一种低摩阻水基钻井液及其制备方法与流程

1.本发明涉及油田化学技术领域，具体涉及一种低摩阻水基钻井液及其制备方法。


背景技术：

2.随着油气资源勘探开发的不断深入及降本增效的要求，采用大位移井及水平井是目前勘探开发的主要井型之一，为了增大采油面积及采油量，会尽量延伸大位移水平井的水平位移，但管柱的摩阻扭矩问题一直制约着大位移井的最大延伸范围。史建刚在其发表的“大位移钻井技术的现状与发展趋势”文章中指出，摩阻和扭矩是大位移井钻井工程问题的核心。
3.油基钻井液是大位移井、水平井等复杂井型常用的钻井液体系，油基钻井液具有极佳的润滑性能，能够有效的降低钻井过程的摩阻扭矩，对大位移井和水平井的水平延伸具有重要的意义，并且油基钻井液还具有更优的井壁稳定效果以及流变调控能力。但是，面临日益严峻的环境保护，油基钻井液的应用越来越受到限制，水基钻井液摩阻扭矩问题是制约水基钻井液在大位移井及水平井中应用的关键因素之一。
4.中国发明专利cn103952128a介绍了一种适用于大位移井、水平井的弱凝胶无固相水基钻井液，该体系具有较高的低剪切速率粘度，专利主要对体系抗温、流变、滤失量性能进行评价，未对钻井液体系的润滑性能给出评价数据。中国发明专利cn105754563a介绍了一种适用于大位移井的有机盐钻井液，泥饼粘滞系数降低率达66％，较常规有机盐体系的51％，提高了15％。但上述钻井液润滑性能只是简单评价其润滑效果略优于普通水基钻井液，无法和油基钻井液相媲美，所以不能从实质上解决水基钻井液应用于大位移井中制约水平延伸距离的问题。
5.中国发明专利cn111793477a介绍了一种水基钻井液，该钻井液是以一种改性表面活性剂为基液配制的水基钻井液，其润滑性能主要通过极压润滑仪测润滑系数表征，其润滑系数最低为0.059，抗磨达到10块。极压润滑仪是在150英寸
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磅力作用5min时读数计算值，评价的是滑块与滑环之间金属面与面之间的摩擦，而在实际钻井过程中，可能出现金属点与点、点与面、面与面之间以及泥饼与金属之间的摩擦，该钻井液润滑效果评价手段较为单一，未能真实模拟井下摩擦环境。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种低摩阻水基钻井液及其制备方法，本发明提供的低摩阻水基钻井液具有与油基钻井液媲美的润滑性能，能够解决大位移井、水平井的摩阻和扭矩问题。
7.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
8.本发明提供了一种低摩阻水基钻井液，以质量份数计，包括以下制备原料：
9.水：75～90份；
10.聚磷酸盐水溶液：10～25份；
11.碱度调节剂：0.1～2.0份；
12.降滤失剂：1.0～4.0份；
13.流变调节剂：0.1～0.6份；
14.防塌封堵剂：1.0～3.5份；
15.抑制剂：1.0～3.5份；
16.重晶石：0～100份。
17.优选地，所述聚磷酸盐水溶液的质量浓度为23～41％。
18.优选地，所述聚磷酸盐水溶液中聚磷酸盐为聚磷酸铵。
19.优选地，所述碱度调节剂包括氢氧化钠、碳酸钠和氢氧化钾中的一种或多种。
20.优选地，所述降滤失剂为改性淀粉。
21.优选地，所述流变调节剂包括黄原胶、温伦胶，刺槐豆胶、罗望子胶、魔芋胶、香豆胶、瓜尔豆胶和刺槐豆胶中的一种或多种。
22.优选地，所述防塌封堵剂包括腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的一种或多种。
23.优选地，所述抑制剂为聚胺。
24.优选地，所述重晶石的粒径为200～1000目。
25.本发明提供了上述技术方案所述低摩阻水基钻井液的制备方法，包括以下步骤：
26.将制备原料混合，得到低摩阻水基钻井液。
