专利名称：强抑制性双钾离子—聚合物钻井液的制作方法
技术领域：
本发明属于一种钻井液，特别涉及一种抑制泥页岩水化膨胀的水基钻井液强抑制性双钾离子—聚合物钻井液。
背景技术：
众所周知，钻井液是钻井的血液，在石油钻井中起着十分重要的作用。水基钻井液经历了从粗分散钻井液、细分散钻井液、到不分散钻井液的发展历程。目前，在钻井作业中采用比较多的还是粗分散和细分散钻井液体系，该体系的具有以下缺点固相含量高，机械钻速低，泥岩易水化膨胀和跨塌，导致井眼缩径，起下钻遇阻或钻进时扭矩偏大，严重时井壁发生坍塌，甚至因坍塌引起掉钻具等井下事故。为了满足钻井工程的要求，改善钻井液的性能，提高泥浆体系的强抑制性，有利于井壁稳定。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种既具有很强的抑制粘土矿物水化膨胀分散的功能，又具有很好的流变性，低滤失量的无固相聚合物强抑制性双钾离子—聚合物钻井液。
本发明的技术方案是这样实现的，一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是强抑制性双钾离子—聚合物钻井液包括下述重量百分比的物质 A、作为无机抑制剂的无机钾盐7％-9％； B、作为有机抑制剂的有机钾盐0.5％—0.6％； C、提粘剂0.3％—0.5％； D、降滤失剂0.3％—0.5％； E、碱度控制剂0.3％—0.5％； F、防腐剂0.03％—0.1％； G、消泡剂0.1％—0.2％； H、加重剂1％—8％； 余量是水。
所述的无机钾盐是氯化钾、或硫酸钾、或硝酸钾在内能提供钾离子的无机盐。
所述的有机钾盐是聚丙烯酸钾、或甲酸钾、或乙酸钾在内具有钾离子官能团的有机盐。
所述的提粘剂是黄原胶、或瓜胶。
所述的降滤失剂是高粘聚阴离子纤维素、低粘聚阴离子纤维素、高粘羧甲基纤维素、低粘羧甲基纤维素、淀粉类在内的一种或两种。
所述的碱度控制剂是氢氧化钠、或氢氧化钾、或氢氧化钙。
所述的防腐剂是甲醛、或戊二醛中的一种。
所述的消泡剂是有机硅消泡剂、或聚醚消泡剂。
所述的加重剂是重晶石份或铁矿粉中的一种。
所述的强抑制性双钾离子—聚合物钻井液是由上述比例的化合物在常温常压下按照下述程序进行 1)在现场配浆罐内装入上述配比的清水； 2)将上述配比的有机抑制剂一种、一种提粘剂、一种或两种降滤失剂依次加入步骤1)中的清水中混合均匀； 3)再加入上述比例的一种无机盐抑制剂，搅拌使其充分溶解； 4)再分别加入上述比例的一种加重剂、一种防腐剂、一种消泡剂，搅拌溶解； 5)用上述比例的一种碱度控制剂将PH调节至9—10。
本发明的特点是在易水化膨胀和坍塌的岩层钻井时，因地层造浆严重，易产生泥包钻具，影响钻速等问题。因此，本发明的主要目的首先通过无机盐抑制剂和有机盐抑制剂的协同结合，形成强抑制型双钾离子钻井液体系，同时，再从力学平衡角度适当提高钻井液的密度，稳定煤层或煤、泥岩混层的井壁，最后，选用优质生物聚合物调节钻井液的流变性，最终形成具有强抑制性的双钾离子生物聚合物钻井液体系。最终达到稳定井壁，减小井下事故的目的。
选用无机盐抑制剂，提高了钻井液水相中的矿化度，降低了钻井液水相进入泥页岩的渗透压；钾离子的半径与粘土空穴尺寸相当的结构化学原理，使钾离子镶嵌入粘土晶格中阻止水分子进一步进入粘土晶体内；利用无机盐的正电荷中和粘土表面的负电荷，缩小粘土晶粒之间的范德华力，压缩其双电层。有机抑制剂在提供钾离子的同时，利用其包被和絮凝作用，将部分分散到钻井液中的粘土颗粒絮凝聚结随后利用固控设备除去，达到抑制和降低固相的双重作用。最后钻至煤层，再通过提高密度，平衡地层压力的措施抑制煤层或煤、泥岩混层坍塌。这样，研制的新体系从多个方面，多个角度提高其抑制性，最终达到稳定井壁的目的。
