CN113072918B - 一种抗高温淀粉基钻井液及其制备方法 - Google Patents

一种抗高温淀粉基钻井液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗高温淀粉基钻井液，其含量为：钠基膨润土30～60份；钻井液用包被剂2～8份；钻井液用降滤失剂4～20份；抗高温改性淀粉2～10份；环保型防塌剂10～30份；环保型润滑剂10～40份；钻井液用流型调节剂1～4份；碱度调节剂2～4份；水1000份。本发明的抗高温淀粉基钻井液体系在180℃高温下具有良好的流变性和失水造壁性(高温高压滤失量＜12ml)，环保性能好，封堵能力强，润滑性优良，能满足高环保要求地区深井安全钻井要求。

Description

一种抗高温淀粉基钻井液及其制备方法
技术领域
本发明属于石油钻井工程技术领域，具体涉及一种可用于环境敏感地区深井钻井作业的抗高温淀粉基钻井液及其制备方法。
背景技术
随着石油工业的发展，油气田开发不断深入，浅层油气资源已不能满足当今社会的需求，开发深部地层油气资源已成为必然。随着深井数量的不断增多，钻井作业对钻井液体系的抗温性要求也越来越高。目前国内抗高温钻井液体系仍然是以“三磺”材料为核心处理剂形成聚磺钻井液，该体系具有良好的抗温封堵防塌性能，能够有效降低深井钻探过程中的复杂，但其钻井废弃物处理难以达到环保标准。
近年来，我国环保法律法规不断完善，环保要求不断提高，钻井工程环保形势日益严峻,尤其在环境敏感和生态脆弱地区,钻井液已成为钻井工程的主要污染源之一。目前我国持续研发了多项钻井液环保技术,但多集中在“末端治理”方面,即废弃钻井液无害化处理与含油钻屑配套处理技术等,相关工艺技术复杂,设备投入大,处理成本高。因此，需要采取一体化的环保处理技术，开发一种环保型抗高温钻井液体系，既能满足深井钻探过程中安全钻井要求，又能从源头上控制钻井液对环境的污染。
淀粉作为重要的天然产物，具有来源广、无毒、易改性和易生物降解等优点，是环保类钻井液处理剂的热点研究方向之一。但目前的淀粉类降滤失剂抗温能力有限，普遍在100～130℃，难以适应高温深层钻井的要求。中国专利申请201310432320.X公开了一种改性淀粉，该改性淀粉采用醚化法合成，含有双取代淀粉结构单元和三取代淀粉结构单元，但抗温能力仍不高于140℃。中国专利申请CN201810368481.X公开了一种抗高温改性淀粉，该抗高温改性淀粉在淡水泥浆和盐水泥浆中均适用，经150℃高温处理，仍能保持较高的滤失量，再无法承受更高的温度处理。中国专利申请CN201611055180.9公开了一种环保水基钻井液及其制备方法。该钻井液包括水100份、膨润土1-5份、碳酸钠0.05-0.4份、降滤失剂A0.5-3份、降滤失剂B 0.2-3份、提粘切剂0.1-1份、抑制剂0.5-4份、润滑剂1-5份、微纳米颗粒封堵剂2-6份、加重材料0-200份。但该钻井液抗温能力也仅有150℃。
因此，开发一套以抗高温改性淀粉为核心处理剂，集环境友好、抗高温于一体，且具有低滤失、强封堵突出优势的高性能水基钻井液体系，在环境敏感地区深井钻井中将具有良好的应用前景。
发明内容
针对目前深井钻井中钻井液的环保和抗高温性能难以兼顾的问题，提供一种集环境友好、抗高温于一体，且具有低滤失、强封堵突出优势的抗高温淀粉基钻井液体系，可代替现有以“三磺”材料为主的聚磺钻井液体系，以满足环境敏感地区深井安全钻井要求。
作为本发明的一项发明目的，本发明公开了一种抗高温淀粉基钻井液，以重量份计，由以下组份组成：钠基膨润土30～60份，钻井液用包被剂2～8份，钻井液用降滤失剂4～20份，抗高温改性淀粉2～10份，环保型防塌剂10～30份，环保型润滑剂10～40份，钻井液用流型调节剂1～4份，碱度调节剂2～4份，加重剂0-200份，水1000份。
优选地，所述抗高温改性淀粉是由具有刚性基团、阴离子水化基团和阳离子抑制基团的高性能聚合单体通过接枝改性淀粉制备得到的。
