CN115838587B - 一种水基钻井液重晶石高温悬浮稳定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水基钻井液重晶石高温悬浮稳定方法，属于油气田勘探开发钻井液技术领域。本发明的方法一方面可以提高钻井液高温稳定性以维持悬浮重晶石所必须的粘度，另一方面微化了重晶石粒径以降低重晶石沉降速度，还通过强剪切促使重晶石充分分散来达到悬浮重晶石并维持稳定的目的。实施例的结果表明，本发明的方法可以提高不同类型水基钻井液重晶石高温(150～200℃)悬浮稳定性能(稳定时间7～15天)，有助于预防重晶石沉降，减少井下复杂。
Description
技术领域
本发明涉及油气田勘探开发钻井液技术领域，尤其涉及一种水基钻井液重晶石高温悬浮稳定方法。
背景技术
钻井液作为钻井工程的“血液”，其功能包括平衡地层压力、悬浮携带钻屑、封堵地层孔喉以稳定井壁、润滑钻具、抑制泥岩水化、保护储层和冷却钻头等。其中，平衡地层压力是钻井液必须要具备也是最基础的特性，业内多采用重晶石作为加重材料以调节钻井液密度来平衡地层压力，而重晶石普遍密度为4.0～4.3g/cm3，远大于钻井液基液密度(基本不超过2.5g/cm3)，根据Stokes沉降公式，悬浮粒子(相当于重晶石)的沉降速度与粒子的直径及粒子与连续介质(相当于钻井液基液)间的密度差值成正比，与连续介质的粘度成反比，即密度差值越大，沉降速度越快，因而需要提高钻井液粘度或降低重晶石粒径来降低重晶石的沉降速度，以防止长时间静置后井底重晶石沉降继而引发沉沙卡钻、井壁失稳、下套管困难和封隔器坐封失败等问题。
业内研究人员在提高重晶石悬浮稳定性方面有过一些研究，但同时也存在一些问题。例如，中国发明专利CN 113710769 A公开了将增重剂悬浮在钻井液中的方法，通过在氧化铁催化剂纳米颗粒上化学气相沉积来合成碳纳米管，以形成一定量的纳米颗粒，使其分散在钻井液中，增加了钻井液的牛顿粘度、屈服点和塑性粘度，从而将包括重晶石在内的增重剂悬浮在钻井液中。但该方法只强调了碳纳米管可以改善钻井液流变性，减少热稀化，并无直接数据表明该方法确实能够减少重晶石沉降。中国发明专利CN112322259A公开了一种钻井液用表面改性重晶石粉及其制备方法和水基钻井液，采用表面改性重晶石粉作为高温高密度水基钻井液加重材料，能够显著改善高温高密度钻井液的流变性能和沉降稳定性能，同时也能够改善滤失造壁性能，且沉降稳定性能良好。但该发明只实验测试了高温老化后常温静置24小时的重晶石沉降稳定性能，并未做高温沉降稳定性能，且沉降稳定时间较短(24h)，与井底实际高温静置三五天相差较大。中国发明专利CN109135696B授权了一种强悬浮稳定性高温高密度钻井液及其制备方法，其钻井液由抗温增粘剂、抗温增效剂、土粉、纯碱、烧碱、磺甲基酚醛树脂降失水剂、褐煤树脂降失水剂、磺化沥青防塌封堵剂和惰性加重材料重晶石等材料均匀混合后经过高温老化而得，耐高温，抗温能力达到180℃，抗高钙盐水，抗盐水至饱和、抗氯化钙2％，静止悬浮稳定持久性强，适合深井、超深井的钻井作业，尤其是能够满足试气对套管内液体的技术要求。但该发明为整套钻井液体系，其中的助剂材料脱离该体系后无法提供悬浮重晶石的效果，推广应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水基钻井液重晶石高温悬浮稳定方法，能够提高重晶石加重水基钻井液的高温悬浮稳定性，且该方法能够脱离钻井液体系，对水基钻井液单独进行稳定性提升，应用范围广。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种水基钻井液重晶石高温悬浮稳定方法，包括以下步骤：
将现场采用重晶石加重的水基钻井液进行剪切搅拌，得到第一钻井液；
将所述第一钻井液、水和超微重晶石混合，使所得第二钻井液的密度与所述第一钻井液的密度相同；
向所述第二钻井液中加入硅酸镁铝，进行吸附-交联，得到第三钻井液；
向所述第三钻井液中加入水性有机膨润土，进行强化。
优选的，所述水基钻井液包括聚合物-KCl钻井液、无土相钻井液或聚磺水基钻井液。
优选的，所述剪切搅拌的速率为11000rpm，时间为10～30min。
优选的，所述第一钻井液的密度为1.0～2.5g/cm3；所述第一钻井液、水和超微重晶石混合的时间为30～60min。
