CN1144833A - 零电动电位钻井液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种零电动电位钻井液，包含：(1)至少一种粘土电荷中和剂，在该钻井液中的加量占钻井液总重量的0.1％～10％；(2)至少一种钻井液降失水剂，包括阳离子型，阴离子型，非离子型和阴阳两性复合离子型产品，其加量占钻井液总重量的0.1％～10％；(3)至少一种钻井液增粘剂，其中包含有机增粘剂类和无机增粘剂类，增粘剂的加量占钻井液总重量的0.1％～10％；这种零电动电位钻井液，其钻屑微粒的电动电位恒为零。
Description
本发明涉及一种用于石油钻井、完井、及修井作业的零电动电位钻井液。
钻井液在钻井过程中应具备如下的功用：(1)携带和悬浮钻屑；(2)稳定井壁；(3)冷却和冲洗钻头，清扫井底岩屑；(4)钻井液密度能在较大范围内调节，以建立与地层压力相平衡的液柱压力，防止喷，漏，塌，卡等井下复杂情况。为了稳定井壁，就要求钻井液要对粘土水化有强抑制性。对粘土水化作用的机理的研究表明，粘土水化有三种形式：(1)表面吸附水分子水化；(2)表面吸附水化阳离子水化；(3)因高电动电位而吸附多层水化阳离子，并形成扩散双电层导致粘土膨胀。因此，抑制粘土水化则须降低粘土颗粒的电动电位，并使粘土表面不吸附或难以吸附水分子或水化阳离子。电动电位的最小值则为零(即零电动电位或零表面电荷)。此点时粘土的双电层斥力最小。许多种物质都可以在水中使粘土颗粒的电动电位降低并达到零电动电位状态。但是，它们的抑制粘土水化能力是不同的，而最新的研究表明，有机阳离子化合物因其分子结构中合有的疏水链束，具有屏蔽粘土的亲水表面的功能，使水分子和无机水化阳离子难以与粘土表面结合，因而具有最强的抑制粘土水化能力。中国专利公开号CN1069755A的“阳离子型钻井液”就是一个利用这一原理的发明。但是，这一发明的目的只是增强钻井液的抑制能力，并且由于为了保持钻井液的稳定，电动电位也不是保持在零点上。欧洲专利EP 0,175,412 A2中所述的钻井液则是以高分子量(分子量500,000到15,000,000)阳离子型聚合物为包被絮凝剂的一种阳离子型钻井液，然而，高分子量的阳离子聚合物不能保持岩石表面电荷处于零表面电荷状态，其在过量加入钻井液中后，会同阳离子表面活性剂一样，使岩石表面所带的负电反转为正电。因此，该专利加入高分子量阳离子聚合物的目的只是为增强钻井液的抑制能力。美国矿业局开展的用化学添加剂来提高钻井性能的研究结果表明，控制零表面电荷(即零电动电位或Zeta电位)可以提高钻井性能。对于所试验的添加剂，当用零表面电荷浓度(使岩石颗粒表面电荷为零时的浓度)的溶液时，钻头进尺增加了84％至600％以上，钻头寿命延长了77％至400％以上。根据这一实验发现，实验者申请了“等电钻井方法”和“岩石破碎方法”的美国专利(US 4,765,415和US 4,959,164)，还有“促进岩石破碎和延长钻头寿命的方法”的美国专利US5,196,401。在美国专利US4,765,415中，用于钻井液的添加剂包括NaOH，Ba(OH)2，AlCl，ZrCl，CaCl，NaCl和阳离子表面活性剂。而加入添加剂的目的只是用于保持表面电荷为零的状态，该专利并没有说明其抑制粘土水化的能力，并且，由于该专利中提及的添加剂都会使岩石表面电荷从负到正变化，所以，需要附加设施来监控和调节添加剂的加量以达到所需的零表面电荷状态。