一种防塌钻井液及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于钻井液技术领域，具体涉及一种防塌钻井液及其制备方法和应用。


背景技术：

2.在煤层气或过煤层钻井过程中，由于煤岩割理发育、结构破碎、机械强度低，常导致起下钻遇阻、卡钻等井下复杂情况频发，延误工程进度，严重时甚至导致井眼钻井工程报废，造成重大经济损失。
3.复杂煤层井壁失稳一方面是由于煤岩本身具有割理、微裂缝发育，胶结疏松，脆性大等特征，钻井液滤液易侵入，导致煤岩之间胶结力降低，在外力作用下易破碎坍塌；另一方面是由于在外来流体的影响下，煤岩中的黏土矿物发生水化，水化产生的内张力从内部破坏了煤的完整性。因此，加强物理封堵和化学胶结阻止钻井液滤液侵入，提高煤岩强度，同时高效抑制黏土水化，是提高复杂煤层井壁稳定的重要技术对策。
4.例如，cn109294531a公开一种水基钻井液的复合沥青防塌抑制剂及水基钻井液，所述复合沥青防塌抑制剂包括天然沥青，十二烷基苯磺酸钠，乙烯-丙烯酸乙酯，表面活性剂，碳纤维，硬脂酸锌，硬脂酸钙，石灰石料粉末；所述水基钻井液包括蒙脱石，水，重晶石，聚乙二醇和所述复合沥青防塌抑制剂。所述水基钻井液采用特定的复合沥青防塌抑制剂，可以获得良好的防塌和润滑能力；且制备方法简单，便于生产，有利于推广。但是，所述水基钻井液的hthp滤失量有待进一步降低，并且页岩膨胀率较高。
5.因此，开发一种能够对复杂煤层岩石的微孔隙、微裂缝进行有效封堵，减小钻井液滤液侵入，提高井周岩石的承压能力，且抑制性能较好，同时还具有较好润滑减阻性能的防塌水基钻井液，是本领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种防塌钻井液及其制备方法和应用。所述防塌钻井液通过加入特定含量的抑制剂、封堵剂和固壁剂，使得所述钻井液通过“物理封堵-化学胶结-抑制水化”的多元协同作用，能够对复杂煤层岩石的微孔隙、微裂缝进行有效封堵，减小钻井液滤液侵入，提高井周岩石的承压能力，且抑制性能较好，同时还具有较好润滑减阻性能，适用于复杂煤层。
7.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
8.第一方面，本发明提供一种防塌钻井液，以重量份计，所述防塌钻井液包括水90～100份、抑制剂1～3份、封堵剂7～13份和固壁剂0.1～0.3份；所述封堵剂包括弹性封堵剂、刚性封堵剂和纳米封堵剂的组合。
9.本发明中，所述防塌钻井液，通过抑制剂、封堵剂和固壁剂复配，使得所述钻井液通过“物理封堵-化学胶结-抑制水化”的多元协同作用，提高水基钻井液对复杂煤层岩石的微孔隙、微裂缝的封堵效果，减小钻井液滤液侵入，提高井周岩石的承压能力，且抑制性能较好；而通过特定组合的封堵剂与抑制剂和固壁剂的协同增效，能够进一步有效抑制复杂
煤层的水化膨胀，降低岩石膨胀率。
10.优选地，以重量份计，所述防塌钻井液包括水90～100份，例如可以为92份、94份、96份、98份等。
11.优选地，以重量份计，所述防塌钻井液包括1～3份抑制剂，例如可以为1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份等。
12.优选地，以重量份计，所述防塌钻井液包括封堵剂7～13份，例如可以为7.5份、8份、8.5份、9份、9.5份、10份、10.5份、11份、11.5份、12份、12.5份等。
13.优选地，以重量份计，所述防塌钻井液包括固壁剂0.1～0.3份，例如可以为0.12份、0.14份、0.16份、0.18份、0.2份、0.22份、0.24份、0.26份、0.28份等。
14.本发明中，特定的含量的抑制剂、封堵剂和固壁剂搭配使用，对岩石的封堵效果最优，有效抑制岩石水化膨胀；所述抑制剂用量过多时，导致钻井液流变性差。
15.优选地，所述防塌钻井液中抑制剂、封堵剂和固壁剂的质量比为1:(6～13):(0.1～0.3)，其中(6～13)中具体取值，例如可以为6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12、12.5等；(0.1～0.3)中具体取值可以为0.12、0.14、0.16、0.18、0.2、0.22、0.24、0.26、0.28等。
16.优选地，所述抑制剂包括聚丙烯酸钾和/或聚胺。
17.优选地，以重量份计，所述封堵剂包括3～5份弹性封堵剂(例如可以为3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份等)、3～5份刚性封堵剂(例如可以为3份、3.2份、3.4份、3.6份、3.8份、4份、4.2份、4.4份、4.6份、4.8份等)和1～3份纳米封堵剂(例如可以为1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份等)。
