降粘剂与钻井液及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及钻井液技术领域，尤其涉及一种降粘剂与钻井液及其制备方法与应用。


背景技术：

2.随着世界能源需求的增加和地球浅层资源的过度开发，人们不得不把钻探目标从浅海转向深海、从浅层逐步转向深层，深井和超深井的钻探已经成为今后钻探工业发展的一个重要方向。
3.深井钻进过程中，井底温度高、压力高，地层结构复杂，钻井过程经常会遇到高压油气层、膏泥岩和高压盐水层等复杂地层。在钻井作业过程中会发生软泥岩和盐膏层蠕变、高压盐水侵入、井壁失稳等问题，从而引起卡钻、钻井液污染、井壁坍塌、溢流等井下复杂事故，给钻井作业带来极大困难和风险。井越深井底温度越高，钻井液在井下停留和循环的时间也越长。钻井液在低温条件下不易发生的变化、作用和不剧烈的反应都会因为高温变得易发和敏感，钻井液的性能变化和稳定性变成了突出问题，井越深，温度越高，问题越严重。
4.因此，急需一种新的钻井液体系，能适用于高温深井的钻井要求，从而满足我国复杂地层深井安全、快速、优质、高效钻井的技术需要。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种降粘剂与钻井液及其制备方法与应用。该降粘剂的原料组合物包括硬酯酰基异丁烯酸酯、苯乙烯、丙烯酸、丙烯酰胺、二氧化硅以及有机溶剂，该降粘剂制备的钻井液在高温条件下表现出流变性好、滤失量小、抑制性强的特点，具有很好的沉降稳定性和抗污染性能。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种降粘剂，其中，以重量份计，所述降粘剂的原料组合物包括：50份有机溶剂、5-12份硬酯酰基异丁烯酸酯、1-7份苯乙烯、1-5份丙烯酸和丙烯酰胺、1-10份质量浓度为4％-8％的二氧化硅分散液，1-10份引发剂，其中，所述丙烯酸和丙烯酰胺的质量比为1:(1-1.5)。
7.在本发明的具体实施方案中，所述降粘剂一般是由所述原料组合物通过反应制备得到的，所述反应的温度可以控制为50-80℃，所述反应的时间可以控制为3-8h。
8.在本发明的具体实施方案中，所述丙烯酸和丙烯酰胺的质量比优选为1:1。
9.在本发明的具体实施方案中，所述原料组合物之间的反应一般由引发剂引发，所述引发剂可以包括偶氮类引发剂、有机过氧化物引发剂和氧化还原引发剂中的一种或两种以上的组合。所述偶氮类引发剂优选为偶氮二异丁酸二甲酯。
10.在本发明的具体实施方案中，所述有机溶剂一般作为反应溶剂使用，所述有机溶剂优选为二甲苯。
11.在本发明的具体实施方案中，所述引发剂与所述有机溶剂的质量比一般控制为(1-10)：50。
12.在本发明的具体实施方案中，上述降粘剂的制备方法一般包括以下步骤：将有机溶剂加热至50-80℃，然后依次加入硬酯酰基异丁烯酸酯、苯乙烯、丙烯酸和丙烯酰胺，充分溶解后加入二氧化硅的分散液，再加入引发剂，反应3-8h后对反应产物洗涤、过滤和干燥，得到所述降粘剂，该降粘剂一般为淡黄色固体。
13.本发明还提供了一种钻井液，其中，以重量份计，所述钻井液包括：100份水，0.1-3份上述降粘剂，0.1-5份包被剂，3-15份降滤失剂，3-15份抑制剂，5-25份封堵剂，50-220份加重剂。
14.在本发明的具体实施方案中，以重量份计，上述钻井液优选包括：100份水，0.5-2.8份上述降粘剂，0.5-4份包被剂，5-13份降滤失剂，5-13份抑制剂，7-23份封堵剂，60-200份加重剂。
15.在本发明的具体实施方案中，所述包被剂一般为乙烯基单体多元共聚物pac-141。所述乙烯基单体多元共聚物pac-141是一种水溶性离子型丙烯酸钠、丙烯酸钙、丙烯酰胺等的多元共聚物，其为含有多种功能团的高分子聚合物，外观为白色或微黄色流动粉末，易溶于水、水溶液呈弱碱性。乙烯基单体多元共聚物pac-141与钻井液配伍性好，应用于低固相不分散聚合物水基钻井液时，具有改善流变参数、提高剪切稀释能力、降低滤失量、包被钻屑、抑制分散等作用，并且表现出抗盐、抗高温的能力。
