CN110734747A - 一种硝酸钾钻井液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硝酸钾钻井液，由包括以下组分的原料制备而成：水100重量份；钠基膨润土2重量份～4重量份；碳酸钠0.1重量份～0.2重量份；羧甲基纤维素钠盐0.5重量份～0.7重量份；降滤失剂0.3重量份～0.5重量份；稳定剂5重量份～9重量份；硝酸钾5重量份～10重量份；所述稳定剂由磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青组成。与现有技术相比，本发明提供的硝酸钾钻井液采用特定含量组分，各组分之间具有较好的相互作用，使产品同时具有良好的流变性和抑制性，并且该钻井液不使用氯化钾，消除了氯离子对地表水和土壤的污染以及对植物生长的不利影响，提高了环保性。

Description

一种硝酸钾钻井液及其制备方法
技术领域
本发明涉及钻井液技术领域，更具体地说，是涉及一种硝酸钾钻井液及其制备方法。
背景技术
随着勘探开发的深入，钻井朝着深井、超深井发展，钻遇的地层也越来越复杂，对于水敏性泥页岩、硬脆性泥页岩地层，钻井过程中经常发生地层造浆、井壁掉块坍塌等井下复杂情况，约有75％的井壁失稳发生在此类地层。井壁失稳问题是油气钻井工程中经常遇到的技术难题，也是伴随钻井工程的永恒难题。据统计，世界石油工业每年用于处理井壁稳定问题的费用高达7亿美元。因此，有效解决钻井过程中出现的井壁失稳问题是石油工作者的重要任务之一。
钻井过程中的井壁失稳问题与地质、钻井工程和钻井液等几方面有关，通过调整钻井工程参数、钻井液性能可达到良好控制的目的。在钻井液方面，油基钻井液井壁稳定能力强，但存在温度敏感性强、环境友好性差等缺点，使其使用受到限制；而水基钻井液是研究应用最为广泛的钻井液体系，最常用的页岩抑制剂是氯化钾。在20世纪70年代早期，氯化钾聚合物钻井液就开始广泛应用，提高了钻井液的抑制能力，基本可满足井壁稳定的需要。
但是，使用氯化钾使钻井液具有较高的氯离子含量，对周围的地表水和土壤质量产生污染，同时还会抑制植物的生长，如果把钻井液从井场拉走集中处理，就使钻井液的后处理费用升高，从而增加钻井费用。随着各国对环境保护的要求越来越严格，从绿色环保的角度出发，研究使用新的抑制性钻井液成为必然，重点要兼顾环境和效益。因此，现有以氯化钾作为抑制剂的钻井液不能很好地满足环境保护的要求，钻井液面临着保持良好流变性的同时需提高抑制性的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硝酸钾钻井液及其制备方法，本发明提供的硝酸钾钻井液同时具有良好的流变性和抑制性，且消除了氯离子对地表水和土壤的污染以及对植物生长的不利影响，提高了环保性。
本发明提供了一种硝酸钾钻井液，由包括以下组分的原料制备而成：
水100重量份；
钠基膨润土2重量份～4重量份；
碳酸钠0.1重量份～0.2重量份；
羧甲基纤维素钠盐0.5重量份～0.7重量份；
降滤失剂0.3重量份～0.5重量份；
稳定剂5重量份～9重量份；
硝酸钾5重量份～10重量份；
所述稳定剂由磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青组成。
优选的，所述降滤失剂具有式(I)所示结构：
Figure BDA0001734395890000021
式(I)中，x＝14～22，y＝2～12，z＝4～10，r＝0.42。
优选的，所述稳定剂中磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青的质量比为(2～3)：(2～3)：(1～3)。
优选的，还包括：
重晶石0.1重量份～140重量份。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的硝酸钾钻井液的制备方法，包括以下步骤：
a)将水、钠基膨润土和碳酸钠混合，进行养护，得到基浆；
b)将步骤a)得到的基浆与羧甲基纤维素钠盐、降滤失剂、稳定剂、硝酸钾混合，进行老化，得到硝酸钾钻井液。
优选的，步骤a)中所述混合的转速为10000r/min～12000r/min，时间为10min～30min。
优选的，步骤a)中所述养护的方式为温室密闭养护；所述养护的时间为20h～30h。
优选的，步骤b)中所述混合的过程具体为：
向步骤a)得到的基浆中依次加入羧甲基纤维素钠盐、降滤失剂和稳定剂进行第一次搅拌，再加入硝酸钾进行第二次搅拌，得到混合物。
优选的，步骤b)中所述老化的pH值为9～10，温度为120℃～150℃，时间为14h～18h。
优选的，步骤b)中所述进行老化前，还包括：
在混合物中加入重晶石。
