越差;颗粒越小,则越不稳定容易团聚。因此颗粒尺寸需要在适宜的范围内才能在钻井液中发挥较好的作用。本申请所述海藻酸钙微凝胶的平均粒径(D50)为200~1000nm,优选为200~800nm,更优选为200~400nm。
本发明目的之二是提供一种钻井液用抗高温增粘提切剂的制备方法,可包括以下步骤:
通过海藻酸钠与氯化钙通过交联反应制备得到所述海藻酸钙微凝胶。
具体地,所述海藻酸钙微凝胶的制备方法可包括以下步骤:
将反应容器置于恒温水浴锅中,加入100~300g重量浓度为0.5%~8%的海藻酸钠溶液,用剪切乳化搅拌器在一定转速下搅拌,同时升温至30~60℃,边搅拌边通过蠕动泵向反应容器中缓慢滴加25~75g的重量浓度为0.2%~1%的氯化钙溶液,搅拌反应,将得到的产物水溶液离心分离出固相,洗涤,真空干燥,得到粉末状海藻酸钙微凝胶。
具体地,可包括以下步骤:
将500mL烧杯置于恒温水浴锅中,加入200g海藻酸钠溶液,用剪切乳化搅拌器在一定转速下搅拌,同时升温至40℃。温度升至指定值后边搅拌边通过蠕动泵向烧瓶中缓慢滴加50g的0.5%质量浓度的氯化钙溶液,蠕动泵流量为2mL/min,约25min滴加完毕,然后继续搅拌约10min。将得到的产物水溶液离心分离出固相,并用去离子水和乙醇反复洗涤数次后于60℃真空干燥16h,最终得到粉末状海藻酸钙微凝胶。
所述海藻酸钠是一种由β-D-甘露糖醛酸与α-L-古洛糖醛酸依靠β-1,4-糖苷键连接而成的线性天然高分子化合物。根据上述方法,所述海藻酸钙微凝胶的粒径和形状可以简单的通过改变海藻酸钠溶液浓度或剪切搅拌速率而改变。搅拌速率越快,得到的微凝胶颗粒越大。所述剪切乳化搅拌器的搅拌速度可以为1000~5000转/分,优选为1000~3000转/分,更优选为1000~2000转/分。海藻酸钠溶液浓度越高,微凝胶的粒径越小。海藻酸钠溶液的重量浓度可以为0.5~8%,优选为0.5~5%,更优选为1~4%重量,进一步优选为1~2%重量。
本发明目的之三是提供一种抗高温无土相水基钻井液,其包含所述钻井液用抗高温增粘提切剂。所述抗高温无土相水基钻井液可包含以重量份数计的以下组分:
以所述抗高温无土相水基钻井液中的水为100重量份计,
所述钻井液用抗高温增粘提切剂的用量为0.1~5重量份,优选为0.2~3重量份,更优选为0.5~1重量份。
在本发明中,所适用的钻井液可以为本领域所熟知的各种水基钻井液,考虑到海藻酸钙微凝胶代替膨润土起到较好的增粘作用,优选情况下,所述钻井液为无土相水基钻井液。
本发明所述无土相水基钻井液的基础流体可以是任何合适的水基流体,其包括但不必要限于:淡水、海水和盐水中的一种或多种混合。盐水基本上可以含有任何合适的盐,包括但不必要限于:基于金属的盐,所述金属为钠、钙、镁、钾、铯,钙和钠的盐是优选的。盐基本上可以含有任何阴离子,优选的阴离子为较廉价的阴离子,其包括但不必要限于氯离子,溴离子,甲酸根,乙酸根和硝酸根。通常,基础流体存在于本发明钻井液中的量在钻井液重量的约35%至约98%的范围内,更优选在约70%至约95%以上。
所述添加剂的种类可以为本领域技术人员所熟知的各种添加剂,其包括但不必要限于:降滤失剂,作用为提高钻井液滤失造壁性,减少钻井液中水分向地层的渗透;包被剂,作用为包被岩屑,防止岩屑分散,便于控制钻井液固含量;pH调节剂,作用为调节钻井液pH值在微碱性范围;页岩抑制剂,作用为抑制泥页岩水化分散,稳定井壁;防塌剂,作用为封堵泥页岩为孔隙,维持井壁稳定;润滑剂,作用为提高钻井液润滑性;加重剂,作用为提高钻井液密度。
