CN113122201B - 一种高温硬胶可循环泡沫钻井液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高温硬胶可循环泡沫钻井液及其制备方法。以低分子量抗高温稳泡剂0.2~0.8份、泡膜密度减轻剂1~2份和高温润湿剂0.1~0.2份在清水中预先配制成抗高温硬胶基液，再将抗温钠膨润土0~3份、碱性调节剂0~0.1份、高温发泡剂0.3~0.5份、抗高温抗盐降滤失剂0.1~0.5份和抗高温树脂降滤失剂1~3份混合均匀边搅拌边加入抗高温基液中，用低速强力搅拌器搅拌5~7h而成。本发明固相含量低、膜结构强；高温环境下稳泡效果优良，提高微泡沫钻井液后完井液可循环次数和高温高压下的堵漏效果，使可循环微泡沫钻完井液安全高效应用于中高温低压易漏油气资源、地热井或盐膏层等的开采，满足深井超深井钻进需求。

Description

一种高温硬胶可循环泡沫钻井液及其制备方法

技术领域

本发明涉及钻井工程防漏堵漏技术领域，具体涉及一种抗高温、膜结构强、可在地面和井筒内循环使用的泡沫钻井液及其制备方法。

背景技术

泡沫钻井液是应对低压、恶性漏失地层的低密度关键钻井液技术，具有防漏堵漏强、低滤失、储层伤害较低、携岩能力强等特点。主要发展有充气泡沫钻井液技术和可循环泡沫钻井液技术。

充气泡沫钻井液不能在井内循环使用，经井口专门的设备发泡后进入井内，泡沫流体返出井口后经过物理除气或化学消泡将液、气、固分离，再向回收基液中添加起泡剂或特殊的处理剂重新充气发泡再进入下一个循环，因此泡沫流体在井内时间短，对泡沫寿命要求比较低。中国专利(CN 104449640A)公布了一种低固相耐高温泡沫钻井液及其制备方法。由以下重量份组成：100份水、0.1～3.0份液膜增强剂、0.1～5.0份抗温土、0.1～3.0份发泡剂、0.1～4.0份稳泡剂以及0.1～5.0份页岩抑制剂组成，室温泡沫半衰期≥4150s；230℃半衰期≥9分钟。该发明克服了现有泡沫钻井液耐温性能差的缺点，但泡沫稳定性较差，半衰期短，抗温土固相达到5％，只能基本满足2000m左右温度达230℃的地热井，或对泡沫钻井液耐温要求高，而寿命要求低的低压储层。

可循环泡沫钻井液不需要在井场附加特殊设备，就可以降低钻井液密度，如同水基钻井液在井内和钻具间循环使用，因此对泡沫稳定性要求较高。3000m～5000m左右的井，泡沫钻井液正常循环一周需要2.3～6h，考虑正常起下钻工序，半衰期要求不低于20h，且温度越高，井底越深，压力越大，对泡沫半衰期指标要求越高。而泡沫的半衰期越大，循环使用的周期也越长，越有利于降低钻井液成本消耗。

中国专利(CN 104046342B)公布了一种可循环使用的抗高温无固相微泡沫钻井液或完井液，按重量份组成：抗高温增粘剂0.5～1份、抗高温发泡剂0.5～1份、抗高温保护剂0.2～0.3份、抗高温降滤失剂2～3份、抗高温流型调节剂0.6～1份、纯碱0.2～0.3份、水100份，200℃泡沫体系半衰期＞8h；密度为0.66～0.91g/cm³；中压滤失量为5～9mL。该发明具有较好的稳定性以及良好的抗高温能力，但200℃时8h的泡沫半衰期在现场基本上仅够维持1～3次正常循环，微泡沫高温状态下的膜强度仍然较差，不能实现真正意义上的多次可循环。

中国专利(CN 107794009A)公布了一种抗高温微泡沫钻井液及其制备方法，原料按重量份数配比如下：膨润土10～15份、磺酸盐10～15份、高粘羧甲基纤维素5～10份、纳米氧化铝1～5份、聚季铵盐1～5份、高温抑制剂1～5份、纳米氯化钛0.5～1份、高温降粘剂0.5～1份、抗氧剂0.1～0.5份、发泡剂0.1～0.5份、水100～130份。该钻井液能抗200℃，能够用于高温地层的钻探。公布的实施例中，微泡沫钻井液高温180℃后半衰期15h，密度0.53～0.62g/cm³，无200℃数据，但其半衰期应＜15h，且该专利膨润土含量过高，其中的大量的亚微米粒子极易堵塞油气孔道，其中的发泡剂十二烷基硫酸钠热滚抗温≤190℃，200℃完全失效，而干粉150℃环境下加热2h完全失去发泡能力，必然导致高温下起泡能力大幅降低。

