CN113337255B - 一种无固相钻井液及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本申请涉及煤矿钻井领域，更具体地说，它涉及一种无固相钻井液及其制备方法和应用。无固相钻井液由如下重量百分比的原料制得：钾盐：5～8％；降滤失剂：1.9～6％；包被剂：0.6～1.4％；润滑剂：2～3％；井壁稳定剂：0～1.1％；水为余量；所述降滤失剂包括如下重量百分比的组分：黄原胶：0.2～0.5％；瓜尔胶：0.2～0.5％；改性淀粉：1.5～5％。本申请的无固相钻井液能够在保障钻井液的携屑作用与对井壁稳定支撑作用的前提下，减少钻井液中固相颗粒与高聚物对裂隙的阻塞问题。

Description

一种无固相钻井液及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及煤矿钻井领域，更具体地说，它涉及一种无固相钻井液及其制备方法和应用。

背景技术

钻井液是钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体总称。钻井液又称钻孔冲洗液。其主要作用包括以下几个方面，第一是清洁井底，携带岩屑；第二是冷却和润滑钻头钻柱，减少磨损；第三是平衡井壁岩石侧压力，在井壁上形成滤饼，粉笔和稳定井壁，放置井壁坍塌。

在煤层气勘探开发过程中，常采用清水钻井液与低固相钻井液。煤层由于其地层压力较低，且易破碎垮塌，采用低固相钻井液有利于提高井壁的稳定性，并增强其携屑能力。但是，煤层中含有孔隙结构，其裂隙孔裂度仅有1～2％，但煤层裂隙却是煤层气产出的主要通道，而低固相钻井液中固相颗粒分散得较细，很容易沿裂隙流动，粘附在煤层裂隙中而难以清除，从而对储层造成永久性的伤害。同时，低固相钻井液中高分子聚合物因自身的吸附作用引起粘土膨胀堵塞，且难以通过破胶剂降解清除，因而容易使煤层气产量下降。

采用清水钻井液虽然对保护煤层比较好，不易出现裂隙堵塞的现象，但是对井壁的稳定支撑作用较差。因此，如何在保障钻井液对井壁稳定支撑作用的前提下，减少钻井液中固相颗粒与高聚物对裂隙的阻塞问题，对煤层气勘探开发具有重要意义。

申请内容

为了在保障钻井液对井壁稳定支撑作用的前提下，减少钻井液中固相颗粒与高聚物对裂隙的阻塞问题，本申请提供一种无固相钻井液及其制备方法和应用。

第一方面，本申请提供一种无固相钻井液，采用如下的技术方案：

一种无固相钻井液，由如下重量百分比的原料制得：

钾盐：5～8％；

降滤失剂：1.9～6％；

包被剂：0.6～1.4％；

润滑剂：2～3％；

井壁稳定剂：0～1.1％；

水为余量；

所述降滤失剂包括如下重量百分比的组分：

黄原胶：0.2～0.5％；

瓜尔胶：0.2～0.5％；

改性淀粉：1.5～5％。

通过采用上述技术方案，本申请的无固相钻井液能够有效稳定支撑井壁；同时，其含有的高聚物成分在破胶剂的作用下容易降解，且降解速率高，不易堵塞煤层的裂隙，造成煤层气产量下降。

在低固相钻井液中，为提高其携屑能力，保持井壁的稳定，通常会加入高比重大粘度的膨润土等粘土矿物以及碳酸钙、硫酸钡等加重材料。然而这类固相颗粒分散性较好，容易粘附在裂隙内，降低煤层气产量。本申请中未添加固相颗粒，不会出现固相颗粒堵塞裂隙的现象。同时，本申请采用由黄原胶、瓜尔胶与改性淀粉复配物作为降滤失剂，其一方面可吸附在地层粘土颗粒表面，改善地层粘土颗粒的级配，有利于在井壁上形成薄而致密的滤饼，起到支撑、稳定井壁的作用。并且能够减少钻井液中的水向井壁渗透，降低水化膨胀作用，减少滤失量。另外，上述配比的降滤失剂组分在破胶剂的作用下，能够快速降解破胶，不易发生膨胀堵塞现象。

