專利背景
在深井、超深井或高地溫梯度地層鑽井過程中,井底溫度可達200~250攝氏度或更高,井下高溫環境嚴重影響鑽井液的各項性能,尤其是在含鹽地層,高溫導致鑽井液中的化學劑失效,鑽井液稠化或稀釋嚴重、高溫高壓濾失量難以控制等,造成井壁坍塌、掉塊,井眼縮徑、不規則等複雜井內情況,影響施工質量和施工成本。
二十一世紀初,中國國內外抗高溫鑽井液技術發展較快,研製了大量耐溫200攝氏度以上的鑽井液處理劑,也出現了一大批抗高溫的鑽井液配方:(1)海泡石鑽井液,由皂石、海泡石、高相對分子質量聚合物降濾失劑、低相對分子質量聚合物解絮凝劑等組成,抗溫能力可提高到260攝氏度;(2)有機鹽鑽井液,由甲酸鈉、甲酸鉀、甲酸銫等配製,是近幾年發展起來的一種新型無固相水基鑽井液,與相關高溫處理劑有較好的配伍性,缺點是成本較高。(3)低膠體鑽井液,由木質素鉻、褐煤和樹脂、高溫濾失控制劑和液體穩定劑、聚合物增粘劑構成,熱穩定性達260攝氏度,在美國很多地區的深井中套用並取得了良好的效果,但其對固相含量的控制要求嚴格。(4)聚合物鑽井液,如Magcobor公司的Duratherm system、Baroid公司的Polynox體系、Milpark公司的PYRO-DRILL體系。體系中含有有機聚合物包被劑及高溫穩定劑,抗溫達200攝氏度以上,抗鹽、抗鈣能力較強。
這些抗高溫鑽井液體系抗220攝氏度高溫沒有問題,但同時其抗鹽能力一般不超過5%氯化鈉。因此,截至2014年11月6日,從相關抗高溫鑽井液套用來看,還難以滿足高溫含鹽地層鑽探的需要。
發明內容
專利目的
《一種超高溫抗鹽鑽井液及其製備方法》提供了一種超高溫抗鹽鑽井液,可套用於井底溫度高(240攝氏度以上)和高鹽(飽和鹽)環境下的鑽井施工,通過在井壁上形成低滲透率、柔韌、薄而緻密的濾餅,降低鑽井液的濾失量,減少有害液體向地層濾失。該鑽井液具有良好流變性、潤滑性,濾失量低,抗鹽能力強。
《一種超高溫抗鹽鑽井液及其製備方法》目的之一是提供一種超高溫抗鹽鑽井液,目的之二在於提供一種超高溫抗鹽鑽井液的製備方法。
技術方案
《一種超高溫抗鹽鑽井液及其製備方法》提供一種超高溫抗鹽鑽井液,包含有按以重量份計的以下組分:
其中,以水為100份計,降濾失劑PFL-L優選0.5~4份,降濾失劑PFL-M優選0.5~4份,進一步優選0.5~3份,降濾失劑PFL-H優選0.5~5份,進一步優選0.5~3份,磺化酚醛樹脂優選3~6份,磺化褐煤優選3~6份,固相化學清潔劑優選0.5~2份,高溫防塌封堵劑優選2~5份,潤滑劑優選2~5份,表面活化劑優選0.3~1份,pH值調節劑優選1.0~2.5份。
所述粘土,可選自鈉膨潤土和鈣膨潤土、凹凸棒土、海泡石中的至少一種;優選鈉膨潤土。所述鈉膨潤土可為天然鈉基膨潤土或鈣基膨潤土經鈉化而得。所述粘土可形成鑽井液基本的膠體穩定體系,由於切力懸浮作用,可以提高鑽井液的懸浮穩定性。
