一種低固相低溫聚合物鉆井液的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鉆井液，尤其涉及一種低溫條件下性能良好的鉆井液，屬于工程 材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 凍土天然氣水合物賦存于高壓低溫的相態(tài)平衡環(huán)境，在凍土地區(qū)進(jìn)行天然氣水合 物鉆探要求鉆井液必須能有效抑制水合物分解，維持其相態(tài)平衡，同時在高壓低溫條件下 必須具有良好流變特性以有效懸浮巖肩和維持井壁穩(wěn)定。在凍土地區(qū)，已有的研究顯示，對 鉆井液性能影響最大的是凍土的低溫環(huán)境。試驗研究表明，低溫條件下鉆井液的濾失量變 化不大，并有略微減少的趨勢。在低溫環(huán)境下鉆井液的基本流變特性將會發(fā)生破壞，粘度、 切力均會增大，這就要求鉆井液低溫條件下不凝固，并滿足相應(yīng)的流變性。
[0003]目前國內(nèi)外關(guān)于凍土天然物水合物鉆探低溫鉆井液方面的研究偏少，申請人早期 曾開發(fā)了一種適于凍土天然氣水合物鉆探的低固相低溫聚合物鉆井液配方：水+5%膨潤 土+0. 1% NaOH+15% NaCl+1% HT，并于2008年在中國青海祁連山脈凍土區(qū)進(jìn)行了天然氣 水合物鉆進(jìn)的現(xiàn)場應(yīng)用。應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，這種鉆井液的流變特性隨溫度變化較大，影響了 鉆井液的性能。
[0004] 申請人對常見的類似鉆井液進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中以高分子類、兩性離子 類等作為稀釋液的鉆井液均無法保證低溫下的流變性能，該缺陷并非由于此類處理劑的用 量所導(dǎo)致的，而是在微觀層面上無法良好的適應(yīng)于低溫環(huán)境。因此，本領(lǐng)域依舊存在對低溫 下具有良好性能的鉆井液的迫切需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 申請人多年來對鉆井液在凍土地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的深入研究，并通過大量實 驗研究了各種處理劑對鉆井液性能的影響，以及鉆井液的基礎(chǔ)液組成對低溫性能的影響， 基于對基礎(chǔ)液的分析、處理劑的篩選，鉆井液體系的優(yōu)化設(shè)計等研制了一種基于聚磺體系 的低固相低溫低溫鉆井液，宏觀和微觀實驗均顯示，本發(fā)明的鉆井液在低溫條件下分解抑 制性強(qiáng)、流變性能好、失水量低，滿足凍土天然氣水合物鉆探對鉆井液的性能要求。
[0006] 具體地說，本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0007] -種低固相低溫聚合物鉆井液，包含基礎(chǔ)液和處理劑，其中基礎(chǔ)液是在水中加入 鈉基膨潤土基漿與氯化鈉進(jìn)行復(fù)配；處理劑為磺化物陽離子交換樹脂與多聚糖作為流型調(diào) 節(jié)劑進(jìn)行復(fù)配。
[0008] 在本發(fā)明中，鈉基膨潤土無需添加純堿，可直接配漿使用；氯化鈉（NaCl)溶液可 以有效降低鉆井液的凝固點并能抑制天然氣水合物分解；磺化物陽離子交換樹脂具有良好 的熱穩(wěn)定性，具有良好的低溫流變穩(wěn)定性；多聚糖的加入與磺化物陽離子交換樹脂相協(xié)同， 改善鉆井液的低溫流變性能。
[0009] 申請人在試驗中對各種成分的用量和類型進(jìn)行了深入篩選，并進(jìn)行了優(yōu)化組合。 如下所公開的濃度、用量、類型均為優(yōu)選的，但本發(fā)明并非限制于此，本領(lǐng)域技術(shù)人員在下 述基礎(chǔ)上所進(jìn)行的調(diào)整依舊屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0010] 在本發(fā)明中，鈉基膨潤土含量為5%，氯化鈉含量為20%。