另外，由于，该专利的钻井液没有添加其它处理剂，不具备石油钻井液所需的四相基本功能，所以还不具备实际应用价值。在美国专利US4,959,164和US5,196,401中，添加剂为非离子型的聚合物PEO(聚氧乙烯)。超过某浓度PEO的水溶液具有使待钻岩石表面保持零表面电荷状态的能力，因此，该发明的方法不必以辅助设施监控岩石表面是否处于零表面电荷状态，只需保证PEO的浓度即可。该发明限定添加剂为非离子型聚合物，并且，该发明同样过于简单，并不具备石油钻井的基本条件。
实验发现，某些有机阳离子化合物具有同PEO一样的中和粘土(或岩石)表面电荷的能力，并且，这些有机阳离子化合物对粘土水化具有强抑制性。其中包括以下结构的化合物：
以下以ZH1表示；
以下以ZH2表示。
这类有机阳离子化合物都不是表面活性剂。
本发明的目的在于：结合有机阳离子化合物对粘土水化的强抑制性和其中和粘土表面电荷为零的作用，并辅以降失水剂和增粘剂，从而提供一种既具有比以往水基钻井液抑制性更强，同时又满足了提高钻速和钻头寿命的临界条件的钻井液。该钻井液在整个钻井过程中可使与其接触的岩石表面及进入钻井液的钻屑表面都处于零表面电荷状态。由于这些阳离子化合物不会在过量加入时使粘土(或岩石)表面电荷为正值，所以在实际的应用中不必使用监控设备以控制零表面电荷状态，而只需保证该阳离子化合物在钻井液中具有一定的浓度即可。
附图说明如下：
图1为岩屑高温滚动回收率随ZH2和KCl浓度的变化曲线；
图中：R18是8-10目岩屑在溶液中经66℃滚动16h后18目筛回收率CZH2是粘土电荷中和剂的浓度。图中实线表示在粘土电荷中和剂溶液中的岩屑回收率；虚线表示在氯化钾溶液中的岩屑回收率。
图2为0.5％膨润土加入粘土电荷中和剂ZH1后电动电位的变化曲线。
其中C ZH1是粘土电荷中和剂ZH1的浓度。
图3为钻屑微粒的电动电位和粘土电荷中和剂ZH2含量随钻屑加量的变化曲线。
图中：斜线表示电荷中和剂ZH2含量随钻屑加入的变化曲线；
其横座标上的点表示钻井液中钻屑微粒的电动电位随钻屑加入的变化曲线。
本发明的目的是这样实现的：零电动电位钻井液是以一种低分子量的有机阳离子化合物作为粘土电荷中和剂，并根据钻井时的具体条件，有选择地使用其它处理剂而组成的。
本发明所述的零电动电位钻井液包含：
(1)至少一种作为粘土电荷中和剂的低分子量的有机阳离子化合物，使在整个钻井过程中，与钻井液接触的待钻岩石表面及进入钻井液的钻屑表面都处于零表面电荷状态，粘土电荷中和剂是具有如下结构的化学物质：
其中R1，R2，R3和R4可以是以下基团中的某一种或几种：
CH3，CH2CH3，CH2OH，H，N(CH3)2，N(CH2CH3)2，CH2X，CH2CH2X
而n＝1～20，a＝0～16，b＝0～16，c＝0～16，但a＋b＋c≥1，X为元素F，Cl，Br和I中的一种或两种。
其中粘土电荷中和剂在该钻井液中的加量占钻井液总重量的0.1％～10％；
(2)至少一种降失水剂，其可单独或与加入的配浆粘土和/或超细碳酸钙和/或钻屑和/或加重材料协同作用，使该钻井液具有低的滤失量和薄而韧的泥饼，在零电动电位钻井液中，降失水剂采用公知的化学产品，其包含的物质和用量如下：
沥青类，纤维素类，木质素类，褐煤类，磺化酚醛树脂类，淀粉类，聚乙烯醇类，丙烯聚合物类，表面活性剂类，以及由以上物质复配而成的产品，包括阳离子型，阴离子型，非离子型和阴阳两性复合离子型产品；
其加量占钻井液总重量的0.1％～10％；