优选地，高性能聚合单体的分子量小于300，加入量2％-20wt％；淀粉含量在30％-80wt％，其余含量为小分子量聚合单体。高性能聚合单体为DMAPS(甲基丙烯酰氧乙基-N,N-二甲基丙磺酸盐)、DAPS(N，N-二甲基烯丙基胺丙磺酸盐)、VPPS(4-乙烯基吡啶丙磺酸盐)、MAPS(N-甲基二烯丙基丙磺酸盐)、MABS(N-甲基二烯丙基丁磺酸盐)中的一种或几种。小分子量聚合单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、N、N-二甲基丙烯酰胺或N、N-二乙基丙烯酰胺等。
优选地，将淀粉溶解于水中在60-90℃下反应60min，而后降温备用。将高性能聚合单体中的一种或几种充分溶解于水中，加入至淀粉溶液，加入引发剂，引发剂为过硫酸钾、过硫酸铵、过硫酸钠等，添加量为总量的0.1-1wt％，在50-80℃下聚合反应4-5h，即得抗高温改性淀粉。
本发明通过特定工艺手段制备得到的抗高温改性淀粉具有优异的抗高温性能，抗温可达180℃以上；除此以外，还兼具较好的抗盐抗钙性能及抑制性能。之所以会表现出明显的作用效果，主要原因有三个方面：1、单体在设计合成中，充分考虑了单体分子量与所含基团的平衡问题。在满足所含必要基团的基础上，保证单体分子量不能过大，从而使单体保持良好的聚合活性。所以，此单体接枝改性淀粉具有较高的接枝率和接枝效率。2、单体中的特殊结构在聚合后会产生环状结构，这些环状结构对于抗高温性能有较大的贡献。通过增加空间位阻，抑制高温对聚合物在粘土上解吸附作用。3、接枝共聚物结构中含有较多的水化和吸附基团，会与粘土形成强吸附，改变粘土粒子的粒径分布，从而形成薄而致密的滤饼，达到降高温高压滤失量的目的。总体来说，性能优异的聚合单体赋予接枝共聚物良好的综合性能。
优选地，所述钻井液用包被剂为以聚丙烯酰胺为主的聚合物，分子量在300-700万之间。
优选地，所述环保型防塌剂为环保无荧光防塌剂，是以高碳醇高碳酸为主要原料经过水溶性改性处理得到，具有降低钻井液高温高压滤失量的作用。
优选地，所述的钻井液用流型调节剂为降粘剂甲基硅油；钻井液用降滤失剂为水解聚丙烯腈铵盐NH4-HPAN；环保型润滑剂为以植物油或生活废弃油为主要成分的水基润滑剂；碱度调节剂为氢氧化钠NaOH。
作为本发明的一项发明目的，本发明还公开了上述抗高温淀粉基钻井液的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将1000重量份水与30～60重量份钠基膨润土混合，于1000～4000rpm的搅拌速度下搅拌30～60min，再于6000～10000rpm的搅拌速度下搅拌30～40min，置于常温常压下养护至少24h；
(2)将步骤(1)养护后的混合体在6000～10000rpm的搅拌速度下，先加入2～8重量份钻井液用包被剂、4～20重量份钻井液用降滤失剂，再加入2～10重量份抗高温改性淀粉，10～30重量份环保型防塌剂和10～40重量份环保型润滑剂，然后再加入1～4重量份钻井液用流型调节剂。
(3)使用碱度调节剂调节步骤(2)形成的混合体的PH值至8～10；
(4)向步骤(3)形成的混合体中加入根据密度加重所需的钻井液用加重剂，搅拌均匀，即制得抗高温淀粉基钻井液。
本发明提供的抗高温淀粉基钻井液与现有同类产品相比较，具有以下优势：(1)抗高温能力达到180℃；(2)绿色环保，色度浅黄色或浅灰色，为无毒，生物降解性好，比现有体系提高近6倍，更易降解；(3)失水造壁性能好，与现有体系相比，140℃下HTHP滤失量降低23.9％，180℃下HTHP滤失量降低51.3％；(4)封堵能力强，形成的泥饼更加致密，表面光滑，有韧性，钻探过程中，耐钻井液流体冲刷；(5)成本适中，不增加钻探作业施工费用。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1
