CN111560239B - 一种低密度固相容量高、抗高温的页岩水基钻井液 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液，所述页岩水基钻井液由预定体积的水与按照占所述水的质量体积百分比计为2～5％的膨润土、0.1～0.5％的抗高温聚合物降滤失剂、0.4～0.9％的聚阴离子纤维素、2.5～5.5％的磺化酚醛树脂、2.5～4.5％的抗高温磺化降滤失剂、1.5～4.5％的磺化沥青、5.0～9.0％的功能性处理剂、0.1～0.4％的NaOH、0.2～0.7％的CaO、1.2～1.7％的合成酯润滑剂、5.0～9.0％的KCL、以及满足预定密度要求的重晶石构成。本发明的页岩水基钻井液尤其适合于石英含量为20％以上、层理发育且脆性系数为0.1以上的页岩地层。
Description
技术领域
本发明涉及石油工业的油田化学药剂技术领域，具体来讲，涉及一种能够适用于石英含量为20％以上、层理发育且脆性系数为0.1以上的页岩地层的水基钻井液。
背景技术
一般来讲，页岩气是蕴藏于页岩层可供开采的天然气资源，中国的页岩气可采储量较大。页岩气的形成和富集有着自身独特的特点，往往分布在盆地内厚度较大、分布广的页岩烃源岩地层中。较常规天然气相比，页岩气开发具有开采寿命长和生产周期长的优点，大部分产页岩气分布范围广、厚度大，且普遍含气，这使得页岩气井能够长期地以稳定的速率产气。
页岩气赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，主要用于居民燃气、城市供热、发电、汽车燃料和化工生产等，用途广泛。页岩气生产过程中一般无需排水，生产周期长，一般为30年～50年，勘探开发成功率高，具有较高的工业经济价值。根据预测，我国的主要盆地和地区资源量约36万亿立方米，经济价值巨大，资源前景广阔。
发明人经研究发现：页岩气勘探中因使用油基钻井液，会表现出环保性能差、钻屑处理费用高等不足；另外，个别使用水基钻井液的页岩气勘探钻井，也存在水基钻井液流变性调控困难、起下钻摩阻大、防塌性能待完善等问不足；此外，不同地区的页岩的诸如地层、地质特征不同也导致对钻井液的要求是不同的。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种适用于石英含量为20％以上、层理发育且脆性系数为0.1以上的页岩地层的水基钻井液。又如，本发明的另一目的在于提供一种适用于石英含量为25～48％、层理发育且脆性系数为0.2以上的页岩地层、而且能容纳较高的低固相含量、抗高温、高润滑性能的页岩用水基钻井液体系。
为了实现上述目的，本发明提供了一种低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液，所述页岩水基钻井液由预定体积的水与按照占所述水的质量体积百分比计为2～5％的膨润土、0.1～0.5％的抗高温聚合物降滤失剂、0.4～0.9％的聚阴离子纤维素、2.5～5.5％的磺化酚醛树脂、2.5～4.5％的抗高温磺化降滤失剂、1.5～4.5％的磺化沥青、5.0～9.0％的功能性处理剂、0.1～0.4％的NaOH、0.2～0.7％的CaO、1.2～1.7％的合成酯润滑剂、5.0～9.0％的KCL、以及满足预定密度要求的重晶石构成，所述质量体积百分比的单位为kg/L，所述预定密度在1.80～2.30g/cm3的范围内选择。
在本发明的一个示例性实施例中，所述功能性处理剂可以由按体积配比为1：(1.5～2.5)：(2.5～3.5)的抑制剂、成膜剂和封堵剂构成。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液。