本发明提供了一种硝酸钾钻井液，由包括以下组分的原料制备而成：水100重量份；钠基膨润土2重量份～4重量份；碳酸钠0.1重量份～0.2重量份；羧甲基纤维素钠盐0.5重量份～0.7重量份；降滤失剂0.3重量份～0.5重量份；稳定剂5重量份～9重量份；硝酸钾5重量份～10重量份；所述稳定剂由磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青组成。与现有技术相比，本发明提供的硝酸钾钻井液采用特定含量组分，各组分之间具有较好的相互作用，使产品同时具有良好的流变性和抑制性，并且该钻井液不使用氯化钾，消除了氯离子对地表水和土壤的污染以及对植物生长的不利影响，提高了环保性。
另外，本发明提供的制备方法简单、条件温和，适合大规模工业生产。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的硝酸钾钻井液的回收后的岩屑照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种硝酸钾钻井液，由包括以下组分的原料制备而成：
水100重量份；
钠基膨润土2重量份～4重量份；
碳酸钠0.1重量份～0.2重量份；
羧甲基纤维素钠盐0.5重量份～0.7重量份；
降滤失剂0.3重量份～0.5重量份；
稳定剂5重量份～9重量份；
硝酸钾5重量份～10重量份；
所述稳定剂由磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青组成。
在本发明中，所述钠基膨润土为配浆材料，钠基膨润土水化后增加黏度和切力，提高井眼净化能力，利于形成泥饼。本发明对所述钠基膨润土的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述硝酸钾钻井液包括2重量份～4重量份的钠基膨润土。
在本发明中，所述碳酸钠用于对钠基膨润土进行活化。本发明对所述碳酸钠的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述硝酸钾钻井液包括0.1重量份～0.2重量份的碳酸钠。
在本发明中，所述羧甲基纤维素钠盐的主要作用是在井壁上形成低渗透率、柔韧、薄而致密的泥饼，降低钻井液的中压滤失量。本发明对所述羧甲基纤维素钠盐的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述硝酸钾钻井液包括0.5重量份～0.7重量份的羧甲基纤维素钠盐。
在本发明中，所述降滤失剂优选具有式(I)所示结构：
Figure BDA0001734395890000051
式(I)中，x＝14～22，y＝2～12，z＝4～10，r＝0.42。在本发明优选的实施例中，所述式(I)中，x＝21.1，y＝10.6，z＝4.8，r＝0.42。在本发明另一个优选的实施例中，所述式(I)中，x＝14，y＝4.9，z＝9.6，r＝0.42。
在本发明中，所述降滤失剂的制备方法优选具体为：
将质量比为(10～20)：(10～15)：(2～8)：1的2-甲基-2-丙烯酰氧丙基磺酸、丙烯酰胺、丙烯酸和2-羟基-3-甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵混合，配制成水溶液，调节水溶液的pH值为9～11，然后加入聚合反应引发剂，进行聚合反应，聚合反应的起始温度为20℃～50℃，聚合时间为5min～30min，将聚合产物造粒、烘干、粉碎得到降滤失剂。
在本发明优选的实施例中，所述降滤失剂的制备方法为：
将26g 2-甲基-2-丙烯酰氧丙基磺酸、39g丙烯酰胺、20g丙烯酸和2.6g 2-羟基-3-甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵在室温下配制成水溶液，用氢氧化钠调整水溶液的pH值到9，然后加入0.05g过硫酸铵和0.05g亚硫酸氢钠引发聚合，聚合反应的起始温度为20℃，聚合时间为5min，将产物造粒、烘干、粉碎即得具有式(I-1)所述结构的降滤失剂；
在本发明另一个优选的实施例中，所述降滤失剂的制备方法为：
将56g 2-甲基-2-丙烯酰氧丙基磺酸、28g丙烯酰胺、10g丙烯酸和2.8g 2-羟基-3-甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵在室温下配制成水溶液，用氢氧化钠调整水溶液的pH值到11，然后加入0.2g过硫酸钾和0.2g硫代硫酸钠引发聚合，聚合反应的起始温度为50℃，聚合时间为20min，将产物造粒、烘干、粉碎即得具有式(I-2)所述结构的降滤失剂；
Figure BDA0001734395890000062