所述添加剂的种类可以为本领域常规的各种添加剂。例如所述降滤失剂包括但不必要限于:改性淀粉(羧甲基淀粉、羟乙基淀粉)、改性纤维素(羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素)、磺化褐煤、磺化酚醛树脂、磺化褐煤树脂、水解聚丙烯腈铵盐中的一种或多种混合,优选为磺化褐煤树脂、磺化酚醛树脂的组合;所述加重剂包括但不必要限于铁矿粉、碳酸钙粉、重晶石与赤铁矿的混合物和方铅矿粉中的一种或多种混合,优选为重晶石;所述包被剂包括但不必要限于部分水解聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺钾盐、阳离子聚丙烯酰胺、丙烯酰胺类共聚物的一种或多种混合,优选为阳离子聚丙烯酰胺;所述页岩抑制剂包括但不必要限于氯化钾、氯化胆碱、小阳离子(2,3-环氧丙基三甲基氯化铵)、聚醚二胺的一种或多种混合,优选为氯化胆碱和氯化钾的组合;所述防塌剂包括但不必要限于腐殖酸钾、沥青、磺化沥青、聚乙二醇的一种或多种混合,优选为腐殖酸钾和磺化沥青的组合;所述pH调节剂包括但不必要限于氢氧化钠和氢氧化钾的一种或两种混合,优选为氢氧化钾;所述润滑剂包括但不必要限于石墨、妥尔油、磺化蓖麻油、油酸甘油酯、白油和聚醚多元醇中的一种或多种,优选为磺化蓖麻油。上述添加剂可以是市售品,也可以根据本领域常规的方法制得,这里不再赘述。
具体地,可包含以重量份数计的以下组分:
以所述抗高温无土相水基钻井液中的水为100重量份计,
所述钻井液用抗高温增粘提切剂用量为0.1~5重量份,优选为0.2~3重量份,更优选为0.5~1重量份;
降滤失剂0.2~10重量份,优选为0.5~8重量份;
包被剂0.2~1重量份,优选0.2~0.6重量份,更优选为0.3~0.4重量份;
页岩抑制剂0.2~7重量份,优选为2~7重量份;
pH调节剂0.1~0.5重量份,优选为0.1~0.3重量份;
润滑剂0.1~4重量份,优选为1~3重量份;
加重剂0~80重量份,优选为0~50重量份;
防塌剂1~8重量份,优选为4~6重量份。
进一步地,所述的抗高温无土相水基钻井液可包含以重量份数计的以下组分:
以所述抗高温无土相水基钻井液中的水为100重量份计,
所述钻井液用抗高温增粘提切剂0.5~1重量份,
磺化酚醛树脂2~4重量份,
磺化褐煤树脂2~4重量份,
阳离子聚丙烯酰胺0.3~0.4重量份,
氯化钾1~4重量份,
氯化胆碱1~3重量份,
氢氧化钾0.1~0.2重量份,
磺化蓖麻油2~3重量份,
重晶石10~20重量份,
腐殖酸钾2~4重量份,
磺化沥青1~2重量份。
所述的一种抗高温无土相水基钻井液的制备方法,可包括以下步骤:
按所述用量将包含所述钻井液用抗高温增粘提切剂在内的组分与水基钻井液混合均匀,即得。
本发明提供的具有特定尺寸的海藻酸钙微凝胶作为钻井液用抗高温增粘提切剂,与现有技术相比的主要优势在于:
(1)本发明的增粘提切剂能够在一定的增粘程度下,使水基钻井液体系获得较高的动塑比,赋予水基钻井液优异的携岩和悬浮加重材料的性能;
(2)相对于目前现有技术常采用黄原胶类生物聚合物作为无土相水基钻井液的增粘提切剂,黄原胶等高分子化合物的分子链在高温下容易氧化降解而断链,而本申请的增粘提切剂的多糖或聚合物微凝胶的分子链由于发生分子内交联,因而抗温抗氧化性优于黄原胶;
(3)本发明的抗高温无土相水基钻井液具有优异的热稳定性,抗温可达160℃,适宜于深水平井钻井作业;
