CN113355067B - 一种适用于固体钾盐矿层的高性能钻井液及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及钻井液的技术领域，具体公开了一种适用于固体钾盐矿的高性能钻井液及其制备方法，钻井液由包含以下重量百分比的原料制成：重晶石1‑2%、海泡石2‑3%、稻壳粉1‑2%、大分子亲水胶体2‑5%、水溶性醇1.5‑3%和四盐溶液余量。钻井液的制备方法包括以下制备步骤：将各原料组分混合均匀制得钻井液。通过本申请制得的钻井液成本低，环保性佳，在钻井过程中可有效减少卡钻现象，提高取芯质量。

Description

一种适用于固体钾盐矿层的高性能钻井液及其制备方法

技术领域

本申请涉及钻井液领域，更具体地说，它涉及一种适用于固体钾盐矿层的高性能钻井液及其制备方法。

背景技术

固体钾盐矿是蒸发岩矿的一种，其矿石矿物成分主要为光卤石、钾石盐，次为石膏、芒硝、石盐、水氯镁石和溢晶石等。其矿石中的各盐类矿物主要化学成分为NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂、CaSO₄等。这些盐类矿物均易溶于水，且溶解性各异，特别是其中的光卤石(KCl·MgCl₂·6H₂O)和溢晶石 (CaCL₂·2MgCL₂·12H₂O)溶解度特别大，暴露在空气中都能很快发生潮解，溶蚀快，导致取芯质量差。

目前，因各盐类矿物均不溶于油，采用以油为连续相的油基泥浆钻井液，可较好的抑制矿石中盐类矿物的溶蚀，但油基泥浆成本高、对环境污染严重，而且钻井过程中因溢出的油泥无法及时清理而出现卡钻的情况，取芯质量差。

发明内容

为减少卡钻现象，改善取芯质量，同时提高钻井液的环保性并降低企业成本，本申请提供一种适用于固体钾盐矿层的高性能钻井液及其制备方法。

第一方面，本申请提供一种适用于固体钾盐矿层的高性能钻井液采用如下的技术方案：

一种适用于固体钾盐矿层的高性能钻井液，由包含以下重量百分比的原料制成：重晶石1-2％、海泡石2-3％、稻壳粉1-2％、大分子亲水胶体2- 5％、水溶性醇1.5-3％和四盐溶液余量。

通过采用上述技术方案，由于钻头在钻井过程中会产生大量的岩屑等固体颗粒，而海泡石具有独特的内容孔道结构，可在钻井过程中携带产生的岩屑和砂粒等，清除部分有害固含，改善井下情况，减少出现卡钻的现象。海泡石在使用过程中具有良好的造浆性能，稻壳粉在整个体系中可提高泥浆的结构力，以利于钻井取芯。且稻壳粉具有优良的多孔性，可包覆携带钻井过程中产生的砂粒和岩屑，与海泡石协同清除有害固含，减少卡钻现象。

水溶性醇具有良好的亲水性和水溶性，兼具优良的润湿力，有效降低各固体颗粒之间、固体颗粒与液体分子之间以及各液体分子之间的摩擦阻力，起到良好的润滑作用，减少卡钻现象发生，同时调节体系粘度，稳定井壁，提高取芯效果。

采用大分子亲水胶体，不仅能调节整个体系的粘度，还可束缚大量的自由水，减少钻井液中的自由水，起到良好的降失水作用，同时削弱水向钻屑和地层中渗透，减少页岩水化膨胀，起到良好的防塌作用。四盐溶液可良好的抑制矿石中盐类矿物的溶蚀，改善取芯质量，保证取芯的完整度。

钻井液采用的重晶石、海泡石、稻壳粉、大分子亲水胶体、水溶性醇和四盐溶液，原料成本低，廉价易得，环保性高，各原料组分配置得到的钻井液密度适中，粘度合适，在制取钾盐矿层的矿石中，能有效改善卡钻现象，钻探取芯质量高。

优选的，原料中还包括重量百分比为1-2％的硼砂。

通过采用上述技术方案，硼砂溶于水后可作为体系的pH缓冲液，改善钻井过程中的pH值的变化，以利于钻井取芯。同时硼砂通过交联水溶性醇的羟基形成网状结构，不仅能调节体系的粘度，还可抑制页岩分散、降低钻井液滤失量，进一步改善取芯质量。

优选的，所述水溶性醇为乙二醇、聚乙二醇和聚乙烯醇的混合物。

通过采用上述技术方案，由于钻井液中的颗粒形状很不规则，表面性质也极不均匀，颗粒之间容易粘结，形成絮凝网架结构，而乙二醇、聚乙二醇和聚乙烯醇复配后，可对固体颗粒、液体分子的表面性能进行改性，改善各固体颗粒之间、固体颗粒与液体分子之间以及各液体分子之间的表面特性，从而提高取芯效果。

