CN110903813A - 一种保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液及其配制方法 - Google Patents

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刘浩冰
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杨淑君
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李思
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唐文明
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Abstract

本发明涉及使用石油天然气钻井用钻井液领域，更具体地涉及一种保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液及其配制方法。本发明所述保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液包括以下重量份的原料：钻井用膨润土8‑12、氢氧化钠0.8‑1.0、复合封堵剂20‑28、降滤失剂14‑20、聚合醇防塌剂12‑15、长链醇胺酯类极压减摩剂8‑12、氯化钾12‑20、聚胺抑制剂2‑4、加重剂260‑400、水400。本发明通过组分间相互作用及胶液和土相分别配制的方法，获得具备高封堵、高润滑、高抑制、低失水、高温稳定性的水基钻井液。

Description

一种保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液及其配制方法
技术领域
本发明涉及使用石油天然气钻井用钻井液领域，更具体地涉及一种保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液及其配制方法。
背景技术
涪陵页岩开发中通常采用长水平段钻探页岩地层，为解决长水平井段的井壁稳定和高摩阻问题，国内外在钻井过程中大多数首选具有强抑制性和良好润滑性的油基钻井液，但随着近年来国内页岩气开发的不断深入，除了要解决长水平井段的诸多技术难题(如：井身轨迹、井眼稳定、降阻防卡等)外，对地下和周边生态环境的保护已刻不容缓，所面临的环保压力越来越大，国内外各大技术服务公司一直试图研发类似于油基钻井液性能的水基钻井液，以实现“水替油”，如贝克休斯公司的PERFORMAX、斯伦贝谢M-1公司的ULTRADRIL 以及哈利伯顿公司等均已在一些井上成功应用了水基体系，国内也有关于高性能水基钻井液研发成功事例，然而现有技术中的高性能水基钻井液在抗温性等性能上仍存在一定的不足。
公开号为CN 107652952A的中国专利提出一种适合页岩气长水平段的高性能水基钻井液，其包括水、膨润土、烧碱、多功能复合剂、中分子量降失水剂、高效包被剂、防塌润滑剂、封堵降滤失剂、抑制剂、纳米封堵剂和提速润滑剂，该钻井液使用水基配制，用来代替油基钻井液，解决油基钻屑处理难等环保问题，但该水基钻井液抗温只有120℃，现场应用受到限制，且其采用沥青类防塌润滑剂在钻后处理方面处理成本偏大。故，现有技术具有较大的改进空间。
发明内容
本发明的目的是为了弥补现有技术的不足，提出一种保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液及其配制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，包括以下重量份原料制成：钻井用膨润土8-12份、氢氧化钠0.8-1.0份、复合封堵剂20-30份、降滤失剂 14-20份、聚合醇防塌剂12-15份、长链醇胺酯类极压减摩剂8-12份、氯化钾 12-20份、聚胺抑制剂2-4份、加重剂260-400份、水400份。
