一种保护油气层钻井液组合物及其制备方法和应用

1.本发明涉及油气井工程钻井液领域，具体涉及一种保护油气层钻井液组合物及其制备方法和应用。


背景技术：

2.保护油气层是石油勘探开发过程中的重要技术措施之一，此项工作的质量直接关系到勘探、开发效果。钻井完井过程中，如果没有采取有效的保护油气层措施，油气井就可能受到严重损害，直接表现为油气层渗透率下降。造成流体产出或追能力显著下降。
3.在目前常规正压差过平衡钻井时，钻井液流体中携带的各种固相微粒会填充封堵地层裂缝孔隙中，其中以加重材料重晶石居多。重晶石的主要成分为硫酸钡，其为难溶盐，在钻井液有效液柱压力与地层孔隙压力之间形成的压差作用下进入油气层孔喉和裂缝中会造成油气层损害，损害的严重程度随钻井液中固相含量，尤其是重晶石含量的增加而增加。
4.钻井液是钻井作业中最先与地层想接触的工作液，其类型和性能好坏直接关系到对油气层的损害程度，保护油气层钻井液是搞好保护油气层工作的首要技术环节。因此，制备一种新型改性碳酸钡加重剂并建立一种保护油气层钻井液，在油井投产时，可通过酸化消除油气层井壁内、外滤饼而解除加重剂粒子堵塞对于油气层高效开发、提高油气采收率有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明第一方面提供一种保护油气层钻井液组合物，从而解决现有钻井液在钻井过程中因固相颗粒(特指重晶石粒子)堵塞油气层导致渗透率降低损害油气层的问题。其中该保护油气层钻井液组合物含有水、膨润土、碳酸钠、增粘剂、降滤失剂、防塌剂、润滑剂和加重剂。
6.本发明第二方面提供上述保护油气层钻井液加重剂的制备方法，其中，该方法包括：
7.(1)将碳酸钡分散在溶剂中得到分散液；
8.(2)将足量二氧化碳通入所述分散液中；
9.(3)将聚乙二醇分散在所述分散液中进行表面改性；
10.(4)将(3)中得到的产物进行水洗、离心、干燥、剥离。
11.本发明第三方面提供了上述钻井液组合物的制备方法及其应用，其中，该方法包括：
12.(s1)将所需量的膨润土加入80℃以上的淡化水或自来水得到混合液1。
13.(s2)将步骤(s1)得到的混合液1中加入加入所需量的碳酸钠搅拌，用氢氧化钠调整体系ph值至10.0，预水化24h得到混合液2。
14.(s3)在搅拌状态下将步骤(s2)得到的混合液2中依次加入所需量的碳酸钠、增粘
剂、降滤失剂、防塌剂、润滑剂、加重剂依次混合均匀后得到保护油气层钻井液。
15.通过上述技术方案，将碳酸钡表面改性制得分散性更强的加重剂，其具有密度高、对钻具磨蚀损害低、酸溶性强的特点，是一种优良的钻井液加重材料。使用该加重剂配制的钻井液有利于保护油气层，泥饼酸溶率高，渗透率恢复值高，有利于采取后期酸化解堵措施。
具体实施方式
16.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
17.本发明第一方面提供了一种保护油气层钻井液组合物，其中，该钻井液组合物含有水、膨润土、碳酸钠、增粘剂、降滤失剂、防塌剂、润滑剂和加重剂。所述增粘剂为聚丙烯酰胺钾盐kpam，所述降滤失剂为磺化酚醛树脂smp
‑
3，防塌剂为改性高分子蜡smxft，润滑剂为油酸甲酯，所述聚乙二醇表面改性的碳酸钡。
18.根据本发明，所述增粘剂的分子量为10万
‑
500万，优选地，所述增粘剂的分子量为20万
‑
90万；
19.根据本发明，所述的防塌剂粒径分布为0.1
‑
30μm，优选地，所述防塌剂的粒径分布为0.1
‑
15μm；
20.根据本发明，所述加重剂的粒径分布为0.2
‑
100μm，优选地，所述加重剂的粒径分布分别为0.8μm
