CN114437683B - 一种抗高温油基泡沫钻井液及其制备方法 - Google Patents

一种抗高温油基泡沫钻井液及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种抗高温油基泡沫钻井液及其制备方法，该钻井液包括：100体积份的连续介质；1‑2质量份的发泡剂；1‑3质量份的稳泡剂；0‑2质量份的乳化剂；所述连续介质包括90‑95份的基油和0‑5份的水；所述发泡剂选自氟碳阳离子表面活性剂和甲基有机硅表面活性剂中的一种或几种。本发明提供的油基泡沫钻井液性能稳定、抗温性能好，适用于欠平衡钻井和低压油气层和枯竭易水敏地层用于储气库的改造等。该油基泡沫钻井液在欠平衡钻井中，可实现安全快速钻进，能有效抑制钻井过程遇到的由于水敏效应导致的垮塌、缩径等问题；另外，该体系尤其能满足压力系数低且水化地层的钻探，以及油气枯竭地层用于储气库的改造等特殊施工的需求。

Description

一种抗高温油基泡沫钻井液及其制备方法
技术领域
本发明属于油气井过程钻井液技术领域，具体涉及一种抗高温油基泡沫钻井液及其制备方法，适用于地层压力系数较低的非常规油气藏。
背景技术
近年来，随着低压油气的开发以及储气库的建设，枯竭地层、低压地层以及低压强水敏地层不断呈现，这些都对低密度或超低密度钻井流体提出较大挑战。目前常规的泡沫钻井液大多是以水相为连续介质，依靠发泡剂的作用，通过空气混合来形成泡沫，由于基液密度高，体系密度的降低程度受客观条件的限制。水基泡沫钻井流体在水敏性地层易造成泥页岩的水化膨胀，因而无法在水敏性地层中安全有效地钻进。
鉴于此，水基泡沫钻井液在这些特殊地层中应用受限，而发展新型的油基泡沫钻井流体技术的形势越来越迫切。油基泡沫钻井液是一种低密度的新型钻井流体，其具有水基泡沫的特点，更具有水基泡沫无法比拟的优势，在裂隙发育、低压、超低压、水敏性地层中能够高效安全的钻进，克服了常规水基泡沫钻井流体在这些地层不适用的问题，且能够有效地保护油气层。
目前，国内外对油基泡沫钻井液进行了少量报道。例如，美国率先在墨西哥湾进行欠平衡钻井的过程中使用了油基泡沫钻井液，在此处所钻井深为5568m，井底温度232℃，现场应用过程中油基泡沫表现出了优异的性能，但是，其油基泡沫质量56％，半衰期仅270s，存在半衰期短、泡沫质量偏低的不足，油基泡沫钻井液技术需进一步提升，以扩大其应用范围。中国石油集团钻井工程技术研究院开发了一种油基泡沫钻井流体技术，半衰期在630s左右，耐高温、耐盐抗污染能力强。2012年6月7日吐哈米气7H井在钻至3558m时，为有效保护油气层，实现较佳开发效果。但是，该油基泡沫钻井液仍存在半衰期短的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种抗高温油基泡沫钻井液及其制备方法，本发明提供的油基泡沫钻井液性能稳定、抗温性能好，适用于欠平衡钻井和低压油气层和枯竭易水敏地层用于储气库的改造等。该油基泡沫钻井液在欠平衡钻井中，可实现安全快速钻进，能有效抑制钻井过程遇到的由于水敏效应导致的垮塌、缩径等问题；另外，该体系尤其能满足压力系数低且水化地层的钻探，以及油气枯竭地层用于储气库的改造等特殊施工的需求。
本发明提供一种抗高温油基泡沫钻井液，包括：100体积份的连续介质；1-2质量份的发泡剂；1-3质量份的稳泡剂；0-2质量份的乳化剂；
所述连续介质包括90-95份的基油和0-5份的水；
所述发泡剂选自氟碳阳离子表面活性剂和甲基有机硅表面活性剂中的一种或几种。
优选地，所述氟碳阳离子表面活性剂具有式I结构：
式I中，t为2、4或6；R为C1-4烷基；Z-为卤素离子和PO3 -中的任一种基团。
优选地，所述甲基有机硅表面活性剂具有式II结构：
式II中，m和n独立地为1～3之间的任意整数。
优选地，所述基油选自柴油和白油中的一种；所述水为自来水、地下水和河水中的一种或多种。
优选地，所述稳泡剂选自有机土、油酸钠、油醇、椰油酰胺、椰油甘油酯和司盘80中的一种或多种。
优选地，所述乳化剂为脂肪酸酰胺；所述抗高温油基泡沫钻井液根据密度可选地加入碳酸钙。
优选地，所述抗高温油基泡沫钻井液的密度为0.2～1.0g/cm3。
本发明提供一种前文所述的抗高温油基泡沫钻井液的制备方法，包括：按照配比，将发泡剂、稳泡剂、乳化剂、水和基油混合，在气氛中搅拌形成泡沫，得到抗高温油基泡沫钻井液。