18.优选地，所述封堵剂中弹性封堵剂、刚性封堵剂和纳米封堵剂的质量比为1:(1～1.7):(0.2～1)，其中，(1～1.7)中具体取值，例如可以为1.1、1.15、1.2、1.25、1.3、1.35、1.4、1.45、1.5、1.55、1.6、1.65、1.7等；(0.2～1)中具体取值例如可以为0.22、0.24、0.26、0.28、0.3、0.32、0.34、0.36、0.38、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95等，进一步优选为1:(1.5～1.7):(0.2～1)。
19.本发明中，所述封堵剂通过特定配比的封堵剂协同增效，进一步提高钻井液对岩石的封堵效果，提高岩石承压能力。
20.优选地，所述弹性封堵剂包括改性沥青和/或弹性石墨。
21.优选地，所述改性沥青包括磺化沥青。
22.优选地，所述弹性封堵剂的粒径为20～100μm，例如可以为25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm等，进一步优选为20～70μm。
23.优选地，所述刚性封堵剂包括方解石和/或碳酸钙。
24.优选地，所述刚性封堵剂的目数为800～1200目，例如可以为820目、840目、860目、880目、900目、920目、940目、960目、980目、1000目、1020目、1040目、1060目、1080目、1100目、1120目、1140目、1160目、1180等。
25.优选地，所述纳米封堵剂包括聚合物微球和/或二氧化硅。
26.优选地，所述纳米封堵剂的粒径为100～300nm，例如可以为120nm、140nm、160nm、180nm、200nm、220nm、240nm、260nm、280nm等。
27.本发明中，所述纳米封堵剂能有效封堵岩石的微孔隙、微裂缝，同时也有助于弱化复杂煤层岩石的毛细效应。
28.优选地，所述固壁剂包括化学固壁剂。
29.优选地，所述化学固壁剂包括改性多糖。
30.优选地，所述改性多糖包括含有邻苯二酚结构的壳聚糖。
31.本发明中，所述化学固壁剂能吸附在井壁岩石和钻屑表面形成一层疏水膜，同时发挥化学胶结作用，提高井壁承压能力。
32.优选地，以重量份计，所述防塌钻井液还包括1～3份膨润土，例如可以为1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份等。
33.优选地，所述膨润土包括钠基膨润土。
34.优选地，以重量份计，所述防塌钻井液还包括0.05～0.15份ph调节剂，例如可以为0.06份、0.07份、0.08份、0.09份、0.1份、0.11份、0.12份、0.13份、0.14份等。
35.优选地，所述ph调节剂包括碳酸钠和/或氢氧化钠。
36.优选地，以重量份计，所述防塌钻井液还包括加重材料15～30份，例如可以为16份、17份、18份、19份、20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份等。
37.优选地，所述加重材料包括重晶石。
38.优选地，以重量份计，所述防塌钻井液还包括1～2份降滤失剂，例如可以为1.2份、1.4份、1.6份、1.8份等。
39.优选地，所述降滤失剂包括改性淀粉。
40.优选地，以重量份计，所述防塌钻井液还包括0.05～0.2份增粘提切剂，例如可以为0.06份、0.08份、0.1份、0.12份、0.14份、0.16份、0.18份、0.2份等。
41.优选地，所述增粘提切剂包括黄原胶。
42.优选地，以重量份计，所述防塌钻井液还包括1～3份润滑减阻剂，例如可以为1份、1.2份、1.4份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.4份、2.6份、2.8份等。
43.本发明中，所述润滑减阻剂由基础油、表面活性剂、分散剂、抗氧剂等多种成分组成，可在金属钻具和井壁岩石表面吸附形成致密的极压微纳米吸附膜，能显著降低摩阻，也有助于降低钻井液的循环当量密度(ecd)，减小钻井液滤液侵入驱动力。
44.第二方面，本发明提供一种根据第一方面所述的防塌钻井液的制备方法，所述制备方法包括：
45.将水、抑制剂、封堵剂和固壁剂混合，得到所述防塌钻井液。
46.优选地，所述混合的物料还包括膨润土、ph调节剂、加重材料、降滤失剂、增粘提切剂或润滑减阻剂中的任意一种或至少两种的组合。
47.优选地，所述混合的转速为5000～7000rpm，例如可以为5200rpm、5400rpm、5600rpm、5800rpm、6000rpm、6200rpm、6400rpm、6800rpm等。
48.优选地，所述混合的时间为1～2h，例如可以为1h、1.5h、2h等。
49.本发明中，所述制备方法包括将所述膨润土、ph调节剂、降滤失剂、抑制剂、增粘提切剂、弹性封堵剂、刚性封堵剂、纳米封堵剂、化学固壁剂、润滑减阻剂依次加入水中，随后加入加重材料进行加重。