根据以上方案，所述复合封堵剂为封堵抑制剂和纳米强化剂的混合物；所述封堵抑制剂包括苯乙烯胶乳液、丁腈胶乳，所述纳米强化剂为改性多孔SiO2纳米颗粒，其颗粒粒径范围为10～600nm，孔径范围为2～30nm，多孔SiO2纳米颗粒表面接枝有C3～C36的基团，基团中包含至多一个环结构，含有氨基、羧基、羟基、巯基等官能团中的一种或几种，并且基团中5％～30％的氢原子被氟原子取代。
根据以上方案，降滤失剂包括低粘羧基甲纤维素、磺化酚醛树脂。
根据以上方案，所述聚合醇防塌剂包括甘油、聚乙二醇、聚亚烷基二醇、乙氧基化醇中的一种或几种。
根据以上方案，所述聚胺抑制剂为聚胺、聚醚胺、烷基胺、季胺中的一种或几种。
根据以上方案，长链醇胺酯类极压减摩剂为长链脂肪酸与三乙醇胺酯化产物，所述长链醇胺酯类极压减摩剂的制备方法为：取1摩尔份数的长链脂肪酸与1摩尔份数的三乙醇胺在85～140℃温度下反应2～3小时；所述长链脂肪酸为椰子油酸、棉籽油酸、妥尔油酸、菜籽油酸中的一种或两种以上的混合物。
根据以上方案，加重剂包括重晶石、石灰石。
根据以上方案，所述保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份称取各原料；
(2)将向200份水中加入钻井用膨润土配制成土浆，预水化24小时得预水化土浆备用；
(3)配制封堵降滤失碱液：向200份水中依次加入氢氧化钠、复合封堵剂、降滤失剂，每种原料加入搅拌均匀后再加下一种原料，待全部加入后搅拌均匀；
(4)将步骤(3)所得封堵降滤失碱液加入步骤(2)所得预水化土浆中，搅拌20-30分钟至均匀，然后加入极压减磨剂、聚合醇、氯化钾、聚胺抑制剂，每种原料加入搅拌均匀至充分溶解后再加下一种原料，待全部加入后搅拌均匀得基浆；
(5)按所需密度向上述基浆中加入适量的加重剂。
本发明的作用原理：
本发明所述保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液体系中纳米强化剂是改性多孔SiO2纳米颗粒，多孔SiO2纳米颗粒表面改性的接枝基团能够使多孔SiO2纳米颗粒在水相中高度均匀分散，可以随着水相在页岩地层中运动扩散；多孔 SiO2纳米颗粒表面改性的接枝基团与页岩还具有较强的吸附能力，因此改性多孔 SiO2纳米颗粒随着水相进入页岩纳米裂缝、微裂缝后能够稳定吸附在其中，可以迅速形成堆叠封堵结构，增强页岩承压能力；另外，改性多孔SiO2纳米颗粒的多孔结构可以携带降滤失剂和聚胺抑制剂至页岩纳米裂缝、微裂缝中，降滤失剂可吸附在页岩缝隙表面，在井壁裂缝和改性多孔SiO2纳米颗粒之间架桥，形成水相隔离层，有效阻止钻井液体系水相向地层的持续渗透，聚胺抑制剂可有效抑制页岩表面水化和渗透水化，形成长效抑制机制。
综上，通过纳米材料堆叠、胺基聚醚抑制水化和聚合物架桥有机结合，有效降低水基钻井液对页岩强度弱化的影响，配合长链醇胺类极压减摩剂有效减低磨阻，从而满足页岩长水平段的钻井技术要求。
本发明的有益效果在于：
1、本发明添加的聚合醇与氯化钾相互作用，压缩粘土表面的双电层，使粘土表面的水化膜变薄，有利于聚合醇在粘土表面的吸附，阻止粘土颗粒与水接触，使得其与发明所添加的复合封堵剂搭配有效减低滤失量，提高页岩稳定性；
2、本发明添加长链醇胺酯类极压减摩剂，其与聚合醇混合能够增强润滑降低摩阻，且两者在氢键作用下形成网络结构，从而提高耐温性；
3、本发明通过聚胺抑制剂在粘土表面及页岩中吸附，与KCl共同作用抑制泥页岩水化，改性多孔SiO2纳米颗粒在页岩纳米裂缝、微裂缝中堆叠封堵和降滤失剂架桥共同作用形成有效隔离水相进入页岩层间裂缝的强抑制高性能水基钻井液体系，能够满足长水平段页岩地层钻井需求；
4、本发明通过胶液和土相分别配制的方法，先使用水配制封堵降滤失碱液，该碱液含有纳米粒径的复合封堵剂、复合降滤失剂、氢氧化钠，该碱液再与预水化土浆混合，再加入强抑制性的聚胺抑制剂，使得体系形成聚合与分散共存，有利于保持钻井液的粒径分布，获得保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案进行说明。