本发明采用上述降滤失剂，能够在高盐、高温环境下提高钻井液液相黏度，进一步降低钻井液的滤失量。在本发明中，所述硝酸钾钻井液包括0.3重量份～0.5重量份的降滤失剂。
在本发明中，所述稳定剂由磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青组成；所述稳定剂中磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青的质量比优选为(2～3)：(2～3)：(1～3)。在本发明中，所述硝酸钾钻井液包括5重量份～9重量份的稳定剂。在本发明优选的实施例中，所述硝酸钾钻井液包括6重量份的稳定剂，其中，磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青的质量比为2：2：2；即所述硝酸钾钻井液包括2重量份的磺化酚醛树脂、2重量份的磺化褐煤和2重量份的磺化沥青。在本发明另一个优选的实施例中，所述硝酸钾钻井液包括5重量份的稳定剂，其中，磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青的质量比为2：2：1；即所述硝酸钾钻井液包括2重量份的磺化酚醛树脂、2重量份的磺化褐煤和1重量份的磺化沥青。在本发明另一个优选的实施例中，所述硝酸钾钻井液包括9重量份的稳定剂，其中，磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青的质量比为3：3：3；即所述硝酸钾钻井液包括3重量份的磺化酚醛树脂、3重量份的磺化褐煤和3重量份的磺化沥青。
在本发明中，所述磺化酚醛树脂和磺化褐煤的主要作用是提高钻井液的抗温能力，降低钻井液高温高压滤失量；所述磺化沥青的主要作用是封堵地层微孔隙微裂隙，阻止钻井液进入地层；更重要的是，磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青能够与以硝酸钾为抑制剂的钻井液体系中的其他组分实现较好的相互作用，稳定井壁效果好，使产品同时具有良好的流变性和抑制性。
在本发明中，所述硝酸钾为抑制剂，其主要作用是提高钻井液的抑制能力；另外，硝酸钾中的钾离子和硝酸根离子可很快被农作物吸收，不会对地表水和土壤产生不利影响。本发明对所述硝酸钾的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明中，所述硝酸钾钻井液包括5重量份～10重量份的硝酸钾。
在本发明中，所述硝酸钾钻井液优选还包括：
重晶石0.1重量份～140重量份。在本发明中，所述重晶石的主要作用是调节钻井液的密度，以达到近平衡钻进，保证钻井施工安全；可选择性添加。本发明对所述重晶石的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
本发明提供的硝酸钾钻井液采用特定含量组分，各组分之间具有较好的相互作用，使产品同时具有良好的流变性和抑制性，并且该钻井液不使用氯化钾，消除了氯离子对地表水和土壤的污染以及对植物生长的不利影响，提高了环保性。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的硝酸钾钻井液的制备方法，包括以下步骤：
a)将水、钠基膨润土和碳酸钠混合，进行养护，得到基浆；
b)将步骤a)得到的基浆与羧甲基纤维素钠盐、降滤失剂、稳定剂、硝酸钾混合，进行老化，得到硝酸钾钻井液。
本发明首先将水、钠基膨润土和碳酸钠混合，进行养护，得到基浆。在本发明中，所述钠基膨润土和碳酸钠与上述技术方案中所述的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述混合的转速优选为10000r/min～12000r/min，更优选为11000r/min～12000r/min；所述混合的时间优选为10min～30min，更优选为20min。
在本发明中，所述养护的方式优选为温室密闭养护。在本发明中，所述养护的时间优选为20h～30h，更优选为24h。
得到所述基浆后，本发明将得到的基浆与羧甲基纤维素钠盐、降滤失剂、稳定剂、硝酸钾混合，进行老化，得到硝酸钾钻井液。在本发明中，所述羧甲基纤维素钠盐、降滤失剂、稳定剂和硝酸钾与上述技术方案中所述的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述混合的过程优选具体为：
向步骤a)得到的基浆中依次加入羧甲基纤维素钠盐、降滤失剂和稳定剂进行第一次搅拌，再加入硝酸钾进行第二次搅拌，得到混合物。
在本发明中，所述第一次搅拌的转速优选为6000r/min～12000r/min，更优选为8000r/min～10000r/min；所述第一次搅拌的时间优选为10min～30min，更优选为20min。