同时，降滤失剂具有较好的粘性，能够增强钻井液的切力，相比清水钻井液具有更为优异的携屑能力。

优选的，所述改性淀粉由重量比为(0.5～2):(1～3)的羧甲基淀粉与羟丙基淀粉组成。

通过采用上述技术方案，羧甲基淀粉与羟丙基淀粉有利于形成致密的滤饼，稳定井壁的同时，减少钻井液中的水向井壁中渗透，降低滤失量。其原因可能在于，羧甲基淀粉与羟丙基淀粉中含有较多的羟基、醚键，有利于与地层粘土颗粒表面的氧或羟基产生氢键吸附，改善粘土颗粒级配的，避免粘土颗粒发生体积较大的絮凝结构，致使滤饼的孔隙增大。

优选的，所述羧甲基淀粉与羟丙基淀粉的粘度为80～200cp。

采用上述粘度范围的羧甲基淀粉与羟丙基淀粉，其添加于钻井液中能满足煤层气水平井，尤其是煤层气大位移水平井对低剪切速率粘度的要求。从而起到改善携屑能力，增强滤饼的抗渗作用，并可减少钻井液的滤失量。若其粘性过高，一方面不利于钻头钻进，增加成本；另一方面，增加破胶剂的降解难度，增加破胶时间。

优选的，所述包被剂由重量比为(0.5～0.8):(0.5～1)的80A-51与PAC141组成。

通过采用上述技术方案，80A-51与PAC141组成的包被剂具有较好的增粘与包被作用，可促进钻屑沉淀，便于携屑,以保持钻井液的无固相状态。

优选的，所述润滑剂的结构通式为C_nH_2n+2-x(OH)_x，所述x≥2，所述润滑剂的分子量≤300。

通过采用上述技术方案，该结构通式包含丙三醇、丁二醇等多元醇，也包含山梨醇、聚甘油、聚乙二醇与聚丙二醇等聚合多元醇。其不仅具有润滑作用，能够起到润滑减磨的效用，同时它具有较强的生物降解性，有效降低了对储层的污染。

优选的，所述井壁稳定剂由重量比为(0.15～0.3):(0.1～0.6)(0.1～0.2)的聚乙烯醇、K-PAM与四硼酸钠组成。

通过采用上述技术方案，聚乙烯醇、K-PAM与四硼酸钠组成的井壁稳定剂能够显著地提高井壁的稳定性，且具有较强的生物与化学降解性。其原因可能在于，聚乙烯醇分子链中含有大量的极性基团，其能够吸附与井壁岩石或粘土颗粒上，并形成大分子吸附，从而胶结松散破碎的岩石颗粒以及地层粘土结构，降低井壁坍塌的概率。而四硼酸钠是作为交联剂，能够促进聚乙烯醇交联形成网状结构，增强胶结能力的同时，提高其抗渗能力，从而减少钻井液的滤矢量。聚丙烯酸钾则能够使聚乙烯醇分子链卷曲，促进聚乙烯醇分子的交联，提高交联密度，最终，减少滤失量并提高井壁的稳定性。

优选的，所述聚乙烯醇按照如下方法改性得到：

S1-1:于70～80℃下，按照1:(2～4)的摩尔比，将甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、聚乙烯醇于水中混合，调节pH值为5～6，加入硝酸铈铵为引发剂，超声振荡1～2h,进行清洗、过滤、干燥，制得阳离子改性聚乙烯醇；

S1-2:取二氯乙烷对阳离子改性聚乙烯醇进行溶胀，加入浓硫酸，于80～90℃下反应3～4h，洗涤、过滤、干燥，得到成品。

通过采用上述技术方案，本申请中在碱性条件下，将甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵与聚乙烯醇混合反应，能够将季铵盐阳离子接枝于聚乙烯醇分子链上，得到阳离子改性聚乙烯醇。由于地层粘土颗粒呈负电性，其能够通过静电吸附作用吸附阳离子改性聚乙烯醇，有效中和其负电性的同时形成更为牢固的连接作用。

