CN114085656A - 一种钻井液用井壁稳定处理剂、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻井液用井壁稳定处理剂、制备方法及应用。所述井壁稳定处理剂是包括以下组分的原料制备而得：铁盐、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯和隔离助剂；各组分按重量份数计，铁盐100重量份；聚乙二醇150～500重量份；聚乙烯醇100～300重量份；聚醇酸酯50～200重量份；隔离助剂25～100重量份。本发明通过调控处理剂的形态变化，实现其在地层微裂缝内部快速释放，与地层微裂缝表面发生化学反应，迅速相互聚集生长，实现对微裂缝的快速修补，阻隔水化作用通道，减少钻井液滤液对地层的侵入，从而提高硬脆性地层的井壁稳定性。

Description

一种钻井液用井壁稳定处理剂、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，进一步地说，是涉及一种钻井液用井壁稳定处理剂、制备方法及应用。

背景技术

随着石油勘探向深部发展、页岩气勘探加速，钻遇地层条件越来越复杂，我国西北、华北、四川等重点勘探区域复杂地层井壁失稳问题日益突出。西部地区部分二叠系地层，局部破碎，薄弱点多，非均质性强，裂隙发育，掉块硬度高，易导致卡钻等事故。其中二叠系火成岩裂缝发育，英安岩破碎易产生垮塌。石炭系、志留系硬脆性泥页岩地层，粘土含量较高，微裂缝发育易于形成水化通道而剥落掉块、坍塌。华北工区石盒子、石千峰组硬脆性泥岩地层，微裂缝较为发育，在外力作用下易沿微裂缝破裂，滤液侵入后，降低泥岩强度，引起井壁失稳；涪陵、威远等页岩气区块龙马溪组层理性强、微裂缝发育，水相侵入裂缝，产生水力尖劈作用，诱发井壁失稳。四川海相受断裂、风化剥蚀、裂缝发育影响严重，极易垮塌、掉块造成卡钻等复杂，已发生多起卡钻等复杂情况。

钻井液中加入高效井壁稳定处理剂是改善和解决井壁失稳问题的主要方法之一，目前针对硬脆性复杂地层的井壁失稳问题，采用惰性填充封堵是主要技术思路之一。乳化沥青、磺化沥青、氧化沥青等沥青类处理剂如雪佛龙公司的Soltex系列产品和Progress公司的PRO-TEX产品，主要利用处理剂中沥青颗粒在软化点附近温度软化变形，在压差作用下，被挤入地层层理的裂隙和孔喉中，封堵井壁的裂缝和孔隙。硅酸盐处理剂可在水中形成不同尺寸的离子、胶体和高分子的纳米级粒子，通过吸附、扩散和化学沉淀等作用，在地层岩石表面形成一层保护膜，封堵地层微裂缝，黏结地层矿物，提高地层的整体胶结能能力，封固井壁。但硅酸盐处理剂对钻井液的pH要求较高，往往在11以上，由于配伍处理剂较少，钻井液的流变性能调控困难，在一定程度上限制了其应用。聚合醇处理剂有效作用温度范围有限，需要其浊点温度与井底循环温度相当，方能有效封堵地层的微裂缝。

近年来，国外研究人员基于纳米SiO₂、纳米ZnO、纳米碳黑、超微细材料研发了多种的惰性封堵处理剂。但材料用量较大，部分材料加量要达到10％以上。

综上所述，现有沥青类、聚合醇处理剂、超微细处理剂及钻井液体系，均为惰性封堵难以高效匹配地层微裂缝，精确控制能力差，有效地层反应活性成分难以可控释放(优先与钻井液处理剂作用)，缺乏可对地层微裂缝进行判断处理的高效井壁稳定处理剂，无法根据复杂地层条件响应处理，实现对于硬脆性泥页岩微裂缝的第一时间快速封堵固壁。

