CN115418205B - 一种钻井液基浆及高温钻井液 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井液基浆及高温钻井液，属于钻井工程领域。该钻井液基浆的原料包括以下成分：有机锂皂石，黏土，水；其中有机锂皂石的质量分数为0.4％‑1.6％，黏土的质量分数为3％‑5％，所述有机锂皂石为经阳离子表面活性剂修饰的锂皂石。本发明发现，有机锂皂石的加入能够提升黏土的高温特性，特别是当黏土为钠基累托土时，有机锂皂石对钠基累托土的高温特性调控效果最佳。在上述钻井液基浆的基础上，本发明进一步对高温处理剂种类和用量的筛选，得到了一种优化的高温钻井液，该高温钻井液组成简单，环保，在210℃试验温度下的流变稳定性好、滤失量控制在15ml以内、抑制性强、抗污染能力强，能够满足干热岩型地热能钻采对钻井液高温性能的要求，应用前景广阔。

Description

一种钻井液基浆及高温钻井液

技术领域

本发明属于钻井工程领域，具体涉及一种钻井液基浆及高温钻井液。

背景技术

随着巴黎气候大会的成功召开和《巴黎协定》的正式生效实施，我国对当前能源结构优化的力度正逐步加大。地热能作为一种低碳可再生能源，具有储量大、稳定可靠等优点，大力开发地热能能够取代部分传统化石能源，对优化能源结构具有重要意义。地热资源的开采与利用已成为当代地球科学和能源工业的一大前沿研究课题，对于储层温度大于150℃的钻井一般定义为高温井，相比于常规钻井，高温井对钻井技术提出了更高的要求。

目前国内外常用的高温钻井液按其连续相的不同，主要分为油基和水基两种，油基钻井液对储层污染比较大，不宜用于干热岩型地热能勘探，因此大部分研究者更倾向于水基钻井液用于高温井勘探。但研究表明，高温环境能够很大程度上的影响水基钻井液的性能，而且随着温度的升高和井下静置时间的延长，水基钻井液性能恶化愈发显著。高温引起的钻井液性能变化主要由钻井液中的造浆黏土和处理剂无法抵抗高温导致的，高温下造浆黏土极易出现高温分散、聚结以及钝化现象，而大部分处理剂在高温下则会发生高温降解和交联作用，导致钻井液性能难以控制，严重时可能导致钻井液丧失其热稳定性，无法完成干热岩型地热能这种高温井的勘探。

为了改善钻井液的高温稳定性，国内外大部分研究者聚焦于研制抗高温处理剂，试图通过扩充高温处理剂的种类来改善钻井液高温性能不足问题。公开号为CN101942295A的中国专利申请公开了一种深地层钻探用抗高温累托石水基钻井液，该钻井液为助剂和水的混合物，所述助剂至少包括钠基累托石、主降滤失剂、辅助降滤失剂、包被剂、护壁剂、钻井液用润滑剂、消泡剂和NaOH，助剂中各组分与钻井液的质量体积比分别为：1～5％钠基累托石、0.2～12％主降滤失剂、0.1～3％辅助降滤失剂、0.1～2％包被剂、1～5％护壁剂、1～5％钻井液用润滑剂、0.1～0.3％消泡剂和0.1～0.5％NaOH，质量体积比的单位均为Kg/m3；其中所述主降滤失剂为聚合物降滤失剂COP-LFL、磺化酚醛树脂SMP-2、二元共聚物PAMS601或二元共聚物PAMS900中的任一种或者几种的混合物；所述辅助降滤失剂为PAM、LV-CMC、HV-CMC或 CMS中的任一种或者几种的混合物。虽然该钻井液能够在200℃保持良好的流变性能、携砂能力和抗滤失性能，但是，一方面，该钻井液中的助剂种类繁多，大大增加了勘探的成本；另一方面，该钻井液只能在200℃保持良好的流变性能、携砂能力和抗滤失性能，其对于钻探干热岩型地热能这种井深 3000m以上、井下温度超过200℃的高温井并不适用。

为了克服上述问题，亟需开发出一种组成更简单、抗高温能力更优异，能够适用于热岩型地热能勘探与开采的高温钻井液。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种高温特性明显提高的钻井液基浆。

本发明的另一个目的在于提供一种组成更简单、抗高温能力更优异(达到210℃)，能够适用于热岩型地热能勘探与开采的高温钻井液。

本发明提供了一种钻井液基浆，它的原料包括以下成分：有机锂皂石，黏土，水；其中有机锂皂石的质量分数为0.4％-1.6％，黏土的质量分数为 3％-5％，所述有机锂皂石为经阳离子表面活性剂修饰的锂皂石。

“黏土”是一种重要的矿物原料，是含砂粒很少、有黏性的土壤。黏土一般由硅酸盐矿物在地球表面风化后形成，其成分主要为氧化硅与氧化铝。

“锂皂石”又称硅酸镁锂，是一种人工合成的三八面体层状胶体材料，在水体系中具极强的成胶性能，具有优异的触变性、分散性、悬浮性和增稠性。

进一步地，所述黏土为钠基膨润土、海泡石、坡缕石、钠基累托土中的一种或两种以上的混合物，优选为钠基累托土；

和/或，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。

进一步地，所述有机锂皂石的制备方法包括以下步骤：将锂皂石加入水中分散均匀，得到分散液，然后加入阳离子表面活性剂，反应，得到有机锂皂石；

优选地，所述分散液中，锂皂石的质量分数为1％-3％，优选为2％；锂皂石与阳离子表面活性剂的质量比为100:(20-40)，优选为100:30；所述反应的温度为70-90℃，优选为80℃，反应的时间为1-3小时，优选为2h。