(4)本发明的增粘提切剂能够提高无土相水基钻井液的润滑性能,使其接近甚至超过油基钻井液和合成基钻井液的水平,有利于降低水平井摩阻和扭矩,提高水平井钻井效率,减少卡钻等井下复杂情况发生率;
(5)本发明的抗高温无土相水基钻井液可以用于各种油气井,例如直井、定向井、大位移井、水平井等。
具体实施方式
下面结合实施例,进一步说明本发明。但本发明不受这些实施例的限制。
在本发明中,采用日本JEOL公司型号为JEM-2100的透射电镜(TEM)测定海藻酸钙微凝胶颗粒的微观形态和平均粒径。样品的制备方法:将稀释成0.1重量%的海藻酸钙微凝胶的水分散液滴到碳膜覆盖的铜制微栅上,并用红外灯烘干。采用美国Brookhaven公司型号为ZetaPALS高分辨Zeta电位及粒度分析仪测定分散在水中的海藻酸钙微凝胶平均粒径。
实施例1~4用于说明本发明提供的海藻酸钙微凝胶的制备方法。
实施例1
将500mL烧杯置于恒温水浴锅中,加入200g 1%重量浓度的海藻酸钠溶液,用剪切乳化搅拌器在1500转/分下搅拌,同时升温至40℃。温度升至指定值后边搅拌边通过蠕动泵向烧瓶中缓慢滴加50g 0.5%重量浓度的氯化钙溶液,蠕动泵流量为2mL/min,约25min滴加完毕,然后继续搅拌约10min。将得到的产物水溶液离心分离出固相,并用去离子水和乙醇反复洗涤数次后于60℃真空干燥16h,最终得到粉末状海藻酸钙微凝胶。通过透射电镜(TEM)测定产物海藻酸钙微凝胶为球状颗粒,平均粒径为535nm。
实施例2
将500mL烧杯置于恒温水浴锅中,加入200g 2%重量浓度的海藻酸钠溶液,用剪切乳化搅拌器在1500转/分下搅拌,同时升温至40℃。温度升至指定值后边搅拌边通过蠕动泵向烧瓶中缓慢滴加50g 0.5%重量浓度的氯化钙溶液,蠕动泵流量为2mL/min,约25min滴加完毕,然后继续搅拌约10min。将得到的产物水溶液离心分离出固相,并用去离子水和乙醇反复洗涤数次后于60℃真空干燥16h,最终得到粉末状海藻酸钙微凝胶。通过透射电镜(TEM)测定产物海藻酸钙微凝胶为球状颗粒,平均粒径为458nm。
实施例3
将500mL烧杯置于恒温水浴锅中,加入200g 4%重量浓度的海藻酸钠溶液,用剪切乳化搅拌器在1500转/分下搅拌,同时升温至40℃。温度升至指定值后边搅拌边通过蠕动泵向烧瓶中缓慢滴加50g 0.5%重量浓度的氯化钙溶液,蠕动泵流量为2mL/min,约25min滴加完毕,然后继续搅拌约10min。将得到的产物水溶液离心分离出固相,并用去离子水和乙醇反复洗涤数次后于60℃真空干燥16h,最终得到粉末状海藻酸钙微凝胶。通过透射电镜(TEM)测定产物海藻酸钙微凝胶为球状颗粒,平均粒径为286nm。
实施例4
将500mL烧杯置于恒温水浴锅中,加入200g 4%重量浓度的海藻酸钠溶液,用剪切乳化搅拌器在3000转/分下搅拌,同时升温至40℃。温度升至指定值后边搅拌边通过蠕动泵向烧瓶中缓慢滴加50g 0.5%重量浓度的氯化钙溶液,蠕动泵流量为2mL/min,约25min滴加完毕,然后继续搅拌约10min。将得到的产物水溶液离心分离出固相,并用去离子水和乙醇反复洗涤数次后于60℃真空干燥16h,最终得到粉末状海藻酸钙微凝胶。通过透射电镜(TEM)测定产物海藻酸钙微凝胶为球状颗粒,平均粒径为475nm。
效果实施例1~4用于说明本发明提供的海藻酸钙微凝胶在无土相水基钻井液中的增粘效果。
效果实施例1~4