配制钻井液时，先将1000g水与40g钠基膨润土混合，于3000rpm的搅拌速度下搅拌40min后，再于8000rpm的搅拌速度下搅拌30分钟，置于常温下养护24小时；将养护后的混合体在6000rpm的搅拌速度下，先加入3g包被剂PMHA-II和5g降滤失剂NH4-HPAN，再加入5g抗高温改性淀粉，然后再加入15g环保型防塌剂NFA-25、20g水基润滑剂KD-21C，再加入2g降粘剂MSO调节流型。搅拌混合均匀后用NaOH将上述混合物的PH值至9；最后向上述混合体中加入钻井液用加重剂石灰石粉，搅拌均匀使钻井液的密度为1.16g/cm3，即制得所述抗高温淀粉基钻井液。
所述抗高温改性淀粉是由18％的分子量小于300DMAPS(甲基丙烯酰氧乙基-N,N-二甲基丙磺酸盐)，70％的淀粉和12％的甲基丙烯酸反应而成。
先将淀粉溶解于水中在75℃下反应60min，而后降温备用。将DMAPS充分溶解于水中，加入至淀粉溶液，加入0.5wt％的引发剂，引发剂为过硫酸钾，在50-80℃下聚合反应5h，即得抗高温改性淀粉。
实施例2
配制钻井液时，先将1000g水与40g钠基膨润土混合，于4000rpm的搅拌速度下搅拌40min后，再于10000rpm的搅拌速度下搅拌30分钟，置于常温下养护24小时；将养护后的混合体在8000rpm的搅拌速度下，先加入4g包被剂PMHA-II和8g降滤失剂NH4-HPAN，再加入5g抗高温改性淀粉(制备过程同实施例1)，然后再加入15g环保型防塌剂NFA-25、20g环保型生物润滑剂JSLUB，再加入3g降粘剂MSO调节流型。搅拌混合均匀后用NaOH将上述混合物的PH值至9；最后向上述混合体中加入钻井液用加重剂石灰石粉，搅拌均匀使钻井液的密度为1.20g/cm3，即制得所述抗高温淀粉基钻井液。
实施例3
配制钻井液时，先将1000g水与50g钠基膨润土混合，于4000rpm的搅拌速度下搅拌40min后，再于10000rpm的搅拌速度下搅拌30分钟，置于常温下养护24小时；将养护后的混合体在8000rpm的搅拌速度下，先加入5g包被剂PMHA-II和10g降滤失剂NH4-HPAN，再加入10g抗高温改性淀粉(制备过程同实施例1)，然后再加入20g环保型防塌剂NFA-25、30g环保型生物润滑剂JSLUB，再加入3g降粘剂MSO调节流型。搅拌混合均匀后用NaOH将上述混合物的PH值至10；最后向上述混合体中加入钻井液用加重剂石灰石粉和重晶石粉，搅拌均匀使钻井液的密度为1.32g/cm3，即制得所述抗高温淀粉基钻井液。
对比例1
配制钻井液时，先将1000g水与40g钠基膨润土混合，于4000rpm的搅拌速度下搅拌40min后，再于10000rpm的搅拌速度下搅拌30分钟，置于常温下养护24小时；将养护后的混合体在8000rpm的搅拌速度下，先加入4g包被剂PMHA-II和8g降滤失剂NH4-HPAN，再加入15g磺甲基酚醛树脂SMP-1，然后再加入15g磺化沥青FT-388、20g水基润滑剂KD-21C，再加入3g降粘剂MSO调节流型。搅拌混合均匀后用NaOH将上述混合物的PH值至9；最后向上述混合体中加入钻井液用加重剂石灰石粉，搅拌均匀使钻井液的密度1.20g/cm3，即制得聚磺钻井液。
对比例2
配制钻井液时，先将1000g水与40g怀安膨润土和0.75g碳酸钠混合，搅拌20min后，再预水化处理24小时；将养护后的混合体在11000rpm的搅拌速度下，依次加入15g环保型降滤失剂ZJSJ、7.5g降滤失剂B、3g低粘羧甲基纤维素LV-CMC、25g低聚醇胺ZJ-1、20g环保型抗高温润滑剂ZJSR、7.5g40nm二氧化硅、12.5g1500目碳酸钙粉体，同时观察每种处理剂的溶解或分散情况，当一种处理剂充分溶解或分散后，再加入下一种处理剂，直至全部加完；使用碳酸钠将上述得到的混合液的pH值调节到9，最后向上述混合体中加入重晶石粉，以10000～12000r/min的速度搅拌20min，使其密度达到1.32g/cm3，即制得环保水基钻井液。
