CN111117579B - 一种用于煤层的防塌钻井液及其制备方法 - Google Patents

一种用于煤层的防塌钻井液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供钻进含煤地层的一种用于煤层的防塌钻井液及其制备方法。所述防塌钻井液包括水100份、膨润土1.0～6份、碳酸钠0.1～0.3份、降滤失剂0.25～7.5份、聚胺抑制剂0.5～3份、磺化材料2～8份、沥青材料1～5份、封堵剂1～4份、润滑剂1～6份和屏蔽暂堵剂0.5～5份，其中，所述防塌钻井液的pH值为9～10，密度为1.10～2.00g/cm3。所述钻井液具有流变性良好、润滑性、抑制封堵能力强，密度适用范围广等特点，满足180℃以内裂缝发育、强度较低等地层钻井中的井壁防塌要求，尤其适用于煤泥岩交互地层的钻井防塌。

Description

一种用于煤层的防塌钻井液及其制备方法
技术领域
本发明涉及钻井液领域，具体地说，是涉及一种用于煤层的防塌钻井液及其制备方法。
背景技术
钻井作业中，经常钻遇含煤地层，而煤层通常具有强度低，脆性大，裂缝发育，胶结疏松的特点，属于典型的破碎性地层。钻井施工时钻井液冲蚀、钻头及钻具碰撞等外力作用，也使煤岩极易破碎坍塌；另外，煤层裂缝发育，毛细管作用突出，易吸附水，钻井液滤液进入后，引起水化，降低其胶结力，加剧了地层失稳；同时，裂缝间可溶性的胶结物溶解，使煤层失去支撑，强度下降，常造成煤层突发性剥落坍塌。
近年来，针对含煤地层的防塌钻井液体系，如淡水高膨润土含量钻井液、两性离子聚合物钻井液、新型聚磺钻井液、低固相钾盐聚合物钻井液及水基成膜钻井液体系等在现场应用中取得一些不错的效果，但也存在着难以克服的缺点。比如淡水高膨润土含量钻井液抑制性弱、钾盐聚合物钻井液的使用存在环保、干扰录井问题，聚合醇类封堵剂成本较高等。
专利CN103242810A(保护煤层防塌的钻井液)公开了一种保护煤层防塌的钻井液，由以下重量百分比的组分制备而成：粘土稳定剂1～2％，增粘剂0.2～0.5％，降滤失剂0～0.8％，降解解吸剂0.01～0.5％，pH值调节剂0.3～1.2％，余量为水。该钻井液可以通过调整配方来调节钻井液的密度、粘度和降解时间，该体系无固相、无粘土，对煤层的损害小；其在钻井过程中表现出良好的携岩能力，能促进井壁稳定，减少了井下复杂事故的发生，满足了煤层气高效开采的需要，适用于水平井、多分支水平井和U型井煤层钻井的完井作业。
专利CN104046339A(降低地层伤害的钻井液和煤层气开发钻井中使用的钻井液)公开了降低地层伤害的钻井液和煤层气开发钻井中使用的钻井液。该降低地层伤害的钻井液包括：100单位质量的淡水、1.5～4.5单位质量的降滤失剂、1单位质量的防塌剂、2单位质量的聚合醇、1.5单位质量的无机钠膨润土、1单位质量的氟碳表面活性剂和3单位质量的无机碱。本发明的钻井液能够有效降低储层液体的表面张力，从而产生润湿或者反润湿，同时降低储存的毛细管阻力，从而极大地降低了钻井过程所产生的水锁效应。本发明的钻井液尤其适合在煤层气开发钻井中使用。
专利CN106467726A(一种用于煤层气清洁聚膜钻井液及其制备方法)提供了一种用于煤层气清洁聚膜钻井液及其制备方法，以重量份数计，包括如下组分：80～100份清水、3～5份成膜剂、1～3份固膜剂、1～3份可降解强膜剂、0.5～1.5份煤层清洁剂、1～3份可降解乳液降滤失剂。本发明所述的一种用于煤层气清洁聚膜钻井液，所述钻井液具有独特的流变性和滤失造壁性，能有效地控制滤液进入煤层，抑制煤层垮塌掉块能力强，充分发挥了多种处理剂组合防塌技术优势，性能优良，易于维护处理，破胶快且无残留，对煤层气储层伤害小。
以上文献中的钻井液主要侧重于完井期间，防止和减少煤储层伤害，组分简单，一般使用的井较浅，对井壁稳定的要求不高。而对于深井、超深井深部含煤地层，要求的钻井液密度高、抗温性能好，具有优秀的防塌能力，此时以上文献中所述的钻井液体系适用性较差。