发明内容

本发明为了解决现有泡沫钻井液高温后泡沫半衰期较短且现场附加设备要求高，可循环泡沫钻井液寿命不足，循环次数少，或膨润土含量高等缺点，提供一种高温硬胶可循环泡沫钻井液及其制备方法，以提高微泡沫体系的表面强度，增强微泡沫在井筒和井底高温压力环境下的膜弹性，延长泡沫半衰期，提高微泡沫钻井液技术可循环次数。

本发明的技术方案如下：

一种高温硬胶可循环泡沫钻井液，其按照质量份包括：

抗温钠膨润土，0～3份；

低分子量抗高温稳泡剂，0.2～0.8份；

泡膜密度减轻剂，1～2份；

高温润湿剂，0.1～0.2份；

高温发泡剂，0.3～0.5份；

高温聚合物滤失剂，0.1～0.5份；

抗高温抗盐降滤失剂，1～3份；

碱性调节剂，0～0.1份；

水，100份。

其中：

所述的低分子量抗高温稳泡剂为疏水改性聚合物、粘弹性聚合物或分子链剪切聚合物的一种或其混合物，分子量在100～400万g/mol之间。其中优选低分子量抗温稳泡剂TFS。

所述低分子量抗高温稳泡剂TFS为将非离子纤维素醚加入到稀释剂中，在惰性气氛下，加热搅拌至充分溶胀，与抗高温单体和疏水单体在引发剂作用下，进行沉淀聚合，对反应液经离心分离和乙醇洗涤后真空干燥，然后与促溶剂混合粉碎，于烘干设备中热处理3～10min，再经整粒、过筛，再经表面修饰后得低分子量抗高温稳泡剂TFS。

所述的泡膜密度减轻剂为轻吸水轻质的改性硬果壳植物纤维粉或改性矿物纤维粉中的一种或其混合物。优选粒径0.2～0.6mm。

所述的高温润湿剂为烷基酚聚氧乙烯醚或山梨醇酐单油酸酯中的一种或其混合物。

所述的抗高温发泡剂为烯烃磺酸盐、苯磺酸、烷基苯磺酸、脂肪醇甘油基醚、烷基甘油基醚或脂肪醇聚氧乙烯醚类表面活性剂中的一种或其混合物。其中优选α-烯烃磺酸钠：十二烷基苯磺酸钠＝2:1。

所述的高温聚合物降滤失剂为磺酸盐聚合物降滤失剂，梳型聚合物降滤失剂中的一种或其混合物。

所述的抗高温抗盐降滤失剂为非增粘高温降滤失剂类，为腈硅降滤失剂、聚氧乙烯基型降滤失剂、磺化酚醛树脂中的一种或其混合物。

一种高温硬胶可循环泡沫钻井液，其制备方法如下：

(1)取清水100份，向其中加入低分子量抗高温稳泡剂0.2～0.8份，用低速搅拌器搅拌1～4h；均匀分散溶解后加入高温润湿剂0.1～0.2份，充分搅拌10～30min；加入改性硬壳植物纤维粉1～2份，充分搅拌5～10min，静置2～4h保证其充分溶胀，形成抗温硬胶基液。

(2)准确称取抗温钠膨润土0～3份、碱性调节剂0～0.1份、抗高温聚合物降滤失剂0.1～0.5份、高温发泡剂0.3～0.5份和抗高温抗盐降滤失剂1～3份混合均匀，边搅拌边加入抗温硬胶基液(1)中，用低速强力搅拌器搅拌5～7h，形成高温硬胶可循环微泡沫钻井液或完井液。

本发明的有益效果是：

以低分子量高温稳泡剂架构高温微泡沫的刚性结构膜，高温润湿剂提高微泡沫表面膜润湿渗透性，减缓泡沫液体高温下的蒸发作用，同时引入轻吸水轻质的泡沫密度减轻剂吸附泡沫表面的多余自由水同时降低泡沫表面膜比重，从而减缓泡沫在重力下的排液速度，三者联合形成抗高温微泡沫钻完井液的抗温硬胶基液；再辅以抗温土和复合抗温降滤失剂确保微泡沫钻井液或完井液具备良好的流变性和清洁携岩能力，并降低滤失量增强防漏堵漏效果。高温硬胶可循环泡沫钻完井液技术优势如下：