分别评价实施例1-3的钻井液在120℃、140℃、180℃老化前后以及对比例1的钻井液在140℃、对比例2在180℃老化前后的流变性、润滑性、API滤失量和高温高压滤失量。实验结果见表1。
表1钻井液性能参数
Figure BDA0003000384650000071
Figure BDA0003000384650000081
由表1可知，实施例1-3钻井液在老化后均具有良好的流变性能和润滑性能，极压润滑系数均小于0.1，高温高压滤失量＜12ml，且具有薄而坚韧的泥饼。同等高温条件下本发明相对于对比例1具有更优的综合性能，尤其高温高压降滤失性能更强，侵入地层滤液更少，有利于深井泥页岩地层稳定和深层致密、隐蔽油气层的保护。对比例2在180℃老化后流变性能变差，终切低，仅3Pa，悬浮岩屑能力弱，动塑比YP/PV仅为0.15，深井段钻进时携岩效果差，无法满足井眼净化，容易引起沉砂阻卡等井下复杂，且高温高压滤失量达到23.8ml，表明对比例2各处理剂在180℃下存在失效现象，钻井液的网状结构被破坏，抗温能力明显下降，无法满足180℃井温条件下的深井钻探要求。
综上试验表明，本发明形成的钻井液体系在180℃高温下具有良好的流变性和失水造壁性，环保性能好，封堵能力强，润滑性优良，能满足环境敏感地区深井安全钻井的要求，可代替现有以“三磺”材料为主的聚磺钻井液体系。

Claims (2)

1.一种抗高温淀粉基钻井液，其特征在于，以重量份计，由以下组份组成：钠基膨润土30～60份，钻井液用包被剂2～8份，钻井液用降滤失剂4～20份，抗高温改性淀粉2～10份，环保型防塌剂10～30份，环保型润滑剂10～40份，钻井液用流型调节剂1～4份，碱度调节剂2～4份，加重剂 0-200份，水1000份；
所述抗高温改性淀粉是由高性能聚合单体、淀粉和小分子量聚合单体反应而成；
高性能聚合单体的分子量小于300，以高温改性淀粉总量计，高性能聚合单体的加入量为 2%-20wt%；淀粉的加入量为30%-80wt%，其余含量为小分子量聚合单体；
高性能聚合单体为甲基丙烯酰氧乙基- N, N-二甲基丙磺酸盐、N，N-二甲基烯丙基胺丙磺酸盐、4-乙烯基吡啶丙磺酸盐、N-甲基二烯丙基丙磺酸盐、N-甲基二烯丙基丁磺酸盐中的一种或几种；
小分子量聚合单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、N、N-二甲基丙烯酰胺、N、N-二乙基丙烯酰胺；
所述钻井液用包被剂为以聚丙烯酰胺为主的聚合物，分子量在300-700万之间；
所述环保型防塌剂为环保无荧光防塌剂，是以高碳醇高碳酸为主要原料经过水溶性改性处理得到；
所述的钻井液用流型调节剂为降粘剂甲基硅油；钻井液用降滤失剂为水解聚丙烯腈铵盐NH4-HPAN；环保型润滑剂为以植物油为主要成分的水基润滑剂；碱度调节剂为氢氧化钠。
2.权利要求1所述的一种抗高温淀粉基钻井液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）先将1000重量份水与30～60重量份钠基膨润土混合，于1000～4000rpm的搅拌速度下搅拌30～60min，再于6000～10000rpm的搅拌速度下搅拌30～40min，置于常温常压下养护至少24h；
（2）将步骤（1）养护后的混合体在6000～10000rpm的搅拌速度下，先加入2～8重量份钻井液用包被剂、4～20重量份钻井液用降滤失剂，再加入2～10重量份抗高温改性淀粉，10～30重量份环保型防塌剂和10～40重量份环保型润滑剂，然后再加入1～4重量份钻井液用流型调节剂；
（3）使用碱度调节剂调节步骤（2）形成的混合体的PH值至8～10；
（4）向步骤（3）形成的混合体中加入根据密度加重所需的钻井液用加重剂，搅拌均匀，即制得抗高温淀粉基钻井液。
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