实施例1
一种保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，包括以下重量份原料制成：钻井用膨润土8份、氢氧化钠0.8份、复合封堵剂20份、降滤失剂14份、聚合醇防塌剂12份、长链醇胺酯类极压减摩剂8份、氯化钾12份、聚胺抑制剂2 份、加重剂260份、水400份；
所述复合封堵剂为16份苯乙烯胶乳液和4份纳米强化剂的混合物；所述纳米强化剂为改性多孔SiO2纳米颗粒，其颗粒粒径范围为100～150nm，孔径范围为 5～10nm，多孔SiO2纳米颗粒表面接枝有C3～C16的基团，基团中包含一个五元环结构，含有氨基和羟基官能团，并且基团中12％的氢原子被氟原子取代；
所述降滤失剂为2份低粘羧基甲纤维素与12份磺化酚醛树脂的混合物；所述聚合醇防塌剂为2份甘油和10份聚乙二醇的混合物；所述聚胺抑制剂为聚胺；所述加重剂为重晶石；
所述长链醇胺酯类极压减摩剂为长链脂肪酸与三乙醇胺酯化产物，所述长链醇胺酯类极压减摩剂的制备方法为：取1摩尔份数的椰子油酸与1摩尔份数的三乙醇胺在85～140℃温度下反应2～3小时。
所述保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份称取各原料；
(2)将向200份水中加入钻井用膨润土配制成土浆，预水化24小时得预水化土浆备用；
(3)配制封堵降滤失碱液：向200份水中依次加入氢氧化钠、复合封堵剂、降滤失剂，每种原料加入搅拌均匀后再加下一种原料，待全部加入后搅拌均匀；
(4)将步骤(3)所得封堵降滤失碱液加入步骤(2)所得预水化土浆中，搅拌20-30分钟至均匀，然后加入极压减磨剂、聚合醇、氯化钾、聚胺抑制剂，每种原料加入搅拌均匀至充分溶解后再加下一种原料，待全部加入后搅拌均匀得基浆；
(5)按所需密度向上述基浆中加入适量的加重剂。
实施例2
一种保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，包括以下重量份原料制成：钻井用膨润土10份、氢氧化钠0.9份、复合封堵剂24份、降滤失剂18份、聚合醇防塌剂13份、长链醇胺酯类极压减摩剂10份、氯化钾16份、聚胺抑制剂 3份、加重剂300份、水400份；
所述复合封堵剂为16份丁腈胶乳和8份纳米强化剂的混合物；所述纳米强化剂为改性多孔SiO2纳米颗粒，其颗粒粒径范围为10～100nm，孔径范围为2～4nm，多孔SiO2纳米颗粒表面接枝有C8～C18的基团，基团中不含环结构，含有氨基、羧基和巯基官能团，并且基团中6％的氢原子被氟原子取代；
所述降滤失剂为9份低粘羧基甲纤维素与9份磺化酚醛树脂的混合物；所述聚合醇防塌剂为5份聚亚烷基二醇和8份聚乙二醇的混合物；所述聚胺抑制剂为聚醚胺；所述加重剂为石灰石；
所述长链醇胺酯类极压减摩剂为长链脂肪酸与三乙醇胺酯化产物，所述长链醇胺酯类极压减摩剂的制备方法为：取0.5摩尔份数的棉籽油酸、0.5摩尔份数的妥尔油酸与1摩尔份数的三乙醇胺在85～140℃温度下反应2～3小时。
所述保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液的制备方法，同实施例1。
实施例3
一种保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，包括以下重量份原料制成：钻井用膨润土12份、氢氧化钠1.0份、复合封堵剂30份、降滤失剂20份、聚合醇防塌剂15份、长链醇胺酯类极压减摩剂12份、氯化钾20份、聚胺抑制剂4份、加重剂400份、水400份；
所述复合封堵剂为18份苯乙烯胶乳液和12份纳米强化剂的混合物；所述纳米强化剂为改性多孔SiO2纳米颗粒，其颗粒粒径范围为400～600nm，孔径范围为20～30nm，多孔SiO2纳米颗粒表面接枝有C16～C36的基团，基团中包含苯环，含有氨基和羧基官能团，并且基团中30％的氢原子被氟原子取代；