铁化合物在钻井液处理剂主要用于钻井液降黏剂铁铬木质素磺酸盐(FCLS)生产。铁铬木质素磺酸盐由造纸废液经发酵浓缩后，加入硫酸亚铁和重铬酸钠氧化聚合，再经喷雾干燥而成。而由于铁离子在不同pH条件下可以形成不同形态的羟基氢氧化铁化合物，氢氧化铁粒子大小在1nm到100nm之间时会形成胶体。胶状沉淀的水合氧化铁有较强的吸附性能，能够与地层裂缝表面发生定向吸附，快速封堵地层微裂缝。但直接向钻井液中加入铁盐及其他化合物则，铁盐会优先与钻井液处理剂发生相互作用，导致钻井液滤失、流变性能遭到破坏，同时难以进入地层。

中国专利CN 105199059A公开了一种油田钻井液用无铬降粘剂及其制备方法，所述降粘剂的原料组成包括：合成高分子聚合物如水解聚丙烯腈盐及其芬顿氧化降解剂、天然高分子材料如褐煤和木质素磺酸盐、小分子单体及引发剂，以及交联剂。本发明的降粘剂具有良好的降粘降切、抗盐抗钙、抗高温能力，而且因不含重金属铬离子，生产和使用过程均环境友好。由于本发明的降粘剂具有优异的抗温抗盐能力，使其可以替代传统含铬降粘剂-铁铬木质素磺酸盐(FCLS)，应用于淡水、盐水、复合盐水及深井、超深井复杂钻井液体系中。

中国专利CN 110551488A公开了一种钻井液用粘土抑制剂及其制备方法，该粘土抑制剂由包含以下重量份的原料制成：40-80份纳米羟基铝、30-60份无机盐、70-120份聚丙烯酰胺、5-10份氯化亚铁或硫酸亚铁、50-100份磺化硝基腐殖酸、20-50份木质素磺酸盐和8-15份氯酸钾；其制备方法为：将磺化硝基腐殖酸、木质素磺酸盐、氯酸钾以及氯化亚铁或硫酸亚铁混合搅拌，在80-100℃下反应1-1.5h，然后调整温度为35-40℃，调整pH值为9-11，然后依次加入纳米羟基铝和无机盐，搅拌20-30min后加入聚丙烯酰胺，在50-60℃下搅拌2-3h，制得粘土用抑制剂。本发明具有制备得到的粘土抑制剂能够适用于水基钻井液，且具有很强的抑制粘土水化膨胀能力，能够缓解井壁失稳现象的优点。

中国专利CN 104694089A公开了一种用于钻井液的消泡剂，本发明由以下质量分数的物质组成：多缩硅醇钠溶液15～40％，水玻璃40～80％，多价金属5～25％。其中多价金属盐可为氯化钙，氯化镁，氯化铝或氯化铁。本发明的消泡剂对清水和矿化水有害泡沫具有良好的消泡抑制效果。

美国专利US 5110484提供了一种钻井液用铝基处理剂。利用铝酸钠与糖浆反应合成的铝化合物同样可以控制页岩水化分散。为降低这种抑制剂的生产成本，所用糖浆为蔗糖提炼的副产物，含有蔗糖、氨基酸和氨基酸盐/羧酸盐等成分。非还原多糖经无机酸水解生成糠醛和一种特征不明显的降解产物，继续与铝酸钠等碱反应即可得到最终产物。

文献《水基钻井液用无铬降粘剂腐植酸接枝聚丙烯腈的制备及其降粘特性》(工业技术创新，015年6月)报道了腐植酸和聚丙烯腈为主要原料,以乙酸锌和尿素为复合交联剂,接枝共聚合制备出了一种抗温、抗盐性与铁铬木质素磺酸盐性能相当的新型腐植酸接枝聚合物降粘剂。探讨了腐植酸原料选择、聚丙烯腈水解-降解条件优化、合成产物沉降稳定性,评价了新型降粘剂在不同钻井液基浆中的降粘性能对比,建立了科学评价降粘剂的实验方法。

以上文献涉及的钻井液添加剂，虽然可以在一定程度上缓解井壁失稳，但是仍不能从根本上解决井壁失稳，尤其是针对微小裂缝。

因此，研发一种高效井壁稳定处理剂，根据复杂地层条件响应处理，实现对于硬脆性泥页岩微裂缝的第一时间快速封堵固壁，依然是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种钻井液用井壁稳定处理剂、制备方法及应用。本发明以聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯、水、铁盐、pH调节剂，通过控温配位络和反应、中和反应、干燥粉碎后加入隔离助剂即得到可实现地层环境[H+]响应型主动释放反应型井壁稳定处理剂。