采用浓硫酸对聚乙烯醇进行处理，能够使聚乙烯醇碳化，从而提高网状结构的强度性能，并抑制水溶液的渗透，降低滤失量。

第二方面，本申请提供一种无固相钻井液的制备方法，采用如下的技术方案：

一种无固相钻井液的制备方法，包括如下制备步骤：

取40～80％的水，加入钾盐、降滤失剂、包被剂与润滑剂，混合均匀，得到预混液A；

取20～60％的水，加入井壁稳定剂，混合均匀，得到预混液B；

将预混液A与预混液B混合均匀，得到无固相钻井液。

通过采用上述技术方案，制备得到的钻井液具有优异的携屑作用与井壁支撑作用，且不易产生裂隙阻塞导致煤层气产量下降的问题。

第三方面，本申请提供一种无固相钻井液的应用，采用如下的技术方案：

一种无固相钻井液的应用，上述任一项所述的一种无固相钻井液在煤层气勘探钻井中的应用。

通过采用上述技术方案，该钻井液不含对储层伤害的处理剂和二价可产生沉淀堵塞的离子，储层最大限度的得到了保护；满足了保护煤层、安全钻井，钻具防腐，录井及环保等各项要求。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用不含固相颗粒，且含有由黄原胶、瓜尔胶与改性淀粉复配得到的降滤失剂，在保障钻井液对井壁稳定支撑作用的前提下，减少了钻井液中固相颗粒与高聚物对裂隙造成的膨胀阻塞现象。

2、本申请中优选采用聚乙烯醇、K-PAM与四硼酸钠组成的井壁稳定剂能够在井壁上形成交联的网状结构，将松散破碎的岩石颗粒与粘土颗粒胶结为一体，显著地增强了井壁的稳定性。

3、本申请中进一步采用阳离子改性聚乙烯醇，进一步提高了聚乙烯醇在井壁上形成的网状结构的致密性，增强井壁稳定性的同时，有效减少滤失量。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

制备例

制备例1，一种聚乙烯醇，按照如下方法改性得到：

S1-1:于70℃下，按照1:3的摩尔比，称取甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵0.207g(0.001mol)，聚合度为1500的聚乙烯醇198g(0.003mol)于6L水中混合，用浓度为10％的盐酸溶液中和至pH为5～6，加入硝酸铈铵0.3g，超声振荡1h,冷却至室温，再用6L无水乙醇洗涤、静置沉淀后进行抽滤，然后于50℃下干燥至恒重，制得阳离子改性聚乙烯醇；

S1-2:取12L二氯甲烷对步骤S1-1中制得的阳离子改性聚乙烯醇进行溶胀，加入220g 98wt％的浓硫酸，于80℃下搅拌并反应3h，反应结束后水洗至中性，进行过滤，然后在60℃下干燥至恒重，得到成品聚乙烯醇。

其中，步骤S1-1中，经试验发现，聚乙烯醇的聚合度在1200～1800范围内均可取得较好的携屑作用、井壁支撑作用以及可降解性。

制备例2，一种聚乙烯醇，按照如下方法改性得到：

S1-1:于80℃下，按照1:4的摩尔比，称取甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵0207g(0.001mol)，聚合度为1500的聚乙烯醇264g(0.04mol)于8L水中搅拌均匀，用浓度为15％的盐酸溶液中和至pH值为5～6，加入硝酸铈铵0.3g，超声振荡1.5h,冷却至室温，再用8L无水乙醇洗涤、静置沉淀后进行抽滤，然后于60℃下干燥至恒重，制得阳离子改性聚乙烯醇；

S1-2:取15L二氯甲烷对步骤S1-1中制得的阳离子改性聚乙烯醇进行溶胀，加入264g 98wt％的浓硫酸，于90℃下搅拌并反应4h，反应结束后水洗至中性，进行过滤，然后在65℃下干燥至恒重，得到成品聚乙烯醇。