‑
45μm。
21.根据本发明，保护油气层钻井液组合物按其原料重量份分为：水100重量份；膨润土2
‑
6重量份；碳酸钠0.1
‑
1重量份；降滤失剂1
‑
10重量份；防塌剂1
‑
10 重量份；润滑剂0.1
‑
5重量份；加重剂150
‑
200重量份。
22.根据本发明，通过严格控制各个组分的含量，使得各个组分之间得以相互作用使得所制备的钻井液组合物在钻井过程中能够发挥出最佳的功效。
23.优选地，以水100重量份；膨润土3
‑
5重量份；碳酸钠0.1
‑
1重量份；降滤失剂1
‑
6重量份；防塌剂1
‑
5重量份；润滑剂0.1
‑
2重量份；加重剂160
‑
180重量份时，效果较好。
24.根据本发明，所述降滤失剂可以为磺化酚醛树脂smp
‑
3，可商购获得。其为水剂，是将苯酚、甲醛、磺酸盐在一定的条件下经多次聚合和磺化得到的胶体产品。分子结构含有苯环、亚甲基桥和c
‑
s键，热稳定性强，是一种抗高温降失水剂。
25.根据本发明，所述防塌剂可以为改性高分子蜡smxft，可通过商购活得。其具有良好的防塌性能和油气层保护作用，消除了沥青类产品毒性大、荧光级别高等缺陷。改性高分子蜡是脂肪醇树脂经水溶性加工后的一种产品，能与水、粘土发生乳化作用，在不同温度下能形成韧性粒子，堵塞地层微裂缝和渗透性地层的孔隙，起到降滤失、防止地层坍塌和保护油气层的作用，不会干扰地质录井，井径规则，电测顺利，井下安全，易生物降解，无毒，是环保型钻井液添加剂。
26.根据本发明，所述润滑剂可以为油酸甲酯，可通过商购活得。油酸甲酯又名顺式
‑9‑
十八烯酸甲酯，化学分子式为c19h36o2，结构式为ch3(ch2)7ch＝ch (ch2)7cooch3，无色
至淡黄色油状液体，可燃，不溶于水，与乙醇，乙醚等有机溶剂互溶。是一种不饱和高级脂肪酸酯，重要的化工原料，广泛用于石油钻井行业，用于无荧光钻井液润滑剂，有效改善泥饼及钻具金属表面的吸附性、润湿性达到降低粘附系数，热稳定性能好、配伍性好，能够均匀分散，是石油勘探无荧光钻井液润滑剂。
27.本发明第二方面提供了保护油气层钻井液加重剂的制备方法。所述防塌剂为经过聚乙二醇表面改性过的碳酸钡，制备方法包括以下步骤：
28.(1)将碳酸钡分散在溶剂中得到分散液；
29.(2)将足量二氧化碳通入所述分散液中；
30.(3)将聚乙二醇分散在所述分散液中进行表面改性；
31.(4)将(3)中得到的产物进行水洗、离心、干燥、剥离。
32.根据本发明所述的制备方法，其中，在步骤(1)中，所述溶剂为甲醇；优选地，相当于100ml所述溶剂，所用碳酸钡的量为5
‑
10g。
33.根据本发明所述的制备方法，其中，在步骤(2)中，所述反应条件为温度 50
‑
60℃，搅拌速率600
‑
1200r/min，时间60
‑
90min。
34.根据本发明所述的制备方法，其中，在步骤(3)中，所述改性条件为在油浴锅中，搅拌速率600
‑
1200r/min，每隔一定时间向分散液中加入定量聚乙二醇，反应在温度60
‑
80℃下持续4
‑
6h，优选地，相对于100ml分散液，聚乙二醇的累计加量为2
‑
8g。
35.根据本发明所述的制备方法，其中，在步骤(4)中，所述分离条件为离心转速6000r/min
‑
9000r/min；所述干燥条件为温度80
‑
120℃，干燥时间为4
‑
6h；所述剥离条件为将所得产物在超声波仪中超声剥离，超声频率为3
‑
4mhz，时间 50
‑
70min。
36.这样做的目的是使碳酸钡的分散性更好，不易团聚。在滤失造壁时能够快速形成外泥饼，降低滤失量，阻止钻井液中固相微粒进一步向地层深部运移。