(3)至少一种增粘剂，以保证该钻井液具有足够的悬浮和携带钻屑能力以及可加重性能；
其中，增粘剂采用公知的化学产品，其包含的物质和用量如下：
(a)有机增粘剂类：田菁类，植物胶类，生物聚合物类，丙烯聚合物类，羟乙基纤维素类和油类物质；
(b)无机增粘剂类：改性石棉，凹凸棒石土，海泡石土；
其中增粘剂的加量占钻井液总重量的0.1％～10％。
在本发明所述的零电动电位钻井液的基本组成上，加入高分子量的阳离子型聚合物包被絮凝剂后，可能会使该钻井液失去零电动电位特性，直到该处理剂被钻屑等消耗完为止.然而，在本发明所述的零电动电位钻井液的基本组成上，本发明所述的零电动电位钻井液仍可以进一步包括高分子量阳离子型聚合物包被絮凝剂，从而进一步提高在易造浆地层钻进时钻井液的包被絮凝能力，更好地实现低固相不分散，其加量占钻井液总重量的0～2％。
本发明所述的零电动电位钻井液特别适合于可钻性较差的硬脆性地层，也适合于膨胀性，水敏性地层，可加重，并且只要选择抗钙镁等离子的降失水剂，就可以具有良好的抗钙镁离子污染能力。
下面结合实施例进一步说明本发明所提供的零电动电位钻井液的组成及其性能，但并不限制本发明。
实施例1.由以下组分配制零电动电位钻井液：
2.5％膨润土＋1.5％聚乙烯醇＋0.5％ZH1，余量为水。
实施例2.在实施例1的配方基础上加0.5％的田菁粉。
实施例3.在实施例1的配方基础上加0.3％的阳离子聚丙烯酰胺。
实施例4.在实施例1的配方基础上加-0.3％的田菁粉和0.2％的阳离子聚丙烯酰胺。
实施例5.在实施例3的配方基础上加入20％的英国评价土，并低速搅拌2小时后室温静止老化24小时，再高速搅拌20分钟。
实施例6.在实施例1的配方基础上加入4％的氯化钠。
实施例7.把实施例4的配方于150°F热滚16小时后冷却至室温。
实施例8.在实施例1的配方基础上加0.2％生物聚合物并在120℃热滚16小时后冷却至室温。
实施例9.在实施例8的配方基础上加入重晶石至密度为1.40。
实施例10.由以下组分配制零电动电位钻井液：
2％膨润土＋1.5％聚乙烯醇＋0.5％ZH2＋2％改性淀粉＋0.3％田菁粉，余量为水。
实施例11.在实施例10的配方基础上加入2％磺化沥青和0.2％的阳离子聚丙烯酰胺。
实施例12.在实施例11的配方基础上加入25％膨润土并高搅20分钟。
实施例13.由以下组分配制零电动电位钻井液：
2％磺化沥青＋2％改性淀粉＋1.5％聚乙烯醇＋0.5％ZH2＋0.5％田菁粉，余量为水。
实施例14.由以下组分配制零电动电位钻井液：
2％高改性沥青＋0.5％田菁粉＋1.5％改性淀粉＋0.5％ZH1，余量为水。
实施例15.在实例14的配方基础上加入重晶石至密度为1.40。
实施例1～15所述的钻井液的各种性能情况见表1。
表1.实例1～15所述的钻井液的各种性能情况
| 钻井液 | 处理情况 | φ600 | φ300 | φ200 | φ100 | φ6 | φ3 | Gel(Pa)10′/10″ | pH | API FL(ml) | Zeta P(mv) |
| 实例1 | 19 | 10 | 7 | 4 | 0 | 0 | 0/0 | 7.5 | 2.0 | 0 | |
| 实例2 | 74 | 50 | 40 | 26 | 3 | 2 | 1.5/2 | 7.5 | 2.0 | 0 | |
| 实例3 | 20 | 11 | 8 | 4 | 0 | 0 | 0/0 | 7.5 | 1.0 | ||