制备例3，一种聚乙烯醇，与制备例1的区别在于，步骤S1-2中，加入282.8g 98wt％的浓硫酸，即聚乙烯醇与浓硫酸的质量比为11:1。

制备例4，一种聚乙烯醇，与制备例1的区别在于，仅进行步骤S1-1的操作，不进行步骤S1-2的操作，步骤S1-1制得的阳离子改性聚乙烯醇即为所需的聚乙烯醇。

制备例5，一种聚乙烯醇，与制备例1的区别在于，仅进行步骤S1-2的操作，不进行步骤S1-1的操作，即直接将聚合度为1500的聚乙烯醇置于二氯甲烷中进行溶胀。

制备例6，一种聚乙烯醇，与制备例1的区别在于，不进行步骤S1-1与步骤S1-2中的操作，即直接采用聚合度为1500的聚乙烯醇作为无固相钻井液的原料。

实施例

实施例1，一种无固相钻井液，各原料组分的选择及其相应用量如表1所示，且按照如下步骤制备得到：

取70％的水，依次加入钾盐、降滤失剂、包被剂与润滑剂，在10000r/min的速度下搅拌均匀，得到预混液A；

取剩余的30％的水，加入井壁稳定剂，搅拌均匀，得到预混液B；

将预混液A与预混液B搅拌均匀，得到无固相钻井液。

实施例2～12，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，各原料组分的选择及其相应用量如表1所示。

表1实施例1～12中无固相钻井液原料组分的选择及其相应用量(㎏)

表1中，改性淀粉采用粘度为100cp的羧甲基淀粉与粘度为120cp的羟丙基淀粉；聚乙二醇的分子量为200；井壁稳定剂中的聚乙烯醇采用制备例1制得的聚乙烯醇。

表2无固相钻井液原料厂家型号信息

实施例13，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，改性淀粉采用粘度为60cp的羧甲基淀粉与粘度为60cp的羟丙基淀粉。

实施例14，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，改性淀粉采用粘度为300cp的羧甲基淀粉与粘度为250cp的羟丙基淀粉。

实施例15，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，润滑剂中的聚乙二醇的分子量为400。

实施例16，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，井壁稳定剂中的聚乙烯醇依采用制备例2制得的聚乙烯醇。

实施例17，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，井壁稳定剂中的聚乙烯醇依采用制备例3制得的聚乙烯醇。

实施例18，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，井壁稳定剂中的聚乙烯醇依采用制备例4制得的聚乙烯醇。

实施例19，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，井壁稳定剂中的聚乙烯醇依采用制备例5制得的聚乙烯醇。

实施例20，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，井壁稳定剂中的聚乙烯醇依采用制备例6制得的聚乙烯醇。

对比例

对比例1，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，降滤失剂中采用等量的改性淀粉替代黄原胶与瓜尔胶。

对比例2，一种无固相钻井液，与实施例1的区别在于，降滤失剂中采用等量的质量比为1:1的黄原胶与瓜尔胶替代改性淀粉。

对比例3，一种清水钻井液，即仅采用清水作为钻井液。

对比例4，一种高密度低固相钻井液，包括1％的膨润土、2％的羟丙基淀粉、1％的聚阴离子纤维素、1％的瓜尔胶、1％咪唑啉、1％氧化镁、0.1％亚硫酸钠、2％的细目钙、65％的氯化钙、40％的溴化钙和水；且高密度低固相钻井液的制备方法如下：