由于铁离子具有良好的配位能力利用富含羟基的聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯等材料与铁离子配位，通过调节反应温度和时间等反应条件，调控羟基氢氧化铁的生长状态和氢氧化铁的聚集状态,使其在钻井液中保持良好的分散状态,不影响钻井液的流变性能.同时利用钻井液环境(pH＝8～10)与地层环境(pH<7)的不同，实现配位键的断裂，从而实现在地层环境中的定向释放，修复地层。基于这一思路，本发明公开一种钻井液用地层环境[H+]响应型井壁稳定处理剂，其可利用地层环境[H+]激发，通过调控处理剂的形态变化，实现其在地层微裂缝内部快速释放，与地层微裂缝表面发生化学反应，迅速相互聚集生长，实现对微裂缝的快速修补，从而阻隔水化作用通道，减少钻井液滤液对地层的侵入，从而提高硬脆性地层的井壁稳定性。

本发明的目的之一是提供一种钻井液用井壁稳定处理剂。

所述井壁稳定处理剂是由包括铁盐、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯在内的组分制备而得。

各组分按重量份数计，

各组分的优选用量范围为：

本发明的一种优选的实施方式中，

所述聚醇酸酯为聚甘油多聚蓖麻醇酸酯、聚二醇己二酸酯、聚甘油蓖麻醇酸酯、聚琥珀酸丁二醇酯、聚马来酸十六醇酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚萘二酸丁二醇酯、聚新戊二醇丁二酸酯中的一种或组合。

本发明的一种优选的实施方式中，

所述铁盐为水溶性铁盐；

优选为氯化亚铁、硫酸亚铁、氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、硫化铁、硫氰化铁、碘化铁、氟化亚铁、氟化铁、碘化亚铁、硫氰酸亚铁中的一种或组合；更优选氯化亚铁、硫酸亚铁、氯化铁中的一种或组合。

本发明的聚乙二醇可采用所有市售聚乙二醇商品，优选分子量为200～20000。

本发明的聚乙烯醇可采用所有市售聚乙烯醇商品，如：产品牌号为2488、2088、1788、2099、1799、BP17、224、217、2099、2299、124、117、2699、BP-05、BF17，其中更优选1788、1799、2099、2299中的一种或组合。

本发明的一种优选的实施方式中，

所述组分还包括隔离助剂，所述隔离助剂为滑石粉、二氧化硅、钛白粉中的一种或组合。其中更优选200目～2000目的滑石粉、二氧化硅和钛白粉中的一种或组合。

以铁盐为100重量份计，隔离助剂的用量为25～100重量份；优选为25～75重量份。

本发明的目的之二是提供一种钻井液用井壁稳定处理剂的制备方法。

所述方法包括：将含有铁盐、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯在内的组分进行反应，制得所述井壁稳定处理剂。

本发明的一种优选的实施方式中，

所述方法包括：

(1)将聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯按所述用量加入到水中，搅拌均匀，使各组分溶解于水中；