在本发明的一个示例性实施例中，低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液可专门用于适用于石英含量为20％以上、层理发育且脆性系数为0.1以上的页岩地层(例如，川渝相关区块及昭通相关区块)的页岩地层。该页岩水基钻井液由预定体积的水与下述药品的质量按质量体积百分比计为2～5％的膨润土、0.1～0.5％的抗高温聚合物降滤失剂、0.4～0.9％的聚阴离子纤维素、2.5～5.5％的磺化酚醛树脂、2.5～4.5％的抗高温磺化降滤失剂、1.5～4.5％的磺化沥青、5.0～9.0％的功能性处理剂、0.1～0.4％的氯化钠(NaOH)、0.2～0.7％的氧化钙(CaO)、1.2～1.7％的合成酯润滑剂、5.0～9.0％的氯化钾(KCL)、以及满足所述水基钻井液的预定密度要求的重晶石构成。也就是说，例如水的体积为100L，则相应地，膨润土的质量为2～5kg，其它组分相应得出。这里，所述水基钻井液的预定密度可以在1.80～2.30g/cm3的范围内选择，进一步地，可以在2.0～2.2g/cm3的范围内确定。这里，功能性处理剂可以由按体积配比为1：(1.5～2.5)：(2.5～3.5)的抑制剂、成膜剂和封堵剂构成。进一步地，功能性处理剂可以由按体积配比为1：(1.8～2.2)：(2.8～3.2)的抑制剂、成膜剂和封堵剂构成。
在本发明的另一个示例性实施例中，低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液由预定体积的水(例如，100L的水)与下述药品的质量按质量体积百分比计为3％～4％的膨润土(例如，相应为3kg～4kg膨润土)、0.2～0.4％的抗高温聚合物降滤失剂、0.5～0.7％的聚阴离子纤维素、3.5～4.5％的磺化酚醛树脂、3.5～4.0％的抗高温磺化降滤失剂、2.5～3.5％的磺化沥青、6.5～8.0％的功能性处理剂、0.2～0.3％的NaOH、0.4～0.5％的CaO、1.4～1.6％的合成酯润滑剂、6.5～8.0％的KCL以及满足1.90～2.15g/cm3的确定密度要求的重晶石构成。
以下将结合具体示例及其试验结果来详细说明本发明的示例性实施例及其效果数据。
示例1
将1L水和占水体积3.0％(即，3kg)的膨润土形成膨润土浆。在高速电动搅拌下，加入占水体积0.3％(即，0.3kg)的抗高温降滤失剂、0.7％(即，0.7kg)的聚阴离子纤维素，高速搅拌20min，再加入占水体积4.0％(即，4kg)的磺化酚醛树脂高速搅拌5min，加入占水体积3.5％的抗高温磺化降滤失剂后，高速搅拌10min。加入占水体积3.0％(即，3kg)的磺化沥青并高速搅拌10min，加入占水体积7％(即，7kg)的功能性复合处理剂(由按体积配比为1：2：3的抑制剂、成膜剂和封堵剂构成)并高速搅拌30min。加入占水体积0.3％(即，0.3kg)的NaOH、占水体积0.5％(即，0.5kg)的CaO，并高速搅拌20min，加入占水体积1.5％(即，1.5kg)的合成酯润滑剂并高速搅拌10min；加入占水体积7.0％(即，7kg)的KCL并高速搅拌60min；随后，按钻井液密度为2.10g/cm3的需要加入重晶石粉，然后再高速搅拌半小时以上，制得本示例的钻井液。本示例中，高速搅拌的作用主要在于使混合或溶解更加快速和均匀，其搅拌速度可以为11000r/min。然而，本发明不限于此，只要能够使相关组分混合或溶解均匀即可。
经检测，本示例的钻井液在140℃×16h条件下老化滚动后实验室性能为：密度2.10kg/L，漏斗黏度48s，API滤失1.6mL，泥饼厚度0.2mm，pH值10，高温高压滤失11mL，摩阻系数0.114，初切力1Pa，终切力3.5Pa，塑性黏度42mPa·s，动切力1.5Pa。
试验一：示例1及相关浆液的滚动回收率评价试验
