用于钻井液的膨润土性质的改进的制作方法

本公开的实施方案涉及供用于含烃储层的钻井液使用的组合物。特别地，本公开的实施方案涉及含有改性膨润土的钻井液组合物。

背景技术

在含烃储层中，井筒从形成的第一时刻直到完井和生产均含有井筒流体。井筒流体用作若干目的，包括井控(针对含烃地层中的流体的液压)、井壁完整性(井壁上的液压和提供滤失控制添加剂(losscontroladditives))和润滑性(运行机械装置)。井筒流体与井筒的所有部分流体接触，并且井筒中的所有都不是流体隔离的，包括流体管道内部的管道、井筒环空和井壁。其他连接至井筒的流体管道通常包含至少一些井筒流体。

在钻井时，钻井液(也被称为钻井泥浆)作为井筒流体填充井筒的内部。有些泥浆为石油基材料，而有些为水基材料。石油基材料包含至少90重量％的油基泥浆(obm)。合适的基础石油材料的实例包括原油；原油的蒸馏馏分，包括柴油、煤油和矿物油；以及重质炼油厂液体残留物。obm的一小部分通常为水或在连续石油相内部存在的水溶液。其他obm组分可包括乳化剂、润湿剂以及可产生所需物理性质的其他添加剂。

油基泥浆还包括合成油基泥浆(sobm)。合成油基泥浆为经过化学处理、改变或精制以提高某些化学或物理性质的原油衍生物。与部分精炼的原油的粗温度馏分(其可能包含若干种类(例如，烷烃、芳烃、含硫、含氮)的数千种单个化合物)相比，sobm可以包含一类的仅数十种单个化合物(例如，c8-14范围内的酯类化合物)。用作sobm的基础流体的材料的实例包括直链α-烯烃、异构化烯烃、聚α-烯烃、直链烷基苯以及植物衍生的和烃衍生的酯类化合物。sobm为单一体系，其行为方式就像它们是油基泥浆，但具有更窄且可预测范围的化学和物理行为。

在进行钻井作业时，井筒流体通过流体管道在表面和井筒内部之间循环。井筒流体也在井筒内部循环。在压力下通过第一流体管道将钻井液引入井筒内，从而在井筒流体中产生流体流动的动力。通过连接到表面的第二流体管道驱替井筒流体，使井筒流体从第一流体管道循环到井筒内部的第二流体管道。通过第二流体管道驱替并返回表面的井筒流体的预期量等于通过第一流体管道引入井筒内的量。流体隔离的部分井筒不支持循环。

在钻井作业期间，非水基钻井泥浆易于脱水并失去添加剂。脱水和添加剂不足的残留物可能作为固体、凝胶和高粘度流体聚集在流速较低的部分中。“滤饼”为一层沉积的固态胶化的钻井液，其附着在井筒的内表面上，包括井壁和流体管道的外部。需要具有合适的密度、粘度和其他性质的钻井泥浆，以便在含烃储层中有利地进行钻井。

膨润土为钻井液中的主要组分，并且任何钻井液必须具有一定的性质，以便安全且令人满意地完井。仅在沙特阿拉伯的钻井作业中，膨润土的消耗量就可以达到每年10万吨以上，而且基本上所有的膨润土都是从国外进口的。

技术实现要素：

本公开提供了改性膨润土组合物，其在一些实施方案中符合美国石油协会(api)的钻井泥浆规格。这些改性可以包括使用一种或多种聚合物进行物理处理和化学处理两者以达到某些api规格。根据如下所述的公开内容，改性膨润土可用作钻井泥浆添加剂。对当地的膨润土露头岩层(沙特阿拉伯当地的膨润土，特别是在khulais地区，jeddah以北70公里，毗邻makkah-madinah公路)进行内部改性以符合美国石油协会(api)的钻井泥浆规格。改性包括使用pac^tm-r聚合物进行物理处理和化学处理两者以达到api规格。根据收集的分析数据，改性膨润土现在可以用作钻井泥浆添加剂。

通过向制备的钻井泥浆中添加这样的材料来改进粘度和滤失量，可以经济地改善当地膨润土的性质，所述材料包括诸如羧甲基纤维素(cmc)、聚合物(多官能聚阴离子纤维素聚合物)和膨润土增量剂之类的材料。而且，可以将剪切速度用作增强方法以提高粘土悬浮液的分散速率，从而提高粘度并降低滤失量。膨润土增量剂可以为盐或聚合物，并且通过使膨润土悬浮液略微絮凝化来强化粘度增加。