发明内容
为了克服目前使用水基钻井液钻进煤岩地层时井壁失稳问题，抑制煤岩地层水化坍塌，有效封堵煤岩发育的裂缝系统，本发明提供了一种用于煤层的防塌钻井液及其制备方法，该钻井液具有流变性良好，润滑性、抑制封堵能力强，密度适用范围广等特点。该钻井液抗温可达180℃。
本发明的目的之一为提供一种用于煤层的防塌钻井液，由包含以下组分的原料制备得到，以重量份计：
Figure BDA0001850281720000031
其中，所述防塌钻井液的pH值为9～10，密度为1.10～2.00g/cm3。
所述防塌钻井液中还可包含氯化钾，以100重量份水计，氯化钾为0.25～7份。
所述膨润土具有增加钻井液粘度、在井壁形成高质量泥饼、降低钻井液滤失量和提高钻杆与井壁间润滑性的作用。所述钻井液膨润土优选自钠基膨润土、钙基膨润土、蒙脱石中的至少一种，更优选为钠基膨润土。
所述降滤失剂具有降低钻井液滤失量的作用。所述降滤失剂选自磺酸盐共聚物类产品，优选自降滤失剂SMPFL、降滤失剂SML-4中的至少一种。
其中，所述钻井液用高温高盐聚合物降滤失剂SMPFL根据聚合物的分子量低、中、高依次分为SMPFL-L、SMPFL-M、SMPFL-H三个型号，可以复配使用，优选为较高密度钻井液使用低分子量(L型)，较低密度钻井液使用高分子量(H型)，具体用量根据最终钻井液密度确定，密度越高用量越少。
所述高密度钻井液用抗温抗盐降滤失剂SML-4主要应用于高密度的钻井液，优选为密度大于1.80g/cm3的钻井液。在密度低于1.80g/cm3的钻井液中可以不加。
所述聚胺抑制剂和氯化钾都具有抑制地层水化的作用，可以复配使用，但对于盐敏地层，优选为只使用聚胺抑制剂。
所述聚胺抑制剂为具有表面水化抑制性的处理剂，优选自聚胺抑制剂SMJA-1。
所述沥青材料具有封堵地层孔隙和微裂缝，改善滤饼质量和减少或防止地层因微裂隙等出现坍塌掉块等作用，优选自沥青粉、乳化沥青、氧化沥青、磺化沥青中的至少一种，更优选乳化沥青FF-III和抗高温镶嵌成膜防塌剂SMNA-1。使用温度小于等于120℃时优选为钻井液用乳化沥青FF-III；使用温度介于120～150℃时优选为钻井液用乳化沥青FF-III和抗高温镶嵌成膜防塌剂SMNA-1；使用温度介于150～180℃时优选为抗高温镶嵌成膜防塌剂SMNA-1。
所述磺化材料具有改善滤饼质量、降低钻井液滤失量和保持井壁稳定的作用，优选磺化褐煤SMC、磺化酚醛树脂SMP(SMP-I或SMP-II或SMP-III)、褐煤树脂SPNH、磺化单宁SMT、磺化栲胶SMK中的一种或几种复配。
所述润滑剂选自具有润滑作用的钻井液处理剂或纳米润滑剂，优选自润滑剂SMNR-1、润滑剂SMJH-1中的至少一种。
所述高效润滑剂SMJH-1具有改善钻井液润滑性的作用，尤其适用于高密度钻井液中改善钻井液润滑性能。
所述封堵剂为具有广谱性粒径分布的封堵处理剂，优选自封堵剂SMGF-1。
所述屏蔽暂堵剂为纤维、惰性颗粒、云母类复合封堵，优选自屏蔽暂堵剂SMPB-1。
所述纳微米广谱封堵剂SMGF-1、纳米润滑剂SMNR-1、屏蔽暂堵剂SMPB-1均对孔隙、裂缝(或微裂缝)有封堵作用，可封堵裂缝尺寸为200nm～200μm之间，可有效降低钻井液滤失量，阻缓滤液向地层侵入。三者累计加量优选为5～8份。
调节钻井液pH值的处理剂为碱性化学物质，优选为氢氧化钾或氢氧化钠，更优选用氢氧化钾，将钻井液的pH调节为9～10之间。
调节钻井液密度使用密度较高的惰性物质，优选为碳酸钙或重晶石，更优选用重晶石调节钻井液密度，密度调整范围在1.1～2.0g/cm3之间，用于平衡地层压力，保持井壁稳定的作用，降低因地层掉块造成的卡钻风险。重晶石的密度受矿源影响有差别，但优选为密度不低于4.2g/cm3的重晶石，具体加量需要根据最终密度计算得到。
更优选地，所述防塌钻井液包括以下组分，以重量份计：