[0011] 申請人進(jìn)行的研究顯示，采用上述組成，凝固點可以到達(dá)_15°C。
[0012] 為了克服氯化鈉的使用導(dǎo)致基漿pH降低的副作用，在上述基礎(chǔ)液中還含有0. 1% 的氫氧化鈉，用于調(diào)芐基礎(chǔ)液至合適的PH環(huán)境（9-11)。
[0013] 在本發(fā)明中，通過加入處理劑解決鹽侵的問題，使鉆井液在低溫下保持正常的流 變性、失水量。
[0014] 優(yōu)選的，所述磺化物陽離子交換樹脂為磺化褐煤、磺化酚醛樹脂，二者的含量均為 1-5%，優(yōu)選為 3-5%。
[0015] 與CMC高分子降濾失劑、HT和FA兩性離子包被劑等相比，磺化酚醛樹脂SMP與磺 化褐煤SMC的復(fù)配使用增加了處理劑的吸附力，大幅度提高了漿液的抗鹽性，大幅度降低 了鉆井液的濾失量，且保持了流變參數(shù)相對的相對穩(wěn)定。
[0016] 更優(yōu)選的，磺化褐煤含量為4%、磺化酚醛樹脂含量為3%。
[0017] 為了增大鉆井液的粘度和動切力，改善鉆井液的流型，改善鉆井液的低溫流變 性能，本發(fā)明采用黃原膠增大漿液的動塑比，改善漿液的流型，形成平板型層流，并與磺 化物陽離子交換樹脂協(xié)同改善降濾失效果，優(yōu)選所用黃原膠含量為0. 1-0. 5%，優(yōu)選為 0. 2-0. 4 %，最優(yōu)選為黃原膠含量為0. 3 %。
[0018] 申請人進(jìn)行的實驗顯示，本發(fā)明的鉆井液在低溫條件下分解抑制性強(qiáng)、流變性能 好、失水量低，滿足凍土天然氣水合物鉆探對鉆井液的性能要求。
【附圖說明】
[0019] 圖1為采用與本發(fā)明相同的基礎(chǔ)液，分別采用1%的CMC、FA、HT、SMP、SMC作為處 理劑對鉆井液性能的影響，其中a、b分別為表觀粘度和動切力隨溫度降低的響應(yīng)曲線；
[0020] 圖2為單獨使用SMC、SPC作為處理劑在不同用量下對本發(fā)明鉆井液在低溫環(huán)境下 (_12°C )鉆井液性能隨SMC、SMP加量的變化曲線；其中a為漏斗粘度變化曲線，b為塑性粘 度變化曲線；
[0021] 圖3為同時使用SMC、SPC復(fù)配作為處理劑在5%用量下對本發(fā)明鉆井液在低溫環(huán) 境下鉆井液性能隨SMC、SMP加量的變化曲線；其中a為漏斗粘度變化曲線，b為表觀粘度變 化曲線，c為動切力變化曲線，d為流型指數(shù)變化曲線；
[0022] 圖4為以磺化類處理劑（SMC、SMP)作為主處理劑的基礎(chǔ)上，分別使用0· 5% HT、XC 作為處理劑對鉆井液的低溫性能的影響，其中a、b、c分別為塑性粘度、動切力和動塑比隨 溫度降低的響應(yīng)曲線；
[0023] 圖5為根據(jù)正交表設(shè)計的鉆井液組成對鉆井液性能的影響，其中a、b、c、d分別為 塑性粘度、動切力、動塑比以及API濾失量的變化曲線；
[0024] 圖6為基漿、采用磺化體系鉆井液（鉆井液配方：基礎(chǔ)液+5% SMP+5% SMC)、采用 本發(fā)明正交優(yōu)化組成所得鉆井液在電鏡下的微觀圖像，其中a為基漿、b為磺化體系鉆井 液、c為b的局部放大，d為正交優(yōu)化組成鉆井液。
【具體實施方式】
[0025] 為了說明本發(fā)明鉆井液的性能，申請人在如下實施例中對本發(fā)明鉆井液的性能以 及與其它組成的鉆井液性能進(jìn)行了對比說明。