优选的，所述乙二醇、聚乙二醇和聚乙烯醇的重量比为1:(0.3- 1):(0.2-1)。

通过采用上述技术方案，优化乙二醇、聚乙二醇和聚乙烯醇的配比，以便于在粘土颗粒表面形成吸附水化层，以利于后续钻井取芯。

优选的，所述四盐溶液由以下重量百分比的原料制成：氯化钠4-6％、氯化钾8-10％、氯化镁24-26％、氯化钙20-25％和水余量。

通过采用上述技术方案，在上述四盐溶液中，Na+、K+、Mg²+到达共饱和，以防止岩盐井段的溶解，保持井径规则，四盐溶液复配后还可提高钻井液的矿化度，抑制页岩底层的水化膨胀，防止坍塌，同时以便抑制光卤石(KCl·MgCl₂·6H₂O)和钾石盐(KCl)的溶蚀，体系中含有一定的Ca²+，以抑制溢晶石(CaCl₂·2MgCl₂·12H₂O)的溶蚀，从而提高取芯质量。

优选的，所述大分子亲水胶体选自明胶、阿拉伯胶中的至少一种。

通过采用上述技术方案，明胶和阿拉伯胶混合在水溶液中，因电荷相反形成复合物，凝聚成微囊析出，在钻井液流动过程中，挤入页岩孔隙、裂缝等位置，起到一定的填充封堵作用，阻止自由水进入，提高对裂缝的粘结力，有效减少矿层损害，起到稳定井壁的作用。

优选的，所述大分子胶体为明胶和阿拉伯胶，所述明胶和阿拉伯胶的重量比为(1.5-4):(0.5-1)。

通过采用上述技术方案，采用明胶和阿拉伯胶进行复配，可改善钻井液的粘度和切力，以使得钻井液可形成粘稠的液体，特定比例下复配，控制析出的微囊，以使得钻井液具有良好的流变性和剪切稀释特性，调节钻井液的性能，改善钻井液的动塑比，提高机械钻速，进而改善取芯效果。

第二方面，本申请提供一种适用于固体钾盐矿层的高性能钻井液的制备方法，采用如下的技术方案：

一种适用于固体钾盐矿层的高性能钻井液的制备方法，包括以下制备步骤：将各原料组分混合均匀制得钻井液。

通过采用上述技术方案，制得的钻井液成本低，环保性佳，在钻井过程中可有效减少卡钻现象，提高取芯质量。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、钻井液采用的重晶石、海泡石、稻壳粉、大分子亲水胶体、水溶性醇和四盐溶液，原料成本低，廉价易得，环保性高，各原料组分配置得到的钻井液密度适中，粘度合适，在制取钾盐矿层的矿石中，能有效改善卡钻现象，钻探取芯质量高。

2、硼砂溶于水后可作为体系的pH缓冲液，改善钻井过程中的pH值的变化，以利于钻井取芯。同时硼砂通过交联水溶性醇的羟基形成网状结构，不仅能调节体系的粘度，还可抑制页岩分散、降低钻井液滤失量，进一步改善取芯质量。

3、明胶和阿拉伯胶混合在水溶液中，部分因电荷相反形成复合物，凝聚成微囊析出，在钻井液流动过程中，挤入页岩孔隙、裂缝等位置，起到一定的填充封堵作用，阻止自由水进入，提高对裂缝的粘结力，起到稳定井壁的作用。

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。

以下实施例所用原料均为普通市售原料。

制备例

制备例1

四盐溶液的制备步骤为：将氯化钠0.6kg、氯化钾0.8kg、氯化镁2.6kg、氯化钙2kg和水4kg混合均匀制得。

制备例2

四盐溶液的制备步骤为：将氯化钠0.5kg、氯化钾0.9kg、氯化镁2.5kg、氯化钙2.1kg和水4kg混合均匀制得。

制备例3

四盐溶液的制备步骤为：将氯化钠0.2kg、氯化钾0.3kg、氯化镁2kg、氯化钙0.5kg和水7kg混合均匀制得。

实施例

实施例1

适用于固体钾盐矿的高性能钻井液的制备步骤为：将重晶石0.1kg、海泡石0.2kg、稻壳粉0.2kg、明胶0.15kg、阿拉伯胶0.05kg、乙二醇0.1kg、聚乙二醇0.06kg。聚乙烯醇0.04kg和制备例1制得的四盐溶液9kg混合均匀制得钻井液。

其中，重晶石的密度为4.2g/cm³，水溶性碱土金属的含量(以钙计)为 245mg/kg；稻壳粉的粒度为80-100目；海泡石水分(质量分数)为15％，悬浮液粘度计600r/min读值为35；明胶的分子量为10000；阿拉伯胶的分子量为22万；聚乙二醇的分子量为400，聚乙烯醇的分子量为30000。

