CN114231260B - 一种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂 - Google Patents

一种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的是一种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂，这种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂是一种固体粉末，其由硅铝酸盐微粉、高分子超细聚丙烯粉、石墨粉构成，各组分质量百分比含量分别为：硅铝酸盐微粉65%‑95%，超细聚丙烯粉0.5%‑10%、石墨粉1%‑30%。本发明在钻井液中加量为0.3%‑1%时，可使泥饼的润滑性提升37%‑43%，高于现有固体润滑剂的泥饼润滑效果，并且成本较低。

Description

一种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂
技术领域：
本发明涉及的是降低水基钻井液泥饼摩阻系数的处理剂，具体涉及的是一种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂。
背景技术：
大位移井和水平井是非常规储层和海上油田开发的主要方式，随着井斜角的增加和水平段的增长，管柱在重力作用下与下井壁的接触面积增大，进而导致水平段摩阻高、扭矩大、卡钻风险大、井眼轨迹控制难等问题产生，严重影响了大位移井和水平井的钻井安全和延伸极限，管柱摩阻问题已经成为制约大位移井和水平井钻井的关键问题之一。影响管柱摩阻的主要因素包括：(1)钻井参数；(2)井眼狗腿度；(3)钻具性能及尺寸；(4)钻井液润滑性。排除井壁失稳、井眼不清洁、轨迹复杂以及其他工程因素，钻井液的润滑性决定着实钻中的摩阻和扭矩。钻井液的润滑性通常包括泥饼的润滑性能和钻井液流体自身的润滑性两个方面。对于水平井来说，尤其是泥岩地层，随着水平段的延长，钻井液中的无法震动筛除的固相含量逐渐增多，井壁泥饼的光滑度下降，钻具与井壁泥饼之间的摩阻变得更为突出。因此，在井壁上形成光滑的高质量的泥饼是降低水平段摩阻的有效途径。
水基钻井液具有成本低、环保等多种优势，因此水基钻井液是目前主要使用的钻井液体系。但水基钻井液的润滑性一般，所形成泥饼的质量也较差。钻井初期，往往通过加入润滑剂的方式来提高泥饼的光滑性。润滑剂主要包括液体润滑剂和固体润滑剂。液体润滑剂主要是矿植物油类、表活剂类、聚醇类等。固体润滑剂主要包括石墨、塑料小球、玻璃小球、金属小球等。相对于液体润滑剂，固体润滑剂无荧光、无毒、抗高温能力强，可使泥饼的摩阻系数降低 20％-30％。固体润滑剂是通过物理作用，将钻具与钻井液固相颗粒之间的滑动摩擦转换为滚动摩擦或者将摩擦界面由刚性摩擦转变为柔性摩擦来减小泥饼摩阻，总体上对泥饼的润滑改善效果一般。钻井至中后期以后，大量岩屑混入钻井液，其中大颗粒固相可通过振动筛而去除，但尺寸较小的固相颗粒仍然存留在钻井液中，导致钻井液中固相含量增大，所形成的泥饼也变得疏松，这时仅通过添加润滑剂，不仅润滑效果提升效果不明显，井壁上虚泥饼的厚度也随之增加，钻具与井壁的接触可能性增大，摩阻反而会增大。针对上述情况，油田通常采用的措施是在钻井液中添加降滤失剂和封堵剂来提高泥饼的光滑性。目前，应用比较广泛的是聚合铝和纳米二氧化硅，其主要通过提高固体颗粒的分散性以及填充泥饼固相颗粒之间的空隙来提高泥饼的致密性，从而提高其表面的光滑度。通常，聚合铝和纳米二氧化硅在钻井液中的加量分别为2％，此添加量下可使泥饼的润滑性提升30％-38％。按照聚合铝单价为8000元/吨、纳米二氧化硅单价为10000元/吨计，每立方钻井液的添加费用约为200元-300元。尽管具有较好的润滑泥饼性能，但成本较高。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂，这种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂用于提升现有固体润滑剂对泥饼的润滑效果，同时解决聚合铝和纳米二氧化硅成本较高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂是一种固体粉末，其由硅铝酸盐微粉、高分子超细聚丙烯粉、石墨粉构成，各组分质量百分比含量分别为：硅铝酸盐微粉65％-95％，超细聚丙烯粉0.5％-10％、石墨粉1％-30％。