所述降濾失劑PFL-L、PFL-M、PFL-H可為含有大量磺酸基團的不同相對分子量的聚合物,在含鹽較高的情況下具有良好的抗高溫降濾失能力,抗溫達到240攝氏度;所述降濾失劑PFL-L、M、H為該申請人自主研發產品,已獲得中國發明專利授權(ZL201110294876.8、ZL201110300021.1、ZL201110300019.4),並已獲得美國專利(US 8623791B2)、哈薩克斯坦專利(KZ 28026)。所述降濾失劑PFL-L、PFL-M、PFL-H是含有大量磺酸基的不同相對分子量的聚合物,其中,PFL-L的分子量範圍為10~30萬,PFL-M的分子量範圍為30~50萬,PFL-H的分子量範圍為50~70萬。所述降濾失劑為超高溫抗鹽鑽井液的主劑,其分子鏈剛性強、具有一定支化程度,並帶有一定數量和配比的磺酸基和氨基官能團,在粘土礦物上吸附能力強,三種不同分子量的產品配合使用,使鑽井液在超高溫下不增稠、不絮凝,且有利於形成薄而緻密的泥餅,具有優越的降濾失性能。
所述磺化酚醛樹脂選自磺甲基酚醛樹脂、陽離子磺化酚醛樹脂、兩性離子磺化酚醛樹脂中的至少一種;優選磺甲基酚醛樹脂。所述磺化酚醛樹脂具體可為SMP-Ⅱ型。所述磺化酚醛樹脂屬於水溶性樹脂,可吸附在粘土粒子的表面和端面,阻止自由水分子與粘土粒子的接觸,使粘土粒子保持合理的級配,利於形成緻密的泥餅。
磺化褐煤用於提高粘土的聚結穩定性,既有降失水作用又有稀釋作用。
所述固相化學清潔劑可為ZSC-201;ZSC-201是一種小陽離子聚合物,具有良好的抑制地層和鑽屑水化分散的能力,可以配合高分子量聚合物清除鑽井液中的微細鑽屑等有害固相。
所述高溫防塌封堵劑選自中、高軟化點瀝青、磺化瀝青、陽離子瀝青粉中的至少一種;其中,環球法測軟化點75~95攝氏度為中軟化點瀝青,環球法軟化點為95~120攝氏度為高軟化點瀝青。優選磺化瀝青,具體可為磺化瀝清HQ-10。所述高溫防塌封堵劑具有較高的軟化點,可封堵地層的微裂隙,增加泥餅緻密性和潤滑性。
所述潤滑劑包括酯類和高沸點礦物油類,其中,酯類可以是油酸甲酯、硬脂酸甲酯和棕櫚酸甲酯等及其改性產物中的至少一種,高沸點礦物油類可選自7號工業級白油、15號工業級白油等。所述潤滑劑具體可優選為SMJH-1;SMJH-1是改性的酯類潤滑劑,含有可在高極壓下與金屬發生化學反應的組分,具有較好的極壓潤滑性能。
所述鹽可為氯化鈉或氯化鉀中的至少一種;所述表面活性劑,為非離子的表面活性劑,可優選為非離子的失水山梨醇脂肪酸酯類,具體可選自失水山梨醇酐單油酸酯(斯盤80)、失水山梨醇酐單硬脂酸酯(斯盤60)、失水山梨醇酐單棕櫚酸酯(斯盤40)中的至少一種;優選失水山梨醇酐單油酸酯。所述表面活性劑具有雙憎作用,使粘土顆粒端面惰性化,提高鑽井液的熱穩定性。
pH值調節劑可保持鑽井液pH值在9~11,該領域內通常的pH值調節劑都適用,具體可為碳酸鈉或鉀,氫氧化鈉或鉀;優選氫氧化鈉或氫氧化鉀。
所述加重劑選自重晶石、鐵礦粉、碳酸鈣中的至少一種;優選重晶石。
其中,所述鹽和加重劑是可選組份,加重劑是否加入和加入多少是根據地層壓力及鑽井液密度的需要來確定,鹽是根據鑽遇的地層含鹽情況確定配製淡水或鹽水鑽井液。具體地,該領域技術人員所公知的,地層壓力大,在鑽井過程中為平衡地層壓力所需的鑽井液密度就大。舉例來說,如果地層壓力係數是1.8,則所需鑽井液密度一般在1.80~1.90克/立方厘米,那么需要加入密度4.2克/立方厘米左右的重晶石140~160份(每100份水中)。如果地層壓力係數是1.0,所需鑽井液密度一般在1.0~1.1克/立方厘米,基本上不需要加入重晶石。如果地層中不含鹽膏層或沒有鹽水層,就可用淡水鑽井液鑽井;如果含大段鹽膏層,就需要用飽和鹽水鑽井液,即每100份水中鹽加量達到35份。