进一步地，所述有机锂皂石的质量分数为0.7％-0.9％，黏土的质量分数为3.5％-4.5％。

进一步地，所述有机锂皂石的质量分数为0.8％，黏土的质量分数为4％。

本发明还提供了一种高温钻井液，它的原料包括上述的钻井液基浆和高温处理剂。

进一步地，所述高温处理剂为高温降滤失剂、高温稳定剂、高温防塌抑制剂中的一种或两种以上的混合物。

进一步地，所述高温降滤失剂为聚合物高温降滤失剂，优选为

X；

和/或，所述高温稳定剂为亚硫酸钠、粘土稳定剂的一种或两种的混合物，优选为粘土稳定剂；

和/或，所述高温防塌抑制剂为改性沥青，优选为磺化沥青。

进一步地，它的原料包括以下成分：有机锂皂石，黏土，高温降滤失剂，高温稳定剂，高温防塌抑制剂，水；其中，高温降滤失剂的质量分数为 0.4％-1.0％，高温稳定剂的质量分数为0.3％-0.9％，高温防塌抑制剂的质量分数为1.2％-2.0％。

进一步地，所述高温降滤失剂的质量分数为0.5％-0.7％，高温稳定剂的质量分数为0.6％-0.8％，高温防塌抑制剂的质量分数为1.7％-1.9％。

进一步地，所述高温降滤失剂的质量分数为0.6％，高温稳定剂的质量分数为0.7％，高温防塌抑制剂的质量分数为1.8％。

本发明还提供了一种制备上述高温钻井液的方法，所述方法包括以下步骤：将原料混合均匀，即得。

本发明还提供了上述高温钻井液用于高温钻井的用途。

与现有技术相比，本发明提供的高温钻井液具有以下有益效果：

1.本发明的高温钻井液中，基浆由有机锂皂石和黏土组成，有机锂皂石的加入能够很好地提升黏土的高温特性，特别是当黏土为钠基累托土时，有机锂皂石对钠基累托土的高温特性调控效果最佳；

2.本发明的高温钻井液中，除了上述由有机锂皂石和黏土组成的基浆外，还可以包括高温处理剂(降滤失剂WX-I、稳定剂TR-S和/或防塌抑制剂YD-1)。本发明通过对高温处理剂种类和用量的筛选，得到了一种优化的高温钻井液(G-HL)，该优化的高温钻井液在210℃试验温度下，流变稳定性好、滤失量控制在15ml以内、抑制性强、抗污染能力强，能够满足干热岩型地热能钻采对钻井液高温性能的要求。

3.本发明的高温钻井液的组成简单，原料易得，制备成本较低。

4.本发明的高温钻井液是一种水基钻井液，环保，对储层污染小。

显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

附图说明

图1：有机锂皂石的结构表征。(a)有机锂皂石与锂皂石的XRD图；(b)有机锂皂石与锂皂石的FTIR图。

图2：有机锂皂石不同加量下老化前后的粘度和滤失量变化。(a)表观粘度变化，(b)API滤失量变化。

图3：有机锂皂石不同加量下老化前后的粘度和滤失量变化。(a)表观粘度变化，(b)API滤失量变化。

图4：有机锂皂石不同加量下老化前后的粘度和滤失量变化。(a)表观粘度变化，(b)API滤失量变化。

图5：不同降滤失剂老化前后的常温中压滤失量与高温高压滤失量。

图6：不同防塌抑制剂在不同加量下的滚动回收率。

图7：因素水平与各性能指标影响趋势图。

具体实施方式

本发明所用原料与设备均为已知产品，通过购买市售产品所得。

表1为部分原料的信息：

表1.原料信息

实施例1：制备钻井液基浆

1.有机锂皂石的插层合成

以水为溶剂，配制质量分数为2％的锂皂石悬浮体，在水浴锅中加热升温至60℃，搅拌20min，使其充分溶解分散。然后，按锂皂石质量的30％加入SJ-1，在80℃的水浴锅中搅拌2h，使SJ-1与锂皂石充分反应，得到有机锂皂石溶液。最后将反应产物抽滤，水洗后放入数显鼓风干燥箱中烘干得到有机锂皂石。

2.制备高温钻井液

配方：4％钠基累托土，0.8％有机锂皂石，其余为水。

制备方法：将配方中的原料在水中混合均匀，即得钻井液基浆。

注：配方中的％表示质量分数。

实施例2：制备高温钻井液

1.有机锂皂石的插层合成

制备方法同实施例1的步骤1。

2.制备高温钻井液

配方：4％钠基累托土，0.8％有机锂皂石，0.6％WX-I，0.7％TR-S，1.8％YD-1，其余为水。

制备方法：将配方中的原料在水中混合均匀，即得高温钻井液，命名为 G-HL。

注：配方中的％表示质量分数。

以下通过实验例证明本发明的有益效果。

实验例1：有机锂皂石的表征

1.实验方法

为证明SJ-1对锂皂石修饰成功，采用X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱透射(FTIR)对有机锂皂石进行结构表征，XRD结果如图1(a)所示， FTIR结果如图1(b)所示。