50.第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的防塌钻井液在复杂煤层钻探过程中
的应用。
51.本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
52.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
53.本发明提供的防塌钻井液，通过特定含量和种类的抑制剂、封堵剂和固壁剂协同增效，能够通过物理封堵和化学胶结作用对复杂煤层岩石的微孔隙、微裂缝进行有效封堵，减小钻井液滤液侵入，提高井周岩石的承压能力，并且对岩石的水化膨胀具有优异的抑制效果；进一步地，通过特定种类和含量的弹性封堵剂、刚性封堵剂和纳米封堵剂，进一步提高对煤层的封堵效果和岩石承压能力，制备方法简单，适于生产。
具体实施方式
54.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
55.本发明中，所有实施例和对比例用到的材料如下：
56.钠基膨润土：购自潍坊华潍新材料科技有限公司；
57.碳酸钠和氢氧化钠：购自山东九重化工有限公司；
58.改性淀粉：购自中海油田服务股份有限公司，货号pf-fltrol；
59.聚丙烯酸钾：购自四川西南油大石油工程有限公司，货号fa367；
60.聚胺抑制剂：购自山东石大创新有限公司，货号sdja；
61.黄原胶：购自淄博同越石油化工有限公司，货号xc；
62.改性沥青：购自山东石大创新有限公司，货号ff-1；
63.弹性石墨：购自青岛金涛石墨有限公司，货号为jt-11；
64.刚性方解石颗粒：购自灵寿县雷鸣矿产品加工厂，货号fjs；
65.刚性碳酸钙颗粒：购自上高县华硅矿业有限公司；
66.纳米聚合物微球：购自山东石大创新有限公司，货号sdpm；
67.改性纳米二氧化硅：购自山东得顺源石油科技有限公司，货号ns-1；
68.化学固壁剂：购自山东石大创新有限公司，货号sdgb；
69.润滑减阻剂：购自山东石大创新有限公司，货号sdr-1；
70.重晶石：购自灵寿县茂卓建材有限公司。
71.实施例1
72.本实施例提供一种防塌钻井液，以重量份计，所述防塌钻井液包括水100份、钠基膨润土2份、氢氧化钠0.15份、改性淀粉1份、聚胺抑制剂1.5份、黄原胶0.15份、磺化沥青3份、碳酸钙5份(1200目)、纳米聚合物微球1.5份、化学固壁剂sdgb 0.2份、润滑减阻剂3份和18.5份重晶石。
73.本实施例提供一种所述防塌钻井液的制备方法，具体包括以下步骤：
74.在6000rpm转速条件下，按顺序向钻井液浆杯中添加钠基膨润土、氢氧化钠、改性淀粉、聚胺抑制剂、黄原胶、磺化沥青、碳酸钙、纳米聚合物微球、化学固壁剂sdgb、润滑减阻剂，并用重晶石加重，充分搅拌后，得到所述防塌钻井液。
75.实施例2
76.本实施例提供一种防塌钻井液，以重量份计，所述防塌钻井液包括水100份、钠基膨润土2份、氢氧化钠0.15份、改性淀粉1份、聚丙烯酸钾1.5份、黄原胶0.15份、弹性石墨3份、方解石5份、改性纳米二氧化硅1.5份、化学固壁剂sdgb 0.2份、润滑减阻剂3份和18.5份重晶石。
77.本实施例提供一种所述防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
78.实施例3
79.本实施例提供一种防塌钻井液，以重量份计，所述防塌钻井液包括水100份、钠基膨润土2份、氢氧化钠0.15份、改性淀粉1份、聚胺抑制剂1.5份、黄原胶0.15份、弹性石墨3份、碳酸钙5份(1200目)、纳米聚合物微球1.5份、化学固壁剂sdgb 0.2份、润滑减阻剂3份和25.5份重晶石。
80.本实施例提供一种所述防塌钻井液的制备方法，其与实施例1的区别仅在于，所述制备方法中：用重晶石加重体系密度至1.3g/cm3，其它步骤及参数均与实施例1相同。
81.实施例4
82.本实施例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述聚胺抑制剂、封堵剂和化学固壁剂sdgb的总量不变，质量比为1:5:0.13，其它原料、用量及配比均与实施例1相同。
83.本实施例提供一种防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
84.实施例5
85.本实施例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述聚胺抑制剂、封堵剂和化学固壁剂sdgb的总量不变，质量比为1:6:0.05，其它原料、用量及配比均与实施例1相同。
86.本实施例提供一种防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
87.实施例6