《一種超高溫抗鹽鑽井液及其製備方法》提供一種超高溫抗鹽鑽井液的製備方法。所述超高溫抗鹽鑽井液的製備方法包括以下步驟:
(1)粘土基漿配製:將所述粘土加入水中製成粘土基漿,養護;其中,還可加入碳酸鈉或碳酸鉀,以助粘土分散;碳酸鈉或碳酸鉀的用量可以為粘土用量的0~10質量百分比,優選為3~6質量百分比。具體可包括將水加入容器內,邊攪拌邊加入碳酸鈉或碳酸鉀,待完全溶解,攪拌下慢慢加入粘土,高攪約20分鐘,密封,室溫養護至少24小時。
(2)鑽井液製備:在養護後的粘土基漿中,在攪拌下加入所述降濾失劑PFL-H、PFL-M和PFL-L,溶解後,再在攪拌下加入包含磺化酚醛樹脂、磺化褐煤、固相化學清潔劑、高溫防塌封堵劑、潤滑劑、表面活性劑、pH調節劑(若有鹽,加入鹽)在內的組分,加完後高攪,若有加重劑,再加入加重劑,高攪,即得超高溫抗鹽鑽井液。
具體可包括:在養護後的粘土基漿中,在攪拌下依次加入降濾失劑PFL-H、PFL-M和PFL-L,高攪10~30分鐘後,再在攪拌下加入磺化酚醛樹脂、磺化褐煤、固相化學清潔劑、高溫防塌封堵劑、潤滑劑、表面活性劑、pH調節劑和鹽在內的組分,加完後高攪10~30分鐘,加入加重劑,再高攪約5~20分鐘,即得超高溫抗鹽鑽井液。所述高攪具體指8000~11000轉/分鐘。
改善效果
《一種超高溫抗鹽鑽井液及其製備方法》提供的超高溫抗鹽鑽井液,在240攝氏度以上的高溫下不增稠、流變性易於控制、抗氯化鈉達30%(1升鑽井液中氯化鈉可達300克)、高溫高壓濾失量小。可套用於井底溫度高於240攝氏度和高鹽(飽和鹽)環境下的鑽井施工,套用效果良好。
技術領域
《一種超高溫抗鹽鑽井液及其製備方法》涉及石油和天然氣勘探和開發領域的一種水基鑽井液,具體地說是用於超深井及超高溫地層鑽探的一種超高溫抗鹽鑽井液及其製備方法。
權利要求
1、一種超高溫抗鹽鑽井液,包含有以重量份計的如下組分:
所述固相化學清潔劑為ZSC-201;所述高溫防塌封堵劑選自中、高軟化點瀝青、磺化瀝青、陽離子瀝青粉中的至少一種;所述潤滑劑選自酯類和高沸點礦物油類中的至少一種;所述表面活性劑選自失水山梨醇酐單油酸酯、失水山梨醇酐單硬脂酸酯、失水山梨醇酐單棕櫚酸酯中的至少一種。
2、根據權利要求1所述的一種超高溫抗鹽鑽井液,其特徵在於包含有以重量份計的如下組分:
3、根據權利要求1所述的一種超高溫抗鹽鑽井液,其特徵在於:所述粘土,選自鈉膨潤土和鈣膨潤土、凹凸棒土、海泡石中的至少一種。
4、根據權利要求1所述的一種超高溫抗鹽鑽井液,其特徵在於:所述磺化酚醛樹脂選自磺甲基酚醛樹脂、陽離子磺化酚醛樹脂、兩性離子磺化酚醛樹脂中的至少一種。
5、根據權利要求1所述的一種超高溫抗鹽鑽井液,其特徵在於:所述酯類選自油酸甲酯、硬脂酸甲酯和棕櫚酸甲酯及其改性產物中的至少一種;所述高沸點礦物油類選自7號工業級白油、15號工業級白油中的至少一種。
6、根據權利要求1所述的一種超高溫抗鹽鑽井液,其特徵在於:所述加重劑選自重晶石、鐵礦粉、碳酸鈣中的至少一種。
7、根據權利要求1所述的一種超高溫抗鹽鑽井液,其特徵在於:所述鹽選自氯化鉀、氯化鈉中的至少一種。
8、根據權利要求1~7之任一所述的一種超高溫抗鹽鑽井液,其特徵在於:所述超高溫抗鹽鑽井液的製備方法包括以下步驟:(1)粘土基漿配製:將所述粘土加入水中製成粘土基漿,養護;(2)鑽井液製備:在養護後的粘土基漿中,加入所述降濾失劑PFL-H、PFL-M和PFL-L,溶解後,再在攪拌下加入包含磺化酚醛樹脂、磺化褐煤、固相化學清潔劑、高溫防塌封堵劑、潤滑劑、表面活性劑、pH調節劑在內的組分,加完後高攪,即得超高溫抗鹽鑽井液。