2.实验结果

从图1(a)中可以看出，有机锂皂石在d₀₀₁处特征峰晶面的层间距为 1.4883nm，锂皂石在d₀₀₁处特征峰晶面的层间距为1.197nm，晶面间距增大了0.2913nm，表明经阳离子交换后SJ-1中的阳离子确实在锂皂石中成功插层。此外，锂皂石在d₀₀₁处特征峰杂乱且强度较低，而有机锂皂石在d₀₀₁处特征峰尖锐且强度较高，说明SJ-1中的阳离子和锂皂石片层的相互作用可能引起了后者片层的自组装，使其较差的结晶结构变成较规则的片层晶体结构。

从图1(b)中可以看出，有机锂皂石在3688.66cm^-1和2926.931cm^-1以及2851.721cm^-1处出现新的吸收峰，分别归属于SJ-1中亚甲基的不对称和对称伸缩振动峰。此外，有机锂皂石在1479.134cm^-1还出现一个SJ-1中亚甲基的弯曲振动峰。这些新的吸收峰出现表明SJ-1成功地对锂皂石进行了修饰。

实验例2：有机锂皂石对不同黏土的高温特性调控筛选实验

实验配方：有机锂皂石，黏土(分别为钠基膨润土、海泡石、坡缕石、钠基累托土)，水。分别研究有机锂皂石对四种不同黏土的高温特性调控效果。

高温性能测试方法：

I.流变稳定性

钻井液的流变性是指其在一定剪切速率下发生变形和流动的特性，可用表观粘度、塑性粘度、动切力以及动塑比等流变参数来表示，在钻进过程中起到悬浮、携带岩屑，提高机械钻速以及保证井下安全的作用。在高温井中钻进时，大部分常规钻井液中的处理剂不耐高温而失效，这严重影响了钻井液在井内的流变稳定性。因此，钻井液的流变性能在高温环境下能否保持稳定，这是评价钻井液耐高温的重要指标。

实验室采用触屏数显六速粘度计，测试钻井液在老化前后流变参数的变化，以判断钻井液在高温下流变性能是否稳定。该粘度计测量钻井液六速时，钻井液内部能够产生一个粘性阻力，该粘性阻力被传感器检测，并将信号传输至粘度计的显示屏中。实验室采用XGRL-4型滚子加热炉为试验提供高温条件，模拟钻井液在井底的高温环境。该高温滚子加热炉能够直接设定滚动和加热的时间，最高加热温度250℃并且能够同时加热4个老化罐，完全能够保证试验所需温度要求。

II.滤失性能

钻井液滤失性能的评价主要是通过测量钻井液的滤失量和形成泥饼的质量来判断，对于维护松散、破碎以及水敏性地层的井壁稳定性，钻井液的滤失性能起到了十分重要的作用。因此，为了研究高温老化前后钻井液的滤失性能变化以及高温高压滤失情况，在API标准下进行了常温中压滤失试验和高温高压滤失试验。

实验室采用六联API中压滤失仪测量钻井液老化前后的常温中压滤失量。测量时将钻井液倒入配套的铝杯中，拧紧杯盖接通氮气瓶，调节渗滤压差为0.69MPa，打开放气阀使氮气通入铝杯中，记录30min后滤出的液体体积作为API标准下的滤失量并取出泥皮。

实验室采用高温高压滤失仪测量钻井液的高温高压滤失量。按照API给出的测量高温高压滤失量的标准，测量时先将加热套和泥浆杯升至相应温度，确保顶部和底部的阀杆关紧，调节氮气瓶控制压差为3.5MPa，开始测量时打开底部阀杆收集滤液，记录30min后滤出的液体体积V₁，由于该高温高压滤失仪渗滤面积只有常温中压滤失仪的一半，根据API标准2V₁才是高温高压滤失量。

III.抑制性能

钻井过程中，钻井液必须具有一定的抑制性能来防止地层因水化膨胀造成的井壁不稳定问题，为此实验室采用滚动回收试验来测试钻井液的抑制性能。试验严格按照行业标准SY-T 5613-2000对泥页岩理化性能试验方法的要求，开展滚动回收试验。试验流程具体如下：

首先，将页岩块敲碎，筛选出6～10目的页岩颗粒，放入鼓风干燥箱中风干。然后，称取50.0g页岩颗粒装入盛有350ml待测液体的老化罐中，盖紧老化罐然后将其放入210℃的高温滚子炉中老化16h。待老化结束后，取出老化罐，冷却至室温，然后将罐中液体和页岩倒入40目的分选筛中清洗。清洗结束后放入烘干箱中在105℃下烘干4h，取出冷却24h后称量，记录数据 M₁。岩屑回收率R计算公式如下：

IV.抗污染性能

试验根据中国石油天然气集团公司钻井液技术规范的要求，对钻井液的抗盐、钙污染能力进行测试。首先，按照配方配制一定体积的钻井液，然后向配制的钻井液中分别加入重量比为5％、10％、15％的氯化钠干粉，装入老化罐，放入高温滚子炉中并在设定温度下老化16h，老化结束后将其冷却至室温，测试在加入不同比例的氯化钠干粉污染后的钻井液流变参数以及API 滤失量的变化情况，以此判断钻井液的抗盐污染性能。同理，向配制的钻井液中分别加入重量比为0.1％、0.3％、0.5％的氯化钙干粉，在设定温度下老化 16h后，测试加入不同比例的氯化钙干粉污染后的钻井液流变参数以及API 滤失量的变化情况，以此判断钻井液的抗钙污染性能。