88.本实施例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂的总量不变，磺化沥青、碳酸钙和纳米聚合物微球的质量比为1:1:0.5，其它原料、用量均与实施例1相同。
89.本实施例提供一种防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
90.实施例7
91.本实施例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，将所述封堵剂中磺化沥青替换为等重量份的白沥青，其它原料、用量均与实施例1相同。
92.本实施例提供一种防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
93.实施例8
94.本实施例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂中磺化沥青的粒径为75μm，其它原料、用量均与实施例1相同。
95.本实施例提供一种防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
96.实施例9
97.本实施例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂中磺化沥青的粒径为10μm，其它原料、用量均与实施例1相同。
98.本实施例提供一种防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
99.实施例10
100.本实施例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂中碳酸钙的目数为400目，其它原料、用量均与实施例1相同。
101.本实施例提供一种防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
102.实施例11
103.本实施例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂中碳酸钙的目数为1500目，其它原料、用量均与实施例1相同。
104.本实施例提供一种防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
105.实施例12
106.本实施例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，将纳米聚合物微球替换为相同粒径的醋酸乙烯-乙烯共聚合物乳液，其它原料、用量均与实施例1相同。
107.本实施例提供一种防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
108.实施例13
109.本实施例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，将所述化学固壁剂替换为腐殖酸铝，其它原料、用量均与实施例1相同。
110.本实施例提供一种防塌钻井液的制备方法，具体步骤与实施例1相同。
111.对比例1
112.本对比例提供一种kcl/聚合物水基钻井液，以重量份计，所述kcl/聚合物水基钻井液包括水100份、钠基膨润土2份、氢氧化钠0.3份、聚阴离子纤维素0.3份、改性淀粉降滤失剂1份、聚胺抑制剂1.5份、黄原胶0.15份、改性沥青12份、氯化钾8份、润滑剂3份和21.5份重晶石。
113.本对比例提供一种kcl/聚合物水基钻井液的制备方法，具体包括以下步骤：
114.在6000rpm转速条件下，按顺序向钻井液浆杯中添加钠基膨润土、氢氧化钠、聚阴离子纤维素、改性淀粉降滤失剂、聚胺抑制剂、黄原胶、改性沥青、氯化钾和润滑剂，并用重晶石加重，得到所述kcl/聚合物水基钻井液。
115.对比例2
116.本对比例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述聚胺抑制剂的份数为0.5份，其它原料、用量及制备方法均与实施例1相同。
117.对比例3
118.本对比例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂各组分配比不变，总量为5份，其它原料、用量及制备方法均与实施例1相同。
119.对比例4
120.本对比例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂各组分配比不变，总量为20份，其它原料、用量及制备方法均与实施例1相同。
121.对比例5
122.本对比例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述固壁剂的份数为0.05份，其它原料、用量及制备方法均与实施例1相同。
123.对比例6
124.本对比例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述固壁剂的份数为0.6份，其它原料、用量及制备方法均与实施例1相同。
