一种钻井液用地层环境[H+]响应型井壁稳定处理剂及其制备方法和应用与流程

一种钻井液用地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂及其制备方法和应用
技术领域
[0001]
本发明涉及钻井领域，具体地说，是涉及一种钻井液用地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂及其制备方法和应用。


背景技术：

[0002]
随着石油勘探向深部发展、页岩气勘探加速，钻遇地层条件越来越复杂，我国西北、华北、四川等重点勘探区域复杂地层井壁失稳问题日益突出。西部地区部分二叠系地层，局部破碎，薄弱点多，非均质性强，裂隙发育，掉块硬度高，易导致卡钻等事故。其中二叠系火成岩裂缝发育，英安岩破碎易产生垮塌。石炭系、志留系硬脆性泥页岩地层，粘土含量较高，微裂缝发育易于形成水化通道而剥落掉块、坍塌。华北工区石盒子、石千峰组硬脆性泥岩地层，微裂缝较为发育，在外力作用下易沿微裂缝破裂，滤液侵入后，降低泥岩强度，引起井壁失稳；涪陵、威远等页岩气区块龙马溪组层理性强、微裂缝发育，水相侵入裂缝，产生水力尖劈作用，诱发井壁失稳。四川海相受断裂、风化剥蚀、裂缝发育影响严重，极易垮塌、掉块造成卡钻等复杂，已发生多起卡钻等复杂情况。
[0003]
钻井液中加入高效井壁稳定处理剂是改善和解决井壁失稳问题的主要方法之一，目前针对硬脆性复杂地层的井壁失稳问题，采用惰性填充封堵是主要技术思路之一。乳化沥青、磺化沥青、氧化沥青等沥青类处理剂如雪佛龙公司的soltex系列产品和progress公司的pro-tex产品，主要利用处理剂中沥青颗粒在软化点附近温度软化变形，在压差作用下，被挤入地层层理的裂隙和孔喉中，封堵井壁的裂缝和孔隙。硅酸盐处理剂可在水中形成不同尺寸的离子、胶体和高分子的纳米级粒子，通过吸附、扩散和化学沉淀等作用，在地层岩石表面形成一层保护膜，封堵地层微裂缝，黏结地层矿物，提高地层的整体胶结能能力，封固井壁。但硅酸盐处理剂对钻井液的ph要求较高，往往在11以上，由于配伍处理剂较少，钻井液的流变性能调控困难，在一定程度上限制了其应用。聚合醇处理剂有效作用温度范围有限，需要其浊点温度与井底循环温度相当，方能有效封堵地层的微裂缝。
[0004]
近年来，国外研究人员基于纳米sio2、纳米zno、纳米碳黑、超微细材料研发了多种的惰性封堵处理剂。但材料用量较大，部分材料加量要达到10％以上。
[0005]
综上所述，现有沥青类、聚合醇处理剂、超微细处理剂及钻井液体系，均为惰性封堵难以高效匹配地层微裂缝，精确控制能力差，有效地层反应活性成分难以可控释放(优先与钻井液处理剂作用)，缺乏可对地层微裂缝进行判断处理的高效井壁稳定处理剂，无法根据复杂地层条件响应处理，实现对于硬脆性泥页岩微裂缝的第一时间快速封堵固壁。
[0006]
铁化合物在钻井液处理剂主要用于钻井液降黏剂铁铬木质素磺酸盐(fcls)生产。铁铬木质素磺酸盐由造纸废液经发酵浓缩后，加入硫酸亚铁和重铬酸钠氧化聚合，再经喷雾干燥而成。而由于铁离子在不同ph条件下可以形成不同形态的羟基氢氧化铁化合物，氢氧化铁粒子大小在1nm到100nm之间时会形成胶体。胶状沉淀的水合氧化铁有较强的吸附性能，能够与地层裂缝表面发生定向吸附，快速封堵地层微裂缝。但直接向钻井液中加入铁盐
及其他化合物，则铁盐会优先与钻井液处理剂发生相互作用，导致钻井液滤失、流变性能遭到破坏，同时难以进入地层。


技术实现要素：

[0007]
为了克服如上所述的现有技术中的不足与缺陷，本发明公开一种钻井液用地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂，其可利用地层环境[h ]激发，通过调控处理剂的形态变化，实现其在地层微裂缝内部快速释放，与地层微裂缝表面发生化学反应，迅速相互聚集生长，实现对微裂缝的快速修补，从而阻隔水化作用通道，减少钻井液滤液对地层的侵入，从而提高硬脆性地层的井壁稳定性。