所述降滤失剂为磺化酚醛树脂；所述聚合醇防塌剂为10份聚亚烷基二醇和 5份乙氧基化醇的混合物；所述聚胺抑制剂为季胺；所述加重剂为重晶石；
所述长链醇胺酯类极压减摩剂为长链脂肪酸与三乙醇胺酯化产物，所述长链醇胺酯类极压减摩剂的制备方法为：取1摩尔份数的菜籽油酸与1摩尔份数的三乙醇胺在85～140℃温度下反应2～3小时。
所述保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液的制备方法，同实施例1。
对比例1
一种水基钻井液，其原料组分与实施例1相同。
所述水基钻井液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份称取各原料；
(2)：按照生产水、钻井用膨润土、氢氧化钠、复合封堵剂、降滤失剂、极压减磨剂、聚合醇、氯化钾、聚胺抑制剂、加重剂的顺序，依次添加原料，每加完一种原料，均需要搅拌均匀再添加下一种原料。
对比例2
一种水基钻井液，包括以下重量份原料制成：钻井用膨润土8份、氢氧化钠0.8份、氧化石墨烯20份、羧甲基淀粉14份、聚苯乙烯改性沥青12份、聚醚多元醇8份、氯化钾12份、聚乙二醇2份、重晶石260份、水400份。
所述水基钻井液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份称取各原料；
(2)将向200份水中加入钻井用膨润土配制成土浆，预水化24小时得预水化土浆备用；
(3)配制封堵降滤失碱液：向200份水中依次加入氢氧化钠、氧化石墨烯、羧甲基淀粉，每种原料加入搅拌均匀后再加下一种原料，待全部加入后搅拌均匀；
(4)将步骤(3)所得封堵降滤失碱液加入步骤(2)所得预水化土浆中，搅拌20-30分钟至均匀，然后加入聚苯乙烯改性沥青、聚醚多元醇、氯化钾、聚乙二醇，每种原料加入搅拌均匀至充分溶解后再加下一种原料，待全部加入后搅拌均匀得基浆；
(5)按所需密度向上述基浆中加入适量的加重剂。
对比例3
一种水基钻井液，包括以下重量份原料制成：钻井用膨润土8份、氢氧化钠0.8份、降滤失剂14份、聚合醇防塌剂12份、长链醇胺酯类极压减摩剂8 份、氯化钾12份、聚胺抑制剂2份、加重剂260份、水400份；
所述降滤失剂为2份低粘羧基甲纤维素与12份磺化酚醛树脂的混合物；所述聚合醇防塌剂为2份甘油和10份聚乙二醇的混合物；所述聚胺抑制剂为聚胺；所述加重剂为重晶石；
所述长链醇胺酯类极压减摩剂为长链脂肪酸与三乙醇胺酯化产物，所述长链醇胺酯类极压减摩剂的制备方法为：取1摩尔份数的椰子油酸与1摩尔份数的三乙醇胺在85～140℃温度下反应2～3小时。
所述保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液的制备方法，包括以下步骤：
(1)按重量份称取各原料；
(2)将向200份水中加入钻井用膨润土配制成土浆，预水化24小时得预水化土浆备用；
(3)配制封堵降滤失碱液：向200份水中依次加入氢氧化钠、复合封堵剂、降滤失剂，每种原料加入搅拌均匀后再加下一种原料，待全部加入后搅拌均匀；
(4)将步骤(3)所得封堵降滤失碱液加入步骤(2)所得预水化土浆中，搅拌20-30分钟至均匀，然后加入极压减磨剂、聚合醇、氯化钾、聚胺抑制剂，每种原料加入搅拌均匀至充分溶解后再加下一种原料，待全部加入后搅拌均匀得基浆；
(5)按所需密度向上述基浆中加入适量的加重剂。
本发明所得高性能水基钻井液已在页岩气现场开发中成功应用，成功穿行页岩水平段1200米。将上述实施例和对比例所得钻井液进行性能测试，结果如下：
1、将钻井液进行性能测试，结果如表1；
表1
Figure BDA0002272859790000071