1.有机锂皂石对钠基膨润土的高温特性调控

(1.1)实验方法

试验用有机锂皂石对4％加量的钠基膨润土进行高温性能调控，同时为确定有机锂皂石的最优加量设置了0.4％，0.8％，1.2％以及1.6％四个不同的加量梯度，对比分析不同加量的有机锂皂石对钠基膨润土高温性能的影响。具体试验数据见表2所示，为方便试验结果分析将部分数据绘制成图，如图2 所示。

(1.2)实验结果

表2有机锂皂石对钠基膨润土高温性能影响的试验数据(210℃/16h)

对比试验结果分析可知：

(1)有机锂皂石的加入能够一定程度上改善钠基膨润土浆液在高温下流变性能不稳定的问题，并且能够提升钠基膨润土浆液的粘度和切力。从图2 (a)中可以看出，未加入有机锂皂石的浆液，在高温老化后，粘度变化率为 116.7％，高温增稠严重，热稳定性差，而加入有机锂皂石后，浆液高温老化前后粘度变化率降低幅度很大。当有机锂皂石加量为1.2％时，浆液高温老化前后的粘度变化仅为9.1％，是所有加量中的最低值。

再从表2中可以发现，当有机锂皂石的加量在1.2％以下时，浆液的动切力随加量增加而上升，动塑比维持在0.15～0.38Pa/mPa·s之间，浆液能够具有较好的剪切稀释作用，携岩排粉能力增强。但当有机锂皂石加量为1.6％时，浆液的动切力和动塑比过大，容易造成开泵时压力激增，导致井壁不稳定等。

(2)从图2(b)中可以看出，随着有机锂皂石的加入，浆液高温老化后的API滤失量有所降低，但降低幅度不大，并且有机锂皂石加量过大，老化后的滤失量反而比未加入时更大。其原因可能是过量的有机锂皂石吸附在钠基膨润土颗粒表面，减少了黏土对水分子的吸附，导致颗粒聚结，浆液中的固相颗粒粒度变大，导致滤失过程形成的泥饼不致密，滤失量变大。

综合上述分析，采用有机锂皂石调控改性后的钠基膨润土，能够解决钠基膨润土自身存在的先期高温稠化问题，改善了钠基膨润土高温流变性能的不稳定性，但对于钠基膨润土的滤失造壁性能提升不大。从试验结果来看，

1.2％加量的有机锂皂石对钠基膨润土高温特性调控效果最佳，而且调控改性后的钠基膨润土在210℃高温下的造浆率达到31.28m³/t，造浆性能优异。

2.有机锂皂石对海泡石的高温特性调控

(2.1)实验方法

试验用有机锂皂石对4％加量的海泡石进行高温性能调控，同时为确定有机锂皂石的最优加量设置了0.4％，0.8％，1.2％以及1.6％四个不同的加量梯度，对比分析不同加量的有机锂皂石对海泡石高温性能的影响。具体试验数据见表3所示，为方便试验结果分析将部分数据绘制成图，如图3所示。

(2.2)实验结果

表3有机锂皂石对海泡石高温性能影响的试验数据(210℃/16h)

对比试验结果分析可知：

(1)加入有机锂皂石之后，以海泡石为造浆黏土的浆液高温老化前后粘度和动切力均有明显提升，能够一定程度上的改善海泡石自身存在粘切力低的缺点。从表3中可以看出，随着有机锂皂石加量的增加，高温老化后的海泡石浆液其粘度和切力逐渐增加，但加量超过一定范围后有机锂皂石的增粘提切效率逐渐下降。从图3(a)中可以看出，有机锂皂石在0.8％加量以下，浆液在老化后的粘度增效明显，超过0.8％加量后，浆液在老化后的粘度增效不大。

(2)从图3(b)中可以看出，未加入有机锂皂石的海泡石浆液无论常温还是高温下，其滤失量均全失，加入有机锂皂石后，滤失量有一定程度的降低，但降低效果有限，高温老化后的API滤失量还是大于200ml。从前面试验可以知道，海泡石滤失量大，是其棒状晶体结构无法形成结构致密的泥皮所致，有机锂皂石在水中容易吸水膨胀剥离形成大量相对独立的结构单元层，这些单元层能够将棒状的海泡石联结起来，在浆液滤失过程中形成一定的结构，从而降低其滤失量。

综合上述试验结果和分析，采用有机锂皂石调控改性后的海泡石，能够一定程度上解决海泡石自身存在粘切力低、滤失量全失的问题，改善了海泡石的高温性能，但海泡石在高温下的滤失量依然很大。从试验结果来看，0.8％加量的有机锂皂石对海泡石的高温特性调控较为合适，老化后的表观粘度为达到13.4mPa·s，动切力达到5.31Pa，均有明显提升，而且调控改性后的海泡石在210℃高温下的造浆率达到10.65m³/t，造浆性能也有明显提升。

3.有机锂皂石对坡缕石的高温特性调控

(3.1)实验方法

试验用有机锂皂石对5％加量的坡缕石进行高温性能调控。同时为确定有机锂皂石的最优加量设置了0.4％，0.8％，1.2％以及1.6％四个不同的加量梯度，对比分析不同加量的有机锂皂石对坡缕石高温性能的影响，具体试验数据见表4所示。

(3.2)实验结果

表4有机锂皂石对坡缕石高温性能影响的试验数据(210℃/16h)