因此，如所公开的，实施方案包括将膨润土改性以使该膨润土可用于钻井泥浆应用的方法。该方法包括以下步骤：使用原水对沙特阿拉伯当地的膨润土进行处理，以从膨润土中除去污染物；将膨润土研磨成细粉末；将细粉末筛分至粒径为约50μm至约150μm，以制得经筛分的细粉末；将经筛分的细粉末与聚阴离子纤维素聚合物混合，以制得改性膨润土组合物；将改性膨润土组合物添加到水中，直至形成均匀的改性膨润土的水溶液；以及使均匀的改性膨润土的水溶液静置，以形成可用于钻井泥浆应用的组合物。

在一些实施方案中，均匀的改性膨润土的水溶液在约20分钟内形成。在其他实施方案中，可用于钻井泥浆应用的组合物基本上符合美国石油协会(api)对钻井泥浆的要求。还在其他实施方案中，沙特阿拉伯当地的膨润土为钠型膨润土，并且在用于将膨润土改性的方法中不使用氢氧化物组合物。

在一些其他实施方案中，沙特阿拉伯当地的膨润土包含约58重量％的钠蒙脱石、约5重量％的长石、约25重量％的sio2、约8重量％的高岭石、约2重量％的岩盐和约2重量％的伊利石。在某些实施方案中，改性膨润土组合物包含约71重量％的钠蒙脱石、约5重量％的长石、约15重量％的sio2、约6重量％的高岭石、约0重量％的岩盐和约1重量％的伊利石。

还在其他实施方案中，所述方法包括验证均匀的改性膨润土的水溶液的粘度基本上符合api对钻井泥浆粘度的要求的步骤。在其他实施方案中，所述方法包括将经筛分的细粉末与低粘度羧甲基纤维素钠混合的步骤。在一些实施方案中，改性膨润土组合物包含约3重量％至约11重量％的聚阴离子纤维素聚合物。还在其他实施方案中，改性膨润土组合物包含约4重量％至约10重量％的聚阴离子纤维素聚合物。仍在其他实施方案中，改性膨润土组合物包含约4重量％至约9重量％的聚阴离子纤维素聚合物。在某些实施方案中，改性膨润土组合物包含约5重量％至约8重量％的聚阴离子纤维素聚合物。

仍然在其他实施方案中，改性膨润土组合物包含约8.5重量％的聚阴离子纤维素聚合物。在一些实施方案中，聚阴离子纤维素聚合物包括至少第一聚阴离子纤维素聚合物和第二聚阴离子纤维素聚合物。所述方法的一些实施方案包括进行x射线粉末衍射(xrd)以验证可用于钻井泥浆应用的组合物基本上符合api对钻井泥浆的要求的步骤。在某些实施方案中，所述方法包括将可用于钻井泥浆应用的组合物应用于井筒烃采收作业的步骤。

仍然在所述方法的其他实施方案中，使均匀的改性膨润土的水溶液静置以形成可用于钻井泥浆应用的组合物的步骤持续约16小时。

此外，公开了一种可用于钻井泥浆应用的改性膨润土组合物，该组合物包含：粉末状混合物组合物，其包含：约90重量％的沙特阿拉伯当地的膨润土，所述膨润土以细粉末形式存在，细粉末的粒径为约50μm至约150μm，以及约10重量％的聚阴离子纤维素聚合物；和水。

在一些实施方案中，粉末状混合物组合物包含约71重量％的钠蒙脱石、约5重量％的长石、约15重量％的sio2、约6重量％的高岭石、约0重量％的岩盐和约1重量％的伊利石。还在其他实施方案中，改性膨润土组合物基本上符合api对钻井泥浆的要求。仍在其他实施方案中，组合物包含苏打灰。

附图简要说明

参考以下描述、权利要求和附图，将更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点。然而应注意的是，附图仅示出了本公开的若干实施方案，因此不应被认为是限制本公开的范围，因为其可采用其他等效的实施方案。

图1示出了这样的方法的一个实施方案的流程图，该方法将非美国石油协会(api)膨润土改性成根据api标准适用于钻井泥浆的组合物。

图2示出了比较api膨润土样品、非api膨润土样品(“未经处理的膨润土”)和改性非api膨润土样品(“经处理的膨润土”)的组成的衍射图。

具体实施方式

为了能够更详细地理解改性非api膨润土以及其他物质的组合物和制备改性非api膨润土以及其他物质的方法的实施方案的特征和优点，并使这些特征和优点变得显而易见，可以通过参考示于附图中的实施方案而更具体地描述先前简要概述的本公开的实施方案，附图形成本说明书的一部分。然而应注意的是，附图仅示出了本公开的各种实施方案，因此不应被认为是限制本公开的范围，因为本公开也可以包括其他有效的实施方案。