由于本发明使用于加重钻井液的体系，为了使钻井液具有良好的润滑性能，在本发明所述的强抑制性—聚合物钻井液的基础上，还进一步含有2％—4％的油基润滑剂。该类钻井液具有润滑性能好，起下钻顺利，不划眼，不抽吸，机械钻速高等特点，而且因为有机盐聚合物和无机盐的抑制剂的协同抑制作用，使该类钻井液具有很强的抑制能力，能有效地控制地层造浆，维护时间长等特点，特别是确保了井底地干净，保证了井下安全，节约了钻井成本。
图1是井深与钻井液中低密度固相曲线对比示意图。
图2是井深与钻井液动速比曲线变化示意图。
具体实施例方式 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但下述实施例不用于限制本发明的实施范围。
长庆油田陕北气田天然气水平井钻遇石千峰组和石河子组(简称“双石层”)时，双石层泥页岩属于蒙脱石类，与水发生吸水膨胀，导致井眼缩径，起下钻遇阻或钻进时扭矩偏大，严重时井壁发生坍塌，甚至因坍塌引起掉钻具等井下事故。处理类似井下事故将会浪费大量的钻进时间，同时开发成本也急剧上升，更为严重时有可能使井报废。另外，钻遇山西煤层时，由于煤层具有各向异性的层理和纹理结构，抗拉强度较弱而易于坍塌也是导致井壁不稳的一个因素。
另外，因为“双石层”大都处在大斜度的关键井段，煤层处在入窗口或目的层水平段，处在下部的岩石对其上部岩石的支撑作用相对较小或者没有；钻速相对较慢，延长了钻井液对岩石的浸泡时间。这些因素都加剧了它们的跨塌。本发明强抑制性—聚合物钻井液针对陕北气田天然气水平井钻遇石千峰组和石河子组(简称“双石层”)时，双石层泥页岩属于蒙脱石类，与水发生吸水膨胀，导致井眼缩径，起下钻遇阻或钻进时扭矩偏大，严重时井壁发生坍塌，甚至因坍塌引起掉钻具等井下事故。本发明在在陕北气田的使用中取得了巨大的成功，尤其解决了陕北气田“双石层”多少年来一直易水化膨胀、坍塌，山西煤层易跨塌的问题。
1.室内新体系与已知体系抑制性对比 为便于比较新发明体系与已知所有体系的区别，根据表1，表2的组分各配置两个体系，分别适用于不同井段的三个样品， 表1防塌性试验的各体系配方组成(重量比)
表中低粘聚阴离子纤维素、高粘聚阴离子纤维素来源于西安长庆石油科技有限责任公司；有机硅消泡剂DRX—1来源于新疆三精德润科技有限公司。
表2防塌性试验的各体系配方组成(重量比)
表3 体系的防塌性评价实验
备注①②③配方双钾离子—聚合物体系，④⑤⑥配方聚合物—磺化钻井液体系 试验根据标准ZB/T E11001-89 表4新体系与已知体系其它性能对比
从上面试验结果可看出现场应用的三个双钾离子聚合物钻井液样品的一次回收率和二次回收率，明显高于三个常用聚合物—磺化钻井液的页岩回收率，聚合物—磺化钻井液的一次，二次回收率都明显偏低，说明该泥浆使泥页岩化学抑制性和井壁稳定性都相对不好；而双钾离子聚合物钻井液，使用于不同井段三个样品，页岩的一次和二次回收率都达到90％以上。页岩的一次回收率反映钻井液化学抑制性强弱，二次回收率反映经过钻井液浸泡后的岩屑在清水中的分散性，分散性越小，说明页岩被抑制作用更强，井壁自然更趋稳定。因此，强抑制性双钾离子聚合物钻井液体系对泥页岩起到显著的抑制作用，井壁更趋稳定。但是，新发明钻井液体系与已知钻井液体系的其它性能基本一致，表明新发明体系在满足现场性能要求的同时，大幅度提高钻井液对泥页岩的一致作用。
2.无机盐抑制剂和有机盐抑制剂协同作用对比 实验室还初步研究了无机抑制剂和有机抑制剂的协同抑制作用，随着抑制剂浓度的增加，抑制性增加。并且，两种抑制剂复合，明显抑制效果优于单个抑制剂抑制效果。胶液的页岩一次回收率也随之增加(双石层的岩屑)。
表5无机盐抑制剂和有机盐抑制剂协同作用对比数据 注KPAM为聚丙烯酸钾。
3.无机抑制剂之间的协同作用 表5，保持无机抑制剂总量8％不变，改变两种无机抑制剂的用量，数据表明，采用两种抑制剂抑制效果明显好于单个抑制剂的抑制作用。
表6无机抑制剂之间协同试验数据