对比试验结果分析可知：

(1)同海泡石类似，有机锂皂石的加入同样能够一定程度上的提升坡缕石的粘度和切力，改善坡缕石的流变性能不足问题。从表4中我们可以发现，随着有机锂皂石加量增加，浆液在高温老化后的粘度和切力逐渐上升，有机锂皂石在0.8％加量以下时，浆液粘度和切力提升幅度较大，加量超过0.8％以后浆液的粘度和切力提升幅度逐渐下降。

(2)再看表4中浆液的API滤失量，随着有机锂皂石的加入，浆液在高温老化后的API滤失量有所下降，但下降的程度有限。具体表现为：不同加量的有机锂皂石调控改性后的坡缕石，高温老化后滤失减少量依次为2ml、 18ml、26ml、38ml，在1.6％加量时，老化后的API滤失量为92ml，滤失量依然比较大。

综合上述分析，采用有机锂皂石调控改性后的坡缕石，能够改善坡缕石高温下的流变性能，提升坡缕石自身的粘切力，但无法有效的改善坡缕石滤失量大的问题。从试验结果来看，采用0.8％加量的有机锂皂石对坡缕石的高温特性调控较为合适，此加量下的浆液高温老化后的表观粘度达到 15.2mPa·s，动切力达到5.87Pa，均有明显提升，而且调控改性后的坡缕石在 210℃高温下的造浆率达到14.96m³/t，造浆性能也有所提升。

4.有机锂皂石对钠基累托土的高温特性调控

(4.1)实验方法

试验用有机锂皂石对4％加量的钠基累托土进行高温性能调控，同时为确定有机锂皂石的最优加量设置了0.4％，0.8％，1.2％以及1.6％四个不同的加量梯度，对比分析不同加量的有机锂皂石对钠基累托土高温性能的影响。具体试验数据见表5所示，为方便试验结果分析将部分数据绘制成图，如图4 所示。

(4.2)实验结果

表5有机锂皂石对钠基累托土高温性能影响的试验数据(210℃/16h)

对比试验结果分析可知：

(1)有机锂皂石的加入能够有效提升钠基累托土在高温下的粘度和切力，而且调控改性后的钠基累托土在高温下流变稳定性较好。从图4(a)中可以看出，有机锂皂石对钠基累托土的增粘提切效果显著，在加入1.2％有机锂皂石的浆液高温老化后表观粘度增加出现峰值，此时的粘度为46mPa·s，但浆液的动切力和动塑比过高，容易导致开泵困难、压力激动、粘阻过高影响钻头钻进效率等问题。因此，有机锂皂石的加量应控制在1.2％以下，能够有效提升钠基累托土的高温性能。

(2)从图4(b)中可以看出，有机锂皂石加量在0.8％以下，浆液高温老化后的API滤失量有所下降，而加量超过0.8％后，浆液的滤失量不降反而上升，这可能是因为浆液中高浓度的有机锂皂石，其吸水膨胀剥离出的结构单元层在范德华力作用下相互联结，而高温进一步促使其团聚形成粒径更大的颗粒，导致滤失过程形成的泥饼渗透性大，滤失量变大。

综合上述分析，采用有机锂皂石调控改性后的钠基累托土，能够大幅度提升钠基累托土的高温流变性能，解决钠基累托土自身粘滞作用差、无法有效携岩的问题。从试验结果分析来看，0.8％的有机锂皂石对钠基累托土高温特性调控效果最好，在此加量下浆液高温老化后的表观粘度达到28.5mPa·s，动切力达到9.71Pa，均有明显提升，而且调控改性后的钠基累托土在210℃高温下的造浆率达到43.81m³/t，造浆性能也有所提升。

5.有机锂皂石对四种不同黏土的高温特性调控效果对比

基于上述用有机锂皂石对四种造浆黏土的高温特性调控的试验结果，不同加量下的有机锂皂石对不同黏土的调控效果有所不同。四种黏土在各自最优有机锂皂石加量下的高温性能结果如表6所示。

表6有机锂皂石对黏土的高温特性调控效果对比(210℃/16h)

注：A：4％钠基膨润土+1.2％有机锂皂石；B：4％海泡石+0.8％有机锂皂石； C：5％坡缕石+0.8％有机锂皂石；D：4％钠基累托土+0.8％有机锂皂石

从表6中可以看出，有机锂皂石对钠基累托土的高温特性调控效果最佳，调控改性后的钠基累托土浆液的粘度和切力均最高，而且高温老化前后流变性能变化最小，造浆率在四种试验浆液的也是最高，达到43.81m³/t。

由于0.8％加量的有机锂皂石对4％加量的钠基累托土调控改性后的浆液在高温下的性能最优异，所以以0.8％有机锂皂石，4％加量的钠基累托土浆液作为体系的基浆。在确定体系的基浆组成后，下文继续通过筛选实验确定了体系中高温处理剂的种类和占比。

实验例3：高温降滤失剂的筛选实验

1.实验方法

本实验筛选了六种高温降滤失剂，分别为NS-I、TEMP、FL-I、SMC、SMP-2和WX-I。NS-I是一款基于纳米材料合成的降滤失剂，平均粒径小于 5nm，通过填充泥饼的孔隙来达到降滤失作用。试验设置2％、3％、4％加量的NS-I加入到基浆中，并在210℃高温老化16h，测试其性能参数，试验结果如表7所示；