优选的，所述水包括自来水、去离子水、蒸馏水或井场水，所述水的体积添加量为所述第一钻井液体积量的10～35％。
优选的，所述超微重晶石的粒径为1250目、2500目、5000目、8000目、10000目、12000目和15000目中的一种或多种。
优选的，以所述第二钻井液的体积为基准，所述硅酸镁铝的添加量为5～25g/L。
优选的，所述吸附-交联的时间为10～30min。
优选的，以所述第三钻井液的体积为基准，所述水性有机膨润土的添加量为5～20g/L。
优选的，所述强化的时间为30～60min。
本发明提供了一种水基钻井液重晶石高温悬浮稳定方法，本发明首先通过对水基钻井液进行剪切搅拌，引起钻井液强湍流运动使得劣质固相颗粒团(密度低于2.7g/cm3的惰性固相)或重晶石颗粒团碎解悬浮，碎解后的小颗粒团在被钻井液浸润后，随着持续剪切进一步碎解，从而加快固相分散速度和提升固相分散程度；在此基础上稀释钻井液后，通过补充超微重晶石来降低钻井液中重晶石平均粒径达到减缓重晶石沉降速度的作用；随后添加硅酸镁铝，通过其晶体表面吸附电荷形成负双电层，并沿a轴或b轴方向部分断裂裸露出铝或硅原子的断键电荷，还形成可变的晶体端面双电层，端面的正电荷双电层与平面的负电荷双电层相互吸引，达到平衡时，晶体颗粒的边与面之间相互交联，形成“卡片宫”缔结网状结构，从而提高钻井液触变性，实现静态下高粘切流变特性来降低重晶石沉降速度，恢复剪切后粘度会随之复原不影响动态流变性；最后加入水性有机膨润土，进一步强化晶体分散重组特性以提高空间成网能力来维持重晶石悬浮稳定性。因此，本发明的方法一方面可以提高钻井液高温稳定性以维持悬浮重晶石所必须的粘度，另一方面微化了重晶石粒径以降低重晶石沉降速度，还通过强剪切促使重晶石充分分散来达到悬浮重晶石并维持稳定的目的。
实施例的结果表明，本发明的方法可以提高不同类型水基钻井液重晶石高温(150～200℃)悬浮稳定性能(稳定时间7～15天)，有助于预防重晶石沉降，减少井下复杂(长时间静置后井底重晶石沉降继而引发沉沙卡钻、井壁失稳、下套管困难和封隔器坐封失败等问题)，且该方法能够脱离钻井液体系，对水基钻井液单独进行稳定性提升，应用范围广。
具体实施方式
本发明提供了一种水基钻井液重晶石高温悬浮稳定方法，包括以下步骤：
将现场采用重晶石加重的水基钻井液进行剪切搅拌，得到第一钻井液；
将所述第一钻井液、水和超微重晶石混合，使所得第二钻井液的密度与所述第一钻井液的密度相同；
向所述第二钻井液中加入硅酸镁铝，进行吸附-交联，得到第三钻井液；
向所述第三钻井液中加入水性有机膨润土，进行强化。
在本发明中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
本发明将现场采用重晶石加重的水基钻井液进行剪切搅拌，得到第一钻井液。在本发明中，所述现场采用重晶石加重的水基钻井液优选包括聚合物-KCl钻井液、无土相钻井液或聚磺水基钻井液。本发明对所述水基钻井液的具体组成和来源没有特殊的限定，按照本领域熟知的方式获取即可。
在本发明中，所述剪切搅拌的速率优选为11000rpm，时间优选为10～30min；所述剪切搅拌优选在高速搅拌器上进行；本发明通过剪切搅拌使团聚的颗粒重新分散。
在本发明中，所述第一钻井液的密度优选为1.0～2.5g/cm3，更优选为1.28～1.68g/cm3；所述第一钻井液、水和超微重晶石混合的时间优选为30～60min，更优选为40～50min。
得到第一钻井液后，本发明将所述第一钻井液、水和超微重晶石混合，使所得第二钻井液的密度与所述第一钻井液的密度相同。
在本发明中，所述水优选包括自来水、去离子水、蒸馏水或井场水，所述水的体积添加量优选为所述第一钻井液体积量的10～35％，更优选为14.2～33％，进一步优选为17.6％。
在本发明中，所述超微重晶石的粒径优选为1250目、2500目、5000目、8000目、10000目、12000目和15000目中的一种或多种。
在本发明中，所述第一钻井液、水和超微重晶石混合的过程优选为向所述第一钻井液中加入水稀释，然后加入超微重晶石，直至所得第二钻井液的密度与所述第一钻井液的密度相同；所述超微重晶石的用量优选达到第二钻井液所需密度即可。
得到第二钻井液后，本发明向所述第二钻井液中加入硅酸镁铝，进行吸附-交联，得到第三钻井液。