1.其密度0.6～1.0g/cm³可调，不需要现场辅助特殊设备，可在地面和井筒之间长效循环，节约配制和设备成本。

2.具备优良的抗温稳泡效果：

(1)常温下初析时间＞30d、半衰期＞30d。

(2)150℃/16h高温后初析时间＞25d、半衰期＞30d。

(3)180℃/16h高温后初析时间＞12d、半衰期＞20d。

(4)200℃/16h高温后初析时间＞1.5d、半衰期＞2.3d。d代表天。

3.抗金属离子污染性强，可应用于盐膏层。可抗饱和NaCl和CaCl₂。

4.简化现场配制程序，提高科研配方现场应用准确度。膨润土不需要预水化，现场只需配制三种处理剂组成的抗温硬胶基液，其它材料可以在车间按比例准确称量混合均匀后在现场一次性投入，可节约现场配制时间，尽量确保室内配方精准应用于现场。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但并不限制本发明。

综合实施例

一种高温硬胶可循环泡沫钻井液，其特征在于按照质量份包括：

抗温钠膨润土(用铁铬木质素磺酸盐处理的膨润土)，0～3份；

低分子量抗高温稳泡剂，0.2～0.8份；

泡膜密度减轻剂，1～2份；

高温润湿剂，0.1～0.2份；

高温发泡剂，0.3～0.5份；

高温聚合物滤失剂，0.1～0.5份；

抗高温抗盐降滤失剂，1～3份；

碱性调节剂(业内常用的碳酸钠或碳酸氢钠)，0～0.1份；

水，100份。

所述低分子量抗高温稳泡剂为低分子量抗温稳泡剂TFS、水溶性疏水缔合聚合物HAWP、粘弹性聚合物MVPP中一种或其混合物。分子量在100～400万g/mol之间。其中，所述低分子量抗高温稳泡剂TFS，为将非离子纤维素醚加入到稀释剂中，在惰性气氛下，加热搅拌至充分溶胀，与抗高温单体和疏水单体在引发剂作用下，进行沉淀聚合，对反应液经离心分离和乙醇洗涤后真空干燥，然后与促溶剂混合粉碎，于烘干设备中热处理3～10min，再经整粒、过筛、表面修饰后得低分子量抗高温稳泡剂TFS。其中：所述的非离子纤维素为羟乙基纤维素HEC、甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素中的一种；所述的抗高温单体为苯乙烯磺酸钠或乙基磺酸钠的一种；所述的疏水单体为丙烯酸十八酯、溴代烷烃(R-X)或长链脂肪胺基(R-NH₂)中的一种；所述的引发剂为NaOH、过硫酸铵或叔丁醇钾中的一种或几种混合物；所述的稀释剂为乙酸异丙酯、二甲基亚砜、乙醇、乙酸丁酯、异丙醇、叔丁醇、正戊醇及其异构体、正己醇及其异构体中的一种或几种混合物；所述的促溶剂为柠檬酸钠、赤藓糖醇、海藻糖中的一种或其混合物。

所述的泡膜密度减轻剂为轻吸水性质的改性硬果壳植物纤维粉或改性矿物纤维粉中的一种或其混合物；粒径0.2～0.6mm。其中所述的改性硬果壳植物纤维粉为核桃壳粉、花生壳粉、椰壳粉中的一种或其混合物。

所述的高温润湿剂为烷基酚聚氧乙烯醚或山梨醇酐单油酸酯中的一种或其混合物。(例如烷基酚聚氧乙烯醚代号OP-10或山梨醇酐单油酸酯代号SP-80)

所述的高温发泡剂采用抗温性良好的表面活性剂，包括烯烃磺酸盐、苯磺酸、烷基苯磺酸、脂肪醇甘油基醚、烷基甘油基醚或脂肪醇聚氧乙烯醚类表面活性剂中的一种或其混合物。作为优选高温发泡剂为α-烯烃磺酸钠2质量份和十二烷基苯磺酸钠1质量份混合。

所述的高温聚合物降滤失剂为磺酸盐聚合物降滤失剂代号DSP-Ⅱ、梳型聚合物降滤失剂代号SCP中的一种或其混合物。

所述的抗高温抗盐降滤失剂为非增粘高温降滤失剂类，包括腈硅降滤失剂、聚氧乙烯基型降滤失剂、磺化酚醛树脂中的一种或其混合物。(例如：腈硅降滤失剂SNS-1、聚氧乙烯基型降滤失剂SPO-1、磺化酚醛树脂有SMP-1和SMP-2，优选SMP-2)。