膨润土为吸水性层状硅铝酸盐，基本为不纯的粘土，主要由蒙脱石组成。蒙脱石为最丰富的绿土矿物。优质膨润土主要含有绿土(蒙脱石)以及诸如石英、方解石和云母之类的次生矿物。膨润土在市场上以多种形式出现。在工业中，通常将蒙脱石分类为钠(na)型或钙(ca)型，这取决于哪种可交换离子是主要的。膨润土具有某些特征，如带负电荷、尺寸微细、非常高的比表面积以及水合灵敏度高。膨润土在钻井泥浆中的作用包括控制钻井作业中钻井液的流动性和滤失量，这是钻井液技术的重要方面。

理想的流变性质包括高的剪切变稀粘度。换句话说，剪切速率越高，粘度越低，并且对于岩屑运输和悬浮，具有较高的静切力以及高的屈服点与塑性粘度的比率。

现在参照图1，其示出了这样的方法的一个实施方案的流程图，该方法将非美国石油协会(api)膨润土改性成适合于根据api标准的钻井泥浆的组合物。在方法100中，在步骤102利用原水对未改性膨润土(沙特阿拉伯当地的且不符合供钻井泥浆使用的api标准的膨润土)进行净化和漂洗以除去污染物。在步骤104，使用的mortargrinderrm200将经过净化和漂洗的未改性膨润土研磨成非常细的粉末。在步骤106，使用电动摇筛柱将经研磨的未改性膨润土筛分至粒径为约75μm(200目)。在步骤108，将经筛分的未改性膨润土与聚阴离子纤维素聚合物(pac^tm-r)以约91.5重量％的未改性膨润土比约8.5重量％的pac^tm-r聚合物的重量比混合。

膨润土矿石通常伴随有其他矿物材料，其根据膨润土开采或发掘的位置而在含量和组成方面有所不同。膨润土中的一些常见的可用水除去的杂质为粘土级硅石、石膏、伊利石和非结晶化合物。

pac^tm-r聚合物为halliburton的产品，并且为改性的天然聚阴离子纤维素聚合物，其为白色的、自由流动的粉末。pac^tm-r聚合物主要由羧甲基纤维素钠盐组成。虽然说明书和实施例讨论了pac^tm-r聚合物的用途，但本领域普通技术人员应当理解，除了pac^tm-r聚合物之外或pac^tm-r聚合物的替代物，还可以将其他合适的聚合物用于本公开的实施方案中。在步骤110，将经筛分的未改性膨润土和pac^tm-r聚合物的混合物(在本文中，该混合物也被称为“改性膨润土”)添加到蒸馏水中并混合，直至约20分钟后溶液变得均匀。在步骤112，将改性膨润土的水溶液(示例性钻井液)覆盖并储存过夜约16小时。

在步骤114，根据api的膨润土钻井泥浆规格对改性膨润土进行分析。分析表明改性膨润土与市售可得的膨润土相似。

表1对符合美国石油协会对于制造钻井泥浆的标准的膨润土与改性“当地膨润土”或已用pac^tm-r聚合物改性的沙特阿拉伯当地的膨润土的某些性质进行了比较。在本公开的一些实施方案中，由于沙特阿拉伯当地的膨润土为钠型膨润土，因而不使用或不需要氢氧化钠来改性膨润土。

表1：改性的沙特阿拉伯当地的膨润土与市售可得的膨润土的物理性质。

表2提供了x射线粉末衍射(xrd)数据，其比较了未改性的沙特阿拉伯当地的膨润土与(使用pac^tm-r聚合物)改性的沙特阿拉伯当地的膨润土的组成。xrd为一种用于粘土矿物鉴定的分析技术。对于未改性的样品，在初步除去沙石之后，通过使用离心技术将粘土与泥沙分离。获得以下样品的xrd图案：经空气干燥的样品和利用乙二醇蒸气处理或加热至350℃和550℃的样品。将衍射图案与用于鉴定矿物的标准进行比较。

通过xrd分析api膨润土样品、非api膨润土样品和改性非api膨润土样品。通过在mccrone微粉化研磨机中研磨将样品粉碎成细粉末。通过下表2和图2中所示的单个化合物的三个主峰对样品进行鉴定。通过使用各主峰下的面积对所鉴定的化合物进行定量。对含有已知浓度组分的膨润土样品进行分析，从而通过峰面积计算浓度，因为该面积对应于实际已知的值。然后，检测非api膨润土样品和改性非api膨润土样品。通过峰面积计算组分浓度。对于改性非api膨润土(图2中的“经处理的膨润土”)，钠蒙脱石峰发生改变并且峰下的面积增大。对于改性非api膨润土样品，石英浓度降低。长石浓度基本不受影响，粘土矿物也基本不受影响。