表中低粘聚阴离子纤维素、高粘聚阴离子纤维素来源于西安长庆石油科技有限责任公司；有机硅消泡剂DRX—1来源于新疆三精德润科技有限公司。
现场实例配制程序 本发明的强抑制性双钾离子—聚合物钻井液是由下属于配比的化合物在常温常压下按照下述程序进行 1)通过水的密度与体积相互转化关系，在现场配浆罐内装入表1中配比的清水；再根据水的重量计算好各种材料的用量； 2)根据计算用量，将下述配比的有机抑制剂、提粘剂、降滤失剂依次加入步骤1)中的清水中混合均匀； 3)再加入下述配比的无机盐抑制剂，搅拌使其充分溶解； 4)再分别加入下述配比的加重剂、防腐剂、消泡剂，搅拌溶解； 5)用碱度控制剂将PH调节至9—10。
6)配制好的钻井液，根据美国API(American Petroleum Institute)钻井液测试标准检验，其性能达到正常钻进要求。
实例1 实例1由上述已发明的强抑制双钾离子-聚合物钻井液新体系，其配方组成见表6中②所述的配方组成，根据上述配制程序在现场配制。进行了7口井的现场试验，其中在CB4-1井，其取得的效果如下 1.提高钻井液抑制性，稳定井眼效果 ①.由于KPAM和KCL以室内研究比例加入浆中，大大增加了钻井液的抑制防塌性和改善了泥饼的质量，同时，将钻井液的失水降低到5ml左右，到3000米以后，进一步将失水降至3ml，在CB4-1井121/4″大尺寸长裸眼井段钻进的整个过程中，起下钻累积划眼只用了30个小时，而未用该体系的CB3-1井相同井段累积划眼时间多大401个小时，更为严重掉钻具打捞未果，迫使填井作业4次。
②.控制合适的钻井液密度，增加井壁力学平衡，达到防塌目的。钻至井深达3000米后，用重晶石粉将钻井液密度加重到1.20g/cm3，既有效的稳定了井壁，又没有压漏地层。
2.钻井液润滑降摩阻防卡技术 ①.在井斜超过40°以后，加入0.5％的油基润滑剂JN301(成都金牛钻井液材料厂)，提高钻井液的润滑性能，尤其到后期大斜度井段，将润滑剂含量从1％提高到3％。
②.由于钻井液中的KPAM起到抑制和絮凝聚结的作用，有效地除去了钻井液中的无用固相。另外，尽最大努力开好固控设备。4台Derric振动筛(每台有4块筛布)24小时不间断运行，根据岩屑量和岩屑的粗细，及时提高了其筛布的目数，目数由开始的110目逐渐提高到250目。除泥、除砂器，离心机也保证在钻进时间内一直运行。另外，优化离心机、除泥、除砂一体机的循环流程，固控设备的作用得到了最大限度地发挥，保证钻井液在无固相低密度状态下循环，提高了机械钻速。
图1是整个运行过程中钻井液中低密度固相曲线图。由于钻井液体系的强抑制作用，分散在钻井液中的有害低密度固相低于5％，另外，由于有机抑制剂的絮凝作用，即便是分散到钻井液中的少量固相，也通过絮凝予以除去。
③.现场施工中，钻井液的每一次维护及处理，在有效防塌的同时，都以润滑防卡为目的。在大斜度段钻进中，钻井液润滑性能良好，泥饼薄而韧、光滑，泥饼摩阻系数控制在0.0262～0.0437(1.5°～2.5°)。施工中没有因钻井液润滑性能不好而引起阻、卡，未发生粘卡事故，钻井液一直保持良好润滑性能运行，钻具扭矩处于较低条件下钻进. 3.钻井液井眼净化技术 保持钻井液良好流变性，提高岩屑返出的效率。保证合适的粘度、高切力，特别是高的旋转粘度计6RPM读数(大斜度段一直保持在12以上)，在施工中切力高，动塑比值高(图14)，所以能有效的携带岩屑。
图2是钻井液运行过程中钻井液流变性指标——动速比的变化曲线图。对于钻井液而言，除了较好的抑制性，稳定井壁作用之外。更重要的还要有良好的流变性能，及时将井内的岩屑成功带至井外。图2表面新发明的钻井液体系有着良好的流变性，动速比超过0.7(一般要求超过0.5)，完全可以成功带出岩屑，保持井眼干净畅通。