上述方案中硅铝酸盐微粉是含钙、铝、镁、铁中任意一种金属的硅铝酸盐，颗粒粒径为200-2500目。
上述方案中高分子超细聚丙烯粉为商业用聚丙烯粉，颗粒粒径为600-2000 目。
上述方案中石墨粉为超细石墨粉，颗粒粒径为800-3000目。
上述方案中硅铝酸盐微粉为硅灰石纳米微粉、石棉微粉、石英粉中任意一种，颗粒粒径为800-2000目。
上述方案中高分子超细聚丙烯粉的颗粒粒径为800-2000目。
上述方案中石墨粉颗粒粒径为1000-3000目。
本发明所提供的固体润滑剂作用机理如下：固体润滑剂主要是通过在泥饼表面和内部生成溶剂化水膜、凝胶类物质，结合空隙填充、摩擦类型转化等途径提高泥饼的润滑性和致密性，进而降低钻具与井壁之间的摩阻。其中，硅铝酸盐微粉中的硅酸根、铝酸根等极性基团吸附在粘土颗粒的端面，在颗粒表面形成溶剂化水膜，对粘土等固体颗粒产生包被、吸附、置换、分散等作用，阻止了固体颗粒的聚集，减少了固体颗粒之间的吸附能力并破除颗粒之间的结构力，有利于促使颗粒以小尺寸堆积，增加了泥饼表面的润滑性；部分硅酸盐在碱性条件下发生水化，生成凝胶类物质，附着在泥饼表面并填充在固体颗粒之间，提高泥饼的致密性，增加泥饼的光滑度；超细聚丙烯粉可填充在泥饼颗粒空隙之间，提高泥饼的致密性，同时利用其自身的弹性，增强泥饼的变形性，提高泥饼的可压缩性，减少钻具与井壁的刚性接触；超细石墨粉吸附在固相颗粒表面和钻具表面，利用其自身层间滑动特性，将钻具与井壁泥饼之间的刚性摩擦转变为石墨之间的柔性摩擦，降低了钻具与井壁泥饼之间的摩擦阻力。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所提供的泥饼固体润滑剂，在钻井液中加量为0.3％-1％，可使水基钻井液泥饼的润滑性提升37％-43％，高于现有固体润滑剂的泥饼润滑效果。
(2)本发明所提供的泥饼固体润滑剂，每吨价格为4000-6000元，按照加量为0.3％-1％计，每立方钻井液的添加费用约为50元-100元，远远低于添加聚合铝和纳米二氧化硅的费用。
具体实施方式：
下面对本发明做进一步的说明：
实施例1：
这种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂由硅灰石纳米微粉、高分子超细聚丙烯粉、石墨粉构成，各组分质量百分比含量分别为：1200目硅灰石纳米微粉90％，800目高分子超细聚丙烯粉2％，2000目石墨粉8％。上述固体微粉充分搅拌混合后，以0.7％(质量比)的加量加入到井浆中(井浆主要配方为：6％土+1％纯碱+2％钻井液用聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型复合铵盐+1％聚丙烯酸钾KPA+3％钻井液用防塌封堵剂乳化沥青YK-H+3％低荧光井壁稳定剂 HQ-1)，利用六速旋转粘度计测定钻井液的流变参数，并中压滤失(API)制备泥饼，测定滤失量，然后利用粘滞系数测定仪采用滑块法测定泥饼的粘滞系数，结果如表1、表2所示。
表1本发明的泥饼固体润滑剂润滑性能评价
Figure BDA0003469605540000041
表2本发明的泥饼固体润滑剂对钻井液主要性能的影响
Figure BDA0003469605540000042
实施例2：
这种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂由硅灰石纳米微粉、聚丙烯微粉、石墨粉构成，各组分质量百分比含量分别为：2000目硅灰石微粉 95％，1340目聚丙烯微粉1％，1000目石墨粉4％。上述固体微粉充分搅拌混合后，制备成可降低水基钻井液摩阻的处理剂。以1.0％(质量比)的加量加入到井浆中(井浆主要配方为：5％膨润土+0.05％烧碱+0.2％纯碱+0.5％聚丙烯酸钾 +1％腐殖酸钾+1.5％磺化沥青+1.5％褐煤树脂类)，利用六速旋转粘度计测定钻井液的流变参数，并中压滤失(API)制备泥饼，测定滤失量，然后利用粘滞系数测定仪采用滑块法测定泥饼的粘滞系数，结果如表3、表4所示。
表3本发明的泥饼固体润滑剂润滑性能评价
Figure BDA0003469605540000043
表4本发明的泥饼固体润滑剂对钻井液主要性能的影响
Figure BDA0003469605540000051
对比实施例1：