按照以下配方配置水基钻井液:100重量份的水,0.2重量份的KOH,0.4重量份的阳离子聚丙烯酰胺,3重量份的磺化酚醛树脂SMP-II,3重量份的磺化褐煤树脂SPNH,3重量份的磺化蓖麻油,3重量份的氯化钾,3重量份的氯化胆碱,2重量份的磺化沥青,3重量份的腐殖酸钾,10重量份的重晶石(硫酸钡含量为93重量%),以及分别加入0.5重量份的实施例1~4制备的增粘提切剂海藻酸钙微凝胶;从而得到钻井液A1~A4。
对比例1~2
根据效果实施例1~4所述的配方,所不同的是,分别加入0.5重量份的黄原胶(购自河南郑州盛凯化工产品有限公司)和羧甲基淀粉(河北文安县中德化工有限公司)代替实施例1~4制备的增粘提切剂海藻酸钙微凝胶,从而制得钻井液DA1、DA2。
测试例
将钻井液A1~A4和DA1~DA2在160℃下热滚16h,冷却至室温后使用六速旋转粘度计(青岛海通达专用仪器有限公司),按照GB/T 16783.1-2006(石油天然气工业钻井液现场测试第1部分:水基钻井液)中记载的方法对各钻井液的流变性(表观粘度AV、塑性粘度PV、动切力YP、静切力Gel10”/10’)进行测定。然后使用极压润滑仪(美国Fann仪器公司)对各钻井液的润滑系数进行测定。
测量结果如表1中所示。
表1
通过表1的数据可以看出,采用本发明的增粘提切剂的钻井液A1~A4,经160℃老化后的动切力能够达到8.5~13.5Pa,初切力能够达到3~4Pa,终切力能够达到6~10Pa,这表明这些钻井液具有良好的流变性,能够在随钻和停钻时有效悬浮加重材料及携带岩屑;此外,润滑系数能够达到0.10~0.12,这表明这些钻井液具有良好的润滑性能;而采用传统增粘剂黄原胶和改性淀粉的钻井液DA1~DA2的动切力、静切力均较低,润滑系数较高,说明本发明的增粘提切剂在160℃高温下具有更优的性能。
Claims (10)
1.一种钻井液用抗高温增粘提切剂,其特征在于:
所述钻井液用抗高温增粘提切剂为海藻酸钙微凝胶,所述海藻酸钙微凝胶为球形颗粒;
所述海藻酸钙微凝胶的平均粒径(D50)为200~1000nm,优选为200~800nm,更优选为200~400nm。
2.根据权利要求1所述的钻井液用抗高温增粘提切剂的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
通过海藻酸钠与氯化钙通过交联反应制备得到所述海藻酸钙微凝胶。
3.根据权利要求2所述的钻井液用抗高温增粘提切剂的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
将反应容器置于恒温水浴锅中,加入100~300g的0.5%~8%海藻酸钠溶液,用剪切乳化搅拌器搅拌,同时升温至30~60℃,边搅拌边通过蠕动泵向反应容器中缓慢滴加25~75g的0.2%~1%氯化钙溶液,搅拌反应,将得到的产物水溶液离心分离出固相,洗涤,真空干燥,得到粉末状海藻酸钙微凝胶。
4.根据权利要求3所述的钻井液用抗高温增粘提切剂的制备方法,其特征在于:
所述剪切乳化搅拌器的搅拌速度为1000~5000转/分,优选为1000~3000转/分,更优选为1000~2000转/分。
5.包含权利要求1所述的钻井液用抗高温增粘提切剂或者包含由权利要求2~4之任一项所述的制备方法制得的钻井液用抗高温增粘提切剂的一种抗高温无土相水基钻井液,其特征在于包含以重量份数计的以下组分:
以所述抗高温无土相水基钻井液中的水为100重量份计,
所述钻井液用抗高温增粘提切剂的用量为0.1~5重量份,优选为0.2~3重量份,更优选为0.5~1重量份。