27.本发明提供了一种低摩阻水基钻井液，以质量份数计，包括以下制备原料：水：75～90份；聚磷酸盐水溶液：10～25份；碱度调节剂：0.1～2.0份；降滤失剂：1.0～4.0份；流变调节剂：0.1～0.6份；防塌封堵剂：1.0～3.5份；抑制剂：1.0～3.5份；重晶石：0
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100份。在本发明中，聚磷酸盐水溶液通过与金属离子(钻具表面)生成可溶性络合物，吸附于金属表面形成保护膜，能够完全隔离金属，从而实现减小摩擦、降低摩阻的目的；聚磷酸盐水溶液实现了干摩擦、边界摩擦向流体摩擦转化，能够大大降低摩阻。本发明提供的低摩阻水基钻井液摒弃常规水基钻井液通过添加油性或者水性润滑剂的技术思路，以一种具有超强润滑性的聚磷酸盐水溶液为基础制备，本发明提供的低摩阻水基钻井液具有与油基钻井液媲美的润滑性能，能够解决大位移井、水平井的摩阻和扭矩问题。
28.实施例结果表明，本发明提供的低摩阻水基钻井液可有效降低钻井液摩阻扭矩，极压摩阻系数低至0.0623，接近于油基钻井液的0.0560，同时具有比油基钻井液优异的抗磨性能；四球摩阻系数为0.0677，磨痕0.662mm，润滑性能接优于油基钻井液的0.0896，同时具有比油基钻井液优异的抗磨性能；泥饼粘滞系数低至0.0699。
29.另外，本发明提供的低摩阻水基钻井液适用温度范围为20～140℃，适用温度范围广，适宜产业推广应用。
附图说明
30.图1为实施例1的磨痕图；
31.图2为实施例2的磨痕图；
32.图3为实施例3的磨痕图；
33.图4为对比例1的磨痕图；
34.图5为对比例2的磨痕图；
35.图6为对比例3的磨痕图；
36.图7为实施例3以及对比例1～3钻井液的摩阻系数随时间变化曲线对比图。
具体实施方式
37.本发明提供了一种低摩阻水基钻井液，以质量份数计，包括以下制备原料：
38.水：75～90份；
39.聚磷酸盐水溶液：10～25份；
40.碱度调节剂：0.1～2.0份；
41.降滤失剂：1.0～4.0份；
42.流变调节剂：0.1～0.6份；
43.防塌封堵剂：1.0～3.5份；
44.抑制剂：1.0～3.5份；
45.重晶石：0～100份。
46.以质量份数计，本发明提供的低摩阻水基钻井液的制备原料包括水75～90份，优选为80～85份。在本发明中，所述水优选为淡水。
47.以所述水的重量份数计，本发明提供的低摩阻水基钻井液的制备原料包括聚磷酸盐水溶液10～25份，优选为15～20份。在本发明中，所述水和聚磷酸盐水溶液的质量份数之和优选为100份。
48.在本发明中，所述聚磷酸盐水溶液的质量浓度优选为23～41％，更优选为28.6～37.5％。在本发明中，所述聚磷酸盐水溶液中聚磷酸盐优选为聚磷酸铵，更优选为磷酸铵、焦磷酸铵、三聚磷酸铵和四聚磷酸铵中的一种或几种。
49.在本发明中，所述聚磷酸铵优选采用磷酸与尿素的缩合法制备得到。
50.在本发明中，所述聚磷酸铵的制备方法优选包括：将磷酸和尿素混合，进行缩合反应，得到聚磷酸铵。在本发明中，所述磷酸和尿素的质量比优选为95:60～130，更优选为95:80～100。在本发明中，所述缩合反应的温度优选为180℃，所述缩合反应的时间优选为60min。本发明优选在所述缩合反应后，将所得缩合产物依次进行烘干、冷却和研磨，得到聚磷酸铵。
51.在本发明中，所述聚磷酸盐水溶液优选由聚磷酸盐和水混合而成。
52.以所述水的重量份数计，本发明提供的低摩阻水基钻井液的制备原料包括碱度调节剂0.1～2.0份，优选为0.2～0.4份。在本发明中，所述碱度调节剂优选包括氢氧化钠、碳酸钠和氢氧化钾中的一种或多种。
53.以所述水的重量份数计，本发明提供的低摩阻水基钻井液的制备原料包括降滤失剂1.0～4.0份，优选为2.5～3.0份。在本发明中，所述降滤失剂优选为改性淀粉。本发明采用改性淀粉作为降滤失剂相比于天然淀粉在分子链节上引入了羟基，其水溶性、增粘能力和抗微生物作用的能力都得到了显著改善，抗盐、抗钙污染能力强。