在本发明中，所述第二次搅拌的转速优选为6000r/min～12000r/min，更优选为8000r/min～10000r/min。本发明对所述第二次搅拌的时间没有特殊限制，能够保证所述硝酸钾充分溶解即可。
得到混合物后，本发明将得到的混合物进行老化，得到硝酸钾钻井液。在本发明中，所述进行老化前，优选还包括：
在混合物中加入重晶石。在本发明中，所述重晶石与上述技术方案中所述的相同，在此不再赘述。
本发明对所述老化过程的设备没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的老化罐。在本发明中，所述老化的pH值优选为9～10；本发明对所述调节pH值的方式没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的氢氧化钠调节即可。在本发明中，所述老化的温度优选为120℃～150℃；所述老化的时间优选为14h～18h，更优选为16h。
本发明提供了一种硝酸钾钻井液，由包括以下组分的原料制备而成：水100重量份；钠基膨润土2重量份～4重量份；碳酸钠0.1重量份～0.2重量份；羧甲基纤维素钠盐0.5重量份～0.7重量份；降滤失剂0.3重量份～0.5重量份；稳定剂5重量份～9重量份；硝酸钾5重量份～10重量份；所述稳定剂由磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青组成。与现有技术相比，本发明提供的硝酸钾钻井液采用特定含量组分，各组分之间具有较好的相互作用，使产品同时具有良好的流变性和抑制性，并且该钻井液不使用氯化钾，消除了氯离子对地表水和土壤的污染以及对植物生长的不利影响，提高了环保性。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所用的羧甲基纤维素钠盐为濮阳中原三力实业有限公司提供的羧甲基纤维素钠盐LV-CMC；所用的磺化酚醛树脂为濮阳濮中化工有限公司提供的磺化酚醛树脂SMP；所用的磺化褐煤为濮阳濮中化工有限公司提供的磺化褐煤SMC；所用的磺化沥青为新乡市第七化工有限公司提供的磺化沥青FT-1。另外，本发明以下实施例所用的降滤失剂采用上述技术方案所述的制备方法制备而成，其中，式(I-1)所述结构的降滤失剂的结构式为：
Figure BDA0001734395890000091
式(I-2)所述结构的降滤失剂的结构式为：
Figure BDA0001734395890000101
实施例1
(1)在4000r/min的高速搅拌条件下，向400g清水中加入16g钠基膨润土和0.8g碳酸钠，在11000r/min的转速下高速搅拌20min，室温密闭养护24h，得到基浆；
(2)在4000r/min的高速搅拌条件下，向步骤(1)得到的基浆中依次加入2.8g羧甲基纤维素钠盐、2g式(I-1)所述结构的降滤失剂、8g磺化酚醛树脂、8g磺化褐煤和8g磺化沥青，在8000r/min的转速下高速搅拌20min；然后加入20g硝酸钾，高速搅拌(8000r/min)至充分溶解，之后用氢氧化钠调节pH值为9，装入老化罐内经120℃高温老化16h，得到硝酸钾钻井液。
经检测，本发明实施例1提供的硝酸钾钻井液的密度为1.03g/cm3。
实施例2
(1)在4000r/min的高速搅拌条件下，向400g清水中加入8g钠基膨润土和0.4g碳酸钠，在8000r/min的转速下高速搅拌20min，室温密闭养护24h，得到基浆；
(2)在4000r/min的高速搅拌条件下，向步骤(1)得到的基浆中依次加入2g羧甲基纤维素钠盐、1.2g式(I-1)所述结构的降滤失剂、8g磺化酚醛树脂、8g磺化褐煤和4g磺化沥青，在8000r/min的转速下高速搅拌20min；然后加入28g硝酸钾，高速搅拌(8000r/min)至充分溶解，再加入560g重晶石，之后用氢氧化钠调节pH值为9，装入老化罐内经120℃高温老化16h，得到硝酸钾钻井液。
经检测，本发明实施例2提供的硝酸钾钻井液的密度为1.80g/cm3。
实施例3
(1)在4000r/min的高速搅拌条件下，向400g清水中加入12g钠基膨润土和0.6g碳酸钠，在8000r/min的转速下高速搅拌20min，室温密闭养护24h，得到基浆；
(2)在4000r/min的高速搅拌条件下，向步骤(1)得到的基浆中依次加入2g羧甲基纤维素钠盐、1.6g式(I-2)所述结构的降滤失剂、12g磺化酚醛树脂、12g磺化褐煤和12g磺化沥青，在8000r/min的转速下高速搅拌20min；然后加入40g硝酸钾，高速搅拌(8000r/min)至充分溶解，再加入220g重晶石，之后用氢氧化钠调节pH值为9，装入老化罐内经150℃高温老化16h，得到硝酸钾钻井液。
