一种防塌钻井液和防止井塌的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及石油、天然气勘探开发过程中的钻井液和钻探技术领域。
【背景技术】
[0002] 在石油或天然气的钻探中，常常需要在地层中进行钻井。地下岩层情况复杂，在遇 到泥岩岩层时，很容易发生井塌现象。例如，以陕西靖边气田地质为例，其构造属于鄂尔多 斯盆地伊陕斜坡，在钻进到地下650-1050米深时，遇到了以棕红色泥岩和灰绿色泥岩为主 的泥岩地层。在使用常规的清水聚合物体系（清水聚合物体系主要成分是水以及溶于其中 的聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钾）为钻井液进行钻进时，因棕红色与灰绿色泥岩的特性为水敏 性强，遇水后极易吸水膨胀或水化分散，剥落，掉块，坍塌，故钻遇此类泥岩地层容易发生井 壁失稳现象，发生井塌，井壁容易形成大肚子及糖萌芦井眼，钻肩和岩石掉块很难被带出， 造成起下钻及电测遇阻，处理相对困难，下钻大段划眼（划眼是指由于起钻后井壁垮塌，造 成井眼不畅，形成砂桥，下钻不到井底，井眼遇阻后必须开动转盘、建立循环将井眼中坍塌 的砂子携带出来后再继续下钻，如果处理不当容易造成卡钻）。为了防止上述井塌、下钻遇 阻或划眼现象，不得不将钻井液由清水聚合物体系改为聚磺体系钻井液，而聚磺体系钻井 液是一种通用钻井液体系，含有聚合物和磺化类处理剂，此种体系常用于目的层钻进，成本 较高，这会显著增加钻井成本，且导致钻井施工周期加长。
[0003] 因此，本领域迫切需要一种有效方法来防止在泥岩地层中钻进时发生井塌。
[0004] 发明专利内容
[0005] 本发明采用了一种新型防塌钻井液来解决上述问题。
[0006] 本发明的防塌钻井液组成如下，以每立方米该防塌钻井液计，其包含以下组分：
[0007] 聚丙烯酸钾：l-3kg
[0008] 防塌抑制剂，其选自分子量为100万~500万的聚丙烯酰胺：l_3kg
[0009] 环氧丙基三甲基氯化铵：l_3kg
[0010] 氯化钾：10_30kg
[0011] 分子量为500万~1000万的聚季铵盐：l-2kg ;
[0012] 水：余量。
[0013] 在优选的实施方案中，以每立方米该防塌钻井液计，其包含以下组分：
[0014] 聚丙烯酸钾：2kg ;
[0015] 抑制防塌剂，其选自分子量为100万~500万的聚丙烯酰胺：2kg ;
[0016] 环氧丙基三甲基氯化铵：2kg ;
[0017] 氯化钾：15kg;
[0018] 分子量为500万~1000万的聚季铵盐：1. 5kg。
[0019] 其中，所述防塌抑制剂聚丙烯酰胺是一种人工合成凝胶，主要作用是絮凝钻出的 岩肩，其是以丙烯酰胺为单体由甲叉双丙烯酰胺交联成的，经干燥粉碎或加工成形制成干 粉，分子式：[C 3H50N]n，g构式为[-CH2-CH(CONH 2) ]n-。用作防塌抑制剂的钻井液用聚丙烯酰 胺分子量约为100~500万。这些试剂可从厂家买到，例如以产品代码ZNP-I或FA367从 各自的厂家购得。