优选地，所述混合时每加入一种处理剂均搅拌5～10min，搅拌速度为10000～12000r/min。
优选地，所述气氛为空气或氮气。
与现有技术相比，本发明所述的油基泡沫钻井液主要是通过使用氟碳阳离子表面活性剂和甲基有机硅表面活性剂中的一种或几种，降低基油等液体的表面张力形成的；产生泡沫的过程中，起泡剂(也称发泡剂)的性能和浓度等因素决定了油基泡沫质量和和稳定性。本发明提供的油基泡沫钻井液发泡性能较好；向高搅杯中加入120mL柴油和上述发泡剂、稳泡剂、乳化剂、少量水后，12000r/min高搅20min，泡沫体积可达800mL，半衰期长达21min。本发明实施例制备的油基泡沫钻井液密度可控在0.2～1.0g/cm3，钻井液抗温可达160℃，并且其高温老化后发泡能力没有衰减，高搅后泡沫质量仍然可达80％以上。
本发明该钻井液体系性能稳定，与储层配伍性好，携岩能力强，具有较好的堵孔能力和耐温性、抗污染能力；可用于欠平衡钻井，可用于枯竭易水敏地层用于储气库的改造等，可有效抑制泥页岩水化膨胀，稳定井壁，防止井漏，实现安全钻井，有效地保护油气层。
附图说明
图1为本发明实施例中油基泡沫结构模型图；
图2为本发明实施例中表面张力降低过程示意图；
图3为本发明实施例1中钻井液的发泡效果图；
图4为本发明实施例4中钻井液老化前后发泡状态。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员经改进或润饰的所有其它实例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种抗高温油基泡沫钻井液，包括：100体积份的连续介质；1-2质量份的发泡剂；1-3质量份的稳泡剂；0-2质量份的乳化剂；
所述连续介质包括90-95份的基油和0-5份的水；
所述发泡剂选自氟碳阳离子表面活性剂和甲基有机硅表面活性剂中的一种或几种。
本发明提供的油基泡沫钻井液体系具有较好的发泡性能和抗温性能，性能稳定，能更好地适用于地层压力系数较低的非常规油气藏。
本发明实施例提供的抗温油基泡沫钻井液采用1～2质量份的发泡剂、1～3质量份的稳泡剂、0～2质量份的乳化剂、0～5体积份的水和90～95体积份的基油，少量碳酸钙(根据密度需要)，通过10000～12000r/min一定的高速搅拌制备而成；所述的油基泡沫钻井液体系具有稳定结构的油包水包气和油包气泡沫，结构模型如图1所示。图1中，左边展示的油基泡沫结构是油相包水相包气体，右侧是油相包气体。图1是显微镜观察的油基泡沫微观结构，可以清晰看到油相、气相，油气界面处为表面活性剂吸附膜。
在本发明中，所述发泡剂选自氟碳阳离子表面活性剂和甲基有机硅表面活性剂中的一种或几种，能够较好地降低基油等液体的表面张力，产生良好的油基泡沫，能抗高温。本发明实施例降低表面张力的过程如图2所示，表面活性剂类发泡剂具有两个活性基团，即非极性亲油基和极性疏油基，亲油基朝向油相，疏油基背离油相。表面活性剂加入到柴油中，定向排列于柴油液体表面，使柴油表面被一层(氟碳、硅氟)碳链覆盖，达到降低柴油表面张力的目的。通过不同的高速搅拌引入外来气体，在气液接触的表面形成液膜，气体被油膜包裹，从而形成大量泡沫。
本发明一些实施例该油基泡沫钻井液体系中，所述的发泡剂有YF-10和YF-111等氟碳阳离子表面活性剂，其结构通式如式I所示：
式I中，t＝2、4或6；R为C1-4烷基(R＝CH3，C2H5，C3H7，C4H9)；Z-可为卤素离子(优选I-、Cl-、Br-)和PO3 -中的任一种基团。
另一些实施例中，所述的发泡剂为市售的甲基有机硅表面活性剂，结构通式如式II所示：
式II中，m＝1～3，n＝1～3。即m为1，2或3，n为1，2或3。
在本发明的优选实施例中，所述发泡剂为氟碳阳离子表面活性剂与甲基有机硅表面活性剂复配。实验过程发现，使用醚、酯等水基发泡剂，难以达到良好的发泡效果。
除了所述发泡剂，本发明钻井液体系中的处理剂包括1～3质量份的稳泡剂；本发明优选采用抗温稳泡剂，可选自有机土、椰油酰胺、椰油甘油酯和司盘80(也称为span80等)中的一种或多种，优选两种复配，主要增加液相的粘度，增强泡沫膜结构的强度，从而增加泡沫的半衰期。
本发明实施例中可以加入乳化剂，也可以不采用乳化剂。所述乳化剂优选为脂肪酸酰胺中的任一种，主要增加油包水结构泡沫的稳定性，同时还可起到抗外来水侵的作用。此外，所述抗高温油基泡沫钻井液根据密度可选地加入少量碳酸钙。