16.在本发明的具体实施方案中，所述降滤失剂可以包括羟甲基淀粉(cms)和/或羧甲基淀粉钠(cms-na)，优选为羟甲基淀粉。所述羟甲基淀粉对泥浆的塑性粘度影响小，对动力、切力影响大，有利于携带钻屑、降低失水量、提高钻井液中粘土颗粒的聚结稳定性的作用。羟甲基淀粉作为钻井液的组成成分应用于钻盐膏层时，具有使钻井液稳定、降低流失量、能够有效防止井壁崩塌的作用。
17.在本发明的具体实施方案中，所述抑制剂可以包括knpan(成分为钾铵基水解聚丙烯腈)、磺化沥青钠盐(例如抑制剂sas-1)和活化沥青(例如抑制剂nh-3)中的一种或两种以上的组合、优选为活化沥青。
18.在本发明的具体实施方案中，所述封堵剂可以包括纳米硫酸钡、阳离子乳化沥青和石蜡乳化液中的一种或两种以上的组合，所述封堵剂优选为纳米硫酸钡(例如纳米硫酸钡nd-1等)。其中，所述阳离子乳化沥青是沥青经过磺化、阳离子改性后乳化形成的一种高效泥浆处理剂，在应用于钻井液时具有加量少、防塌性能好、耐高温、降失水效果显著等特点，在一些实施方案中，所述阳离子乳化沥青可以采用阳离子乳化沥青sft-i等。所述石蜡乳化液是固体石蜡经乳化后制得的乳状液，属于一种微软变形封堵剂，在一些实施方案中，所述石蜡乳化液可以采用石蜡乳化液ep-2等。
19.在本发明的具体实施方案中，所述加重剂可以提高钻井液的静液柱压力，起到平衡地层坍塌应力、稳定井壁的作用，同时在高压井中可以平衡地层的流体压力，防止井涌、井喷等事故的发生。所述加重剂可以包括重晶石、磁铁矿粉和钛铁矿粉中的一种或两种以上的组合。
20.在本发明的具体实施方案中，所述加重剂优选为重晶石。所述重晶石可以以重晶石粉(又称硫酸钡粉，化学组成为baso4)的形式加入上述钻井液中。重晶石粉属正交(斜方)晶系的硫酸盐矿物，常呈厚板状或柱状晶体，多为致密块状或板状、粒状集合体。重晶石质纯时无色透明，含杂质时被染成各种颜色，条痕白色，玻璃光泽，透明至半透明，一般具3个
方向的完全和中等解理，莫氏硬度3-3.5，比重4.5。
21.在本发明的具体实施方案中，所述钻井液可以包括：100份水，0.1-3份(优选0.5-2.8份)上述降粘剂，0.1-5份(优选0.5-4份)乙烯基单体多元共聚物pac-141，3-15份(优选5-13份)羟甲基淀粉和/或羧甲基淀粉钠，3-15份(优选5-13份)knpan、磺化沥青钠盐和活化沥青中的一种或两种以上的组合，5-25份(优选7-23份)纳米硫酸钡、磺化沥青类和石蜡乳化液中的一种或两种以上的组合，50-220份重晶石、磁铁矿粉和钛铁矿粉中的一种或两种以上的组合。
22.在本发明的具体实施方案中，所述钻井液的密度一般控制为1.6-2.4g/cm3。
23.在本发明的具体实施方案中，所述钻井液的ph值一般为10-11。在具体实施方案中，可以采用氢氧化钠等调节钻井液的ph值。
24.在本发明的具体实施方案中，上述钻井液的制备方法包括：将降滤失剂、抑制剂、包被剂、封堵剂、加重剂混合后调节ph值，得到所述钻井液。
25.在本发明的具体实施方案中，以钻井液总重为100％计，所述钻井液还可以包括1-4％膨润土和/或0.1-0.3％碳酸钠。膨润土具有强的吸湿性和膨胀性，可吸附8-15倍于自身体积的水量，体积膨胀可达数倍至30倍，在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状；碳酸钠又名苏打、洗剂碱，属于盐类，具有盐的通性和稳定性，易溶于水，其水溶液呈碱性。
26.在本发明的具体实施方案中，上述钻井液的制备方法还可以包括：将膨润土、碳酸钠加入水中搅拌、静置一段时间(一般静置24小时)，得到预水化的基浆；然后依次加入降滤失剂、抑制剂、包被剂、封堵剂、加重剂充分混合，调节ph值，得到所述钻井液。