[0008]
本发明目的之一为提供一种钻井液用地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂，由包括丙烯酸类共聚物、聚酯、有机碱、铁盐、分散改性剂和小分子有机酸在内的组分制备而得。
[0009]
所述井壁稳定处理剂中，优选地，所述组分以重量份计为：
[0010][0011]
更优选地，所述组分以重量份计为：
[0012][0013]
其中，所述铁盐为氯化亚铁、硫酸亚铁、氯化铁、硫酸铁、氧化铁、四氧化三铁、溴化铁、溴化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、硫氰化铁、碘化铁、碘化亚铁、氟化亚铁、氟化铁、硫氰酸亚铁中的一种或多种，更优选氯化亚铁、硫酸亚铁、氯化铁中的一种或多种，例如可选择以上铁盐中的两种、三种等。
[0014]
所述丙烯酸类共聚物为丙烯酸-丙烯酸酯共聚物、聚丙交酯-乙交酯二甲基丙烯酸酯、马来酸酐-丙烯酸共聚物、氯乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐三元共聚物、乙烯-丙烯酸酯-马来酸酐三
元共聚物、乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物中的一种或多种，例如可选择以上丙烯酸类共聚物中的两种、三种等；
[0015]
所述丙烯酸类共聚物的分子量优选为2000～100000；
[0016]
所述丙烯酸类共聚物更优选为2000～100000分子量的丙烯酸-丙烯酸酯共聚物、聚丙交酯-乙交酯二甲基丙烯酸酯、马来酸酐-丙烯酸共聚物中的一种或多种。
[0017]
所述聚酯为聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯、聚对羟基苯甲酸酯中的一种或几种，更优选为聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯中的一种或多种，例如可选择以上聚酯中的两种、三种等。
[0018]
所述有机碱为叔丁醇钾、丁基锂、六甲基二硅胺基钾、六甲基二硅胺基钠、甲醇钠、二异丙基胺基锂、苯基锂、乙醇钾中的一种或多种，更优选为叔丁醇钾、丁基锂、六甲基二硅胺基钾、甲醇钠中的一种或多种，例如可选择以上有机碱中的两种、三种等。
[0019]
所述分散改性剂为氟化聚丙烯酸酯、磺基琥珀酸酯、油酸酰胺、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵中的一种或多种，更优选为氟化聚丙烯酸酯、磺基琥珀酸酯中的一种或多种，例如可选择以上分散改性剂中的两种、三种等。
[0020]
所述小分子有机酸为柠檬酸、草酸、苯甲酸、油酸、水杨酸、乙酸、甲酸、酒石酸、苹果酸中的一种或多种，优选为柠檬酸、苯甲酸、乙酸中的一种或多种，例如可选择以上小分子有机酸中的两种、三种等。
[0021]
所述井壁稳定处理剂中，进一步地还可包括隔离助剂。
[0022]
所述隔离助剂优选为滑石粉、二氧化硅、钛白粉、碳酸钙、重晶石、土粉中的一种或多种，例如可选择以上隔离助剂中的两种、三种等；
[0023]
所述隔离助剂的粒径优选为200～2000目；
[0024]
所述隔离助剂最优选200～2000目的滑石粉、二氧化硅、钛白粉中的一种或多种。
[0025]
本发明目的之二为提供所述井壁稳定处理剂的制备方法，包括将包含丙烯酸类共聚物、聚酯、有机碱、铁盐、分散改性剂和小分子有机酸在内的组分进行反应。
[0026]
优选地，所述制备方法包括将包含丙烯酸类共聚物、聚酯、有机碱、铁盐、分散改性剂和小分子有机酸在内的进行反应，干燥粉碎后加入隔离助剂。
[0027]
根据本发明一个优选的实施方式，所述制备方法可包括以下步骤：
