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CN104762069A - 一种钻井液用超高密度微粉体加重剂的制备方法和用途 - Google Patents

一种钻井液用超高密度微粉体加重剂的制备方法和用途 Download PDF

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CN104762069A CN201510118605.5A CN201510118605A CN104762069A CN 104762069 A CN104762069 A CN 104762069A CN 201510118605 A CN201510118605 A CN 201510118605A CN 104762069 A CN104762069 A CN 104762069A
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蔡勇
王群力
邱维清
陈二丁
都振川
郭祥鹃
许孝顺
袁丽
严波
张海青
王金利
李秀灵
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Abstract

本发明涉及一种钻井液用超高密度微粉体加重剂的制备方法和用途。制备该超高密度微粉体加重剂的组成及重量份数如下：加重剂：70-90、有机溶剂：15-30、水溶液：20-30、表面活性剂：2-7、助表面活性剂5-9，本发明的加重剂，其主要化学成分为铁粉或铁的化合物，加重剂密度大于6.5g/cm3,其比重远大于现使用的重晶石粉等常规加重剂，粒径D90小于35μm，具有趋于球型的粒型、粒貌和良好的分散性、悬浮性，与钻井液配伍性好，采用其作为加重剂所配出的超高密度钻井液具有良好的流变性与稳定性，可满足深井复杂井对超高密度钻井液的要求。