37.本发明第三方面提供了保护油气层钻井液组合物的制备方法和其应用。所述钻井液组合物的制备方法为：
38.(s1)将所需量的膨润土加入80℃以上的淡化水或自来水得到混合液1。
39.(s2)将步骤(s1)得到的混合液1中加入加入所需量的碳酸钠搅拌，用氢氧化钠调整体系ph值至10.0，预水化24h得到混合液2。
40.(s3)在搅拌状态下将步骤(s2)得到的混合液2中依次加入所需量的碳酸钠、增粘剂、降滤失剂、防塌剂、润滑剂、加重剂混合均匀后得到保护油气层钻井液。
41.根据本发明，所述膨润土为钙基膨润土，在配制钻井液之前需进行预水化处理。具体方法是将一定量的淡化水或自来水加热至80℃以上，加入水量4％的膨润土充分搅拌至膨润土充分分散无结块时，加入膨润土量5％的na2co3，使用 naoh调节ph至10，搅拌2h，搅拌速度200r/min
‑
600r/min，静置24h以上。这样做的目的是提高钙基膨润土的造浆能力，使钻井液有更好的流型。
42.本发明提供的保护油气层钻井液钻进油气层时与传统水基钻井液体系相比有以下优点：
43.(1)碳酸钡完全适合作为各种钻井液体系的加重，加重钻井液密度完全可以同重晶石相近。
44.(2)碳酸钡是一种酸溶性很强的加重剂，其加重钻井液泥饼酸溶度可以达到90％
以上，优于钛铁矿粉。钻井液体系低毒环保，环境友好。其中防塌剂无毒，可降解，可作为储层保护剂，不影响录井工作的进行。
45.(3)钻井液悬浮稳定性强，不会出现钻井过程中停泵循环钻井液大量固相沉降堆积的现象。循环时悬浮和携带岩屑能力强。
46.根据本发明，所述药品购买途径和测试中所需仪器在以下进行详细描述。
47.电子天平，精度0.0001g，购自上海天平仪器厂；
48.膨润土可以为购自新疆中非夏子街膨润土有限责任公司的新疆夏子街膨润土；
49.碳酸钠可以为购自北京伊诺凯科技有限公司，货号a88871；
50.降滤失剂磺化酚醛树脂可以为购自成都西油华巍科技有限公司，型号smp
‑
3；
51.甲醇可以为购自上海赛瀚科技有限公司，货号c42395；
52.聚乙二醇可以为购自上海创赛科技有限公司，货号pmc172016161；
53.碳酸钡可以为购自上海化科实业有限公司，货号026
‑
08762；
54.增粘剂聚丙烯酰胺钾盐可以为购自河北燕兴化工有限公司，型号kpam；
55.防塌剂改性高分子蜡可以为购自成都石大金牛科技有限公司，型号smxft；
56.润滑剂油酸甲酯可以为购自北京华威锐科化工有限公司，货号m875676；
57.制备例1
58.本制备例在于说明本发明的改性碳酸钡加重剂的制备方法
59.取5g碳酸钡分散在100ml甲醇中，温度50℃，搅拌速率900r/min在油浴锅中通入二氧化碳混合搅拌70min后停止通入二氧化碳，取3g聚乙二醇加入分散液中，反应在80℃条件下持续4h。将混合液用去离子水反复离心至中性，离心转数为9000r/min，将所得固体置入100℃鼓风烘箱中烘干4h，得到的产物在超声波仪中超声剥离60min，超声频率为3.5mhz，得到一种改性碳酸钡加重剂
60.制备得到的改性碳酸钡加重剂为白色粉末，不溶于水。测得其密度4.26g/cm3，酸溶率为92.4％。
61.制备例2
62.本制备例在于说明本发明的改性碳酸钡加重剂的制备方法
63.取7.5g碳酸钡分散在100ml甲醇中，温度50℃，搅拌速率900r/min在油浴锅中通入二氧化碳混合搅拌70min后停止通入二氧化碳，取5g聚乙二醇加入分散液中，反应在80℃条件下持续4h。将混合液用去离子水反复离心至中性，离心转数为9000r/min，将所得固体置入100℃鼓风烘箱中烘干4h，得到的产物在超声波仪中超声剥离60min，超声频率为3.5mhz，得到一种改性碳酸钡加重剂