在井浆中(井浆主要配方为：6％土+1％纯碱+2％钻井液用聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型复合铵盐+1％聚丙烯酸钾KPA+3％钻井液用防塌封堵剂乳化沥青 YK-H+3％低荧光井壁稳定剂HQ-1)加入2％聚合铝和2％的二氧化硅。利用六速旋转粘度计测定钻井液的流变参数，并中压滤失(API)制备泥饼，测定滤失量，然后利用粘滞系数测定仪采用滑块法测定泥饼的粘滞系数，结果见表5和表6所示。
表5现有泥饼润滑性能评价
Figure BDA0003469605540000052
表6加入现有泥饼润滑处理剂后钻井液主要性能的变化
Figure BDA0003469605540000053
对比实施例2：
在井浆中(井浆主要配方为：5％膨润土+0.05％烧碱+0.2％纯碱+0.5％聚丙烯酸钾+1％腐殖酸钾+1.5％磺化沥青+1.5％褐煤树脂类)加入2％聚合铝和2％的二氧化硅。利用六速旋转粘度计测定钻井液的流变参数，并中压滤失(API)制备泥饼，测定滤失量，然后利用粘滞系数测定仪采用滑块法测定泥饼的粘滞系数，结果见表7和表8所示。
表7现有泥饼润滑性能评价
Figure BDA0003469605540000061
表8加入现有泥饼润滑处理剂后钻井液主要性能的变化
Figure BDA0003469605540000062
对比实施例3：
在井浆中(井浆主要配方为：6％土+1％纯碱+2％钻井液用聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型复合铵盐+1％聚丙烯酸钾KPA+3％钻井液用防塌封堵剂乳化沥青 YK-H+3％低荧光井壁稳定剂HQ-1)加入0.3％的石墨粉。利用六速旋转粘度计测定钻井液的流变参数，并中压滤失(API)制备泥饼，测定滤失量，然后利用粘滞系数测定仪采用滑块法测定泥饼的粘滞系数，结果见表9和表10所示。
表9现有泥饼润滑性能评价
Figure BDA0003469605540000063
表10加入现有泥饼润滑处理剂后钻井液主要性能的变化
Figure BDA0003469605540000064
为了进一步提升现有固体润滑剂对泥饼的润滑效果，同时解决聚合铝和纳米二氧化硅成本较高的问题，本发明提供了一种成本较低、具有良好润滑泥饼性能的固体润滑剂，该固体润滑剂基于水化填充机理，通过溶剂化水膜缓冲、胶凝性物质胶连、弹性颗粒填充以及摩擦类型转换等作用有效降低泥饼摩阻，减少大位移井和水平井风险事故的发生，提高井眼延伸极限。
本发明主要是通过在泥饼表面和内部生成溶剂化水膜、凝胶类物质，结合空隙填充、摩擦类型转化等途径提高泥饼的润滑性和致密性，进而降低钻具与井壁之间的摩阻。在钻井液中加量为0.3％-1％，可使水基钻井液泥饼的润滑性提升37％-43％，高于现有固体润滑剂的泥饼润滑效果，并且成本较低。

Claims (6)

1.一种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂，其特征在于：这种基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂是一种固体粉末，其由硅灰石纳米微粉、高分子超细聚丙烯粉、石墨粉构成，各组分质量百分比含量分别为：硅灰石纳米微粉65%-95%，超细聚丙烯粉0.5%-10%、石墨粉1%-30%。
2.根据权利要求1所述的基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂，其特征在于：所述的高分子超细聚丙烯粉为商业用聚丙烯粉，颗粒粒径为600-2000目。
3.根据权利要求2所述的基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂，其特征在于：所述的石墨粉为超细石墨粉，颗粒粒径为800-3000目。
4.根据权利要求3所述的基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂，其特征在于：所述的硅灰石纳米微粉的颗粒粒径为800-2000目。
5.根据权利要求4所述的基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂，其特征在于：所述的高分子超细聚丙烯粉的颗粒粒径为800-2000目。
6.根据权利要求5所述的基于水化填充机理的水基钻井液泥饼固体润滑剂，其特征在于：所述的石墨粉颗粒粒径为1000-3000目。
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