[0026] 在下述試驗中，采用了如下材料：鈉基膨潤土、氫氧化鈉（NaOH)、氯化鈉（NaCl)、 HT-101 (以下簡稱HT，是一種兩性復(fù)合離子多元共聚物，為非增粘型，成都順達(dá)利公司產(chǎn) 品）、FA-367 (以下簡稱FA，是一種水溶性兩性離子聚合物，其相對分子質(zhì)量100萬-250萬， 增粘型，成都順達(dá)利公司產(chǎn)品）、羧甲基纖維素（CMC)選用低粘型（LV-CMC，聚合度為500左 右）、黃原膠（XC)、磺化褐煤（SMC)和磺化酚醛樹脂（SMP)。
[0027] 在下述試驗中，使用了如下裝置：FYL-YS-128L數(shù)控低溫保存箱（北京福意聯(lián)電器 有限公司）、ZLN型標(biāo)準(zhǔn)漏斗粘度儀（青島膠南同春石油機(jī)械廠）、ZNN-D6B六速旋轉(zhuǎn)粘度儀 (青島膠南同春石油機(jī)械有限公司）、電子密度儀和API濾失量測試儀。
[0028] 在下述中，各名詞縮寫符號、單位對應(yīng)關(guān)系如下：溫度，簡寫為T，單位攝氏度；馬 氏漏斗粘度，簡寫FV，單位為s ;表觀粘度，簡寫AV，單位為mPa. s ;塑性粘度，簡寫為PV，單 位為mPa. s ;動切力，簡寫為YP，單位為Pa ;流型指數(shù)，簡寫N或者n，單位為Pa/mPa. s ;濾失 量，簡寫為API FL，單位為ml。
[0029] 試驗過程中通過使用數(shù)控低溫保存裝置冷凍鉆井液，待鉆井液樣品溫度穩(wěn)定在所 需的試驗溫度時，迅速采用馬氏漏斗粘度儀、電動六速旋轉(zhuǎn)粘度計和API濾失量測試儀測 試其不同溫度下的相關(guān)性能。試驗設(shè)計從室溫（9°C)到-15°C范圍內(nèi)溫度每降低3°C測試 獲得一組數(shù)據(jù)。在選定的剪切速率下啟動粘度計，待儀器示值穩(wěn)定后讀數(shù)并記錄，根據(jù)測量 結(jié)果分別計算相應(yīng)的表觀粘度、塑性粘度、動切力和動塑比等試驗參數(shù)。
[0030] 在下述試驗中，使用掃描電鏡試驗（SEM)對典型鉆井液處理劑及鉆井液API濾 失量測試中形成的泥皮進(jìn)行微觀試驗，分析鉆井液中粘土顆粒之間以及粘土顆粒與聚合 物分子之間的空間結(jié)構(gòu)與形貌特征，從而分析出處理劑與粘土顆粒的相互作用。試驗選 用的試驗裝置為Inspect F50,儀器分辨率為1.0 nm at 30kV，3. Onm at lkV，加速電壓為 200V-30kV，連續(xù)可調(diào)。
[0031] 首先確定基礎(chǔ)液的選擇：試驗選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鈉土（加入到水中，至其質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為5%，以下其他成分含量同樣為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）作為鉆井液基漿，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝箪o置24 小時預(yù)水化。
[0032] 在上述中加入氯化鈉（NaCl)可以有效降低鉆井液的凝固點并能抑制天然氣水 合物分解。試驗結(jié)果表明，在鉆井液中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氯化鈉溶液的凝固點可以到 達(dá)-15°C，因此試驗選用20%氯化鈉溶液作為基礎(chǔ)液主要材料。
[0033] 由于在基漿中加入氯化鈉導(dǎo)致基漿的PH降低，因此試驗中加入0. 1 %的氫氧化鈉 用于調(diào)節(jié)pH。由此形成的基礎(chǔ)液配方為：基漿+20% NaCl+0. 1% NaOH。
[0034] 表1為基漿和基礎(chǔ)液在室溫（9°C )和低溫（0°C、-12°C、-15°C )條件下的性能參 數(shù)對比。
[0035] 表1基漿和基礎(chǔ)液的室溫與低溫性能參數(shù)對比
[0036]
[0037] 從表1可以看出，基漿在室溫（9°C )性能良好，但