TEMP是一种阳离子交换树脂，具有很好的耐温性和亲水性，能够很好地起到降滤失作用。试验设置1％、2％、3％加量的TEMP加入到基浆中，并在210℃高温老化16h，测试其性能参数，试验结果如表7所示；

FL-I是一种以高分子、阳离子单体通过改性而成的降滤失剂。试验设置 0.6％、0.9％、1.2％加量的FL-I加入到基浆中，并在210℃高温老化16h，测试其性能参数，试验结果如表7所示；

SMC和SMP-2是三磺钻井液体系中常用的降滤失剂，SMC是磺化褐煤， SMP-2是磺化酚醛树脂2型产品。试验设置2％SMC与2％SMP-2、3％SMC 与3％SMP-2、4％SMC与4％SMP-2等比例复配加入到基浆中，并在210℃高温老化16h，测试其性能参数，试验结果如表7所示；

WX-I是一种由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠共聚而成的高分子共聚物降滤失剂，具有很强的化学结构链和交叉链，其结构在高温下稳定不易发生降解。试验设置0.2％、0.6％、1.0％加量的WX-I 加入到基浆中，并在210℃高温老化16h，测试其性能参数，试验结果如表7 所示；

表7优选高温降滤失剂的试验结果(210℃/16h)

注：1#：4％钠基累托土+0.8％有机锂皂石，后期若不作特别说明1#均表示基浆。

从表7中可以看出，加入降滤失剂后的浆液在高温老化后的API滤失量均有减少。对比每种降滤失剂在不同加量下老化前后的流变参数和API滤失量，NS-I在4％加量下降滤失效果最明显，TEMP在3％加量下最佳，FL-I 在0.9％加量下最佳，SMC和SMP-2等比例复配后在3％加量下最适宜，WX-I 在0.6％加量下最合适。对比不同降滤失剂的降滤失效果，WX-I＞SMC和 SMP-2复配＞NS-I＞FL-I＞TEMP。

试验中所测的API滤失量是浆液在210℃老化16h后冷却至室温测得的中压滤失量，这种中压滤失量可用于探索高温老化对所选降滤失剂的影响变化规律，但不能很好地反映浆液在井下高温高压环境下的真实滤失特性。因此，试验采用高温高压滤失仪，对最优加量下的五种降滤失剂进行高温高压滤失试验，高温高压滤失量是高温高压失水仪控制在160℃，3.5MPa/30min 测得的，试验结果如图5所示。

从图5可以看出，不同降滤失剂在高温高压下的滤失量大小依次为，NS-I ＞TEMP＞FL-I＞SMC和SMP-2复配＞WX-I，表明基浆在加入0.6％WX-I 后浆液的常温中压和高温高压降滤失效果均最好，浆液在210℃老化后的常温中压滤失量为9ml，高温高压滤失量为22ml。

实验例4：高温稳定剂的筛选实验

1.实验方法

根据钻探现场经验，具有一定深度的高温井往往需要钻井液在井下静置一段时间，这就要求钻井液性能在长时间高温环境下具备一定的稳定性。为提升钻井液性能的高温稳定性，本试验筛选了亚硫酸钠和一种聚合物微球稳定剂TR-S作为高温稳定剂，两种稳定剂分部按照0.5％和1.0％的加量加入到基浆中，并在210℃高温下老化72h，测试其性能参数，试验结果如表8所示。

2.实验结果

表8优选高温稳定剂的试验结果(210℃/72h)

从表8中可以看出，基浆在210℃老化72h后，粘度和API滤失量比较大，其中表观粘度变化为10mPa·s。对比加入的两种高温稳定剂，亚硫酸钠在0.5％和1.0％加量下，浆液老化前后的粘度和API滤失量均比较大，在1.0％加量下浆液的表观粘度变化为17.2mPa·s，表明亚硫酸钠的抗高温能力有限，无法起到稳定效果。在加入TR-S后，浆液在老化前后的粘度和API滤失量较小，其中TR-S在0.5％加量下浆液的表观粘度变化为1.32mPa·s，能够起到较好的稳定效果。因此，高温稳定剂选用TR-S。

实验例5：高温防塌抑制剂的筛选实验

1.实验方法

为进一步提升基浆的防塌抑制性能，本试验筛选了三种高温防塌抑制剂，分别为腐植酸钾(HA-K)、广谱护壁剂(GSP)以及一种改性沥青产品(YD-1)。试验按照行业标准SY-T5613-2000对泥页岩理化性能试验方法的要求，将三种防塌抑制剂按照的1.0％、1.5％和2.0％三种加量加入基浆中进行滚动回收试验，同时设置对照组蒸馏水(0#)和基浆(1#)进行滚动回收试验对比，滚动回收试验结果如表9所示，为更直观地对比三种防塌抑制剂的抑制效果，将部分试验数据绘制成图，如图6所示。

2.实验结果

表9高温防塌抑制剂优选试验结果(实验温度：210℃)

从表9中可以看出，基浆的滚动回收率比蒸馏水的要高，说明基浆自身具有一定的抑制性，在加入三种防塌抑制剂后，浆液的滚动回收率均有提高。从图6中三种防塌抑制剂的滚动回收试验页岩回收率来看，YD-1＞GSP＞ HA-K，说明YD-1的防塌抑制效果最好。随着YD-1加量的增加，浆液的滚动回收率越高，但YD-1的加量超过1.5％后，浆液的滚动回收率增加的趋势逐渐减小，浆液在加入2.0％加量的YD-1后的滚动回收率为88.1％，仅比YD-1为1.5％加量下的浆液滚动回收率提高了0.2％。因此，在后期进行处理剂配伍性试验时应控制YD-1加量在1.5％左右，可节约钻井液配方的成本。