27.本发明还进一步提供了上述钻井液在高温深层钻井作业中的应用。例如，上述钻井液在120℃、热滚16h后，还能够达到95％以上的回收率。
28.本发明的有益效果在于：本发明提供的钻井液配制工艺简单、易维护，在高温下流变性好、滤失量小、抑制性强、具有很好的沉降稳定性和抗污染性能。
具体实施方式
29.为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
30.实施例2-4中所用的包被剂为乙烯基单体多元共聚物pac-141、降滤失剂为羟甲基淀粉cms、抑制剂为活化沥青(抑制剂nh-3)，封堵剂为纳米硫酸钡nd-1、加重剂为重晶石。
31.实施例2-4中所用的膨润土购自灵寿县坤纳矿产品加工厂、型号为0100-kn，其主要成分是二氧化硅、三氧化二铝和水，同时含有铁、镁、钙、钠、钾等元素；
32.碳酸钠购自吴江市杰达化工有限公司；氢氧化钠购自沧州阳迪化工产品有限公司、型号为5300；
33.乙烯基单体多元共聚物pac-141购自濮阳市弘大化工制造有限公司，是一种水溶性离子型丙烯酸钠、丙烯酸钙、丙烯酰胺等多元共聚物；
34.羟甲基淀粉购自燕兴化工有限公司，1％的该产品的悬浮液经100℃热滚16h后，其api降滤失量降低率为95％；
35.重晶石购自石家庄鑫波矿产品有限公司、型号为03。
36.实施例1
37.本实施例提供了一种降粘剂，其是由以下方法制备的：
38.1、将50重量份二甲苯加入三口烧瓶，水浴加热至65℃，再依次加入8重量份硬酯酰基异丁烯酸酯、4重量份苯乙烯、质量比为1:1的丙烯酸和丙烯酰胺共3重量份，充分溶解后依次加入5重量份、质量浓度为5％的二氧化硅的水分散液、5重量份偶氮二异丁酸二甲酯(作为引发剂)，反应5h，得到反应产物。
39.2、将上述反应产物用乙醇反复洗涤、过滤、真空干燥，得到降粘剂，该降粘剂为淡黄色固体。
40.实施例2
41.本实施例提供了一种钻井液，其制备过程利用了实施例1得到的降粘剂，该钻井液的具体制备方法如下：
42.1、将7重量份膨润土、0.5重量份碳酸钠依次加入100重量份水中搅拌6h，静置24h，得到预水化的基浆。
43.2、依次将3重量份降滤失剂、3重量份抑制剂、5重量份封堵剂、0.1重量份降粘剂，0.1重量份包被剂，50重量份加重剂加入上述预水化的基浆，用氢氧化钠调节体系的ph值为10-11，得到钻井液。
44.实施例3
45.本实施例提供了一种钻井液，其制备过程利用了实施例1得到的降粘剂，该钻井液的具体制备方法如下：
46.1、将7重量份膨润土、0.5重量份碳酸钠依次加入100重量份水中搅拌6h，静置24h，得到预水化的基浆。
47.2、依次将15重量份降滤失剂、15重量份抑制剂、25重量份封堵剂、3重量份降粘剂，5重量份包被剂，220重量份加重剂加入上述预水化的基浆，用氢氧化钠调节体系的ph值为10-11，得到钻井液。
48.实施例4
49.本实施例提供了一种钻井液，其制备过程利用了实施例1得到的降粘剂，该钻井液的具体制备方法如下：
50.1、将10重量份膨润土、0.5重量份碳酸钠依次加入100重量份水中搅拌6h，静置24h，得到预水化的基浆。
51.2、依次将8重量份降滤失剂、10重量份抑制剂、15重量份封堵剂、2重量份降粘剂，2重量份包被剂，180重量份加重剂加入上述预水化的基浆，用氢氧化钠调节体系的ph值为10-11，得到钻井液。
52.对比例1
53.本对比例提供了一种钻井液，其制备方法与实施例2中的钻井液的制备方法基本相同，区别在于本对比例的钻井液的原料组合物中不包括降粘剂。
54.对比例2
55.本对比例提供了一种钻井液，其制备方法与实施例2中的钻井液的制备方法基本相同，区别在于本对比例将实施例1中的乙烯基单体多元共聚物pac-141替换为两性离子聚合物强包被剂fa-367。
56.对比例3