参照标准SY/T5613-2016钻井液测试泥页岩理化性能试验方法，分别进行了蒸馏水、示例1所使用的功能性复合处理剂(简称为功能性处理剂)、优化前页岩气水基钻井液(ρ为2.10g/cm3，下文可简称为对比例钻井液)、优化后页岩气水基钻井液(下文可称为示例1钻井液)在80℃×16h、140℃×16h条件下的滚动回收率试验，结果见表1。
表1 页岩气水基钻井液优化前后泥页岩滚动回收率结果
结果表明：示例1所使用的功能性处理剂具有较强的抑制、包被和吸附能力，其不仅抑制岩屑分散，而且能够包被吸附在岩屑上，具体表现在岩屑质量增大，同时优化后的页岩气水基钻井液岩屑滚动回收率也比优化前有一定程度提高。
试验二：示例1及相关浆液的的表面张力评价实验
分别对示例1所使用的功能性处理剂及几种钻井液体系进行室内张力评价实验，结果见表2。
表2 滤液表面张力实验数据结
| 滤液类型 | 滤液表面张力，mN/m |
| 蒸馏水 | 71.2 |
| 蒸馏水+功能性处理剂 | 26.3 |
| 聚磺钻井液 | 45.2 |
| 仿油基聚磺钻井液 | 39.2 |
| 示例1钻井液 | 36.2 |
从表2实验数据结果看出，示例1所使用的功能性处理剂及其示例1的页岩气水基钻井液的滤液表面张力很小，对体系提高低密度固相容纳量和改善体系的流变性、润滑性等提供了基础保障。
试验三：示例1及相关浆液的润滑性能评价实验
采用滑块式润滑系数测定仪、压持式润滑系数测定仪和极压润滑仪对清水、4％膨润土浆、白油基钻井液及页岩气水基钻井液的润滑性能进行了评价，试验结果见表3。其中，不加润滑剂体系是指示例1的钻井液不加合成酯润滑剂的情况；加润滑剂体系是指示例1的钻井液(即，加入了合成酯润滑剂)的情况。
表3 页岩气水基钻井液润滑性能
从表3可以看出：示例1的页岩气钻井液体系润滑系数较小，并且加重后的润滑性能比不加重的更优良，说明其具有良好的润滑性能，对降低摩阻和扭矩、长水平段安全、快速钻进具有积极作用。
试验四：示例1及相关浆液的抗低密度固相污染性能
在优化前后的页岩气水基钻井液中分别加入按质量体积百分比为5％、8％和10％的6-10目极易分散的自流井岩屑(80℃清水回收率21.3％)(例如，100L钻井液中分别加入5kg、8kg和10kg岩屑)，经过140℃滚动16h后对钻井液常规性能进行评价，结果见表4。
表4 抗岩屑污染实验结果(140热滚16小时后)
备注：①流变性能测试温度50℃；②高温高压滤失测试温度140℃；③滚动条件：140℃X16h。④AV为表观粘度，PV为塑性粘度，YP为动切力，G10'/G10"为静切力，FLAPI为中压失水，FLHTHP为高温高压虑失量。
从表4可以看出：钻井液加入不同含量的岩屑进行污染，经过140℃热滚16小时后，优化钻井液(即示例1钻井液)仍有优良的流变性能，而优化前的钻井液黏切明显增加，同时优化钻井液经过简单处理，在保证流变性能变化不大的情况下就能够将滤失量基本维持在原有状态，说明本发明的钻井液与优化前比具有较强的抗低密度固相污染能力，能够满足页岩气长水平段水平井钻井的要求。
此外，表4中最后一行示出了对于添加了10％岩屑的示例1钻井液，进行抗污染处理后的相关性能数据，可以看出，示例1的钻井液具有良好的抗污染处理性能。
试验五：示例1及相关浆液的封堵性能评价
选用美国FANN公司的PPA渗透试验仪(过滤介质：孔径3μm、渗透率500毫达西人造岩心)，评价优化前后钻井液的高温高压封堵性能，结果见表5。
表5 PPA封堵滤失量实验结果(140℃热滚16小时后)
| 实验配方 | PPA高温高压封堵滤失量/mL |
| 优化前钻井液 | 1.2 |
| 优化后钻井液 | 0.6 |
备注：PPA封堵滤失量测试温度140℃、压差3.45MPa、时间30min。
实验结果看出：优化后的页岩气水基钻井液与优化前比具有更低的PPA高温高压封堵滤失量，这可能是优化钻井液提高了膨润土含量有利于形成质量更好的泥饼，对封堵孔隙和微裂缝，阻止滤液进入有较大帮助的原因。