前述的高温硬胶可循环泡沫钻井液的制备方法，包括：

(1)取清水100份，向其中加入低分子量抗高温稳泡剂0.2～0.8份，用低速搅拌器搅拌1～4h；均匀分散溶解后加入高温润湿剂0.1～0.2份，充分搅拌10～30min；加入泡膜密度减轻剂1～2份，充分搅拌5～10min，静置2～4h保证其充分溶胀，形成抗温硬胶基液；

(2)称取抗温钠膨润土0～3份、碱性调节剂0～0.1份、高温聚合物降滤失剂0.1～0.5份、高温发泡剂0.3～0.5份和抗高温抗盐降滤失剂1～3份混合均匀，边搅拌边加入抗温硬胶基液(1)中，用低速强力搅拌器搅拌5～7h，形成高温硬胶可循环微泡沫钻井液。

实施例1：

取清水100份，向其中加入低分子量抗高温稳泡剂TFS0.3份，用低速搅拌器搅拌2h；均匀分散溶解后加入烷基酚聚氧乙烯醚0.2份，充分搅拌15min；加入改性硬壳植物纤维粉3份，充分搅拌5min，静置2h形成抗温硬胶基液。准确称取抗温钠膨润土2份、碳酸钠0.08份、磺酸盐聚合物降滤失剂0.1份、α-烯烃磺酸钠0.2份、十二烷基苯磺酸钠0.1份、腈硅降滤失剂2份和聚氧乙烯基型降滤失剂1份混合均匀，边搅拌边加入上述抗温硬胶基液，用低速强力搅拌器900r/min搅拌6h。

实施例2：

取清水100份，向其中加入低分子量抗高温稳泡剂TFS0.3份，用低速搅拌器搅拌2h；均匀分散溶解后分别加入烷基酚聚氧乙烯醚0.1份、山梨醇酐单油酸酯0.1份，充分搅拌15min；加入改性硬壳植物纤维粉2份，改性云母纤维粉1份，充分搅拌10min，静置2h形成抗温硬胶基液。准确称取抗温钠膨润土3份、碳酸钠0.1份、梳型聚合物降滤失剂0.3份、α-烯烃磺酸钠0.2份、十二烷基苯磺酸钠0.1份、腈硅降滤失剂2份、聚氧乙烯基型降滤失剂1份、磺化酚醛树脂1份，混合均匀，边搅拌边加入上述抗温硬胶基液，用低速强力搅拌器1000r/min搅拌6h，形成高温硬胶可循环微泡沫钻井液或完井液。

实施例3：

取清水100份，向其中加入低分子量抗高温稳泡剂TFS0.3份，用低速搅拌器搅拌2h；均匀分散溶解后分别加入烷基酚聚氧乙烯醚0.1份、山梨醇酐单油酸酯0.1份，充分搅拌15min；加入改性硬壳植物纤维粉1份，改性云母纤维粉2份，充分搅拌10min，静置2h形成抗温硬胶基液。准确称取抗温钠膨润土3份、碳酸钠0.1份、梳型聚合物降滤失剂0.5份、α-烯烃磺酸钠0.2份、十二烷基苯磺酸钠0.1份、腈硅降滤失剂2份、聚氧乙烯基型降滤失剂1份、磺化酚醛树脂1份，混合均匀，边搅拌边加入上述抗温硬胶基液，用低速强力搅拌器1200r/min搅拌6h，形成高温硬胶可循环微泡沫钻井液或完井液。

实施例4

低分子量抗高温稳泡剂(代码TFS)的制备：将8g羟乙基纤维素加入到300mL乙酸异丙酯中，在惰性气氛下，加热至55℃搅拌12h至充分溶胀，用NaOH调节pH值在7.5左右，冷却至室温；在惰性气氛下加入溶解于乙酸异丙酯的苯乙烯磺酸钠3g和丙烯酸十八酯2g，搅拌均匀；然后缓慢滴加质量比为1:2的过硫酸铵和叔丁醇钾混合引发剂0.3g，混合均匀后通氮气升温至65℃，反应物开始出现白色浑浊后，持续反应6～8h，然后对反应液进行离心分离。将分离所得固体产物，用乙醇洗涤2次，然后充分浸泡于无水乙醇中4h，再次离心分离；对第二次分离产物用乙醇洗涤2次后充分浸泡于无水乙醇中4h，然后离心分离。将分离所得固体产物在30℃真空干燥箱中干燥6h，加入0.6g赤藓糖醇，混合粉碎，烘干设备中125℃热处理5min，再经整粒、过筛80目制得低分子量高温稳泡剂(代码TFS)。