表1中各参数说明：API：常温中压失水；HTHP：高温高压失水，其测试条件为3.5MPa×160℃；PV：塑性粘度；YP：动切力；GEL：静切力；极压润滑系数：钻井液的润滑性，润滑系数越小，表示润滑性越好；砂床实验采用20-40 目砂子，工作压力为0.7MPa，用于表示钻井液的封堵能力，深度越小，表示封堵性能越好。其中上表性能数据的测试温度为25℃。
2、将钻井液进行高温老化测试、抑制性测试，结果如下表2：
表2
Figure BDA0002272859790000081
其中，页岩选取8-10目极易水化膨胀的广华寺泥页岩，热滚条件为160℃恒温滚动16小时。
从上表1、表2可见，本发明所得水基钻井液具备高封堵、高润滑、高抑制、低失水等优异性能，其总体性能接近油基钻井液，且高温稳定性好。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (8)

1.一种保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，其特征在于，按重量份计，包括以下组分：钻井用膨润土8-12份、氢氧化钠0.8-1.0份、复合封堵剂20-28份、降滤失剂14-20份、聚合醇防塌剂12-15份、长链醇胺酯类极压减摩剂8-12份、氯化钾12-20份、聚胺抑制剂2-4份、加重剂260-400份、水400份。
2.根据权利要求1所述的保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，其特征在于，所述复合封堵剂为封堵抑制剂和纳米强化剂的混合物；所述封堵抑制剂包括苯乙烯胶乳液、丁腈胶乳，所述纳米强化剂为改性多孔SiO2纳米颗粒，其颗粒粒径范围为10~600nm，孔径范围为2~30nm，多孔SiO2纳米颗粒表面接枝有C3~C36的基团，基团中包含至多一个环结构，含有氨基、羧基、羟基、巯基等官能团中的一种或几种，并且基团中5%~30%的氢原子被氟原子取代。
3.根据权利要求1所述的保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，其特征在于，所述降滤失剂包括低粘羧基甲纤维素、磺化酚醛树脂。
4.根据权利要求1所述的保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，其特征在于，所述聚合醇防塌剂包括甘油、聚乙二醇、聚亚烷基二醇、乙氧基化醇中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，其特征在于，所述聚胺抑制剂为聚胺、聚醚胺、烷基胺、季胺中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，其特征在于，长链醇胺酯类极压减摩剂为长链脂肪酸与三乙醇胺酯化产物，所述长链醇胺酯类极压减摩剂的制备方法为：取1摩尔份数的长链脂肪酸与1摩尔份数的三乙醇胺在85~140℃温度下反应2~3小时；所述长链脂肪酸为椰子油酸、棉籽油酸、妥尔油酸、菜籽油酸中的一种或两种以上的混合物。
7.根据权利要求1所述的保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，其特征在于，加重剂包括重晶石、石灰石。
8.根据权利要求1所述的保持页岩强度稳定的高性能水基钻井液，其特征在于，其制备方法，包括以下步骤：
（1）按重量份称取各原料；
（2）将向200份水中加入钻井用膨润土配制成土浆，预水化24小时得预水化土浆备用；
（3）配制封堵降滤失碱液：向200份水中依次加入氢氧化钠、复合封堵剂、降滤失剂，每种原料加入搅拌均匀后再加下一种原料，待全部加入后搅拌均匀；
（4）将步骤（3）所得封堵降滤失碱液加入步骤（2）所得预水化土浆中，搅拌20-30分钟至均匀，然后加入极压减磨剂、聚合醇、氯化钾、聚胺抑制剂，每种原料加入搅拌均匀至充分溶解后再加下一种原料，待全部加入后搅拌均匀得基浆；
（5）按所需密度向上述基浆中加入适量的加重剂。
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