64.制备得到的改性碳酸钡加重剂为白色粉末，不溶于水。测得其密度4.30g/cm3，酸溶率为93.8％。
65.制备例3
66.本制备例在于说明本发明的改性碳酸钡加重剂的制备方法
67.取10g碳酸钡分散在100ml甲醇中，温度50℃，搅拌速率900r/min在油浴锅中通入二氧化碳混合搅拌70min后停止通入二氧化碳，取7g聚乙二醇加入分散液中，反应在80℃条件下持续4h。将混合液用去离子水反复离心至中性，离心转数为9000r/min，将所得固体置入100℃鼓风烘箱中烘干4h，得到的产物在超声波仪中超声剥离60min，超声频率为3.5mhz，
得到一种改性碳酸钡加重剂
68.制备得到的改性碳酸钡加重剂为白色粉末，不溶于水。测得其密度4.19g/cm3，酸溶率为92.4％。
69.实施例1
70.本实施例在于说明本发明的一种保护油气层钻井液及其制备方法。
71.取100重量份自来水升温至80℃，600r/min电动搅拌下，均匀加入4重量份膨润土至膨润土充分分散无结块时加入0.15质量份碳酸钠，使用naoh调节 ph至10，搅拌2h，静置24h以上。在600r/min电动搅拌下加入0.2重量份增粘剂，加入4重量份降滤失剂smp
‑
3搅拌10min，加入3.0重量份防塌剂smxft 搅拌10min，加入0.2重量份润滑剂搅拌10min，加入制备例(1)中所制改性碳酸钡加重剂170重量份，使用高速搅拌器，转速6000r/min搅拌10min，即可得所述钻井液。
72.该钻井液的常规性能测试结果如表1所示，渗透率恢复性能测试结果如表2 所示。
73.实施例2
74.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例中使用的改性碳酸钡加重剂替换为制备例(2)中所制改性碳酸钡加重剂170重量份。
75.该钻井液的常规性能测试结果如表1所示，渗透率恢复性能测试结果如表2 所示。
76.实施例3
77.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例中使用的改性碳酸钡加重剂替换为制备例(3)中所制改性碳酸钡加重剂170重量份。
78.该钻井液的常规性能测试结果如表1所示，渗透率恢复性能测试结果如表2 所示。
79.对比例1
80.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：改性碳酸钡加重剂的加量为0重量份。
81.该钻井液的常规性能测试结果如表1所示，渗透率恢复性能测试结果如表2 所示。
82.对比例2
83.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：防塌剂的加量为0 重量份。
84.该钻井液的常规性能测试结果如表1所示，渗透率恢复性能测试结果如表2 所示。
85.对比例3
86.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：防塌剂、加重剂的加量为0重量份。
87.该钻井液的常规性能测试结果如表1所示，渗透率恢复性能测试结果如表2 所示。
88.对比例4
89.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：使用的加重剂为普通商用硫酸钡重晶石，加量为170重量份。
90.该钻井液的常规性能测试结果如表1所示，渗透率恢复性能测试结果如表2 所示。
91.对比例5