9、根據權利要求1~8之任一所述的一種超高溫抗鹽鑽井液的製備方法,其特徵在於包括以下步驟:(1)粘土基漿配製:將所述粘土加入水中製成粘土基漿,養護;(2)鑽井液製備:在養護後的粘土基漿中,在攪拌下加入所述降濾失劑PFL-H、PFL-M和PFL-L,溶解後,再在攪拌下加入包含磺化酚醛樹脂、磺化褐煤、固相化學清潔劑、高溫防塌封堵劑、潤滑劑、表面活性劑、pH調節劑在內的組分,加完後高攪,即得超高溫抗鹽鑽井液。
10、根據權利要求9所述的一種超高溫抗鹽鑽井液的製備方法,其特徵在於:所述步驟(2)中加完除加重劑外所有組分後高攪10~30分鐘,之後加入加重劑,再高攪5~20分鐘;所述高攪指8000~11000轉/分鐘。
實施方式
操作內容
以下結合實施例,進一步說明《一種超高溫抗鹽鑽井液及其製備方法》。但該發明並不僅限於下述實施例。(註:超高溫抗鹽鑽井液性能的評價方法參照中華人民共和國行業標準ZB/TE13004—90(鑽井液測試程式))。
實驗原料來源:鈉膨潤土:勝利油田博友泥漿技術有限責任公司;降濾失劑PFL-H:中國石化石油工程技術研究院;降濾失劑PFL-M:中國石化石油工程技術研究院;降濾失劑PFL-L:中國石化石油工程技術研究院;磺化酚醛樹脂SMP-Ⅱ型:天津華孚油田化學有限公司;磺化褐煤:天津華孚油田化學有限公司;固相化學清潔劑ZSC-201:中國石化中原石油勘探局鑽井工程技術研究院;磺化瀝青HQ-10:北京宏勤石油助劑有限公司;潤滑劑SMJH-1:中國石化石油工程技術研究院;山梨醇酐單油酸酯:天津市興復精細化工研究所;硫酸鋇:安縣華西礦粉有限公司出產的重晶石,密度4.2克/立方厘米;氫氧化鈉、氯化鉀、氯化鈉、碳酸鈉:均為北京化工廠生產;其他原料均為市售。
實施案例
在400克水中加入0.8克碳酸鈉,溶解完全後加入16克鈉膨潤土,高攪20分鐘後密閉室溫放置24小時。高攪下依次加入4克降濾失劑PFL-H、6克降濾失劑PFL-M、2克降濾失劑PFL-L,高攪20分鐘,高攪下依次再加入8克磺化酚醛樹脂SMP-Ⅱ型、8克磺化褐煤、3克固相化學清潔劑ZSC-201、12克磺化瀝清HQ-10、8克潤滑劑SMJH-1、1.2克山梨醇酐單油酸酯、5克氫氧化鈉,加完後高攪20鐘,加入60克重晶石,高攪10分鐘,測流變性能和中壓失水量,260攝氏度高溫滾動16小時,降至室溫,高攪5分鐘,測流變性能、中壓失水量和180攝氏度下的高溫高壓失水量。
老化前鑽井液性能:塑性粘度35毫帕·秒、動切力9帕、中壓失水7.6毫升。
經260攝氏度高溫滾動16小時後,鑽井液性能:塑性粘度25毫帕·秒、動切力14帕、中壓失水3.4毫升、高溫高壓失水11毫升。
該鑽井液配方在江蘇油田實驗成功,井底溫度211攝氏度,鑽井液流變性、潤滑性好,攜岩能力強,180攝氏度下高溫高壓濾失量低於10毫升。該井創造了中國石化“超高溫多目標定向井最深6010米”石油工程新紀錄。