[0028]
(1)将丙烯酸类共聚物、聚酯分散至有机溶剂中，加入有机碱、铁盐进行反应；
[0029]
(2)加入分散改性剂进行反应；
[0030]
(3)加入小分子有机酸进行反应；
[0031]
(4)回收有机溶剂、干燥粉碎。
[0032]
在以上制备方法中，所述步骤(4)干燥粉碎后可加入隔离助剂。
[0033]
本发明制备方法中，以重量份计，所述反应组分的用量为：
[0034][0035][0036]
其中，所述步骤(1)中，所述有机溶剂为四氢呋喃、氯仿、呋喃、二氧六环、乙醇、乙酸乙酯、甲苯、二甲基亚砜、乙酸丁酯、异丙醇、乙腈、丙酮中的一种或两种以上溶剂的混合物，其中更优选四氢呋喃、二氧六环、乙酸乙酯中的至少一种。
[0037]
所述制备方法中，所述步骤(1)中，所述反应的反应温度为-10～120℃，优选为30～120℃。
[0038]
所述制备方法中，所述步骤(2)和步骤(3)中，反应在常温或室温下进行即可。
[0039]
其中，所述铁盐为氯化亚铁、硫酸亚铁、氯化铁、硫酸铁、氧化铁、四氧化三铁、溴化铁、溴化亚铁、硝酸铁、硝酸亚铁、硫氰化铁、碘化铁、碘化亚铁、氟化亚铁、氟化铁、硫氰酸亚铁中的一种或多种，更优选氯化亚铁、硫酸亚铁、氯化铁中的一种或多种。
[0040]
所述丙烯酸类共聚物为丙烯酸-丙烯酸酯共聚物、聚丙交酯-乙交酯二甲基丙烯酸酯、马来酸酐-丙烯酸共聚物、氯乙烯-甲基丙烯酸酯共聚物、乙烯-丙烯酸共聚物、丙烯酸-丙烯酸羟丙酯共聚物、丙烯酸-丙烯酸酯-磺酸盐三元共聚物、乙烯-丙烯酸酯-马来酸酐三元共聚物、乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物、丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯共聚物中的一种或多种；更优选为2000～100000分子量的丙烯酸-丙烯酸酯共聚物、聚丙交酯-乙交酯二甲基丙烯酸酯、马来酸酐-丙烯酸共聚物中的一种或多种。
[0041]
所述聚酯为聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯、聚对羟基苯甲酸酯中的一种或几种，更优选为聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸二烯丙酯中的一种或多种。
[0042]
所述有机碱为叔丁醇钾、丁基锂、六甲基二硅胺基钾、六甲基二硅胺基钠、甲醇钠、二异丙基胺基锂、苯基锂、乙醇钾中的一种或多种，更优选为叔丁醇钾、丁基锂、六甲基二硅胺基钾、甲醇钠中的一种或多种。
[0043]
所述分散改性剂为氟化聚丙烯酸酯、磺基琥珀酸酯、油酸酰胺、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵中的一种或多种，更优选为氟化聚丙烯酸酯、磺基琥珀酸酯中的一种或多种。
[0044]
所述小分子有机酸为柠檬酸、草酸、苯甲酸、油酸、水杨酸、乙酸、甲酸、酒石酸、苹果酸中的一种或多种，优选为柠檬酸、苯甲酸、乙酸中的一种或多种。
[0045]
所述隔离助剂优选为滑石粉、二氧化硅、钛白粉、碳酸钙、重晶石、土粉中的一种或多种。
[0046]
根据本发明一个优选的实施方式，所述制备方法的步骤如下：
[0047]
(1)将丙烯酸类共聚物、聚酯、有机溶剂依次加入到反应釜中，搅拌均匀，使各组分均匀分散于有机溶剂中，控制温度至反应温度；向反应釜中加入有机碱、铁盐，控温进行配位络和反应1～24h；
[0048]
(2)接着常温或室温下加入分散改性剂，继续反应1～3h；
[0049]
(3)使反应釜温度至室温，向上述反应釜中加入一定量的小分子有机酸，进行中和反应3～5h；
[0050]
(4)进一步通过减压蒸馏去除有机溶剂；最后将剩余物干燥粉碎后加入无机隔离助剂即得到实现地层环境[h ]响应型主动释放反应型井壁稳定处理剂。