(1)在12000r/min的转速下，向水中边搅拌边加入1％膨润土，搅拌30min；

(2)依次加入2％的羟丙基淀粉、1％的聚阴离子纤维素、1％的瓜尔胶，搅拌30min；

(3)加入1％咪唑啉，搅拌10min；

(4)依次加入1％氧化镁、2％的细目钙，搅拌20min；

(5)依次加入0.1％亚硫酸钠、65％的氯化钙、40％的溴化钙，搅拌45min，制得所述高密度低固相钻井液。

应用例应用例：将实施例1制得的无固相钻井液应用于宁夏自治区MS-01井；该试验井位于华北陆块鄂尔多斯地块，是一口煤层气水平远端对接井。在6#煤层中实施长距离(煤层中水平段长800米)地面水平井、地面排采直井及远端对接连通。在三开井段933.34-1741m使用了实施例1的无固相钻井液，使用井段长807.66m,使用井段开泵、起下钻正常，井径较规则，定向、下套管顺利。下完玻璃钢筛管后加入山东广浦的破胶剂GP-YP101，加量为0.08％，然后调节pH值为8.5，7小时后完成钻井液破胶，实现了高聚物的降解，加入清水替出一次洗井达到清洁目的顺利交井，直接解析成功。该钻井液体系满足了保护煤层、安全钻井、钻具防腐、录井及环保等各项要求。

而采用对比例4中的低固相钻井液完钻后，加入破胶剂GP-YP101，发明人发现破胶剂破胶效果较差，导致煤层气排采解析时间为本申请无固相钻井液的2.3倍，产量降低52％。

性能检测试验

试验1：无固相钻井液性能测试

试验方法：测定无固相钻井液的密度、粘度(FV)、初切力、终切力、流型指数(n)、稠度系数(k)、滤失量(FL_API)与线性膨胀率。其中，线性膨胀率参照SY/T 5613-2000《泥页岩理化性能试验方法》中的检测标准，采用上述实施例与对比例中制得的钻井液进行泥页岩膨胀试验，分别测得线性膨胀率(8h)，测试结果如表3所示。

表3无固相钻井液性能测试结果

试验2：煤岩芯钻井液浸泡试验

试验方法：于煤层中采取24块直径为5cm的煤岩芯作为试样，将每块煤岩芯试样分别放置在尺寸相同的24个试样容器内，然后于室温(23±2℃)下，向24个容器内分别加入2L实施例1～20与对比例1～4中的钻井液，浸泡7d后取出试块，观察并记录试样掉块及表面裂痕的情况，并按照表4中的评判标准对试样的情况进行评定，评定结果如表5所示。

表4煤岩芯钻井液浸泡结果评定标准(分)

试样掉块情况	得分A
		掉块体积大于总体积的30％	0-1
掉块体积为总体积的20％～30％	2-3
		掉块体积为总体积的0％～20％	4-5
试样裂痕情况	得分B
		裂痕面积大于总面积的50％	0-1
裂痕面积为总面积的20～50％	2-3
		裂痕面积为总面积的0～20％	4-5

表5煤岩芯钻井液浸泡结果评定结果(分)

试验结果分析：

(1)结合实施例1～20、对比例1～4与应用例1并结合表3和表5可以看出，采用本申请的无固相钻井液能够有效降低钻井液的滤失量，抑制井壁粘土的水化膨胀(线性膨胀率)，同时能够保障钻井液的携屑作用(粘度、k值)。其原因可能在于，相比与清水钻井液，本申请中添加的钾盐、降滤失剂、井壁稳定剂均具有稳定井壁，抑制地层粘土水化膨胀的作用；同时，降滤失剂与井壁稳定剂均有利于在井壁上形成致密的滤饼，减少钻井液中水分的渗透，进而起到抑制地层粘土水化膨胀的作用。