Description

一种钻井液用超高密度微粉体加重剂的制备方法和用途
技术领域
本发明涉及一种油气井工程领域的加重剂，特别涉及一种钻井液用超高密度微粉体加重剂的制备方法和用途。
背景技术
当前，我国浅层油气资源储量因多年开发而日益枯竭，迫使我们将勘探目标转向深部地层资源，但随着钻井深度的提高，难免钻遇各种复杂地层，如川东北气田、塔里木油田克拉地区高压油气田、官渡板块、青海油田在柴达木盆地的冷湖七号构造、新疆地区南缘山前构造带、及南海油田和海外的哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、阿塞拜疆等项目，经常钻遇高压气层、高压盐水层，有时还同时钻遇盐碱层等复杂地层，需要使用高性能的高密度钻井钻井液及高密度固井水泥浆。
国内的高密度钻井液基本上还是采用加重剂的方法，而加重剂的主要材料多为重晶石、赤铁矿等。Chiligcrian GV等人认为重晶石的加重极限可以达到2.64 g/cm3，超过此极限，钻井液的流变性与沉降稳定性之间的矛盾将不可调和，出现顾此失彼的困难。目前，国内市场上的加重剂大多采用传统的球磨工艺完成，由于加重剂材料强度高，一般球磨机加工时，细度＜150目，颗粒尺寸分布离散，且型貌多以片、棒状居多，在实际应用中，所配制的泥浆多存在流变性差，浆体不稳定、易沉降等成为配制高密度钻井液的关键问题，同时也较难满足较高密度（2.6～2.8g/cm3）钻井液的设计要求。
高密度钻井液流变性调控一直是深井和超深井钻井液工艺技术的难点。21世纪以来，为解决高密度钻井液在高温下的流变性调控问题，国外研究了一大批新型的抗高温处理剂和新型的加重材料。
贝克休斯公司使用专利加重材料——Micromax，并开发出了一种逆乳化钻井液。这种加重材料是四氧化锰，与重晶石颗粒相比，四氧化锰具有粒径小、颗粒呈球形的特点。由于球形颗粒的粒间摩擦很小，故钻井液的塑性粘度大幅度降低。虽然四氧化锰的密度比重晶石大得多，但其颗粒的尺寸却比重晶石小得多，这就意味着这些颗粒可以被弱结构的钻井液所支撑，同时在较低的屈服值下不会增加沉降的风险。Micromax可以改善钻井液的流变性能，同时降低加重材料发生沉降的趋势，可在高温高压井和小井眼中使用。对于高温高压井，减轻沉降趋势和降低塑性粘度能大幅度缩短钻井时间，减少井下漏失。连续管钻井和过油管钻井的发展也为该钻井液的使用提供了潜在市场。从健康与安全的角度来说，由于细颗粒尺寸和粉尘所带来的问题可以通过事先将加重材料与钻井液混合来避免。二氧化锰加重材料可以在粘度低的钻井液中使用，也不会造成沉降，但是四氧化锰加重的钻井液的成本较高。目前，国内还未见四氧化锰加重钻井液的研究和应用的报道。
因此，现有技术还有待于更进一步的改进和发展，特别是对加重剂的加工工艺进行必要的完善。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种钻井液用超高密度微粉体加重剂的制备方法和用途，以提高钻井液密度，解决高密度钻井液流变性差、易沉降等问题。
一种钻井液用超高密度微粉体加重剂的制备方法，包括如下步骤：
首先，将加重剂材料利用物理方法进行超细粉碎提纯；再向所述反应容器内依次加入有机溶剂、水、表面活性剂与助表面活性剂搅拌30min至1h，进行充分反应后制得所述超高密度微粉体加重剂；按照重量份，上述各反应物为：加重剂：70-90、有机溶剂：15-30、水溶液：20-30、表面活性剂：2-7、助表面活性剂5-9；其中，加重剂采用铁粉或铁的化合物，所述的有机溶剂为C6-C8直链烃或环烷烃，所述的表面活性剂为磺化琥珀酸钠或十二烷基硫酸钠，所述的助表面活性剂为脂肪醇。
上述的加重剂的密度大于6.5g/cm3,细度D90小于35μm，具有趋于球型的粒型、粒貌。
上述的加重剂经过精细加工。
本发明提到的钻井液用超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液，其制备方法是：
按重量份数：水1000份、钻井液用膨润土15-20份、碳酸钠0.5-2份、增粘剂3-10份、胺类抑制剂5-15份、降滤失剂30-50份、封堵防塌剂20-30份、润滑剂20-30份、表面活性剂3-5份、超高密度微粉体加重剂：根据密度需要添加，所述的水为淡水；
在高搅杯中加入淡水，开启搅拌机，在4000r/min下边搅拌边加入上述组分，搅拌均匀后用超高密度微粉体加重剂加重至密度2.50g/cm3。
上述的增粘剂为聚丙烯酰胺PAM、聚丙烯酰胺钾盐、XC生物聚合物、磺酸盐共聚物中的一种或多种。
上述的胺类抑制剂为聚胺、胺基聚醇、胺基硅醇中的一种或多种。
上述的降滤失剂为腐植酸钾、腐植酸钠、腐植酸羧甲基化产物、腐植酸磺化产物、磺化褐煤树脂、磺甲基酚醛树脂、抗温淀粉中的一种或多种。
上述的封堵防塌剂为铝基聚合物防塌剂、聚合醇防塌剂、氧化沥青、磺化沥青、乳化石蜡中的一种或多种。
上述的润滑剂为白油润滑剂、聚合醇润滑剂、全油基润滑剂、石墨粉中的一种或多种。
上述的表面活性剂为斯盘-80、吐温-80、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种。
本发明的有益效果是：（1）本发明的超高密度微粉体加重剂密度大于6.5g/cm3,远大于重晶石粉等常规加重剂，与密度为4.2 g/cm3的重晶石相比，用该加重剂将钻井液加重至2.6g/cm3，其固相含量仅为前者的60%，加重后较低的固相含量一方面有利于调控流变性和提高钻速；另一方面可以减少加重材料的回收成本，有较高的经济效益。（2）本发明的超高密度微粉体加重剂产品趋于球型的粒型、粒貌，粒径小于常规加重剂，具有良好的分散性、悬浮性，与钻井液配伍性好，采用其作为加重剂所配出的超高密度钻井液具有良好的流变性与稳定性，可满足深井复杂井对超高密度钻井液的要求。（3）本发明的超高密度微粉体加重剂酸化率达94.5%，可实现储层的酸化解堵，有利于保护油气层。(4)本发明的制备方法简单，反应条件温和，操作方便，易于大规模工业化生产。
具体实施方式
    实施例1：超高密度微粉体加重剂的制备：
将80g经过超微粉化的铁粉或铁的化合物加入到1000mL容器中，随后依次加入20mLC6环烷烃、20mL水、5g磺化琥珀酸钠、6g脂肪醇。搅拌30min至1h，利用微乳化法，进行充分反应后制得粉体加重剂微粒溶胶，最后经过分离洗涤并干燥，制取超高密度微粉体加重剂。
方案1，利用本发明的超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液的配制方法1：