(2)向上述溶液中加入铁盐，升温至10℃～100℃，控温反应1～24小时；

(3)将上述反应溶液温度调节至室温，加入pH调节剂，调节溶液pH至8～10，继续反应1～3h；

(4)将上述溶液浓缩干燥并粉碎后，充分混合均匀即得到所述井壁稳定处理剂。

本发明的一种优选的实施方式中，

步骤(1)，水的用量为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯、铁盐的用量之和的1倍以上。

本发明的一种优选的实施方式中，

步骤(2)，反应温度优选为30-80℃；反应时间优选为2～12小时。

本发明的一种优选的实施方式中，

步骤(3)，所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾中一种或组合。

本发明的一种优选的实施方式中，

步骤(4)，

将上述溶液浓缩干燥并粉碎后，加入隔离助剂，充分混合均匀即得到所述井壁稳定处理剂。

反应合成路线：

本发明的目的之三是提供一种所述的方法得到的井壁稳定处理剂。

本发明的目的之四是提供一种所述的井壁稳定处理剂或由所述的方法得到的井壁稳定处理剂在钻井中的应用。

发明的效果

本发明以富含羟基的聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯等材料与铁离子配位，通过调节反应温度和时间等反应条件，调控羟基氢氧化铁的生长状态和氢氧化铁的聚集状态,使其在钻井液中保持良好的分散状态,不影响钻井液的流变性能.同时利用钻井液环境(pH＝8～10)与地层环境(pH<7)的不同，实现配位键的断裂，从而实现在地层环境中的定向释放迅速相互聚集生长，实现对微裂缝的快速修补，从而阻隔水化作用通道，减少钻井液滤液对地层的侵入，从而提高硬脆性地层的井壁稳定性。

地层释放反应：

附图说明

图1为实施例3的井壁稳定处理剂在不同pH值下紫外光的透过率。

具体实施方式

下面结合具体附图及实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。

实施例中所用原料均为市售产品；

其中，聚乙烯醇选自：上海石化、台湾长春、石家庄维尼纶厂、四川川维、湖南湘维，贵州水晶及日本可乐丽公司等。

聚乙二醇选自；陶氏化学公学、江苏省海安石油化工厂、南京威尔化工、及各地方化工生产企业；

其他原料市售产品即可。

实施例1

向一500mL三口瓶中抽换气三次后，加入50g聚乙二醇(分子量1000)、30g聚乙烯醇(牌号1788)、20g聚甘油多聚蓖麻醇酸酯，加入150mL水，搅拌至各组分充分分散，控制温度为10℃，加入10g氯化亚铁，反应1h后，加入氢氧化钠，调节溶液pH至8，继续反应1h，将上述溶液浓缩干燥，粉碎后，加入200目10g滑石粉，搅拌均匀，即得到112g棕黄色地井壁稳定处理剂。

实施例2

向一3000mL三口瓶中抽换气三次后，加入150g聚乙二醇(分子量200)、150g聚乙二醇(分子量20000)，100g聚乙烯醇(牌号1799)、100g聚乙烯醇(牌号2099)、100g聚乙烯醇(牌号2299)、25g聚二醇己二酸酯、25g聚琥珀酸丁二醇酯、25g聚甘油蓖麻醇酸酯、25g聚马来酸十六醇酯，加入1000mL水，搅拌至各组分充分分散，控制温度为100℃，加入100g氯化铁、50g硫酸铁、50g硫酸亚铁，反应12h后，降温至室温，加入氢氧化钠和氢氧化钙的混合溶液，调节溶液pH至10，继续反应3h，将上述溶液浓缩干燥，粉碎后，加入2000目30g滑石粉、800目20g钛白粉，搅拌均匀，即得到937g棕黄色地井壁稳定处理剂。

实施例3

向一5000mL三口瓶中抽换气三次后，加入500g聚乙二醇(分子量2000)、100g聚乙烯醇(牌号2488)、100g聚乙烯醇(牌号2088)、200g聚乙烯醇(牌号2699)，50g聚丁二酸丁二醇酯、100g聚萘二酸丁二醇酯和50g聚新戊二醇丁二酸酯，加入2000mL水，搅拌至各组分充分分散，控制温度为80℃，加入100g氯化亚铁、50g硝酸铁、50g硫化铁、50g硫氰化铁，反应24h后，降温至室温，加入氢氧化钾的溶液，调节溶液pH至9，继续反应2h，将上述溶液浓缩干燥，粉碎后，加入1000目100g滑石粉、800目50g二氧化硅，搅拌均匀，即得到1678g棕黄色地井壁稳定处理剂。

试验：钻井液性能评价

将1.5％的实施例1～3制备的井壁稳定处理剂及对比例氯化亚铁、氯化铁、硫酸亚铁加入到4％的钻井液基浆中，按照GB/T 16783-1997水基钻井液现场测试程序测试钻井液流变性和滤失量。结果见表1。

与对比例氯化亚铁、氯化铁、硫酸亚铁相比，实施例1～3制备的井壁稳定处理剂对钻井液的流变性对pH值几乎无任何影响，但可显著降低钻井液基浆的API中压滤失量，而氯化亚铁、氯化铁、硫酸亚铁则显著降低钻井液的pH值，且增大API中压滤失量。