54.在本发明中，所述改性淀粉的制备方法优选包括：将马铃薯淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉、菱角淀粉、氢氧化钠、环氧乙烷和水混合，所得混合物注入螺旋挤出机中，控制温度110～120℃，淀粉从螺旋挤出口挤出后瞬间膨化干燥，再将膨化后的淀粉依次进行粗碎和细磨，得到改性淀粉。在本发明中，所述马铃薯淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉、菱角淀粉、氢氧化
钠、环氧乙烷和水的质量比优选为10～30：10～45：10～45：0～15：1～3：5～20：120～180，更优选为10～20：15～35：15～35：10～15：1～3：10～12：140～150。在本发明中，所述水优选为去离子水。
55.在本发明中，所述改性淀粉的目数优选为120目。
56.以所述水的重量份数计，本发明提供的低摩阻水基钻井液的制备原料包括流变调节剂0.1～0.6份，优选为0.2～0.3份。在本发明中，所述流变调节剂优选包括黄原胶、温伦胶，刺槐豆胶、罗望子胶、魔芋胶、香豆胶、瓜尔豆胶和刺槐豆胶中的一种或多种，更优选为黄原胶、温伦胶、刺槐豆胶和瓜尔豆胶的混合物。在本发明中，当所述流变调节剂为黄原胶、温伦胶、刺槐豆胶和瓜尔豆胶的混合物时，所述黄原胶、温伦胶、刺槐豆胶和瓜尔豆胶的质量比优选为20～60：0～25：10～40：10～35，更优选为30～40：20～25：20～30：20～30。本发明的流变调节剂抗温能力好，流变控制能力强，剪切稀释性好。
57.以所述水的重量份数计，本发明提供的低摩阻水基钻井液的制备原料包括防塌封堵剂1.0～3.5份，优选为3.0～3.5份。在本发明中，所述防塌封堵剂优选包括腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的一种或多种，更优选为腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的混合物。在本发明中，当所述防塌封堵剂为腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的混合物时，所述腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的质量比优选为30～55：20～50：30～50，更优选为35～50：20～30：30～40。
58.以所述水的重量份数计，本发明提供的低摩阻水基钻井液的制备原料包括抑制剂1.0～3.5份，优选为2.0～3.0份。在本发明中，所述抑制剂优选为聚胺。
59.以所述水的重量份数计，本发明提供的低摩阻水基钻井液的制备原料包括重晶石0～100份，优选为90份。在本发明中，所述重晶石的粒径优选为200～1000目，更优选为350目。
60.本发明还提供了上述技术方案所述低摩阻水基钻井液的制备方法，包括以下步骤：将制备原料混合，得到低摩阻水基钻井液。本发明对所述混合的具体工艺没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的混合工艺即可。
61.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。
62.实施例1
63.将90质量份淡水，10质量份聚磷酸铵水溶液，0.2质量份氢氧化钠，2.5质量份改性淀粉，0.3质量份流变调节剂，3.0质量份防塌封堵剂，2.0质量份聚胺和90质量份重晶石混合，充分搅拌得到低摩阻水基钻井液。
64.所述聚磷酸铵水溶液的制备方法为：将60质量份尿素和95质量份磷酸放入烧瓶中加热并搅拌至发泡，在180℃反应60min，烘干、冷却、磨粉，得到聚磷酸铵。将40质量份所述聚磷酸铵与100质量份水混合均匀，制得聚磷酸铵水溶液。
65.所述改性淀粉的制备方法为：将10重量份马铃薯淀粉，15重量份木薯淀粉，35重量份玉米淀粉，15份菱角淀粉，3重量份氢氧化钠，10重量份环氧乙烷和150重量份去离子水混合均匀后，注入螺旋挤出机中，控制温度为115℃，淀粉从螺旋挤出口挤出后瞬间膨化干燥，