自来水100份，钻井液膨润土1.5～5份，碳酸钠Na2CO3 0.15～0.25份，钻井液用高温高盐聚合物降滤失剂SMPF-L 0.25～1.5份，聚胺抑制剂SMJA-1 1～2份，磺化材料3～6份，沥青材料2～4份，纳微米广谱封堵剂SMGF-1 2～3份，纳米润滑剂SMNR-1 2～3份，屏蔽暂堵剂SMPB-1 1～3份，高效润滑剂SMJH-1 1～2份，分别用于调节钻井液pH值和密度用的氢氧化钾和重晶石若干。
其中，以上所述防塌钻井液还可以加入氯化钾0.25～7份，高密度钻井液用抗温抗盐降滤失剂SML-4 1～4份。
本发明的目的之二是提供一种所述的防塌钻井液的制备方法，包括以下步骤：将所述用量的所述组分混合均匀，调节钻井液pH值和密度，即得到所述防塌钻井液。
优选地，所述制备方法的步骤如下：
向水中加入碳酸钠，向碳酸钠溶液中加入膨润土，常温密闭条件下养护24小时后，在搅拌条件下依次加入钻井液用高温高盐聚合物降滤失剂SMPFL、高密度钻井液用抗温抗盐降滤失剂SML-4(配制低密度钻井液可以不加)、聚胺抑制剂SMJA-1、氯化钾(配制用于盐敏地层的钻井液建议不加)、磺化材料、沥青材料、纳微米广谱封堵剂SMGF-1、纳米润滑剂SMNR-1、屏蔽暂堵剂SMPB-1、高效润滑剂SMJH-1，上述处理剂充分分散或溶解好后，加入氢氧化钾调节钻井液pH值为9～10之间，加入计算好质量的重晶石，调节体系密度范围在1.1～2.0g/cm3。
本发明提供的用于煤层的防塌钻井液具有流变性良好，润滑性、抑制封堵能力强，密度适用范围广等特点。该钻井液抗温可达180℃。
本发明涉及的用于煤层的防塌钻井液密度适用范围为1.1～2.0g/cm3，适用于满足180℃以内裂缝发育、强度较低等地层钻井中的井壁防塌，尤其适用于煤泥岩交互地层的钻井防塌，优选为煤岩地层的钻井防塌，优选为大段煤岩地层的钻井防塌。
具体实施方式
以下通过具体实施例详细说明本发明的技术特点，但这些实施实例并非用于限制本发明的保护范围。
实施例中用到的处理剂都是市场上能购买的商品，购置时严格按行业标准或企标检验，合格者才能使用。
其中，钻井液用高温高盐聚合物降滤失剂SMPFL、聚胺抑制剂SMJA-1、纳微米广谱封堵剂SMGF-1、纳米润滑剂SMNR-1、屏蔽暂堵剂SMPB-1、高效润滑剂SMJH-1、抗高温镶嵌成膜防塌剂SMNA-1均来自于中国石化石油工程技术研究院自主研发和生产。
实施例1：
该钻井液包括如下组分自来水100份，钻井液钠基膨润土4份，Na2CO30.2份，SMPFL-L 0.75份，SMJA-1 1份，磺化材料(SMC 2份，SMP-2 2份，SPNH 2份)，FF-III 3份，SMGF-1 2份，SMNR-1 2份，SMPB-1 2份，SMJH-11.5份，氢氧化钠和重晶石若干。
本实施例的简化钻井液处理剂是通过以下方法制备得到：
向100份自来水中加0.2份Na2CO3，溶解后，加入4份钻井液钠基膨润土，养护24小时，之后在10000RPM转速下依次加入0.75份SMPFL-L、2份SMC、2份SMP-2、2份SPNH、3份FF-III、1份SMJA-1、2份SMGF-1、2份SMNR-1、2份SMPB-1、1.5份SMJH-1和67份重晶石，充分分散均匀后，用氢氧化钠调节钻井液pH为10，钻井液密度为1.50g/cm3。
使用钻井液性能按照钻井液测试程序(SY/T 5621-1993)中规定的方法进行测试。实施例1制备的钻井液体系分别经120～180℃老化16h前后的性能如表1所示，其中HTHP滤失量测试温度同老化温度，用于实验的岩样在清水中的回收率为44.32％。
表1实施例1中防塌钻井液性能
Figure BDA0001850281720000071
由表1可以看出，所配制的钻井液经过120℃～180℃高温老化后，各性能参数基本保持稳定，表明体系抗温达180℃。体系老化后的流变性能(PV和YP)良好、滤失量小、润滑性能优秀、抑制性较强。
实施例2