经检测，本发明实施例3提供的硝酸钾钻井液的密度为1.40g/cm3。
对比例1
采用实施例3提供的制备方法，区别在于：步骤(2)中不加入12g磺化沥青；得到硝酸钾钻井液。
经检测，对比例1提供的硝酸钾钻井液的密度为1.40g/cm3。
对比例2
采用实施例3提供的制备方法，区别在于：步骤(2)中采用氯化钾代替硝酸钾；得到氯化钾钻井液。
经检测，对比例2提供的氯化钾钻井液的密度为1.41g/cm3。
按照GB/T 16783.1-2014《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》的标准，测试本发明实施例1～3及对比例1～2提供的钻井液的表观粘度(AV)、塑性粘度(PV)、动切力(YP)、钻井液10秒及10分钟的静切力(Gel)、中压滤失量(FL)，结果参见表1所示。
表1实施例1～3及对比例1～2提供的钻井液的各项性能数据
Figure BDA0001734395890000111
Figure BDA0001734395890000121
由表1可知，本发明实施例1～3提供的硝酸钾钻井液具有良好的流变性和滤失性；密度在1.05～1.80g/cm3之间，可满足在不同地层压力条件下安全钻进的要求。
抑制性能评价：
取中原油田东濮凹陷黄河南马厂构造的马12井岩样粉碎，将6～8目岩样分别与实施例1～3及对比例1～2提供的钻井液混合，经高温老化16h后，过40目筛，在105℃条件下烘干、室温称重。实验结果参见表2所示。
表2实施例1～3及对比例1～2提供的钻井液的抑制性能数据
Figure BDA0001734395890000122
由表2可知，本发明实施例1～3提供的硝酸钾钻井液的岩屑一次回收率从清水的9.8％上升至96％以上，相对回收率均超过97％，表现出良好的抑制效果；其中，实施例1提供的硝酸钾钻井液的回收后的岩屑照片参见图1所示。
另外，本发明提供的硝酸钾钻井液与氯化钾钻井液相比，在保持钻井液良好抑制性的同时，还消除了氯离子对地表水和土壤的污染以及对植物生长的不利影响，提高了环保性。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种硝酸钾钻井液，由包括以下组分的原料制备而成：
水100重量份；
钠基膨润土2重量份～4重量份；
碳酸钠0.1重量份～0.2重量份；
羧甲基纤维素钠盐0.5重量份～0.7重量份；
降滤失剂0.3重量份～0.5重量份；
稳定剂5重量份～9重量份；
硝酸钾5重量份～10重量份；
所述稳定剂由磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青组成。
2.根据权利要求1所述的硝酸钾钻井液，其特征在于，所述降滤失剂具有式(I)所示结构：
Figure FDA0001734395880000011
式(I)中，x＝14～22，y＝2～12，z＝4～10，r＝0.42。
3.根据权利要求1所述的硝酸钾钻井液，其特征在于，所述稳定剂中磺化酚醛树脂、磺化褐煤和磺化沥青的质量比为(2～3)：(2～3)：(1～3)。
4.根据权利要求1～3任一项所述的硝酸钾钻井液，其特征在于，还包括：
重晶石0.1重量份～140重量份。
5.一种权利要求1～3任一项所述的硝酸钾钻井液的制备方法，包括以下步骤：
a)将水、钠基膨润土和碳酸钠混合，进行养护，得到基浆；
b)将步骤a)得到的基浆与羧甲基纤维素钠盐、降滤失剂、稳定剂、硝酸钾混合，进行老化，得到硝酸钾钻井液。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述混合的转速为10000r/min～12000r/min，时间为10min～30min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述养护的方式为温室密闭养护；所述养护的时间为20h～30h。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述混合的过程具体为：
向步骤a)得到的基浆中依次加入羧甲基纤维素钠盐、降滤失剂和稳定剂进行第一次搅拌，再加入硝酸钾进行第二次搅拌，得到混合物。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述老化的pH值为9～10，温度为120℃～150℃，时间为14h～18h。
10.根据权利要求5～9任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述进行老化前，还包括：
在混合物中加入重晶石。
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