另外，由应用例1可知，本申请的钻井液体系在完井后能够迅速将井壁上的高聚物降解，完成破胶，以减少煤层裂隙的堵塞，促进煤层气的产出。

综上所述，本申请的无固相钻井液能够在保障钻井液的携屑作用与对井壁稳定支撑作用的前提下，减少钻井液中固相颗粒与高聚物对裂隙的阻塞问题。

(2)结合实施例1与实施例8～12并结合表3和表4可以看出，采用由聚乙烯醇、K-PAM与四硼酸钠复配的井壁稳定剂，能够显著的降低滤失量、井壁粘土层的膨胀率，且缺少任一组分均无法取得最佳效果。其原因可能在于，聚乙烯醇分子链中含有大量的极性基团，其能够通过氢键作用吸附于井壁岩石或粘土颗粒上，并形成大分子吸附，起到泡胶结松散破碎的岩石以及地层粘土结构的作用，从而降低井壁坍塌的概率。四硼酸钠作为交联剂，能够促进聚乙烯醇交联形成致密的网状结构，增强胶结能力的同时，提高其抗水分渗透的能力，从而减少钻井液的滤矢量。聚丙烯酸钾则能够使聚乙烯醇分子链卷曲，促进聚乙烯醇分子的交联，提高交联密度，最终，减少滤失量并提高井壁的稳定性。另外，聚丙烯酸钾可提高钾离子，能够抑制水-粘土界面的扩散双电层现象，减少水分对井壁的渗透，起到降低滤失量，提高井壁稳定性的作用。

(3)结合实施例1与实施例18～20并结合表3和表5可以看出，采用阳离子与浓硫酸对聚乙烯醇进行改性，均有利于降低滤失量，抑制井壁粘土的水化膨胀。其原因可能在于，由于地层粘土颗粒呈负电性，其能够通过静电吸附作用吸附呈正电性的阳离子改性聚乙烯醇，从而有助于在井壁上形成更为致密的网状结构，以抑制水分向井壁方向的扩散和渗透，最终，起到抑制水化膨胀，降低滤失量的作用。

加入浓硫酸处理则能够使部分聚乙烯醇碳化，从而提高交联后的网状结构的强度性能，并减少水分对聚乙烯醇的溶胀渗透作用，进而降低滤失量。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种无固相钻井液，其特征在于，由如下重量百分比的原料制得：

钾盐：5～8％；

降滤失剂：1.9～6％；

包被剂：0.6～1.4％；

润滑剂：2～3％；

井壁稳定剂：0～1.1％；

水为余量；

所述降滤失剂包括如下重量百分比的组分：

黄原胶：0.2～0.5％；

瓜尔胶：0.2～0.5％；

改性淀粉：1.5～5％；

所述井壁稳定剂由重量比为(0.15～0.3):（0.1～0.6）(0.1～0.2)的聚乙烯醇、K-PAM与四硼酸钠组成；

所述聚乙烯醇按照如下方法改性得到：

S1-1:于70～80℃下，按照1:(2～4)的摩尔比，将甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、聚乙烯醇于水中混合，调节pH值为5～6，加入硝酸铈铵为引发剂，超声振荡1～2h,进行清洗、过滤、干燥，制得阳离子改性聚乙烯醇；

S1-2:取二氯乙烷对阳离子改性聚乙烯醇进行溶胀，加入浓硫酸，于80～90℃下反应3～4h，洗涤、过滤、干燥，得到成品。

2.根据权利要求1所述的一种无固相钻井液，其特征在于，所述改性淀粉由重量比为(0.5～2):(1～3)的羧甲基淀粉与羟丙基淀粉组成。

3.根据权利要求2所述的一种无固相钻井液，其特征在于，所述羧甲基淀粉与羟丙基淀粉的粘度为80～200cp。

4.根据权利要求1所述的一种无固相钻井液，其特征在于，所述包被剂由重量比为(0.5～0.8):(0.5～1)的80A-51与PAC141组成。

5.根据权利要求1所述的一种无固相钻井液，其特征在于，所述润滑剂的结构通式为C_nH_2n+2-x(OH)_x，所述x≥2，所述润滑剂的分子量≤300。

6.根据权利要求1所述的一种无固相钻井液，其特征在于，阳离子改性聚乙烯醇与浓硫酸的重量比为(8～10):1。

7.权利要求1～6中任一项所述的一种无固相钻井液的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：

取40～80%的水，加入钾盐、降滤失剂、包被剂与润滑剂，混合均匀，得到预混液A；

取20～60%的水，加入井壁稳定剂，混合均匀，得到预混液B；

将预混液A与预混液B混合均匀，得到无固相钻井液。

8.一种无固相钻井液的应用，其特征在于，权利要求1～6中任一项所述的一种无固相钻井液在煤层气勘探钻井中的应用。