| 实例4 | 48 | 30 | 23 | 14 | 2 | 1 | 1/3 | 7.5 | 1.8 | ||
| 实例5 | 27 | 16 | 12 | 7 | 0.5 | 0.5 | 0.5/4 | 7.5 | 3.4 | 0 | |
| 室温老化72小时后高搅15分 | 29 | 14 | 11 | 6.5 | 0.5 | 0 | 0.5/3 | 7.5 | 2.0 | 0 | |
| 实例5 | 3.6 | 0 | |||||||||
| 实例7 | 55 | 35 | 27 | 17 | 2 | 1 | 1/3.5 | 7.5 | 1.8 | 0 | |
| 实例8 | 50 | 32 | 25 | 16 | 2 | 1 | 1/3 | 7.5 | 1.4 | 0 | |
| 实例9 | 74 | 56 | 37 | 28 | 5 | 3 | 2/4 | 7.5 | 1.8 | 0 | |
| 实例10 | 7.5 | 3.2 | 0 | ||||||||
| 实例11 | 59 | 34 | 0.5/2 | 7.5 | 1.8 | ||||||
| 实例12 | 139 | 86 | 4/9 | 7.5 | 2.8 | ||||||
| 室温老化5天后，高揽5分钟 | 125 | 75 | 4/8 | 7.5 | |||||||
| 实例13 | 7.5 | 4.0 | 0 | ||||||||
| 实例14 | 58 | 40 | 7.5 | 4.0 | 0 | ||||||
| 实例15 | 78 | 51 | 7.5 | 3.2 | 0 | ||||||
| 90℃热滚16小时后冷却至室温，高揽5分钟 | 79 | 49 | 7.5 | 4.0 | 0 |
Claims (3)
1.一种零电动电位钻井液，包含：
(1)至少一种以控制与钻井液接触的待钻岩石表面及进入钻井液的钻屑表面都处于零表面电荷状态的粘土电荷中和剂，粘土电荷中和剂在该钻井液中的加量占钻井液总重量的0.1％～10％；
(2)至少一种钻井液降失水剂，其包含的物质如下：
沥青类，纤维素类，木质素类，褐煤类，磺化酚醛树脂类，淀粉类，聚乙烯醇类，丙烯聚合物类，表面活性剂类，以及由以上物质复配而成的产品，包括阳离子型，阴离子型，非离子型和阴阳两性复合离子型产品，其加量占钻井液总重量的0.1％～10％；
(3)至少一种钻井液增粘剂，其包含的物质和用量如下：
(a)有机增粘剂类：田菁类，植物胶类，生物聚合物类，丙烯聚合物类，羟乙基纤维素类和油类物质；
(b)无机增粘剂类：改性石棉，凹凸棒石土，海泡石土；
增粘剂的加量占钻井液总重量的0.1％～10％。
2.根据权利要求1所述的零电动电位钻井液，其特征在于所述的粘土电荷中和剂是具有如下结构的化学物质：
其中R1，R2，R3和R4可以是以下基团中的某一种或几种：
CH3，CH2CH3，CH2OH，H，N(CH3)2，N(CH2CH3)2，CH2X，CH2CH2X
而n＝1～20，a＝0～16，b＝0～16，c＝0～16，但a＋b＋c≥1，X为元素F，Cl，Br和I中的一种或两种，粘土电荷中和剂的加量占钻井液总重量的0.1％～10％。
3.根据权利要求1或2所述的零电动电位钻井液，其特征在于其钻屑微粒的电动电位恒为零。
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