[0020] 其中所述环氧丙基三甲基氯化铵和所述分子量为500万~1000万的聚季铵盐的 作用都是使粘土稳定。环氧丙基三甲基氯化铵是小阳离子抑制剂，其中小阳离子是指碱金 属呙子或碱土金属呙子以及其它非聚合态的金属阳呙子。而所述分子量为500万~1000 万的聚季铵盐是大阳离子抑制剂，其中所述大阳离子是指各类长链有机铵类阳离子或者处 于多聚态的聚合金属阳离子。大阳离子带有阳离子基团，靠静电作用吸附在钻肩上，吸附力 较强，它的相对分子质量较大，分子链足够长，因而桥联作用较好；大阳离子可降低钻肩的 负电性，减少粘土层面间的静电排斥作用，容易形成密实凝体。小阳离子靠静电作用可吸附 在岩石表面，另外与岩肩层间可交换阳离子发生离子交换作用也可进入岩肩晶层间。表面 吸附的小阳离子的疏水基可形成疏水层，阻止水分子进入岩肩粒子内部，有效地抑制岩肩 水化膨胀和分散；小阳离子所带的正电荷中和岩肩带的负电荷，削弱岩肩粒子间的静电排 斥作用，从而降低岩肩的分散趋势。小阳离子作为一种有机盐，可以有效降低溶液活度，特 别是有机阳离子由于未水化前离子半径较K+、NH 4+大得多，根据电荷数相同的离子水化能与 未水化时的离子半径成反比的理论，有机阳离子水化能较低，粘土将优先吸附水化半径相 对较小的有机阳离子，交换出钠、钙离子以降低自身的水化活性。由于大、小阳离子相对分 子量的关系，小阳离子在钻肩上的吸附速度一般比大阳离子快，小阳离子首先吸附在新产 生的钻肩上抑制其分散，随后大阳离子再吸附在钻肩上靠桥联作用形成絮凝体，经过沉降 和固控设备有效清除钻肩絮凝体。
[0021] 本发明还提供了一种防止井塌的方法，包括在泥岩地层钻井过程中，在井下和地 面之间循环流通上述防塌钻井液。在钻探实践过程中，可在地面设置循环罐，其内盛有本发 明的防塌钻井液，并用泵将该防塌钻井液在地面和井下之间建立循环流通。地面上通常还 设有盛有常规清水聚合物体系钻井液的循环池，当在硬质岩层中钻进，用泵将该清水聚合 物体系钻井液在地面和井下之间建立循环流通。当遇到泥岩地层时（当从钻井液携带出的 钻肩经过清洗和烘干后形成砂样，就可以判断所钻地层为泥岩地层），将清水聚合物体系切 换为所述防塌钻井液。
[0022] 在优选实施方案中，在泥岩地层钻进过程中，定期向该防塌钻井液中补充所述环 氧丙基三甲基氯化铵和分子量为500万~1000万的聚季铵盐。
[0023] 在优选实施方案中，在泥岩地层钻进过程中，当所述防塌钻井液粘度低于32S时， 补充所述聚丙烯酸钾和所述防塌抑制剂，以使得在泥岩地层钻进过程中钻井液粘度保持 ^ 32S〇
[0024] 在优选实施方案中，在地面上将所述防塌钻井液中的固体从该防塌钻井液中除 去。这可通过常规的固液分离技术来进行。
[0025] 本发明的防塌钻井液的主要成份均是常规化工产品，可在市场上买到。例如，可从 以下厂家买到：
[0026] 表1 :各成份的具体生产厂家
[0027]
[0028] 其中，各原料组分的作用：
[0029] 1)聚丙烯酸钾，作用：包被，絮凝。
[0030] 2)钻井液用抑制防塌剂，作用：防塌，抑制。
[0031] 3)氯化钾，作用：抑制。
[0032] 4)环氧丙基三甲基氯化按，其作为钻井液用小阳离子抑制剂，作用：抑制
[0033] 5)分子量为500万~1000万的聚季铵盐，其作为钻井液用大阳离子抑制剂，作用： 包被，抑制。
[0034] 实践证明，本发明的防塌钻井液及防止井塌的方法，尤其适合在泥岩地层中钻进 时使用，能有效地减少井塌现象。
【附图说明】
[0035] 图1和图2是使用本发明的防塌钻井液在某含有泥岩地层的地区钻两口井后，各 井的井径随井深的函数图。
[0036] 图3和图4是使用传统的清水聚合物体系作为钻井液，在同一含有泥岩地层的地 区钻两口井后，各井的井径随井深的函数图。
【具体实施方式】
[0037] 1.实验室评价实验
[0038] 1)抑制性评价实验：