表2：比较了未改性的沙特阿拉伯当地的膨润土与(使用pac^tm-r聚合物)改性的沙特阿拉伯当地的膨润土的组成的xrd数据。

使用panalytical的x’perthighscore软件完成结晶矿物相的鉴定。通过使用mdiproducts的jade软件，基于峰面积进行xrd数据的半定量。表2列出了结晶相的相对近似值。

图2示出了比较api膨润土样品、非api膨润土样品和改性非api膨润土样品的组成的衍射图。表3示出了对五种沙特阿拉伯当地(在不同地点和不同深度采集)的未改性膨润土样品的数据及其性质的比较。如表3所示，许多性质不符合所述规格的要求，如产率、分散塑性粘度、分散滤失量、亚甲蓝试验和100目上的残留物(干燥)。

根据api规格，进行了四种主要试验以确定膨润土的流变性质。对于屈服点:塑性粘度比率，通过使用fanviscometer装置测定样品在600rpm和300rpm下的粘度。测定粘度后，计算屈服点:塑性粘度比率。检测样品的ph值。为了检测分散塑性粘度，准备六偏磷酸钠(10重量％)并将5μl添加到改性非api膨润土中。而后，再次测定600rpm和300rpm下的粘度。通过取600rpm下的粘度和300rpm下的粘度之间的差值来计算分散塑性粘度。

为了测量分散滤失体积，将样品用氮气加压至约100psi。在氮气加压开始7.5分钟后收集从加压室流出的过滤水直至经过30分钟。最后，将水的体积乘以2以计算滤失体积。

表3：五种未改性非api膨润土样品的性质。

表4示出了比较五种改性非api膨润土样品的数据，其中利用低粘度羧甲基纤维素钠(cmc-lv)将膨润土改性。在改性期间，改变300rpm和600rpm两者下的粘度、ph值、塑性粘度(cp)和屈服点(lbs./100ft.²)以符合api规格。

表3描述了未改性非api膨润土的产率，而表4描述了改性非api膨润土的屈服点。使用产率试验计算产率，并且特定的内部最小规格要求为90桶/短吨。对于屈服点，特定的内部最大规格要求包括屈服点:塑性粘度的最大比率为1.5。

表4：五种改性膨润土样品的评价。

表4续：五种改性膨润土样品的评价。

表5示出了颗粒尺寸对改性非api膨润土性质的某些影响。

表5：颗粒尺寸对改性非api膨润土的影响。

表6示出了苏打灰对改性非api膨润土性质的某些影响。

表6：苏打灰浓度对改性非api膨润土的某些影响。

表6续：苏打灰对改性非api膨润土的某些影响。

表7示出了pac^tm-r浓度对改性非api膨润土的某些影响。

表7：pac^tm-r浓度对改性非api膨润土的影响。

表7续：pac^tm-r浓度对改性非api膨润土的影响。

表8：对改性非api膨润土样品的评价(添加8.5％的pac^tm-r)。

在表8中，分散滤失量依据api标准13a，其概述了用于钻井液的实验步骤。滤失量为膨润土浆料形成低渗透性滤饼的能力的量度。试验的最大内部要求为12.5ml/30分钟。

有利地，在本公开的实施方案中，使用原水从未改性膨润土中除去污染物，然后用羧甲基纤维素将未改性膨润土改性。不使用酸除去污染物，以避免对膨润土矿石的化学性质产生任何负面影响。值得注意的是，市售的膨润土未用于制备配方中。pac^tm-r聚合物用于增强膨润土矿石水溶液的粘度。在某些实施方案中，不使用其他添加剂来增强膨润土矿石的粘度。

添加苏打灰在塑性粘度方面表现出积极的效果；然而，随着苏打灰的量增加，组合物的ph也增大。

除非上下文另有明确规定，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数形式。

在附图和说明书中，已经公开了改性膨润土的组合物以及改性膨润土的制备方法的实施方案，并且虽然采用了特定术语，但这些术语仅用于描述性意义而不是出于限制的目的。已经相当详细地参照这些示出的实施方案描述了本公开的实施方案。然而，显而易见的是，可以在如前面的说明书中描述的本公开的主旨和范围内进行各种修改和改变，并且此类修改和改变被认为是等同物并且为本公开的一部分。

在说明书或所附权利要求表述了一定范围的数值的情况下，应当理解，该区间包括上限和下限之间的各个中间值以及上限和下限。本公开涵盖并限定了受限于所提供的任何特定排除的较小的区间范围。在说明书和所附权利要求引用的方法包括两个或多个限定的步骤的情况下，这些限定的步骤可以以任意顺序进行或同时进行，除非上下文排除该可能性。