在高搅杯中加入1000mL淡水，开启搅拌机，在4000r/min下边搅拌边加入20g钠膨润土、2g碳酸钠、3g磺酸盐共聚物、10g胺基聚醇、20g磺化褐煤树脂（SPNH）、50g磺化酚醛树脂（SMP-Ⅱ）、25g氧化沥青和10g铝基聚合物防塌剂、20g白油润滑剂、5g吐温-80，搅拌均匀后用超高密度微粉体加重剂加重至密度2.50g/cm3。
方案2，利用本发明的超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液的配制方法2：
在高搅杯中加入1000mL淡水，开启搅拌机，在4000r/min下边搅拌边加入20g钠膨润土、2g碳酸钠、10g聚丙烯酰胺钾盐、10g聚胺、25g磺化褐煤树脂（SPNH）、50g磺化酚醛树脂（SMP-Ⅱ）、15g氧化沥青和15g铝基聚合物防塌剂、30g白油润滑剂、5g表面活性剂SP-80，搅拌均匀后用超高密度微粉体加重剂加重至密度2.80g/cm3。
下面对实施例中的效果进行说明。
实施例1中所制备的超高密度微粉体加重剂性能评价
表1：实施例1中所制备的超高密度微粉体加重剂性能评价
项目 密度/(g/cm3) 粒径D90/μm 粒径D50/μm 酸化率/%
性能指标 6.60 28.37 13.83 94.5
从表1可以看出：本发明所述的超高密度微粉体加重剂密度远高于常规加重剂重晶石粉；粒径D90和D50值则小于常规加重剂重晶石粉；较高的密度和较小的粒径，将有助于配制性能良好的高密度钻井液。而该加重剂酸化率达到94.5%，有利于实现储层的酸化解堵。
实施例1中所制备的超高密度水基钻井液性能评价
表2：实施例2和3中所制备的超高密度水基钻井液性能评价
   从表2可以看出：采用本发明的超高密度加重剂作为加重剂的超高密度水基钻井液在密度2.50 g/cm3和2.80 g/cm3下，具有较好的流变性能和沉降稳定性，经过150℃/16h老化，钻井液体系的流变性能和滤失量变化不大，仍保持在较好的水平，说明该体系具有较好的抗高温能力。
  实施例2：超高密度微粉体加重剂的制备：
将70g经过超微粉化的铁粉或铁的化合物加入到1000mL容器中，随后依次加入15mLC6直链烃、20mL水、2g磺化琥珀酸钠、5g脂肪醇。搅拌30min至1h，利用微乳化法，进行充分反应后制得粉体加重剂微粒溶胶，最后经过分离洗涤并干燥，制取超高密度微粉体加重剂。
方案3，利用本发明的超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液的配制方法1：
在高搅杯中加入1000mL淡水，开启搅拌机，在4000r/min下边搅拌边加入15g钠膨润土、0.5g碳酸钠、3g聚丙烯酰胺PAM、5g聚胺、30g腐植酸钾或腐植酸钠、20g氧化沥青、20g聚合醇润滑剂、3g斯盘-80，搅拌均匀后用超高密度微粉体加重剂加重至密度2.50g/cm3。
方案4，利用本发明的超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液的配制方法2：
在高搅杯中加入1000mL淡水，开启搅拌机，在4000r/min下边搅拌边加入15g钠膨润土、2g碳酸钠、10g XC生物聚合物、15g胺基硅醇、50g磺甲基酚醛树脂、30g聚合醇防塌剂、30g全油基润滑剂、5g十六烷基三甲基溴化铵，搅拌均匀后用超高密度微粉体加重剂加重至密度2.80g/cm3。
下面对实施例中的效果进行说明。
实施例1中所制备的超高密度微粉体加重剂性能评价
表1：实施例1中所制备的超高密度微粉体加重剂性能评价
项目 密度/(g/cm3) 粒径D90/μm 粒径D50/μm 酸化率/%
性能指标 6.60 28.37 13.83 94.5
从表1可以看出：本发明所述的超高密度微粉体加重剂密度远高于常规加重剂重晶石粉；粒径D90和D50值则小于常规加重剂重晶石粉；较高的密度和较小的粒径，将有助于配制性能良好的高密度钻井液。而该加重剂酸化率达到94.5%，有利于实现储层的酸化解堵。
实施例1中所制备的超高密度水基钻井液性能评价
表2：实施例2和3中所制备的超高密度水基钻井液性能评价
   从表2可以看出：采用本发明的超高密度加重剂作为加重剂的超高密度水基钻井液在密度2.50 g/cm3和2.80 g/cm3下，具有较好的流变性能和沉降稳定性，经过150℃/16h老化，钻井液体系的流变性能和滤失量变化不大，仍保持在较好的水平，说明该体系具有较好的抗高温能力。
实施例3：超高密度微粉体加重剂的制备：
将90g经过超微粉化的铁粉或铁的化合物加入到1000mL容器中，随后依次加入30mLC6环烷烃、30mL水、7g十二烷基硫酸钠、7g脂肪醇。搅拌30min至1h，利用微乳化法，进行充分反应后制得粉体加重剂微粒溶胶，最后经过分离洗涤并干燥，制取超高密度微粉体加重剂。
方案5，利用本发明的超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液的配制方法1：
在高搅杯中加入1000mL淡水，开启搅拌机，在4000r/min下边搅拌边加入20g钠膨润土、2g碳酸钠、3g磺酸盐共聚物、10g胺基硅醇、20g抗温淀粉、50g腐植酸钠、10g乳化石蜡和10g聚合醇防塌剂、20g全油基润滑剂、5g十六烷基三甲基溴化铵，搅拌均匀后用超高密度微粉体加重剂加重至密度2.50g/cm3。
方案6，利用本发明的超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液的配制方法2：
在高搅杯中加入1000mL淡水，开启搅拌机，在4000r/min下边搅拌边加入15g钠膨润土、2g碳酸钠、2g磺酸盐共聚物、10g聚胺、25g磺化褐煤树脂（SPNH）、50g磺化酚醛树脂（SMP-Ⅱ）、15g磺化沥青和15g铝基聚合物防塌剂、30g聚合醇润滑剂、5g吐温-80，搅拌均匀后用超高密度微粉体加重剂加重至密度2.80g/cm3。
下面对实施例中的效果进行说明。
实施例1中所制备的超高密度微粉体加重剂性能评价
表1：实施例1中所制备的超高密度微粉体加重剂性能评价
从表1可以看出：本发明所述的超高密度微粉体加重剂密度远高于常规加重剂重晶石粉；粒径D90和D50值则小于常规加重剂重晶石粉；较高的密度和较小的粒径，将有助于配制性能良好的高密度钻井液。而该加重剂酸化率达到94.5%，有利于实现储层的酸化解堵。
实施例1中所制备的超高密度水基钻井液性能评价
表2：实施例2和3中所制备的超高密度水基钻井液性能评价
   从表2可以看出：采用本发明的超高密度加重剂作为加重剂的超高密度水基钻井液在密度2.50 g/cm3和2.80 g/cm3下，具有较好的流变性能和沉降稳定性，经过150℃/16h老化，钻井液体系的流变性能和滤失量变化不大，仍保持在较好的水平，说明该体系具有较好的抗高温能力。