4.下套管前的处理技术 结束钻进后，与平时同样的方法用稠浆清扫井眼两次，随后进行长达8个小时、三个多周的循环，在2500米后的大斜度井段泵入接近1000米的稠浆塞。为了防止下套管过程中井被压漏，用清水将钻井液稀释(性能见表19)，稀释的同时加入重晶石使密度保持不变。经过上述的技术措施处理钻井液，下套管畅通无阻，使套管顺利下至井底3493米然后提至3486米的预定位置，成功固井。
综合上述实例及有关数据，本发明所述的双钾离子聚合物钻井液具有很好的抑制防塌能力，起下钻畅通无阻，井下状况抑制良好，电测井眼规则。能较好将井内的岩屑成功带出地面，润滑性能良好，钻进中低扭矩运行，由于良好的抑制和絮凝，钻井液始终处于低密度运行。并且抑制性强，密度适中，易于控制，失水低，泥饼致密，润滑性好等特点，井下安全。在该井平均机械钻速达到5米/小时。
实例2 实例2由上述已发明的强抑制双钾离子-聚合物钻井液新体系，其配方组成见表6中①所述的配方组成，根据上述配制程序在现场配制。进行了2口井的现场试验，其中在靖平16—14的应用，其取得的效果如下 ①.使用中钻井液的性能 表7实例2钻井液性能表
②.页岩回收率试验 从使用现场取来不同地层的双钾离子聚合物钻井液样品，做页岩回收率试验，观察其对泥页岩的抑制性强弱。从下表数据可以看出，现场双钾离子聚合物钻井液体系在现场使用中表现出非常强的页岩抑制性，一次回收率平均值超过90％以上，反应受钻井液体系浸泡后的页岩稳定性的二次回收率也超过80％以上。
表8实例2页岩回收率试验数据 ③.页岩膨胀性试验 从使用现场取来不同地层的双钾离子聚合物钻井液样品，做页岩膨胀率试验，进一步观察其对泥页岩的抑制性强弱。从下表数据进一步可以看出，现场双钾离子聚合物钻井液体系在现场使用中仍然表现出非常强的页岩抑制性，页岩的膨胀率平均值达70％左右。
表9实例2页岩膨胀率试验数据 ④储层保护试验 取自现场应用的双钾离子—聚合物钻井液三个样品，做三块岩心的静态伤害试验，观察该钻井液体系对地层的伤害大小。从试验数据可以看出，双钾离子—聚合物钻井液体系在使用中对地层伤害非常小，表明该体系具有强烈抑制性的同时，还具有较好的储层保护效果。
表10实例2储层保护试验数据
⑤.现场简单使用密度控制 控制合适的钻井液密度，增加井壁力学平衡，达到防塌目的。钻至井深达3000米后，用重晶石粉将钻井液密度加重到1.20g/cm3，既有效的稳定了井壁，又没有压漏地层。保证钻井液在无固相低密度状态下循环，提高了机械钻速。由于钻井液体系的强抑制作用，分散在钻井液中的有害低密度固相低于5％，另外，由于有机抑制剂的絮凝作用，即便是分散到钻井液中的少量固相，也通过絮凝予以除去。
⑥井眼净化技术 保持钻井液良好流变性，提高岩屑返出的效率。保证合适的粘度、高切力，在施工中切力高和动塑比值高，所以能有效的携带岩屑。对于钻井液而言，除了较好的抑制性，稳定井壁作用之外。更重要的还要有良好的流变性能，及时将井内的岩屑成功带至井外。表面新发明的钻井液体系有着良好的流变性，动速比超过0.7(一般要求超过0.5)，完全可以成功带出岩屑，保持井眼干净畅通。
实例3 实例3由上述已发明的强抑制双钾离子-聚合物钻井液新体系，其配方组成见表6中③所述的配方组成，根据上述配制程序在现场配制。进行了2口井的现场试验，其中在双平18—3的的应用，同样取得良好效果见表7. 在3个实例的应用中，该体系同样表现出良好的抑制防塌，润滑，低固相，高钻速，平均机械钻速都在5米/小时。钻进过程中井眼良好，井下始终正常，完钻之后电测，井眼规则。表11，表12描述了实例2，实例3在现场应用的钻井液性能。
表11实例2在竟平16—14的应用 表12实例3在双18—3的应用 注FV漏斗粘度 PV塑性粘度 YP屈服值 PH碱度 FL滤失量 6rpm六速旋转6转读数。
权利要求
1、一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是强抑制性双钾离子—聚合物钻井液包括下述重量百分比的物质
A、作为无机抑制剂的无机钾盐7％-9％；