在本发明中，以所述第二钻井液的体积为基准，所述硅酸镁铝的添加量优选为5～25g/L，更优选为9～17g/L，进一步优选为12g/L；所述吸附-交联的时间优选为10～30min，更优选为20min。
得到第三钻井液后，本发明向所述第三钻井液中加入水性有机膨润土，进行强化。本发明对所述水性有机膨润土没有特殊的限定，本领域熟知的市售商品均可。
在本发明中，以所述第三钻井液的体积为基准，所述水性有机膨润土的添加量优选为5～20g/L，更优选为7.5～13g/L，进一步优选为12g/L，所述强化的时间优选为30～60min，更优选为40min。
在本发明中，测试水基钻井液稳定性的方法优选为：
将封装有水基钻井液的密闭容器置于恒定高温环境中静置；所述恒定高温优选为150～200℃，所述静置的时间优选为7～15天；
将达到预定静置时间的所述封装有水基钻井液的密闭容器置于室温下自然冷却至80±5℃，测试密闭容器上下层钻井液密度之差，判定水基钻井液的稳定性，上下层钻井液密度之差越小，稳定性越好。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
取海上油田某井聚合物/KCl水基钻井液(密度为1.28g/cm3)350mL，置于高速搅拌器上11000rpm充分搅拌30min，随后加入50mL井场水和20.0g粒径为2500目的超微重晶石继续搅拌30min，所得钻井液的密度为1.28g/cm3，然后加入4.8g硅酸镁铝，进行吸附-交联20min后，最后加入3.0g水性有机膨润土，进行强化30min。
将实施例1处理后的水基钻井液装入陈化釜中，置于电热鼓风干燥箱中静置，设定目标温度160℃，静置7天后取出，置于室温下自然冷却至80℃，打开陈化釜密封盖，分别取上下层钻井液测试密度，结果表明，上层与下层钻井液的密度差值为0.03g/cm3。
实施例2
取海上油田某井无土相水基钻井液(密度为1.29g/cm3)340mL，置于高速搅拌器上11000rpm充分搅拌10min，随后加入60mL井场水和25.3g粒径为5000目的超微重晶石继续搅拌30min，所得钻井液的密度为1.29g/cm3，然后加入3.6g硅酸镁铝，进行吸附-交联20min后，最后加入4.8g水性有机膨润土，进行强化40min。
将实施例2处理后的水基钻井液封装入陈化釜中，置于电热鼓风干燥箱中静置，设定目标温度150℃，静置15天后取出，置于室温下自然冷却至82℃，打开陈化釜密封盖，分别取上下层钻井液测试密度，结果表明，上层与下层钻井液的密度差值为0.06g/cm3。
实施例3
取陆上油田某井聚磺水基钻井液(密度为1.68g/cm3)300mL，置于高速搅拌器上11000rpm充分搅拌30min，随后加入100mL自来水和120.5g粒径为10000目的超微重晶石继续搅拌30min，所得钻井液的密度为1.68g/cm3，然后加入6.8g硅酸镁铝，进行吸附-交联30min后，最后加入5.2g水性有机膨润土，进行强化60min。
将实施例3处理后的水基钻井液封装入陈化釜中，置于电热鼓风干燥箱中静置，设定目标温度200℃，静置8天后取出，置于室温下自然冷却至85℃，打开陈化釜密封盖，分别取上下层钻井液测试密度，结果表明，上层与下层钻井液的密度差值为0.08g/cm3。
对比例1
取实施例1中的聚合物/KCl水基钻井液400mL置于高搅杯中11000rpm充分搅拌110min后，封装入陈化釜中置于电热鼓风干燥箱中静置，设定目标温度160℃，静置7天后取出，置于室温下自然冷却至80℃，打开陈化釜密封盖，分别取上下层钻井液，测试密度，结果表明，上层与下层钻井液的密度差值为0.38g/cm3。
对比例2
取实施例1中的聚合物/KCl水基钻井液(密度为1.28g/cm3)350mL置于高搅杯中11000rpm充分搅拌30min，然后加入50mL井场水和20.0g粒径为2500目的超微重晶石继续搅拌30min，所得钻井液的密度为1.28g/cm3，最后加入4.8g硅酸镁铝，进行吸附-交联50min后，封装入陈化釜中置于电热鼓风干燥箱中静置，设定目标温度160℃，静置7天后取出，置于室温下自然冷却至80℃，打开陈化釜密封盖，分别取上下层钻井液测试密度，结果表明，上层与下层钻井液的密度差值为0.15g/cm3。
对比例3
取实施例2中的无土相水基钻井液400mL置于高搅杯中11000rpm充分搅拌100min，直接封装入陈化釜中置于电热鼓风干燥箱中静置，设定目标温度150℃，静置15天后取出，置于室温下自然冷却至82℃，打开陈化釜密封盖，分别取上下层钻井液测试密度，结果表明，上层与下层钻井液的密度差值为0.51g/cm3。