实验例6：高温钻井液体系优化配方的筛选实验

1.实验方法

根据实验例3-5的结论，本试验挑选了降滤失剂WX-I、稳定剂TR-S以及防塌抑制剂YD-1三种处理剂，为进一步明确高温处理剂复配后在钻井液中的配伍性，进行了正交试验。根据前文的试验结果，在基浆的基础上将降滤失剂WX-I的加量设置为0.4％、0.6％、0.8％三个水平，稳定剂TR-S的加量设置为0.3％、0.5％、0.7％三个水平，防塌抑制剂YD-1的加量设置为1.2％、 1.5％、1.8％三个水平。因此，试验设计了三因素三水平L9(3³)的正交试验如表10、11所示。

表10正交试验设计因素水平

表11正交试验计划

根据上述设计的正交试验方案，配置好相应的试验浆液，在210℃下老化 16h后测试其性能，结果如表12所示。

表12正交试验方案结果(210℃/16h)

注：FL_HTHP是高温高压滤失仪控制在160℃，3.5MPa/30min测得的对试验结果进行直观分析，在直观分析法中，k是某一个因素对应试验结果的平均值，通过k可确定因素的最佳水平；R是极差(各因素水平下平均值的最大值与最小值之差)，通过R可判断因素影响的主次顺序。直观分析结果如表13所示，对各因素指标成图如7所示。

表13正交试验直观分析表

结合表13、图7分析可知：

(1)降滤失剂WX-I、稳定剂TR-S以及防塌抑制剂YD-1对浆液的表观粘度、塑性粘度、动切力和高温高压滤失量均有较为明显的相互影响。但对于浆液的动塑比来说影响却不大，虽从图7(D)中看起来三种处理剂对动塑比的影响存在一定的规律，但动塑比的变化范围基本维持在0.35～0.38 Pa/mPa·s之间，基本符合钻井液对动塑比的要求，而且从表13中动塑比的极差值来看，三种处理剂的极差分别为0.01、0.01和0.03，说明三种处理剂对浆液的动塑比影响均不明显。因此，在优化配方分析设计时，不考虑对动塑比这一性能指标的影响。

(2)降滤失剂WX-I对浆液的粘度、动切力和高温高压滤失量均有较大的影响。对浆液的流变性能来说，随着降滤失剂WX-I加量增加，浆液的粘度和切力逐渐增大，降滤失剂WX-I处于第三水平时，粘度和切力均达到最大值。但对于降滤失剂来说，最主要的作用是降低浆液的滤失量，从图7(E) 中可以发现，随着降滤失剂WX-I加量增加，高温高压滤失量减小的趋势逐渐下降。当WX-I处于第二水平时相对于第一水平的高温高压滤失量降低了接近8ml，而WX-I处于第三水平时相对于第二水平的高温高压滤失量仅降低了不到2ml。因此在考虑经济效应的情况下，降滤失剂WX-I取第二水平较为合适。

(3)稳定剂TR-S对于浆液的高温高压滤失量影响不大，但对浆液的流变性能影响较大。从图7中可以看出，稳定剂TR-S对浆液的流变参数影响趋势基本一致，在TR-S处于第三水平时，浆液的粘度和切力均有明显提升。因此，稳定剂TR-S取第三水平。

(4)防塌抑制剂YD-1对浆液的高温高压滤失量有较大的影响，对浆液的粘度影响不大，但对浆液的动切力影响较明显。从图7(C)和(E)中可以发现，随着YD-1的加量增加，浆液的动切力呈线性上升的趋势，高温高压滤失量呈线性下降的趋势。因此，防塌抑制剂YD-1取第三水平。

综合上述分析结果，得到高温钻井液的最终优化配方：4％钠基累托土， 0.8％有机锂皂石，0.6％WX-I，0.7％TR-S，1.8％YD-1，其余为水。配方中的％表示质量分数。

实验例7：高温钻井液体系优化配方的综合性能评价

1.实验方法

实验样品：实施例2制得的高温钻井液G-HL。

测试性能：高温流变稳定性、滤失性能、抑制性能以及抗污染性能。测试方法同实验例2。

2.实验结果

(2.1)高温流变稳定性

在钻探过程中，尤其对于储层较深的高温井，提取岩心又或遇井下事故时，停钻辅助工作时间较长，这就要求钻井液在高温环境静置一段时间后依然具有一定的流变稳定性。为评价研制的G-HL钻井液体系的流变稳定性，试验分别测试了优化配方G-HL在210℃老化16h、48h和72h后的流变参数，试验结果如表14所示。

表14G-HL钻井液体系老化前后的流变参数试验结果(210℃)

从表14中可以看出，优化配方G-HL在老化16h后，粘度和切力均有所增加，而后随着老化时间的增加，粘度和切力均有所下降，但相对于老化前的流变性能来说，老化后的流变性能变化不大，表明优化配方G-HL在高温下具有较好的流变稳定性。