B、作为有机抑制剂的有机钾盐0.5％—0.6％；
C、提粘剂0.3％—0.5％；
D、降滤失剂0.3％—0.5％；
E、碱度控制剂0.3％—0.5％；
F、防腐剂0.03％—0.1％；
G、消泡剂0.1％—0.2％；
H、加重剂1％—8％；
余量是水。
2、根据权利要求1所述的一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是所述的无机钾盐是氯化钾、或硫酸钾、或硝酸钾在内能提供钾离子的无机盐。
3、根据权利要求1所述的一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是所述的有机钾盐是聚丙烯酸钾、或甲酸钾、或乙酸钾在内具有钾离子官能团的有机盐。
4、根据权利要求1所述的一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是所述的提粘剂是黄原胶、或瓜胶。
5、根据权利要求1所述的一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是所述的降滤失剂是高粘聚阴离子纤维素、低粘聚阴离子纤维素、高粘羧甲基纤维素、低粘羧甲基纤维素、淀粉类在内的一种或两种。
6、根据权利要求1所述的一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是所述的碱度控制剂是氢氧化钠、或氢氧化钾、或氢氧化钙。
7、根据权利要求1所述的一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是所述的防腐剂是甲醛、或戊二醛中的一种。
8、根据权利要求1所述的一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是所述的消泡剂是有机硅消泡剂、或聚醚消泡剂。
9、根据权利要求1所述的一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是所述的加重剂是重晶石份或铁矿粉中的一种。
10、根据权利要求1所述的一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是所述的强抑制性双钾离子—聚合物钻井液是由上述比例的化合物在常温常压下按照下述程序进行
1)在现场配浆罐内装入上述配比的清水；
2)将上述配比的有机抑制剂一种、一种提粘剂、一种或两种降滤失剂依次加入步骤1)中的清水中混合均匀；
3)再加入上述比例的一种无机盐抑制剂，搅拌使其充分溶解；
4)再分别加入上述比例的一种加重剂、一种防腐剂、一种消泡剂，搅拌溶解；
5)用上述比例的一种碱度控制剂将PH调节至9—10。
全文摘要
本发明涉及一种强抑制性双钾离子—聚合物钻井液，其特征是强抑制性双钾离子—聚合物钻井液包括下述重量百分比的物质A.作为无机抑制剂的无机钾盐7％-9％；B.作为有机抑制剂的有机钾盐0.5％-0.6％；C.提粘剂0.3％-0.5％；D.降滤失剂0.3％-0.5％；E.碱度控制剂0.3％-0.5％；F.防腐剂0.03％-0.1％；G.消泡剂0.1％-0.2％；H.加重剂1％-8％；余量是水。本发明既具有很强的抑制粘土矿物水化膨胀分散的功能，又具有很好的流变性，为低滤失量无固相聚合物的钻井液。
文档编号C09K8/10GK101429424SQ20081023264
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月15日 优先权日2008年12月15日
发明者斌 杨, 陈在君, 金祥哲, 吴满祥, 张小平, 赵文军, 海 林, 洁 高, 付微风, 伟 刘, 赵向阳, 辉 曹, 张振活, 李慧升 申请人:中国石油集团川庆钻探工程有限公司工程技术研究院