[0051]
本发明以丙烯酸类共聚物、聚酯、有机碱、铁盐、分散改性剂、小分子有机酸为原料，通过控温配位络和反应、中和反应、干燥粉碎后加入隔离助剂即得到可实现地层环境[h ]响应型主动释放反应型井壁稳定处理剂。其能够利用地层环境[h ]激发，实现地层环境下的快速精准释放，可释放生成出不同形态羟基氢氧化铁簇合物修复组分，通过快速聚集、定向吸附反应，实现对地层微裂缝的内部修复和定点强化，可大幅度减少井壁稳定处理剂的用量，同时实现对井下微裂缝第一时间的固壁强化，阻隔水化作用通道，降低钻井液的滤失量，有效地提高地层井壁稳定性。
[0052]
以下为本发明的一种实施方案的反应过程示意：
[0053][0054]
本发明通过控制上述反应条件和过程，成功制备以丙烯酸类共聚物、聚酯作为主要的羟基氢氧化铁化合物的负载材料，其能够在钻井液环境中(ph》8)保持良好的负载状
态，进入地层以后，由于地层环境(ph《7)，负载材料与羟基氢氧化铁化合物的化学键发生断裂，导致其进入地层以后释放生成出不同形态的羟基氢氧化铁簇合物，由于羟基氢氧化铁簇合物具有较高的电荷且尺寸为1nm到100nm之间，能够快速聚集、定向吸附反应，实现对地层微裂缝的内部修复和定点强化。
[0055]
本发明目的之三为提供所述钻井液用地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂在石油勘探钻井领域钻井液中的应用。
[0056]
本发明提供的钻井液用地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂，由丙烯酸类共聚物、聚酯、有机碱、铁盐、分散改性剂、有机溶剂、小分子有机酸，通过控温反应、溶剂回收、干燥粉碎后加入隔离助剂即可得到，可实现地层环境[h ]响应型主动释放反应，可有效封堵地层微裂缝，增强井壁稳定性。该封堵处理剂的制备方法简单、易于操作、易于工业化，可广泛应用于水基钻井液，强化井壁的稳定性，满足复杂地层勘探开发的要求。
附图说明
[0057]
图1为从钻井液环境向地层环境根据ph变化实现地层响应的示意图。
[0058]
图2为实施例3的样品的红外图谱。
[0059]
图3为实施例3样品水溶液调节ph变化后的粒径变化。
[0060]
图3可证明根据ph变化，羟基氢氧化铁化合物可实现快速释放，迅速聚集。
具体实施方式
[0061]
下面结合具体实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
[0062]
本发明具体实施方式中所用原料为市售所得。
[0063]
实施例1
[0064]
向一500ml三口瓶中抽换气三次后，加入100g丙烯酸-丙烯酸酯共聚物(分子量2000)、25g聚对苯二甲酸乙二酯，加入250ml四氢呋喃，搅拌至各组分充分分散，控制温度为-10℃，加入10g丁基锂、12.5g氯化亚铁，反应1h后，升温至室温，加入1.25g氟化聚丙烯酸酯，继续反应1h，再加入10g苯甲酸，反应3h后，利用减压蒸馏技术回收有机溶剂，将剩余物干燥粉碎，加入200目17.5g滑石粉，搅拌均匀，即得到157g棕黄色地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂。
[0065]
实施例2
[0066]
向一2000ml三口瓶中抽换气三次后，加入100g聚丙交酯-乙交酯二甲基丙烯酸酯(分子量100 000)、150g聚对苯二甲酸二烯丙酯加入500ml二氧六环，搅拌至各组分充分分散，控制温度为120℃，加入75g叔丁醇钾、50g硫酸亚铁，反应24h后，降温至室温，加入2.5g磺基琥珀酸酯，继续反应3h，再加入50g乙酸，反应5h后，利用减压蒸馏技术回收有机溶剂，将剩余物干燥粉碎，加入2000目50g钛白粉，搅拌均匀，即得到466g棕黄色地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂。