92.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：使用的加重剂为磁铁矿，加量为170重量份。
93.该钻井液的常规性能测试结果如表1所示，渗透率恢复性能测试结果如表2 所示。
94.对比例6
95.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：使用的加重剂为碳酸钙，加量为170重量份。
96.该钻井液的常规性能测试结果如表1所示，渗透率恢复性能测试结果如表2 所示。
97.测试例1
98.分别取适量实施例1
‑
3和对比例1
‑
6中制备的钻井液，利用密度计、六速旋转粘度计、高温高压滤失仪测试其常规性能。
99.表1常规性能测试结果
[0100][0101]
根据表1数据可知：
[0102]
对于渗透性油气层而言，其高温高压失水量越高，说明固相和液相在地层孔隙中侵入越深，因此对储层的伤害也就越高。因此，施例1
‑
3钻井液流变性能与静切力良好，高温高压滤失量介于9.0
‑
9.6ml之间，泥饼厚度介于3.2
‑
3.5mm之间，与对比例1
‑
6相比有较好的滤失造壁性能，在合适的组分及含量限定范围内配制的钻井液均具有优异的滤失造壁性，可在井壁上形成薄而致密的泥饼，减少钻井液固相、液相侵入地层及损害油气层。
[0103]
对于加重后密度来看，改性碳酸钡加重剂的加重效果与普通商用重晶石加重剂相当，优于碳酸钙、略差于铁矿粉。但是碳酸钙密度较低，加重后对钻井液的流变性、粘切性影响较大。
[0104]
对比例1中钻井液未采用改性碳酸钡加重剂加重，钻井液失水量高达35.8ml，说明钻井液体系中缺少大颗粒的架桥粒子，无法封堵地层中大量裂缝孔隙和形成致密泥饼，不利于安全钻进。
[0105]
对比例2中钻井液未加入防塌剂，高温失水量高达16.4ml，滤液大量进入岩石孔隙导致地层中孔隙压力增大，易引发井壁失稳，坍塌的复杂发生。
[0106]
对比例3中未加入加重剂与防塌剂，钻井液高温高压失水量高达42.8ml，不利于正常钻进与储层保护的要求。
[0107]
对比例4中钻井液使用普通商用重晶石加重，钻井液各项常规性能与实施例相当，高温高压滤失量与泥饼厚度略高于改性碳酸钡加重的钻井液。
[0108]
对比例5中钻井液使用铁矿粉加重，在密度方面优于实施例钻井液，在高温高压滤失量方面略差于实施例钻井液。
[0109]
对比例6中钻井液使用碳酸钙加重，钻井液各项性能均差于实施例中钻井液。
[0110]
测试例2
[0111]
分别取适量实施例1
‑
3和对比例1
‑
6中制备的钻井液，利用储层伤害评价装置动态评价钻井液污染前后岩心的油相渗透率，根据油相渗透率的比值来考察钻井液的油气层保护性能。选用3d打印人造岩心进行试验，其参数见表2。
[0112]
表2钻井液在人造岩心流动测试结果
[0113][0114]
从表2可以看出，在人造岩心渗透率恢复测试中，改性碳酸钡加重剂加重后的钻井液污染后，岩心的渗透率恢复值都超过90％，明显优于普通商用重晶石加重的钻井液。
[0115]
综上所述，本发明的保护油气层钻井液通过加入改性碳酸钡加重剂加重，在流动封堵人造岩心后渗透率恢复值高，且具备良好的的滤失造壁性，可形成薄而致密的泥饼，阻止钻井液滤液对渗透性孔缝的渗透作用。加重效果好，易酸溶，有利于保护油气层，提高油气井的采收率。
[0116]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其他合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。