对比例4
取实施例2中的无土相水基钻井液(密度为1.29g/cm3)340mL置于高搅杯中11000rpm充分搅拌10min，然后加入60mL井场水和25.3g粒径为5000目的超微重晶石继续搅拌50min，所得钻井液的密度为1.29g/cm3，最后加入4.8g水性有机膨润土，搅拌40min后，封装入陈化釜中置于电热鼓风干燥箱中静置，设定目标温度150℃，静置15天后取出，置于室温下自然冷却至82℃，打开陈化釜密封盖，分别取上下层钻井液测试密度，结果表明，上层与下层钻井液的密度差值为0.25g/cm3。
对比例5
取实施例3中的聚磺水基钻井液400mL置于高搅杯中11000rpm充分搅拌150min后直接封装入陈化釜中置于电热鼓风干燥箱中静置，设定目标温度200℃，静置8天后取出，置于室温下自然冷却至85℃，打开陈化釜密封盖，分别取上下层钻井液测试密度，结果表明，上层与下层钻井液的密度差值为0.77g/cm3。
对比例6
取实施例3中的聚磺水基钻井液300mL置于高搅杯中11000rpm充分搅拌60min，然后加入100mL自来水和6.8g硅酸镁铝继续搅拌30min，最后加入5.2g水性有机膨润土继续搅拌60min，封装入陈化釜中置于电热鼓风干燥箱中静置，设定目标温度200℃，静置8天后取出，置于室温下自然冷却至85℃，打开陈化釜密封盖，分别取上下层钻井液测试密度，结果表明，上层与下层钻井液的密度差值为0.18g/cm3。
由实施例1与对比例1、实施例2与对比例3、实施例3与对比例5结果可以看出，本发明的水基钻井液重晶石高温悬浮稳定方法可以明显提高水基钻井液中重晶石高温悬浮稳定性能，大幅度减缓重晶石沉降速度；又从实施例1与对比例2、实施例2与对比例4、实施例3与对比例6结果可以看出，按照本发明提供的步骤才能达到最佳悬浮重晶石效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种水基钻井液重晶石高温悬浮稳定方法，包括以下步骤：
将现场采用重晶石加重的水基钻井液进行剪切搅拌，得到第一钻井液；
将所述第一钻井液、水和超微重晶石混合，使所得第二钻井液的密度与所述第一钻井液的密度相同；
向所述第二钻井液中加入硅酸镁铝，进行吸附-交联，得到第三钻井液；
向所述第三钻井液中加入水性有机膨润土，进行强化；
所述超微重晶石的粒径为1250目、2500目、5000目、8000目、10000目、12000目和15000目中的一种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水基钻井液包括聚合物-KCl钻井液、无土相钻井液或聚磺水基钻井液。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述剪切搅拌的速率为11000rpm，时间为10～30min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一钻井液的密度为1.0～2.5g/cm3；
所述第一钻井液、水和超微重晶石混合的时间为30～60min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水包括自来水、去离子水、蒸馏水或井场水，所述水的体积添加量为所述第一钻井液体积量的10～35％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以所述第二钻井液的体积为基准，所述硅酸镁铝的添加量为5～25g/L。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述吸附-交联的时间为10～30min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以所述第三钻井液的体积为基准，所述水性有机膨润土的添加量为5～20g/L。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述强化的时间为30～60min。
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