CN110028940B - 一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种强抑制双钾离子聚合物钻井液。以质量百分比计，所述强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液包括以下组分：2‑5%膨润土、0.2%‑0.5%烧碱、0.2‑0.3%纯碱、0.2%‑0.5%聚丙烯酰胺钾盐、5%‑10%氯化钾、0.2%‑1%两性离子聚合物包被剂、0.5%‑2%页岩抑制剂酰胺聚合物、0.5%‑1%降滤失剂、0.2%‑0.5%增粘剂、0.1%‑0.3%降粘剂，余量为水，加重剂加重密度范围1.10g/cm3‑2.40g/cm3。本发明具有很强的抑制粘土矿物吸水膨胀分散的功能，又有很好的流变性和适宜的滤失量，能显著提高泥页岩钻井速度和稳定泥页岩井壁减少井下事故发生。
Description
技术领域
本发明涉及石油天然气开采技术领域，更具体地说涉及一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液及其制备方法。
背景技术
随着油气开发和勘探逐渐向复杂地区发展，勘探过程中所遇到的自然环境越来越恶劣，钻遇叠层也日趋复杂，而泥页岩的井壁的稳定问题则是困扰钻井工业也的重大疑难问题之一，它会引发井壁坍塌、缩径、地层压裂、钻头泥包、卡钻等复杂井下事故，严重影响钻井速度，对固井、测井评价以及后期施工造成一系列的影响，部分新探区还会因此无法钻达目的层，直接影响勘探速度和经济效益。
国家知识产权局于2017年3月8日，公开了一件公开号为CN106479458A，名称为“一种双膜承压水基钻井液”的发明专利，该发明专利按质量份数计，包含以下物质：水：1000份、膨润土：10～30份、纯碱：5～10份、封堵剂：20～30份、成膜剂：30～50份、包被剂：2～5份、泥页岩抑制剂：30～50份、pH调整剂：5～10份、流型调节剂：5～20份、降滤失剂：10～40份和井壁稳定剂：20～30份；盐和重晶石可以根据需要做适当添加调节；本发明的双膜承压水基钻井液解决页岩气钻井对钻井液的特殊要求，尤其是解决漏失与井壁稳定的问题，适用于页岩气井二开大井眼的钻井要求。
上述发明存在如下缺陷：（1）配方成分较为复杂，不方便快速钻进时钻井液施工和维护处理；（2）双膜承压水基钻井液在提高地层承压能力的同时，协同配方中井壁稳定剂和泥页岩抑制剂以及封堵剂稳定了井壁，但对于部分新探区，如要求采用低密度钻井液快速钻进且能保证井壁稳定的区域并不能有效使用。（3）部分钻探区域提高地层承压能力提高钻井液密度对稳定井壁效果不明显，上述发明也不适合于此类区域。例如土库曼斯坦阿姆河右岸白垩系及以上地层的长段泥页岩，粘土含量约40%，其中伊利石和伊-蒙混层粘土含量为51.9%-89.1%，平均含量为72.1%，该地层及其不稳定，从谢龙阶到凡兰吟地层均微裂缝发育、裂缝宽度1.25-18.56μm，孔隙发育不均；微裂缝泥页岩地层钻进时极易发生水化膨胀井壁垮塌。提高地层承压能力后对井壁稳定效果不明显且提高钻井液密度后降低钻进速度明显。
因此，为实现安全快速钻井和降低钻井成本，就必须深入研究泥页岩井壁失稳的类型、原因分析和相关措施。作为钻井工程血液的钻井液，必须从地质特性出发选用钻井液体系并不断改善性能，稳定井壁。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本申请提供了一种既具有很强的抑制粘土矿物水化膨胀分散功能，又具有良好的流变性和适宜滤失量，适用于复杂大段泥页岩钻井用强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液。
为了解决上述现有技术中存在的问题，本申请是通过下述技术方案实现的：
一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液，其特征在于：以质量体积百分比计，包括以下组分：
膨润土 2-5%；烧碱 0.2-0.5%；纯碱 0.2-0.3%；聚丙酰胺钾盐KPAM 0.2-0.5%；氯化钾 5-10%；两性离子聚合物包被剂FA367 0.2%-1%；页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1 0.5%-2%；降滤失剂 0.5%-1%；增粘剂 0.2%-0.5%；降粘剂0.1%-0.3%；加重剂：细目碳酸钙或重晶石，余量为水；所述加重剂加重密度范围1.10g/cm3-2.40g/cm3。
更进一步地，作为本发明优选的技术方案，所述钻井液包括：2%膨润土，0.2%聚丙酰胺钾盐KPAM，0.25%两性离子聚合物包被剂FA367，2%页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1和7%氯化钾。
更进一步地，作为本发明优选的技术方案，所述钻井液包括：0.1%烧碱，1%两性离子聚合物包被剂FA367，5%氯化钾和1.5%页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1。
优选的，所述降滤失剂是低粘聚阴离子纤维素、低粘羧甲基纤维素在内的一种或两种的组合。