实施例2-10与实施例1的区别在于，原料组分用量不同，实施例1- 10中各原料组分用量见表1所示。

表1实施例1-10中各原料组分用量

实施例11

与实施例9的区别在于，选用制备例2制得的四盐溶液，其余均与实施例9相同。

实施例12

与实施例9的区别在于，选用制备例3制得的四盐溶液，其余均与实施例9相同。

实施例13

与实施例11的区别在于，大分子胶体为明胶0.43kg，其余均与实施例 11相同。

实施例14

与实施例11的区别在于，将明胶替换为等质量的黄原胶，其余均与实施例11相同。

实施例15

与实施例11的区别在于，大分子胶体为明胶0.08kg和阿拉伯胶0.24kg，其余均与实施例11相同。

实施例16

与实施例11的区别在于，水溶性醇为聚乙二醇0.25kg，其余均与实施例11相同。

对比例

对比例1

与实施例1的区别在于，将稻壳粉替换成等质量的膨润土，其余均与实施例1相同。

对比例2

与实施例1的区别在于，将四盐溶液替换成等质量的三盐溶液，三盐溶液由氯化钠0.2kg、氯化钾0.3kg、氯化镁2kg和水7.5kg混合均匀制得。

性能检测试验

将实施例1-16和对比例1-2制得的钻井液按照GB/T 16783.1-2014 《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》进行试验，测定钻井液的密度、粘度和30分钟失水量，记录钻井取芯过程中出现的卡钻现象，将卡钻情况记录在表2中，同时计算岩心采取率。

表2实验数据

结合实施例1-6并结合表2可以看到，适时调整大分子胶体中明胶和阿拉伯胶的配比，优化水溶性醇中乙二醇、聚乙二醇和聚乙烯醇之间的配比，均可调节钻井液体系的密度、改善体系的粘度，降低失水量，以调节钻井液的性能，减少卡钻现象，同时改善取芯质量。

结合实施例6-10并结合表2可以看到，在体系中加入硼砂并优化硼砂的添加量，可有效减少卡钻情况，并显著提高取芯质量。这是由于硼砂溶于水后可作为体系的pH缓冲液，改善钻井过程中的pH值的变化，以利于钻井取芯。硼砂通过交联水溶性醇的羟基形成网状结构，能调节体系的粘度的同时，还可抑制页岩分散、降低钻井液滤失量，改善取芯的完整度。

结合实施例9和实施例11-12并结合表2可以看到，实施例9和实施例11中采用的四盐溶液中，氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙和水的比例均在优化范围内，而实施例12采用的四盐溶液则在相应范围外，采用实施例12制得的钻井液的采芯率明显低于实施激9和实施例11的采芯率，这是由于采用特定配比的四盐溶液，可有效抑制晶石溶蚀，从而提高取芯质量。

结合实施例9、实施例13-15和表2可以看到，不管是以单独的明胶作为大分子胶体、还是将明胶替换为等质量的黄原胶并配合阿拉伯胶加入体系中、还是调整明胶与阿拉伯胶的比例，其钻井液的性能均欠佳，钻井过程中也会出现少量的卡钻现象，岩心采取率均明显劣于实施例9的岩心采取率，由此可见，需采用明胶和阿拉伯胶在一定的配比下，才可明显提升钻井液的性能，提高采芯率，进而提高取芯质量。

结合实施例9和实施例16并结合表2可以看到，将聚乙二醇作为水溶性醇加入体系中，对钻井液的密度、粘度和失水量均有一定影响，以使得在钻井过程中出现卡钻现象，降低取芯质量，由此可见，采用乙二醇、聚乙二醇和聚乙烯醇复配，可有效改善钻井液的润滑性能，并能与硼砂协同作用，共同改善取芯质量。

结合实施例9和对比例1-2并结合表2可以看到，不管是将稻壳粉替换成常规的膨润土，还是改变盐溶液的种类，均无法达到优良的取芯效果，本申请中钻井液的各原料组分相辅相成、互相协同改善钻井液的性能，从而提高对矿石的取芯质量。

结合实施例1-16并结合表2可以看到，通过本申请制得的钻井液的密度在1.42-1.45g/cm³之间，粘度在52-55秒之间，30分钟降失水量小于15 毫升，仅出现1-3次轻微卡钻，卡钻次数少，最优时无卡钻现象，岩心采取率均在95％以上，最高可达98.5％，取芯质量高。

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 (2)

1.一种适用于固体钾盐矿的高性能钻井液，其特征在于：由包含以下重量百分比的原料制成：重晶石1-2%、海泡石2-3%、稻壳粉1-2%、大分子亲水胶体2-5%、水溶性醇2-3%、硼砂1-2%和四盐溶液余量；其中所述水溶性醇为乙二醇、聚乙二醇和聚乙烯醇的混合物，所述乙二醇、聚乙二醇和聚乙烯醇的重量比为1:(0.6-1):(0.4-1)；所述四盐溶液由以下重量百分比的原料制成：氯化钠4-6%、氯化钾8-10%、氯化镁24-26%、氯化钙20-25%和水余量；所述大分子胶体为明胶和阿拉伯胶，所述明胶和阿拉伯胶的重量比为(1.5-4):(0.5-1)。

2.权利要求1所述的一种适用于固体钾盐矿的高性能钻井液的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：将各原料组分混合均匀制得钻井液。