[0067]
实施例3
[0068]
向一2000ml三口瓶中抽换气三次后，加入100g丙烯酸-丙烯酸酯共聚物(分子量
30000)和20g马来酸酐-丙烯酸共聚物(分子量70000)和60g聚对苯二甲酸二烯丙酯(分子量10000)，加入400ml乙酸乙酯和600ml氯仿，搅拌至各组分充分分散，控制温度为30℃，加入12g六甲基二硅胺基钾和12g六甲基二硅胺基钠、50g氯化铁，反应12h后，降温至室温，加入1.5g氟化聚丙烯酸酯和0.5g十八烷基三甲基溴化铵，反应2h后，再加入60g柠檬酸，反应3h后，利用减压蒸馏技术回收有机溶剂，将剩余物干燥粉碎，加入1000目20g滑石粉和800目20g二氧化硅，搅拌均匀，即得到335g棕红色地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂。
[0069]
实施例4
[0070]
向一5 000ml三口瓶中抽换气三次后，加入300g丙烯酸-丙烯酸酯共聚物(分子量2000)、100g聚丙交酯-乙交酯二甲基丙烯酸酯(分子量10 0000)、50g马来酸酐-丙烯酸共聚物(分子量5 0000)、150g聚对苯二甲酸乙二酯、50g聚对苯二甲酸二烯丙酯，加入2000ml四氢呋喃，搅拌至各组分充分分散，控制温度为100℃，加入100g甲醇钠和12g六甲基二硅胺基钠、80g氯化铁、20g四氧化三铁，反应12h后，降温至室温，加入7.5g氟化聚丙烯酸酯和7.5g磺基琥珀酸酯，反应2h后，再加入50g酒石酸、50g苹果酸、50g草酸，反应5h后，利用减压蒸馏技术回收有机溶剂，将剩余物干燥粉碎，加入1500目100g滑石粉，搅拌均匀，即得到1017g黄色地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂。
[0071]
对比例1
[0072]
选用市售的铝基处理剂max-plex(贝克休斯公司产品)作为井壁稳定处理剂。
[0073]
实施例5地层响应检测
[0074]
由于羟基氢氧化铁簇合地层物释放后会生成出不同形态的羟基氢氧化铁簇合物，羟基氢氧化铁簇合物具有较高的电荷且尺寸为1nm到100nm之间，因此粒度存在明显的变化，通过调节溶液的ph，即可以跟踪监测羟基氢氧化铁簇合物的释放变化，例如以实施例3的样品为例，实施例3样品红外图谱如图2所示。由于发生铁离子与羧酸的配位，导致其羰基的降低到1577cm-1
。
[0075]
实施例3样品水溶液调节ph变化后的粒径变化如图3所示。将实例3制得样品其溶于水中，其ph值为9.0，粒径为624.1nm，以配置3％的盐酸标准溶液，进一步滴入上述溶液中，同时以用ph计测溶液的ph值。ph值为8.0，粒径为794.7nm，进一步滴入盐酸，ph值为7.5，粒径为1836nm，ph值为7.0，粒径为2030nm。
[0076]
实施例6微裂隙封堵性能评价
[0077]
以膨润土和重晶石为原料，利用gg42-2型高温高压滤失仪制备一定厚度的泥饼以模拟纳微米级地层(渗透率575.01-2
md)，通过测量含有1.5％的地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂在不同温度条件下模拟地层中的平均流量，结合达西公式，计算封堵前后模拟地层的渗透率，从而得到不同温度地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂对模拟地层的封堵率，如表1所示。
[0078]
表1
[0079][0080]
从上表可以看出，钻井液中地层环境[h ]响应型井壁稳定处理剂在相应温度条件下的封堵率均高于95％，表明处理剂对纳微米孔隙地层具有良好的封堵能力，显著优于市售的井壁稳定产品max-plex。