再将膨化后的淀粉经过粗碎和细磨，过120目筛，制得改性淀粉。
66.所述流变调节剂为黄原胶、温伦胶、刺槐豆胶和瓜尔豆胶的混合物；所述黄原胶、温伦胶、刺槐豆胶和瓜尔豆胶的质量比为20:20:30:10。
67.所述防塌封堵剂为腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的混合物；所述腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的质量比为35:20:30。
68.实施例2
69.将80质量份淡水，20质量份聚磷酸铵水溶液，0.3质量份氢氧化钠，2.5质量份改性淀粉，0.25质量份流变调节剂，3.0质量份防塌封堵剂，2.5质量份聚胺和90质量份重晶石混合，充分搅拌得到低摩阻水基钻井液。
70.所述聚磷酸铵水溶液的制备方法为：将80质量份尿素和95质量份磷酸放入烧瓶中加热并搅拌至发泡，在180℃反应60min，烘干、冷却、磨粉，得到聚磷酸铵。将50质量份所述聚磷酸铵与100质量份水混合均匀，制得聚磷酸铵水溶液。
71.所述改性淀粉的制备方法为：将20重量份马铃薯淀粉，35重量份木薯淀粉，15重量份玉米淀粉，10份菱角淀粉，1重量份氢氧化钠，12重量份环氧乙烷和140重量份去离子水混合均匀后，注入螺旋挤出机中，控制温度为115℃，淀粉从螺旋挤出口挤出后瞬间膨化干燥，再将膨化后的淀粉经过粗碎和细磨，过120目筛，制得改性淀粉。
72.所述流变调节剂为黄原胶、温伦胶、刺槐豆胶和瓜尔豆胶的混合物；所述黄原胶、温伦胶、刺槐豆胶和瓜尔豆胶的质量比为30:20:40:10。
73.所述防塌封堵剂为腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的混合物；所述腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的质量比为50:20:40。
74.实施例3
75.将75质量份淡水，25质量份聚磷酸铵水溶液，0.4质量份氢氧化钠，3.0质量份改性淀粉，0.2质量份流变调节剂，3.5质量份防塌封堵剂，3.0质量份聚胺和90质量份重晶石混合，充分搅拌得到低摩阻水基钻井液。
76.所述聚磷酸铵水溶液的制备方法为：将100质量份尿素和95质量份磷酸放入烧瓶中加热并搅拌至发泡，在180℃反应60min，烘干、冷却、磨粉，得到聚磷酸铵。将60质量份所述聚磷酸铵与100质量份水混合均匀，制得聚磷酸铵水溶液。
77.所述改性淀粉的制备方法为：将10重量份马铃薯淀粉，45重量份木薯淀粉，15重量份玉米淀粉，10份菱角淀粉，1重量份氢氧化钠，12重量份环氧乙烷和140重量份去离子水混合均匀后，注入螺旋挤出机中，控制温度为115℃，淀粉从螺旋挤出口挤出后瞬间膨化干燥，再将膨化后的淀粉经过粗碎和细磨，过120目筛，制得改性淀粉。
78.所述流变调节剂为黄原胶、温伦胶、刺槐豆胶和瓜尔豆胶的混合物；所述黄原胶、温伦胶、刺槐豆胶和瓜尔豆胶的质量比为40:20:20:20。
79.所述防塌封堵剂为腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的混合物；所述腐殖酸钾、磺化褐煤树脂和磺化沥青的质量比为30:30:50。
80.对比例1
81.油基钻井液：将80质量份白油、20质量份饱和氯化钙水溶液、2.0质量份主乳化剂、1.0质量份辅乳化剂、0.8质量份提切剂、1.5质量份碱度调节剂、2.0质量份有机土、3.0质量份降滤失剂、3.0质量份封堵剂和100质量份重晶石充分混合，得到油基钻井液。
82.对比例2
83.聚合物氯化钾钻井液：将100质量份海水、3.0质量份膨润土、0.2质量份碳酸钠、0.4质量份聚阴离子纤维素、0.5质量份聚丙烯酰胺、5质量份氯化钾、1.5质量份羟丙基淀粉、1.0质量份磺化沥青、1.5质量份磺化酚醛树脂、2.0质量份润滑剂和30质量份重晶石充分混合，得到聚合物氯化钾钻井液。