表1

微裂隙封堵性能评价

以膨润土和重晶石为原料，利用GG42-2型高温高压滤失仪制备一定厚度的泥饼以模拟纳微米级地层(渗透率575.01^-2mD)，通过测量含有1.0％的井壁稳定处理剂在不同温度条件下模拟地层中的平均流量，结合达西公式，计算封堵前后模拟地层的渗透率，从而得到在不同温度地层环境下井壁稳定处理剂对模拟地层的封堵率。结果见表2。

表2

从上表可以看出，井壁稳定处理剂在不同的温度下的封堵率均高于98％，表明对纳微米孔隙地层具有良好的封堵能力。

地层环境[H+]响应性能评价，

利用钻井液环境(pH＝8～10)与地层环境(pH<7)的不同，井壁稳定处理剂进入地层以后，会发生配位键的断裂,不同形态的羟基氢氧化铁迅速在地层裂缝表面发生相互聚集，同时带来粒度的变化会对光的透射率产生影响，因此通过监测紫外光的强度的变化可实现对判断其地层环境[H+]响应的评价(如图1所示)。以紫外光谱仪为测试仪器，以实施例3配置1.5％的溶液测试发现,其在8.0～9.0时其透射率基本没什么变化，而pH降低到8.0以后，透射率显著下降。说明在8.0～7.0发生铁离子配位键的断裂，粒度发生显著变化，导致了紫外光的透射率的降低。

Claims (10)

1.一种钻井液用井壁稳定处理剂，其特征在于所述井壁稳定处理剂是由包括铁盐、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯在内的组分制备而得。

2.如权利要求1所述的钻井液用井壁稳定处理剂，其特征在于：

各组分按重量份数计，

3.如权利要求1所述的钻井液用井壁稳定处理剂，其特征在于：

所述铁盐为水溶性铁盐，优选为氯化亚铁、硫酸亚铁、氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、硫化铁、硫氰化铁、碘化铁、氟化亚铁、氟化铁、碘化亚铁、硫氰酸亚铁中的一种或组合；和/或，

所述聚醇酸酯为聚甘油多聚蓖麻醇酸酯、聚二醇己二酸酯、聚甘油蓖麻醇酸酯、聚琥珀酸丁二醇酯、聚马来酸十六醇酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚萘二酸丁二醇酯、聚新戊二醇丁二酸酯中的一种或组合。

4.如权利要求1～3之一所述的钻井液用井壁稳定处理剂，其特征在于：

所述组分还包括隔离助剂，所述隔离助剂为滑石粉、二氧化硅、钛白粉中的一种或组合；

以铁盐为100重量份计，隔离助剂的用量为25～100重量份；优选为25～75重量份。

5.一种如权利要求1～4之一所述的井壁稳定处理剂的制备方法，其特征在于所述方法包括：

将含有铁盐、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯在内的组分进行反应，制得所述井壁稳定处理剂。

6.如权利要求5所述的井壁稳定处理剂的制备方法，其特征在于所述方法包括：

(1)将聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯按所述用量加入到水中，搅拌均匀，使各组分溶解于水中；

(2)向上述溶液中加入铁盐，升温至10℃～100℃，控温反应1～24小时；

(3)将上述反应溶液的温度调节至室温，加入pH调节剂，调节溶液pH值8～10，继续反应1～3h；

(4)将上述溶液浓缩干燥并粉碎后，充分混合均匀即得到所述井壁稳定处理剂。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：

步骤(1)，水的用量为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚醇酸酯、铁盐的用量之和的1倍以上；和/或，

步骤(2)，反应温度为30-80℃；反应时间为2～12小时；和/或，

步骤(3)，所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钙、氢氧化钾中一种或组合。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于：

步骤(4)，将上述溶液浓缩干燥并粉碎后，加入隔离助剂，充分混合均匀即得到所述井壁稳定处理剂。

9.一种如权利要求5～8之一所述的方法得到的井壁稳定处理剂。

10.一种如权利要求1～4之一所述的井壁稳定处理剂或如权利要求5～8之一所述的方法得到的井壁稳定处理剂在钻井中的应用。

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