57.本实施例提供了一种钻井液，其制备方法与实施例2中的钻井液的制备方法基本相同，区别在于本实施例以羟乙基叉二膦酸替换实施例2中的降粘剂。
58.测试例1
59.本测试例以实施例2-5、对比例1-2制备的钻井液为样品，将各样品分别放置于120℃高温滚子炉热滚16h后，用ggs42-2a型高温高压失水仪分别进行常温、120℃条件下hthp失水实验，用于评价钻井液的流变性能和滤失性能。
60.测试温度为120℃的hthp失水实验的具体步骤如下：
61.1、将加热套和相应电压电源接通，将温度计插入温度计孔，将加温套加热至测量温度120℃，在整个测试过程中用温控器保持温度恒定。
62.2、将各钻井液样品搅拌30min后装入浆杯，并保持钻井液样品的液面不超过浆杯上端13mm处，放上滤纸，上好浆杯。
63.3、将浆杯的上端和下端气阀关闭，将浆杯反转加入加温套，将温度计插入温度计孔中。
64.4、将浆杯的上端、下端气阀分别连接上、下加压管汇，再将上、下气阀销住。保持气阀关闭的状态，向上、下管汇施加0.5mpa的压力。打开上端气阀，通入气压，并加温至120℃。
65.5、当温度达到设定温度时，将上端气压加至4mpa，然后打开下端气阀(将下气阀向打开方向旋转90
°
)，保持下端气阀的压力为4mpa，若下端气阀回压超过4mpa，泄放一些滤液以放掉一些回压；在下端气阀处放置滤液收集装置。保持120℃的温度，收集滤液30min，记下测量温度和压力下的滤液体积的毫升数，钻井液在浆杯中加热的时间不超过1h。
66.6、记标准过滤面积为45.2cm2、过滤面积为22.6cm2，；滤液体积乘2的结果记为hthp滤失量、总结在表1中。
67.7、在测量结束后，关闭上下两个气阀，拔掉t型销，释放调压器中的气压，以毫米为记录单位。
68.测试温度为常温的hthp失水实验的具体步骤同上，区别在于以常温温度替代120℃的测试温度。测试结果总结在表1中，其中，av为表观粘度、pv为塑性粘度。
69.表1
[0070][0071]
由表1的结果可以看出，实施例2-5的钻井液样品的表观粘度、塑性粘度和失水量均小于对比例1-2的钻井液的表观粘度、塑性粘度和失水量，证明本发明提供的钻井液具有流变性好、滤失量低的特点。
[0072]
测试例2
[0073]
本测试例以实施例2-5、对比例1-2的钻井液为样品，将岩样放置于钻井液(空白组为清水代替钻井液)和50g红层土中，经过120℃高温滚子炉热滚后，测量热滚前后岩样的质量变化来评价各钻井液样品的抑制性能。具体测试过程如下：
[0074]
1、将6-10目的岩样在120℃下烘干至恒重，自然冷却至室温。称取50g岩样放入盛有350ml样品的老化罐中在120℃下滚动16h，自然冷却后取出。
[0075]
2、用40目筛回收岩样在水中筛洗干净，将筛中岩样转移至表面皿，在120℃下烘4h。
[0076]
3、将表面皿在室温风干4h，称量岩样的重量为m，按照以下公式计算回收率：
[0077]
其中，s为回收率，单位为％；m为40目筛后岩样干重，单位为g。测试结果总结在表2中。
[0078]
表2
[0079]
编号配方实验条件回收质量(g)回收率(％)空白组清水 50g红层土120℃/16h5.4210.84实施例2钻井液体系 50g红层土120℃/16h48.2396.46实施例3钻井液体系 50g红层土120℃/16h48.5697.12实施例4钻井液体系 50g红层土120℃/16h48.5197.02实施例5钻井液体系 50g红层土120℃/16h48.2896.56对比例1钻井液体系 50g红层土120℃/16h30.4560.9
对比例2钻井液体系 50g红层土120℃/16h25.6451.28
[0080]
由表2可以看出，岩样在实施例2-5的钻井液体系热滚后的回收率明显高于在对比例1-2的钻井液热滚后的回收率，说明本发明提供的钻井液的抑制性强、具有很好的沉降稳定性。