84.对比例3
85.以专利cn111793477a中的实施例6作为对比例3：
86.将70质量份海水、30质量份多功能基液、0.1质量份氢氧化钠、0.25质量份包被剂、2.5质量份降滤失剂、0.15质量份流变调节剂、1.0质量份防塌封堵剂以及80质量份重晶石混合，充分搅拌得到水基钻井液。
87.多功能基液中蓖麻油磷酸酯钠、马来酸
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丙烯酸共聚物、聚乙二醇单油酸酯和水的质量比为40:65:15:40。降滤失剂中马铃薯淀粉、木薯淀粉、芭蕉芋淀粉和菱角淀粉的质量比为10:30:10:25。流变调节剂中黄原胶、罗望子胶、瓜尔豆胶和刺槐豆胶的质量比为55:20:10:5。防塌封堵剂中腐殖酸钾和天然树脂的质量比为30:20。
88.测试例1
89.对实施例1～3和对比例1～3的钻井液性能进行测试，测试钻井液基本性能，使用fann极压润滑仪在150英寸
·
磅作用力下，测试摩阻系数，结果如表1所示。
90.表1实施例1～3和对比例1～3钻井液的基本性能
[0091][0092]
由表1可以看出，实施例1～3以及对比例1～3均具有较好的流变及滤失性能，可以满足钻井需求。用极压润滑仪测试摩阻系数表明，当聚磷酸铵水溶液加量为25质量份时，其摩阻系数为0.0623，接近于油基的0.0560；泥饼粘滞系数为0.0699，明显优于对比例1～3，比聚合物氯化钾钻井液降低43％，比对比例3提供的水基钻井液降低了27％。
[0093]
测试例2
[0094]
针对钻井液的润滑性能，室内进一步使用四球摩擦试验仪评价分别在147n、392n、784n载荷下，30min内不同体系平均摩阻系数，并通过钢球磨痕直径，表征不同钻井液体系的抗磨性能，结果见表2和图1～6。
[0095]
表2实施例1～3以及对比例1～3钻井液的润滑性能
[0096][0097][0098]
从表2可以看出，随着低摩阻水基钻井液体系中聚磷酸铵水溶液比例的增多，体系的摩阻系数逐渐减小，当聚磷酸铵水溶液加量达到25质量份时，体系在147n载荷下30min平均摩阻系数为0.0677，明显优于油基钻井液的0.0896和对比例3水基钻井液的0.0941，明显优于聚合物钻井液体系。且随着载荷不断增大，低摩阻水基钻井液摩阻由0.0677增加至0.0699，油基钻井液由0.0896增加至0.0953，对比例3由0.0941增加至0.1184，随着载荷逐渐增大，摩阻系数呈增大趋势，但低摩阻水基钻井液在高载荷条件下仅略有增加，最高仅增大3％；油基钻井液和对比例3在30min内平均摩阻系数明显高于极压润滑仪摩阻系数，表明低摩阻水基钻井液在长时间高载荷条件下，依然具有较好的抗磨性能。
[0099]
由图1～6产生的磨痕表明，低摩阻水基钻井液磨痕最低仅为0.662mm，而油基钻井液磨痕达到0.845mm，对比例3磨痕为0.842mm，表明低摩阻水基钻井液的抗磨性能明显优于油基钻井液。
[0100]
测试例3
[0101]
为了进一步评价摩擦系数与时间的关系，在147n载荷下，评价实施例3和对比例1～3钻井液的摩阻系数随时间变化情况，如图7所示。
[0102]
由图7可以看出，本发明制备的低摩阻水基钻井液在147n载荷下，摩阻系数几乎不变，而油基钻井液和对比例3提供的水基钻井液摩阻系数分别在450s和600s附近出现拐点式增加，而拐点是钻井液在金属表面形成磨被破坏导致，表明与油基钻井液和对比例3水基钻井液相比，本发明的低摩阻水基钻井液在长时间摩擦条件下更能保护钻具。
[0103]
由以上实施例和对比例测试结果可以看出，本发明提供的低摩阻水基钻井液基本性能可满足大位移井及定向井对于钻井液要求，同时具有较好的润滑性能，其润滑性能堪比油基钻井液，抗磨性能优于油基钻井液。
[0104]
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。