该钻井液包括如下组分：自来水100份，钻井液钠基膨润土2份，Na2CO3 0.1份，SMPFL-L 0.5份，SMJA-1 1份，磺化材料(SMC 2份，SMP-3 3份，SPNH 2份)，FF-III 1.5份，SMNA-1 3份，SMGF-1 2份，SMNR-1 2份，SMPB-1 1份，SMJH-1 1份，氢氧化钠和重晶石若干。
本实施例的简化钻井液处理剂是通过以下方法制备得到：
向100份自来水中加0.1份Na2CO3，溶解后，加入2份钻井液钠基膨润土，养护24小时，之后在10000RPM转速下依次加入0.5份SMPFL-L、2份SMC、3份SMP-3、2份SPNH、1.5份FF-III、3份SMNA-1、1份SMJA-1、2份SMGF-1、2份SMNR-1、1份SMPB-1、1份SMJH-1和178份重晶石，充分分散均匀后，用氢氧化钠调节钻井液pH为10，钻井液密度为2.00g/cm3。
使用钻井液性能按照钻井液测试程序(SY/T 5621-1993)中规定的方法进行测试。实施例2制备的钻井液体系分别经120～180℃老化16h前后的性能如表2所示，其中HTHP滤失量测试温度同老化温度，用于实验的岩样在清水中的回收率为44.32％。
表2实施例2中防塌钻井液性能
Figure BDA0001850281720000081
实施例2的体系中主要增加了抗温更高的沥青处理剂SMNA-1，适当减小了其它处理剂加量，由表2可以看出，所配制的钻井液经过120℃～180℃高温老化后，各性能参数依然保持稳定。除因密度更高固相含量多引起的黏度合理上升外，体系老化后的流变性能良好、滤失量小、润滑性能优秀、抑制性较强。

Claims (6)

1.一种用于煤层的防塌钻井液，其特征在于所述防塌钻井液由包含以下组分的原料制备得到，以重量份计：
水 100份；
膨润土 1.0~6份；
碳酸钠 0.1~0.3份；
降滤失剂 0.25~7.5份；
聚胺抑制剂 0.5~3份；
磺化材料 2~8份；
沥青材料 1~5份；
封堵剂 1~4份；
润滑剂 1~6份；
屏蔽暂堵剂 0.5~5份；
其中，所述防塌钻井液的pH值为9~10，密度为1.10~2.00g/cm3；
所述封堵剂为封堵剂 SMGF-1；所述屏蔽暂堵剂为屏蔽暂堵剂 SMPB-1；所述降滤失剂选自降滤失剂 SMPFL、降滤失剂SML-4中的至少一种；所述润滑剂选自润滑剂SMNR-1、润滑剂SMJH-1中的至少一种；所述聚胺抑制剂为聚胺抑制剂 SMJA-1；所述沥青材料选自乳化沥青FF-III或抗高温镶嵌成膜防塌剂SMNA-1中的至少一种；所述磺化材料选自磺化褐煤SMC、磺化酚醛树脂SMP、褐煤树脂SPNH、磺化单宁SMT、磺化栲胶SMK中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的防塌钻井液，其特征在于所述防塌钻井液由包含以下组分的原料制备得到，以重量份计：
水 100份；
膨润土 1.5~5份；
碳酸钠 0.15~0.25份；
降滤失剂 0.25~5.5份；
聚胺抑制剂 1~2份；
磺化材料 2~6份；
沥青材料 2~4份；
封堵剂 2~3份；
润滑剂 3~5份；
屏蔽暂堵剂 1~3份。
3.根据权利要求1所述的防塌钻井液，其特征在于：
调节钻井液pH值的处理剂为氢氧化钾或氢氧化钠；
调节钻井液密度使用碳酸钙或重晶石。
4.根据权利要求1所述的防塌钻井液，其特征在于：
所述膨润土选自钠基膨润土、钙基膨润土、蒙脱石中的至少一种。
5.根据权利要求1~4之任一项所述的防塌钻井液，其特征在于：
所述防塌钻井液还包含氯化钾，以100重量份水计，氯化钾为0.25~7份。
6.一种根据权利要求1~5之任一项所述的防塌钻井液的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将所述用量的所述组分混合均匀，调节钻井液pH值和密度，即得到所述防塌钻井液。
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