6.根据权利要求5所述的抗高温无土相水基钻井液,其特征在于包含以重量份数计的以下组分:
以所述抗高温无土相水基钻井液中的水为100重量份计,
所述钻井液用抗高温增粘提切剂用量为0.1~5重量份,优选为0.2~3重量份,更优选为0.5~1重量份;
降滤失剂0.2~10重量份,优选为0.5~8重量份;
包被剂0.2~1重量份,优选0.2~0.6重量份,更优选为0.3~0.4重量份;
页岩抑制剂0.2~7重量份,优选为2~7重量份;
pH调节剂0.1~0.5重量份,优选为0.1~0.3重量份;
润滑剂0.1~4重量份,优选为1~3重量份;
加重剂0~80重量份,优选为0~50重量份;
防塌剂1~8重量份,优选为4~6重量份。
7.根据权利要求6所述的抗高温无土相水基钻井液,其特征在于包含以重量份数计的以下组分:
以所述抗高温无土相水基钻井液中的水为100重量份计,
所述钻井液用抗高温增粘提切剂用量为0.2~3重量份,优选为0.5~1重量份;
降滤失剂0.5~8重量份;
包被剂0.2~0.6重量份,优选为0.3~0.4重量份;
页岩抑制剂为2~7重量份;
pH调节剂0.1~0.3重量份;
润滑剂1~3重量份;
加重剂0~50重量份;
防塌剂4~6重量份。
8.根据权利要求6或7所述的抗高温无土相水基钻井液,其特征在于:
所述降滤失剂选自羧甲基淀粉、羟乙基淀粉、羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素、磺化褐煤、磺化酚醛树脂、磺化褐煤树脂、水解聚丙烯腈铵盐中的至少一种,优选为磺化褐煤树脂、磺化酚醛树脂中的至少一种;
所述包被剂选自部分水解聚丙烯酰胺、聚丙烯酰胺钾盐、阳离子聚丙烯酰胺、丙烯酰胺类共聚物中的至少一种,优选为阳离子聚丙烯酰胺;
所述页岩抑制剂选自氯化钾、氯化胆碱、2,3-环氧丙基三甲基氯化铵、聚醚二胺中的至少一种,优选为氯化胆碱和氯化钾中的至少一种;
所述pH调节剂选自氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种,优选为氢氧化钾;
所述润滑剂选自石墨、妥尔油、磺化蓖麻油、油酸甘油酯、白油和聚醚多元醇中的至少一种,优选为磺化蓖麻油;
所述加重剂选自铁矿粉、碳酸钙粉、重晶石、赤铁矿、方铅矿粉中的至少一种,优选为重晶石;
所述防塌剂选自腐殖酸钾、沥青、磺化沥青、聚乙二醇中的至少一种,优选为腐殖酸钾和磺化沥青中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的抗高温无土相水基钻井液,其特征在于包含以重量份数计的以下组分:
以所述抗高温无土相水基钻井液中的水为100重量份计,
所述钻井液用抗高温增粘提切剂0.5~1重量份,
磺化酚醛树脂2~4重量份,
磺化褐煤树脂2~4重量份,
阳离子聚丙烯酰胺0.3~0.4重量份,
氯化钾1~4重量份,
氯化胆碱1~3重量份,
氢氧化钾0.1~0.2重量份,
磺化蓖麻油2~3重量份,
重晶石10~20重量份,
腐殖酸钾2~4重量份,
磺化沥青1~2重量份。
10.根据权利要求5~9之任一项所述的一种抗高温无土相水基钻井液的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
按所述用量将包含所述钻井液用抗高温增粘提切剂在内的组分与水基钻井液混合均匀,即得。
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