本发明实施例对连续介质没有特殊限制，所述的基油可选自柴油和白油中的一种；所述的水可为自来水、地下水和河水中的一种。所形成的泡沫中，所述的气体可为空气和氮气中的一种。所述抗高温油基泡沫钻井液具有低密度，密度可为0.2～1.0g/cm3，例如，0.25～0.5g/cm3等。
本发明实施例提供了一种前文所述的抗高温油基泡沫钻井液的制备方法，包括：按照配比，将发泡剂、稳泡剂、乳化剂、水和基油混合，在气氛中搅拌形成泡沫，得到抗高温油基泡沫钻井液。
具体地，所述的油基泡沫钻井液的制备方法为：
向高搅杯中加入100～120mL基油，然后依次加入少量发泡剂、稳泡剂、乳化剂和少量水，每加入一种处理剂均高搅5～10min，转速为10000～12000r/min，全部加完后一直高搅直到泡沫体积不再增加，即得。
本发明实施例可将上述的高搅杯取下，将泡沫钻井液倒入1000mL的量筒中，测量发泡体积、泡沫质量和半衰期以及老化前后的流变性能。
其中，发泡体积V，即高搅状态下泡沫不再增加，立刻倒入量筒中并读取泡沫体积，即为发泡体积；泡沫质量按照下式计算：
半衰期：高搅状态下泡沫不再增加，立刻倒入量筒中并读取泡沫体积，此时开始计时，记录直到油相析出的体积等于发泡前基油体积的一半时所持续的时间，即为油基泡沫的半衰期。
本发明实施例制备的油基泡沫钻井液发泡性能较好，例如向高搅杯中加入120mL柴油和上述发泡剂、稳泡剂、乳化剂、少量水后，12000r/min高搅20min泡沫体积可达800mL，半衰期长21min。制备的油基泡沫钻井液密度可控在0.2～1.0g/cm3，钻井液抗温可达160℃，且高温老化后发泡能力没有衰减，高搅后泡沫质量仍然可达80％以上。
该钻井液体系性能稳定，适用于欠平衡钻井和低压油气层和枯竭易水敏地层用于储气库的改造等。该油基泡沫钻井液在欠平衡钻井中，可实现安全快速钻进，能有效抑制钻井过程遇到的由于水敏效应导致的垮塌、缩径等问题；另外，该体系尤其能满足压力系数低且水化地层的钻探，以及油气枯竭地层用于储气库的改造等特殊施工的需求。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本申请提供的抗高温油基泡沫钻井液及其制备方法进行具体地描述。但是应当理解，这些实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制，本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
以下实施例中，YF-10、YF14、YF-111氟碳表面活性剂来自湖北优世达科技公司，厂家提供YF111产品的结构如式I；优选的有机硅表面活性剂来自广州斯洛克化学公司，其结构式如式II。
所述实施例中的油基泡沫实验中均不含水，故没有使用乳化剂，乳化剂主要用于乳化油和水，保证油相稳定状态，不出现油水分离。
实施例1：
取柴油120mL，所用处理剂加量均按基础油的体积百分比加入，依次加入1％YF-10、1％YF111、1％span80、1％有机硅2235表面活性剂，12000r/min高搅，直到泡沫体积不再增加。
具体操作步骤如下：
(1)用量筒量取柴油120mL加入到高搅杯中，向高搅杯中加入1％YF-10，然后置于60℃水浴中加热，不断搅拌使固体完全分散于柴油中，高速搅拌5min，未发现大量泡沫产生。
(2)在(1)中继续加入1％YF111，高搅5min，泡沫增加，但泡沫不细腻，消泡快。
(3)在(2)中加入1％span80，高速搅拌5min，泡沫细腻，泡沫质量提高。
(4)在(3)中继续加入1％有机硅2235表面活性剂并持续高搅，泡沫量逐渐增加，高速搅拌10min后发现泡沫量不再增加，倒入量筒测量泡沫体积，同时按下秒表测量其半衰期。
发泡效果如表1和图3所示，图3显示的油基泡沫的宏观效果，泡沫丰富、细腻。
表1油基泡沫钻井液发泡性能
因为油本身的表面张力较低(24.35mN/m)，单一表面活性剂难以大幅降低其表面张力，所以上述单一表活剂的发泡性能一般，需要多种表面活性剂复配，将油的表面张力降至17mN/m以下，才能起到较好的发泡效果。实验中将氟碳表活剂和有机硅表活剂和span80复配，协同增效降低油气表面张力。
实施例2：
取柴油120mL倒入高搅杯中，然后依次加入1％有机硅4018表面活性剂、1％YF-10、1％span80、1％YF-111，配制过程如实施例1。泡沫体积不再增加，倒入量筒中测量体积，同时按下秒表记时，得其半衰期。