优选的，所述增粘剂是黄原胶、高粘聚阴离子纤维素、光亚凝胶在内的一种或任意两种的组合。
优选的，所述降粘剂是两性离子聚合物降粘剂、硅氟降粘剂在内的一种或两种的组合。
优选的，所述页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1选用成都市西油华巍科技有限公司生产的页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1，执行标准Q/915101146630387X.0 88-016。该产品已取得中石油集团质量认证，生物毒性和重金属检测合格。
除页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1外，其余均为符合中石油标准的常规钻井液处理剂。
一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液的制备方法，其特征在于：
在现场配置罐内装入清水，按上述配比加入烧碱、纯碱和膨润土后搅拌均匀，水化不低于24小时；水化后按上述比例加入增粘剂、降滤失剂并搅拌均匀；再加入上述比例的聚丙烯酰胺钾盐KPAM、氯化钾、两性离子聚合物包被剂FA367、页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1，搅拌使其充分溶解；继续加入上述比例的降粘剂搅拌溶解；加入加重剂，加重到所需密度同时搅拌均匀。
与现有技术相比，本申请所带来的有益的技术效果表现在：
1、本发明的特点是：在易水化膨胀造浆和坍塌的大段泥页岩钻井时，常发生钻头泥包、井眼缩径、掉块卡钻、“大肚子”井眼沉砂卡钻等井下复杂。因此本发明的目的针对上述地层首先通过两性离子包被剂，协同结合聚丙烯酰胺钾盐、氯化钾和页岩抑制剂酰胺聚合物，形成强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液体系，同时再选用聚合物调节流变性和失水造壁功能，最后从力学平衡角度提高钻井液密度达到稳定泥页岩井壁，减少井下事故的目的。
2、本发明选用的两性离子聚合物包被剂将阴、阳离子和非离子基团引在同一线性分子链上，与阴离子多元共聚物相比具有良好的防塌性和抑制粘土水化分散能力；选用的氯化钾提高了水矿化度，降低了钻井液水相进入泥页岩地层的渗透压，同时利用钾离子可以镶嵌入粘土晶格中组织水分子进入粘土晶格内抑制粘土水化膨胀；选用的聚丙烯酰胺钾盐在提高钾离子的同时，利用其包被和絮凝作用，将部分分散到钻井液体系中的粘土颗粒絮凝聚结后利用固控设备除去。
3、与常规胺基抑制剂作用机理不同，本发明选用的页岩抑制剂酰胺聚合物具有双亲特性，使亲水的岩石表面润湿反转，在岩石表面形成一层疏水膜，强化抑制与包被作用进一步提高体系抑制性，降低由于泥岩段水化膨胀、分散造浆或垮塌引起的阻卡风险；同时该胺基抑制剂提高页岩二次滚动回收率明显，和其他处理剂配伍性好，对钻井液流变性，滤失量无明显影响，现场施工时对泥页岩长时间浸泡后井壁稳定作用明显。
附图说明
图1是本发明不同配方钻井液泥岩线性膨胀对比曲线图；
图2是本发明不同配方钻井液页岩滚动回收对比实验结果（120℃）；
图3是土库曼阿姆河谢农阶泥岩地表露头和钻屑清水浸泡对比试验。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。
试验材料：膨润土，烧碱，纯碱，聚丙酰胺钾盐KPAM，氯化钾，两性离子聚合物包被剂FA367，页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1，降滤失剂，增粘剂，降粘剂，加重剂；所述页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1选用成都市西油华巍科技有限公司生产的页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1，执行标准Q/915101146630387X.0 88-016。该产品已取得中石油集团质量认证，生物毒性和重金属检测合格。除页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1外，其余均为符合中石油标准的常规钻井液处理剂。
实施例1
土库曼斯坦阿姆河右岸白垩系及以上地层为长段泥页岩，粘土含量约40%，其中伊利石和伊-蒙混层黏土含量为51.9%～89.1%，平均含量为72.1%，这是地层不稳定的根本原因；从谢龙阶到凡兰吟地层均微裂缝发育、裂缝宽度1.25～18.56um，孔隙发育不均；微裂缝泥页岩地层钻进时极易发生水化膨胀井壁垮塌。本发明强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液针对土库曼斯坦阿姆河白垩系及以上泥页岩地层钻进时地层造浆钻头泥包、粘土吸水膨胀井眼缩径、起下钻遇阻或钻进时扭矩偏大、井壁垮塌等井下复杂问题，综合应用多种抑制剂协同作用，解决了多年来土库曼斯坦阿姆河右岸白垩系及以上不稳定泥页岩地层水化膨胀、垮塌的问题，取得了巨大成功。
1、强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液基本性能：本次试验按照GB / 16 783.1-2014石油天然气工业钻井液现场测试第一部分：水基钻井液测试方法进行测试，结果如表1所示：