测试1：微泡沫流体高温稳定性。

分别测试实施例1～实施例3在室温、150℃、180℃和200℃高温前后微泡沫质量和流变性，包含发泡体积、粘度、切力和动塑比等变化情况。性能测试结果见表1：

表1硬胶可循环泡沫高温稳定性数据

测试2：抗污染性能。

在实施例1中加入不同浓度的NaCl，在实施例2中加入不同浓度的CaCl₂，用低速搅拌器搅拌1～2h至形成均匀微泡沫体，测试不同浓度的金属离子对微泡沫质量和发泡体积的影响，结果见表2：

表2微泡沫流体抗盐稳定性

当然，实施例1～实施例3中仅仅列举了各个组分具体数据，但在具体实施过程中，可以根据需要在各个组分范围内进行适应性调整，在此不再一一赘述。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种高温硬胶可循环泡沫钻井液，其特征在于按照质量份包括：抗温钠膨润土，0~3份；低分子量抗高温稳泡剂，0.2~0.8份；泡膜密度减轻剂，1~2份；高温润湿剂，0.1~0.2份；高温发泡剂，0.3~0.5份；高温聚合物滤失剂，0.1~0.5份；抗高温抗盐降滤失剂，1~3份；碱性调节剂，0~0.1份；水，100份；所述低分子量抗高温稳泡剂的制备方法如下：将非离子纤维素醚加入到稀释剂中，在惰性气氛下，加热搅拌至充分溶胀，与抗高温单体和疏水单体在引发剂作用下，进行沉淀聚合，对反应液经离心分离和乙醇洗涤后真空干燥，然后与促溶剂混合粉碎，于烘干设备中热处理3~10min，再经整粒、过筛、表面修饰后得低分子量抗高温稳泡剂；其中：所述的非离子纤维素醚为羟乙基纤维素HEC、甲基纤维素或羟丙基甲基纤维素中的一种；所述的抗高温单体为苯乙烯磺酸钠；所述的疏水单体为丙烯酸十八酯；所述的引发剂为过硫酸铵和叔丁醇钾；所述的稀释剂为乙酸异丙酯、二甲基亚砜、乙醇、乙酸丁酯、异丙醇、叔丁醇、正戊醇及其异构体、正己醇及其异构体中的一种或几种混合物；所述的促溶剂为柠檬酸钠、赤藓糖醇、海藻糖中的一种或其混合物。

2.根据权利要求1所述高温硬胶可循环泡沫钻井液，其特征在于所述低分子量抗高温稳泡剂分子量在100~400万g/mol之间。

3.根据权利要求1所述高温硬胶可循环泡沫钻井液，其特征在于所述的泡膜密度减轻剂为轻吸水性质的改性硬果壳植物纤维粉或改性矿物纤维粉中的一种或其混合物；粒径0.2~0.6mm。

4.根据权利要求1所述高温硬胶可循环泡沫钻井液，其特征在于所述的高温润湿剂为烷基酚聚氧乙烯醚或山梨醇酐单油酸酯中的一种或其混合物。

5.根据权利要求1所述高温硬胶可循环泡沫钻井液，其特征在于所述的高温发泡剂为烯烃磺酸盐、苯磺酸、烷基苯磺酸、脂肪醇甘油基醚、烷基甘油基醚或脂肪醇聚氧乙烯醚类表面活性剂中的一种或其混合物。

6.根据权利要求1所述高温硬胶可循环泡沫钻井液，其特征在于所述的高温聚合物降滤失剂为磺酸盐聚合物降滤失剂、梳型聚合物降滤失剂中的一种或其混合物。

7.根据权利要求1所述高温硬胶可循环泡沫钻井液，其特征在于所述的抗高温抗盐降滤失剂为非增粘高温降滤失剂类，包括腈硅降滤失剂、聚氧乙烯基型降滤失剂、磺化酚醛树脂中的一种或其混合物。

8.如权利要求1所述的高温硬胶可循环泡沫钻井液的制备方法，其特征在于：（1）取清水100份，向其中加入低分子量抗高温稳泡剂0.2~0.8份，用低速搅拌器搅拌1~4h；均匀分散溶解后加入高温润湿剂0.1~0.2份，充分搅拌10~30min；加入泡膜密度减轻剂1~2份，充分搅拌5~10min，静置2~4h保证其充分溶胀，形成抗温硬胶基液；（2）称取抗温钠膨润土0~3份、碱性调节剂0~0.1份、高温聚合物降滤失剂0.1~0.5份、高温发泡剂0.3~0.5份和抗高温抗盐降滤失剂1~3份混合均匀，边搅拌边加入抗温硬胶基液中，用低速强力搅拌器搅拌5~7h，形成高温硬胶可循环微泡沫钻井液。