Claims (10)

1.一种钻井液用超高密度微粉体加重剂的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
首先，将加重剂材料利用物理方法进行超细粉碎提纯；再向所述反应容器内依次加入有机溶剂、水、表面活性剂与助表面活性剂搅拌30min至1h，进行充分反应后制得所述超高密度微粉体加重剂；按照重量份，上述各反应物为：加重剂：70-90、有机溶剂：15-30、水溶液：20-30、表面活性剂：2-7、助表面活性剂5-9；其中，加重剂采用铁粉或铁的化合物，所述的有机溶剂为C6-C8直链烃或环烷烃，所述的表面活性剂为磺化琥珀酸钠或十二烷基硫酸钠，所述的助表面活性剂为脂肪醇。
2.根据权利要求1所述的钻井液用超高密度微粉体加重剂的制备方法，其特征是：所述的加重剂的密度大于6.5g/cm3,细度D90小于35μm，具有趋于球型的粒型、粒貌。
3.根据权利要求1或2所述的钻井液用超高密度微粉体加重剂的制备方法，其特征是：所述的加重剂经过精细加工。
4.一种利用权利要求1或2所述的钻井液用超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液，其特征是，其制备方法是：
按重量份数：水1000份、钻井液用膨润土15-20份、碳酸钠0.5-2份、增粘剂3-10份、胺类抑制剂5-15份、降滤失剂30-50份、封堵防塌剂20-30份、润滑剂20-30份、表面活性剂3-5份、超高密度微粉体加重剂：根据密度需要添加，所述的水为淡水；
在高搅杯中加入淡水，开启搅拌机，在4000r/min下边搅拌边加入上述组分，搅拌均匀后用超高密度微粉体加重剂加重至密度2.50g/cm3。
5.根据权利要求4所述的钻井液用超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液，其特征是：所述的增粘剂为聚丙烯酰胺PAM、聚丙烯酰胺钾盐、XC生物聚合物、磺酸盐共聚物中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的钻井液用超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液，其特征是：所述的胺类抑制剂为聚胺、胺基聚醇、胺基硅醇中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的钻井液用超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液，其特征是：所述的降滤失剂为腐植酸钾、腐植酸钠、磺化褐煤树脂、磺甲基酚醛树脂、抗温淀粉中的一种或多种。
8.根据权利要求4所述的钻井液用超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液，其特征是：所述的封堵防塌剂为铝基聚合物防塌剂、聚合醇防塌剂、氧化沥青、磺化沥青、乳化石蜡中的一种或多种。
9.根据权利要求4所述的钻井液用超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液，其特征是：所述的润滑剂为白油润滑剂、聚合醇润滑剂、全油基润滑剂、石墨粉中的一种或多种。
10.根据权利要求4所述的钻井液用超高密度微粉体加重剂制备超高密度水基钻井液，其特征是：所述的表面活性剂为斯盘-80、吐温-80、十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种。
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