表 1 基本性能测试结果
由表1可看出，配方1# ～2#钻井液粘切、滤失量热滚前相差不大；120℃老化16h后粘切均降低，滤失量略有增加，但加入JXA-1和KCl后滤失量增大幅度不大，切力降低明显；但总体动塑比适中利于携砂，滤失量虽增大但满足上部泥页岩井段安全钻进需求。
配方1#：2%土浆+0.2%KPAM+0.25%FA367+重晶石
配方2#：2%土浆+0.2%KPAM+0.25%FA367+1%JXA-1+重晶石
配方3#：2%土浆+0.2%KPAM+0.25%FA367+2%JXA-1+重晶石
配方4#：2%土浆+0.2%KPAM+0.25%FA367+2%JXA-1+5%KCl＋重晶石
配方5#：2%土浆+0.2%KPAM+0.25%FA367+2%JXA-1+7%KCl＋重晶石
备注：2%土浆组分包含清水+烧碱0.2%+纯碱0.2%+膨润土2%
2、抑制性评价试验：试验根据标准ZB/TE11 001-89，利用土库曼斯坦阿姆河提塘阶泥岩对本发明钻井液体系中抑制性进行评价，结果如表2所示：
表2 体系配方中不同抑制剂协同作用对比数据
泥页岩一次回收率反映钻井液处理剂抑制性强弱，二次回收率反映经过钻井液浸泡后岩屑在清水中的分散性，分散性越小说明页岩被抑制作用强，井壁更稳定。从表2试验结果看出：本发明形成配方一次和二次回收率最高，抑制性最强。现场实钻岩屑清水浸泡试验（见附图3）也证实本发明钻井液体系强抑制性。
表2中的二次清水回收率最高配方2%土浆+0.1%NaOH+1%FA-367+ 5% KCL+ 1.5%JXA-1+1.0%PAC-LV+ 0.5%PAC-HV+0.1%降粘剂XY-27标为6#配方；附图1中的对比曲线的2%土浆+0.2%KPAM +0.25%FA367+2%JXA-1+7%KCl+1.0%PAC-LV+ 0.5%PAC-HV+0.1%XY-27标为7#配方，性能测试结果见表3所示：
表3 基本性能测试结果
3、现场使用效果评价
本发明强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液体系在土库曼斯坦Hojg-101D井和Jor-101D井Φ444.5mm泥页岩井眼得到成功应用，表现出了良好的抑制防塌性，与没有采用该发明相同井身结构的邻井Hojg22和Hojg24相比平均机械钻速由5.5 ～5.8m/h提高到8.1～8.9m/h，钻进及起下钻过程正常，邻井出现的缩径、垮塌及起下钻遇阻等井下复杂问题得到解决。
下表在Hojg-101D井和Jor-101D井应用本发明，具体配方如下：膨润土3%+烧碱0.2%+纯碱 0.2%+聚丙酰胺钾盐KPAM 0.3%+7%KCl+0.3% FA367+1.5% JXA-1+1%PAC-LV+0.3%PAC-HV+ 0.1%XY-27+细目碳酸钙3%+重晶石加重至密度1.15～1.36g/cm3。利用上述配方在直径444.5mm井眼泥页岩井段钻进长度约2500m，性能控制范围和井径扩大率如表4所示：
表4 本发明应用前后钻井液性能及井径统计
由表4统计结果可知：本发明应用在Hojg-101D井和Jor-101D后钻井液屈服值和井径扩大率同未应用前的邻井Hojg22和Hojg24相比降低明显，说明钻井液抑制性大大增强，达到了泥页岩井壁稳定目的。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了：
一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液，其特征在于：以质量体积百分比计，包括以下组分：
膨润土 3%；烧碱 0.5%；纯碱 0.3%；聚丙酰胺钾盐KPAM 0.5%；氯化钾 10%；两性离子聚合物包被剂FA367 0.2%；页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1 0.5%；降滤失剂 0.5%；增粘剂0.2%；降粘剂0.3%；加重剂：细目碳酸钙或重晶石，余量为水；所述加重剂加重密度范围1.10g/cm3-2.40g/cm3。优选的，所述降滤失剂是低粘聚阴离子纤维素、低粘羧甲基纤维素在内的一种或两种的组合。优选的，所述增粘剂是黄原胶、高粘聚阴离子纤维素、光亚凝胶在内的一种或任意两种的组合。优选的，所述降粘剂是两性离子聚合物降粘剂、硅氟降粘剂在内的一种或两种的组合。
优选的，所述页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1选用成都市西油华巍科技有限公司生产的页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1，执行标准Q/915101146630387X.0 88-016。该产品已取得中石油集团质量认证，生物毒性和重金属检测合格。除页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1外，其余均为符合中石油标准的常规钻井液处理剂。
实施例3
作为本申请又一较佳实施例，本实施例公开了：
一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液，其特征在于：以质量体积百分比计，包括以下组分：