在400克水中加入0.7克碳酸鈉,溶解完全後加入14克鈉膨潤土,高攪2分鐘後密閉室溫放置24小時。高攪下依次加入6克降濾失劑PFL-H、4克降濾失劑PFL-M、4克降濾失劑PFL-L,高攪20分鐘,高攪下依次再加入12克磺化酚醛樹脂SMP-Ⅱ型、12克磺化褐煤、3克固相化學清潔劑ZSC-201、12克磺化瀝清HQ-10、6克潤滑劑SMJH-1、1.5克山梨醇酐單油酸酯、6克氫氧化鈉,加完後高攪20分鐘,再加入260克重晶石,高攪10分鐘,測流變性能和中壓失水量,260攝氏度高溫滾動16小時,降至室溫,高攪5分鐘,測流變性能、中壓失水量和180攝氏度下的高溫高壓失水量。
老化前鑽井液性能:塑性粘度37毫帕·秒、動切力8帕、中壓失水7.6毫升。
經260攝氏度高溫滾動16小時後,鑽井液性能:塑性粘度22毫帕·秒、動切力11帕、中壓失水6.4毫升、高溫高壓失水15毫升。
在400克水中加入0.6克碳酸鈉,溶解完全後加入12克鈉膨潤土,高攪20分鐘後密閉室溫放置24小時。高攪下依次加入6克降濾失劑PFL-H、3克降濾失劑PFL-M、6克降濾失劑PFL-L,高攪20分鐘,高攪下依次再加入16克磺化酚醛樹脂SMP-Ⅱ型、16克磺化褐煤、5克固相化學清潔劑ZSC-201、10克磺化瀝清HQ-10、4克潤滑劑SMJH-1、1.5克山梨醇酐單油酸酯、8克氫氧化鈉、30克氯化鉀,加完後高攪20分鐘,再加入260克重晶石,高攪10分鐘,測流變性能和中壓失水量,240攝氏度高溫滾動16小時,降至室溫,高攪5分鐘,測流變性能、中壓失水量和180攝氏度下的高溫高壓失水量。
老化前鑽井液性能:塑性粘度53毫帕·秒、動切力19帕、中壓失水2.8毫升。
經240攝氏度高溫滾動16小時後,鑽井液性能:塑性粘度22毫帕·秒、動切力15帕、中壓失水2.6毫升、高溫高壓失水12毫升。
在400克水中加入8克鈉膨潤土,高攪20分鐘後密閉室溫放置24小時。高攪下依次加入3克降濾失劑PFL-H、3克降濾失劑PFL-M、9克降濾失劑PFL-L,高攪20分鐘,高攪下依次再加入8克磺化酚醛樹脂SMP-Ⅱ型、20克磺化褐煤、5克固相化學清潔劑ZSC-201、10克磺化瀝清HQ-10、10克潤滑劑SMJH-1、1.5克山梨醇酐單油酸酯、8克氫氧化鈉、120克氯化鈉,加完後高攪20分鐘,再加入725克重晶石,高攪10分鐘,測流變性能和中壓失水量,240攝氏度高溫滾動16小時,降至室溫,高攪5分鐘,測流變性能、中壓失水量和180攝氏度下的高溫高壓失水量。
老化前鑽井液性能:塑性粘度73毫帕·秒、動切力20帕、中壓失水4.4毫升。
經240攝氏度高溫滾動16小時後,鑽井液性能:塑性粘度65毫帕·秒、動切力13帕、中壓失水4.8毫升、高溫高壓失水17毫升。
在該領域中,一般的鑽井液經過260攝氏度和240攝氏度的高溫滾動後鑽井液增稠,塑性粘度和切力和大幅度增加,流變性變差,有的鑽井液經過260攝氏度和240攝氏度的高溫滾動後,特別是在高鹽度下失去膠體穩定性,變稀甚至分層,這些鑽井液180攝氏度下測得的高溫高壓失水量均較大,一般可達50毫升以上,甚至全部濾失,嚴重影響鑽井施工。而從上述《一種超高溫抗鹽鑽井液及其製備方法》實施例的測試結果看,淡水鑽井液和飽和鹽水鑽井液在分別經過260攝氏度和240攝氏度的高溫滾動後,該發明的超高溫抗鹽鑽井液仍具有良好的流變性能,不增稠,且180攝氏度下測得的高溫高壓失水量小。表明其抗高溫能力強,可用於井底溫度高於240攝氏度和高鹽(飽和鹽)環境下的鑽井施工。
專利榮譽
2021年6月24日,《一種超高溫抗鹽鑽井液及其製備方法》獲得第二十二屆中國專利銀獎。