综上所述，本发明的页岩气水基钻井液的优点包括以下内容的至少一项：
1、针对目前页岩气水基钻井液所面临的技术瓶颈问题，除抑制、防塌和润滑外，重点研究思路放在如何增加低密度固相容纳量上，以满足长水平段钻井所需要的优良流变性能和滤失造壁性能；
2、不加任何矿物油，与环保要求接轨，体系设计时已考虑不使用矿物油做润滑剂，研究结果达到设计要求，其润滑性能以接近油基钻井液；
3、采用了适合于石英含量为20％以上、层理发育且脆性系数为0.1以上的页岩地层的设计，大大提高了页岩地层高密度水基钻井液体系的低密度固相容量，并且具有较优异的流变性能；
4、能够使加重后的润滑性能比不加重的润滑性能还好，特别适合高密度钻井液的润滑性控制；
5、抗温能力可以为120～160℃，通常可达140℃以上，能满足某些需地区页岩气长水平井对抗高温性能的要求；
6、能够实现低的滤液表面张力，这是实现其他优质性能协同的基础保障；
7、通过采用双疏+插层解决表面水化，采用KCL+CaO解决渗透水化，成膜剂+合成脂进行润滑，具有高效表面活性剂降低体系的张力。
尽管上面已经结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
Claims (7)
1.一种低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液，其特征在于，所述页岩水基钻井液由预定体积的水与按照占所述水的质量体积百分比计为2～5％的膨润土、0.1～0.5％的抗高温聚合物降滤失剂、0.4～0.9％的聚阴离子纤维素、2.5～5.5％的磺化酚醛树脂、2.5～4.5％的抗高温磺化降滤失剂、1.5～4.5％的磺化沥青、5.0～9.0％的功能性处理剂、0.1～0.4％的NaOH、0.2～0.7％的CaO、1.2～1.7％的合成酯润滑剂、5.0～9.0％的KCL、以及满足预定密度要求的重晶石构成，所述质量体积百分比的单位为kg/L，所述水基钻井液的预定密度在1.80～2.30g/cm3的范围内选择；
所述功能性处理剂由按体积配比为1：(1.5～2.5)：(2.5～3.5)的抑制剂、成膜剂和封堵剂构成；
所述页岩水基钻井液适用于石英含量为20％以上、层理发育且脆性系数为0.1以上的页岩地层。
2.根据权利要求1所述的低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液，其特征在于，所述预定密度在1.95～2.20g/cm3的范围内选择。
3.根据权利要求1所述的低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液，其特征在于，所述膨润土为3％～4％，所述抗高温聚合物降滤失剂为0.2～0.4％。
4.根据权利要求1所述的低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液，其特征在于，所述聚阴离子纤维素0.5～0.7％，所述磺化酚醛树脂为3.5～4.5％。
5.根据权利要求1所述的低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液，其特征在于，所述抗高温磺化降滤失剂为3.5～4.0％，所述磺化沥青为2.5～3.5％。
6.根据权利要求1所述的低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液，其特征在于，所述功能性处理剂为6.5～8.0％，所述NaOH为0.2～0.3％；所述CaO为0.4～0.5％。
7.根据权利要求1所述的低密度固相容量高且抗高温的页岩水基钻井液，其特征在于，所述合成酯润滑剂为1.4～1.6％，所述KCL为6.5～8.0％。
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