膨润土 5%；烧碱 0.3%；纯碱 0.25 %；聚丙酰胺钾盐KPAM 0.3%；氯化钾 8%；两性离子聚合物包被剂FA367 0.8%；页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1 0.5%；降滤失剂 0.7%；增粘剂 0.3%；降粘剂0.2%；加重剂：细目碳酸钙或重晶石，余量为水；所述加重剂加重密度范围1.10g/cm3-2.40g/cm3。优选的，所述降滤失剂是低粘聚阴离子纤维素、低粘羧甲基纤维素在内的一种或两种的组合。优选的，所述增粘剂是黄原胶、高粘聚阴离子纤维素、光亚凝胶在内的一种或任意两种的组合。优选的，所述降粘剂是两性离子聚合物降粘剂、硅氟降粘剂在内的一种或两种的组合。优选的，所述页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1选用成都市西油华巍科技有限公司生产的页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1，执行标准Q/915101146630387X.0 88-016。该产品已取得中石油集团质量认证，生物毒性和重金属检测合格。除页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1外，其余均为符合中石油标准的常规钻井液处理剂。
实施例4
作为本申请又一较佳实施例，本实施例公开了：一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液的制备方法，其特征在于：
在现场配置罐内装入清水，按上述实施例1-3配比加入烧碱、纯碱和膨润土后搅拌均匀，水化不低于24小时；水化后按上述比例加入增粘剂、降滤失剂并搅拌均匀；再加入上述比例的聚丙烯酰胺钾盐KPAM、氯化钾、两性离子聚合物包被剂FA367、页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1，搅拌使其充分溶解；继续加入上述比例的降粘剂搅拌溶解；加入加重剂，加重到所需密度同时搅拌均匀。
Claims (7)
1.一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液，其特征在于：以质量体积百分比计，包括以下组分：
膨润土 2-5%；烧碱 0.2-0.5%；纯碱 0.2-0.3%；聚丙酰胺钾盐KPAM 0.2-0.5%；氯化钾5-10%；两性离子聚合物包被剂FA367 0.2%-1%；页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1 0.5%-2%；降滤失剂 0.5%-1%；增粘剂 0.2%-0.5%；降粘剂0.1%-0.3%；加重剂：细目碳酸钙或重晶石，余量为水；所述加重剂加重密度范围1.10g/cm3-2.40g/cm3。
2.如权利要求1所述的一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液，其特征在于：所述钻井液中膨润土的用量为2%，聚丙酰胺钾盐KPAM的用量为0.2%，两性离子聚合物包被剂FA367的用量为0.25%，页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1的用量为2%，氯化钾的用量为7%。
3.如权利要求1所述的一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液，其特征在于：所述钻井液中烧碱的用量为0.1%，两性离子聚合物包被剂FA367的用量为1%，氯化钾的用量为5%，页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1的用量为1.5%。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液，其特征在于：所述降滤失剂是低粘聚阴离子纤维素、低粘羧甲基纤维素在内的一种或两种的组合。
5.如权利要求1-3任意一项所述的一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液，其特征在于：所述增粘剂是黄原胶、高粘聚阴离子纤维素、光亚凝胶在内的一种或任意两种的组合。
6.如权利要求1-3任意一项所述的一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液，其特征在于：所述降粘剂是两性离子聚合物降粘剂、硅氟降粘剂在内的一种或两种的组合。
7.如权利要求1-3任意一项所述的一种强抑制双钾胺基离子聚合物钻井液的制备方法，其特征在于：
在现场配置罐内装入清水，按上述配比加入烧碱、纯碱和膨润土后搅拌均匀，水化不低于24小时；水化后按上述比例加入增粘剂、降滤失剂并搅拌均匀；再加入上述比例的聚丙烯酰胺钾盐KPAM、氯化钾、两性离子聚合物包被剂FA367、页岩抑制剂酰胺聚合物JXA-1，搅拌使其充分溶解；继续加入上述比例的降粘剂搅拌溶解；加入加重剂，加重到所需密度同时搅拌均匀。
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