发泡结果为：泡沫体积736mL，半衰期为15min，泡沫质量83.7％。
实施例3：
取柴油120mL，加入到高搅杯中，然后依次加入1％YF-10、1％YF111、1％有机硅4018表面活性剂、1％span80和1％椰油甘油酯，制备过程如实施例1。泡沫体积不再增加，倒入量筒中测量体积，同时按下秒表记时，得其半衰期。
发泡结果为：泡沫体积720mL，半衰期为17min，泡沫质量83.3％。
实施例4：
量取120mL柴油加入高搅杯中，加入1％YF14、1％YF-111、1％司盘80和1％有机土、1％有机硅4018，进行高搅发泡，配制过程如实施例1。
测取老化前发泡体积760mL、泡沫质量84.2％、半衰期19min；待泡沫全部消掉，装入老化罐，进行160℃滚动老化16h，老化结束后，冷却至室温，倒入高搅杯，12000r/min高搅发泡，测得老化后的发泡体积为635mL、泡沫质量81.1％、半衰期为16.5min。
老化前后发泡状态如图4；可见，高温老化后发泡能力没有衰减，高搅后泡沫质量仍然可达80％以上。
老化前后的油基泡沫钻井液的流变性能如表2，悬浮能力强。
表2油基泡沫钻井液老化前后流变性能
由以上实施例可知，本发明所述的油基泡沫钻井液主要是通过使用氟碳阳离子表面活性剂和甲基有机硅表面活性剂中的一种或几种，降低基油等液体的表面张力形成的。本发明提供的油基泡沫钻井液发泡性能较好；向高搅杯中加入120mL柴油和上述发泡剂、稳泡剂、乳化剂、少量水后，12000r/min高搅20min，泡沫体积可达800mL，半衰期长达21min。本发明实施例制备的油基泡沫钻井液密度可控在0.2～1.0g/cm3，钻井液抗温可达160℃，并且其高温老化后发泡能力没有衰减，高搅后泡沫质量仍然可达80％以上。
本发明该钻井液体系性能稳定，与储层配伍性好，携岩能力强，具有较好的堵孔能力和耐温性、抗污染能力；可用于欠平衡钻井，可用于枯竭易水敏地层用于储气库的改造等，可有效抑制泥页岩水化膨胀，稳定井壁，防止井漏，实现安全钻井，有效地保护油气层。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于使本技术领域的专业技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，是能够实现对这些实施例的多种修改的，而这些修改也应视为本发明应该保护的范围。

Claims (7)

1.一种抗高温油基泡沫钻井液，其特征在于，包括：100体积份的连续介质；1-2质量份的发泡剂；1-3质量份的稳泡剂；0-2质量份的乳化剂；
所述连续介质包括90-95份的基油和0-5份的水；
所述发泡剂选自氟碳阳离子表面活性剂和甲基有机硅表面活性剂中的一种或几种；所述稳泡剂选自有机土、油酸钠、油醇、椰油酰胺、椰油甘油酯和司盘80中的一种或多种；
所述氟碳阳离子表面活性剂具有式I结构：
式I中，t为2、4或6；R为C1-4烷基；Z-为卤素离子和PO3 -中的任一种基团；
所述甲基有机硅表面活性剂具有式II结构：
式II中，m和n独立地为1～3之间的任意整数。
2.根据权利要求1所述的抗高温油基泡沫钻井液，其特征在于，所述基油选自柴油和白油中的一种；所述水为自来水、地下水和河水中的一种或多种。
3.根据权利要求1-2任一项所述的抗高温油基泡沫钻井液，其特征在于，所述乳化剂为脂肪酸酰胺；所述抗高温油基泡沫钻井液根据密度可选地加入碳酸钙。
4.根据权利要求3所述的抗高温油基泡沫钻井液，其特征在于，所述抗高温油基泡沫钻井液的密度为0.2～1.0g/cm3。
5.一种权利要求1-4任一项所述的抗高温油基泡沫钻井液的制备方法，包括：按照配比，将发泡剂、稳泡剂、乳化剂、水和基油混合，在气氛中搅拌形成泡沫，得到抗高温油基泡沫钻井液。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述混合时每加入一种处理剂均搅拌5～10min，搅拌速度为10000～12000r/min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述气氛为空气或氮气。
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