(2.2)滤失性能

试验测量了G-HL在210℃老化16h后的API滤失量和高温高压滤失量，试验结果如表15所示。

从表15中的试验结果来看，优化配方G-HL在210℃老化后的API滤失量为4ml，高温高压滤失量为14ml，能够较好地满足高温井对钻井液滤失量的要求。

表15G-HL钻井液体系的滤失量

注：FL_HTHP是高温高压滤失仪控制在160℃，3.5MPa/30min测得的。

(2.3)抑制性能

本试验对优化配方G-HL的抑制性能评价采用滚动回收方法，试验结果如表16所示。

表16G-HL钻井液体系的滚动回收率

从表16中可以看出，优化配方G-HL钻井液体系在210℃热滚16h后，页岩的滚动回收率达到88.6％，表明优化配方G-HL具有较好的高温抑制性能，能够有效抑制页岩的高温水化膨胀。

(2.4)抗污染性能

试验严格参照中国石油天然气集团公司钻井液技术规范的要求，对高温钻井液优化配方G-HL的抗盐、钙污染能力进行测试，试验结果如表17和表 18所示。

表17G-HL钻井液体系的抗盐性能试验结果(210℃/16h)

表18G-HL钻井液体系的抗钙性能试验结果(210℃/16h)

从表17中可以看出，向优化配方G-HL中加入氯化钠后，钻井液的粘度、切力以及API滤失量均有不同程度的影响。加入5％和10％的氯化钠后，浆液的粘度和切力有所下降但下降幅度不大，API滤失量增加幅度也不大，能够符合高温钻井液的性能要求。但加入15％的氯化钠后，钻井液的粘度和切力下降幅度比较大，滤失量也达到14ml，对优化配方G-HL的性能影响较大。表明优化配方G-HL的抗盐能力在氯化钠浓度为10％～15％之间。

从表18中可以看出，随着氯化钙加量的增加，优化配方G-HL老化后的粘度、切力逐渐下降，滤失量也有所增加，但总体上变化不大，表明优化配方G-HL具有较好的抗钙污染能力。

综合上述实验结果，可以看出本发明提供的高温钻井液体系(G-HL)在210℃试验温度下，流变稳定性好、滤失量控制在15ml以内、抑制性强、抗污染能力强，能够很好地满足干热岩型地热能钻采对钻井液高温性能的要求。

综上，本发明提供了一种钻井液基浆及高温钻井液。本发明发现，有机锂皂石的加入能够提升黏土的高温特性，特别是当黏土为钠基累托土时，有机锂皂石对钠基累托土的高温特性调控效果最佳。在上述钻井液基浆的基础上，本发明进一步对高温处理剂种类和用量的筛选，得到了一种优化的高温钻井液，该优化的高温钻井液组成简单，环保，并且在210℃试验温度下的流变稳定性好、滤失量控制在15ml以内、抑制性强、抗污染能力强，能够满足干热岩型地热能钻采对钻井液高温性能的要求，应用前景广阔。

Claims (11)

1.一种高温钻井液，其特征在于：它的原料包括钻井液基浆和高温处理剂；

所述的钻井液基浆原料包括以下成分：有机锂皂石，黏土，水；其中有机锂皂石的质量分数为0.4％-1.6％，黏土的质量分数为3％-5％，所述有机锂皂石为经阳离子表面活性剂修饰的锂皂石；

所述的高温处理剂为高温降滤失剂、高温稳定剂、高温防塌抑制剂中的一种或两种以上的混合物；

所述高温降滤失剂为一种由2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酰胺和苯乙烯磺酸钠共聚而成的高分子共聚物；

所述高温稳定剂为TR-S；

高温防塌抑制剂为磺化沥青。

2.根据权利要求1所述的高温钻井液，其特征在于：所述黏土为钠基膨润土、海泡石、坡缕石、钠基累托土中的一种或两种以上的混合物；

和/或，所述阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。

3.根据权利要求2所述的高温钻井液，其特征在于：所述黏土为钠基累托土。

4.根据权利要求1-3任一项所述的高温钻井液，其特征在于：所述有机锂皂石的制备方法包括以下步骤：将锂皂石加入水中分散均匀，得到分散液，然后加入阳离子表面活性剂，反应，得到有机锂皂石；

5.根据权利要求4所述的高温钻井液，其特征在于：所述分散液中，锂皂石的质量分数为1％-3％；锂皂石与阳离子表面活性剂的质量比为100:(20-40)；所述反应的温度为70-90℃，反应的时间为1-3小时。

6.根据权利要求1所述的高温钻井液，其特征在于：所述有机锂皂石的质量分数为0.7％-0.9％，黏土的质量分数为3.5％-4.5％。

7.根据权利要求1所述的高温钻井液，其特征在于：所述高温降滤失剂为

X。

8.根据权利要求1所述的高温钻井液，其特征在于：它的原料包括以下成分：有机锂皂石，黏土，高温降滤失剂，高温稳定剂，高温防塌抑制剂，水；其中，高温降滤失剂的质量分数为0.4％-1.0％，高温稳定剂的质量分数为0.3％-0.9％，高温防塌抑制剂的质量分数为1.2％-2.0％；

9.根据权利要求1所述的高温钻井液，其特征在于：所述高温降滤失剂的质量分数为0.5％-0.7％，高温稳定剂的质量分数为0.6％-0.8％，高温防塌抑制剂的质量分数为1.7％-1.9％。

10.一种制备权利要求1-9任一项所述高温钻井液的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：将原料混合均匀，即得。

11.权利要求1-9任一项所述高温钻井液用于高温钻井的用途。

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