125.对比例7
126.本对比例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂中没有磺化沥青，封堵剂总量不变，碳酸钙与纳米聚合物微球配比不变，其它原料、用量及制备方法均与实施例1相同。
127.对比例8
128.本对比例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂中没有碳酸钙，封堵剂总量不变，磺化沥青与纳米聚合物微球配比不变，其它原料、用量及制备方法均与实施例1相同。
129.对比例9
130.本对比例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂中没有纳米聚合物微球，封堵剂总量不变，碳酸钙与磺化沥青配比不变，其它原料、用量及制备方法均与实施例1相同。
131.对比例10
132.本对比例提供一种防塌钻井液，其与实施例1的区别仅在于，所述封堵剂总量不变，只有磺化沥青，其它原料、用量及制备方法均与实施例1相同。
133.性能测试
134.将实施例1～13、对比例1～10提供的钻井液在120℃下，热滚16h，测其热滚前后的流变性、滤失性、润滑性以及抑制性能；
135.(1)表观粘度(av)、塑性粘度(pv)和动切力(yp)：采用gb/t 16783石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液中流变性的测试方法进行测试；
136.(2)api滤失量(fl
api
)和hthp滤失量(fl
hthp
)：采用gb/t 16783石油天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液中滤失量测试方法；
137.(3)润滑系数：采用fann钻井液e-p极压润滑仪进行测试；
138.(4)岩屑滚动回收率和岩心膨胀率：将复杂煤层岩样，处理成5-10目的颗粒进行岩屑滚动分散回收率实验，同时，将岩屑研磨过100目筛子压制成岩心进行膨胀率测试实验，评价钻井液的抑制性能；采用nb/t 10121-2018钻井液对页岩抑制性评价方法进行测试。
139.具体测试结果如表1所示：
140.表1
141.[0142][0143]
由上表可知，本发明提供的防塌钻井液，通过抑制剂、封堵剂和固壁剂复配，以及所述封堵剂选用弹性封堵剂、刚性封堵剂和纳米封堵剂的组合，使得所述钻井液通过“物理封堵-化学胶结-抑制水化”的多元协同作用，能够对复杂煤层岩石的微孔隙、微裂缝进行有效封堵，减小钻井液滤液侵入，提高井周岩石的承压能力，且抑制性能较好，同时还具有较好润滑减阻性能。
[0144]
由实施例1～3可知，所述防塌钻井液的粘度适中，热滚后api滤失量为2～2.8ml，hthp滤失量为7.2～7.8ml，润滑系数为0.1206～0.1236，岩屑滚动回收率为95.23～95.37％，岩心膨胀率为7.38～8.09％，能够有效抑制岩石水化膨胀。
[0145]
由实施例1与实施例4和5比较可知，所述抑制剂、封堵剂和固壁剂不在特定的范围内，钻井液滤失量升高，封堵性能变差，无法形成致密封堵层；由实施例1与实施例6比较可知，所述封堵剂中弹性封堵剂、刚性封堵剂和纳米封堵剂不在特定范围内时，钻井液滤失量升高，封堵性能变差，无法形成致密封堵层；由实施例1与实施例7～9比较可知，所述弹性封堵剂并非特定种类和粒径时，钻井液滤失量升高，封堵性能变差，无法形成致密封堵层；由实施例1与实施例10～11比较可知，所述刚性封堵剂并非特定目数时，钻井液滤失量升高，封堵性能变差，无法形成致密封堵层；由实施例1与实施例12比较可知，采用聚合物乳液替换聚合物微球后，钻井液滤失造壁性及抑制性能变差；由实施例1与实施例13比较可知，所述化学固壁剂sdgb采用其它化学固壁剂替换后，钻井液滤失造壁性及抑制性能变差。
[0146]
由实施例1～3与对比例1比较可知，本发明提供的防塌钻井液各方面性能都优于kcl/聚合物水基钻井液；由实施例1与对比例2～6比较可知，所述抑制剂、封堵剂或固壁剂不在特定范围内时，钻井液滤失造壁性及抑制性能变差，特别当固壁剂含量过高时，对钻井液增粘较为严重；由实施例1与对比例7～10比较可知，所述封堵剂并非特定的组合与抑制剂和固壁剂复配，钻井液滤失造壁性及抑制性能变差。
[0147]
综上所述，本发明提供的防塌钻井液，通过特定含量和种类的抑制剂、封堵剂和固壁剂复配，使得所述钻井液粘度、切力适中，滤失量较低，有效抑制岩石水化膨胀，且润滑减阻及分散性能较好，能够提高复杂煤层的井壁稳定性能。
[0148]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详
细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。