降低地层伤害的钻井液和煤层气开发钻井中使用的钻井液

摘要

本发明公开了降低地层伤害的钻井液和煤层气开发钻井中使用的钻井液。该降低地层伤害的钻井液包括：100单位质量的淡水、1.5～4.5单位质量的降滤失剂、1单位质量的防塌剂、2单位质量的聚合醇、1.5单位质量的无机钠膨润土、1单位质量的氟碳表面活性剂和3单位质量的无机碱。本发明的钻井液能够有效降低储层液体的表面张力，从而产生润湿或者反润湿，同时降低储存的毛细管阻力，从而极大地降低了钻井过程所产生的水锁效应。本发明的钻井液尤其适合在煤层气开发钻井中使用。

说明书

技术领域

本发明涉及煤层气开发中的钻井领域，特别涉及一种降低底层伤害的钻 井液及煤层气开发中使用的钻井液。

背景技术

钻井液是钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。钻井液是钻井的血液， 又称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无粘土相冲洗液、 乳状液、泡沫和压缩空气等。清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方 便，适用于完整岩层和水源充足的地区。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适 用于松散、裂隙发育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。

钻井液的作用有：携带岩屑，清洁井底；冷却和润滑钻头及钻柱；平衡 井壁岩石侧压力，在井壁形成滤饼，封闭和稳定井壁；悬浮岩屑和加重剂； 平衡(控制)地层压力；在地面能沉除砂子和岩屑；有效传递水力功率；提 供所钻地层的大量资料；承受钻杆和套管的部分重力；水力破碎岩石。

依据基液和主要处理剂的不同，钻井液可以分为油基钻井液，水基钻井 液，气体钻井流体等，比较常用的是前两种。钻井液主要由液相、固相和化 学处理剂组成。液相可以是水(淡水、盐水)、油(原油、柴油)或乳状液(混 油乳化液和反相乳化液)。固相包括有用固相(膨润土、加重材料)和无用固 相(岩石)。化学处理剂包括无机、有机及高分子化合物。

水基钻井液是一种以水为分散介质，以粘土(膨润土)、加重剂及各种化 学处理剂为分散相的溶胶悬浮体混合体系。其主要组成是水、粘土、加重剂 和各种化学处理剂。它在实际应用中一直占据着主导地位。其主要的体系有 分散钻井液、钙处理钻井液、盐水钻井液、聚合物钻井液、正电胶钻井液和 抗高温深井水基钻井液。

油连续相钻井液(习惯称为油基钻井液)是一种以油(主要是柴油或原 油)为分散介质，以加重剂、各种化学处理剂及水等为分散相的溶胶悬浮混 合体系。其主要组成是原油、柴油、加重剂、化学处理剂和水等。它基本经 历了原油钻井液、油基钻井液、油包水钻井液等三个阶段。

水锁效应是在开采油气田的过程中，当钻井液、完井液等外来流体侵入 储层后，造成近井壁处油气相渗透率降低的现象。水锁效应在煤层气钻井中 也比较常见，在钻井的一系列过程中都不同程度的存在水锁效应，导致油井、 气井减产甚至停产。因此，找到水锁效应的影响因素，以及抑制和解除水锁 伤害的方法，对于改善煤层气开发效果的意义重大。

现有技术中解决水锁效应的途径主要有以下几种：

一是注氮气，氮气可以进入水不能进入的低渗地段，可以将低渗带的处 于束缚态的原油躯体成可以流动的原油，对于原油产生“抽提”或“携带的” 作用。

二是水力压裂，此方法可以减小进井地层的流动压降，扩大有效地流入 范围，让气井保持较高的井底压力生产，推迟井眼附近凝析液的聚集。该方 法可有效解除水锁伤害,但成本较高。

三是预热地层，此方法是经过一种专用的井底传输油管加热工具注入气 体，由此来直接加热井底近井地带目标层。从而使井筒附近的温度达到 500℃,从而使反渗吸水超临界抽提。

四是注混相水溶剂，此工艺的机理为：在温度小于油气藏温度时，向近 井地带注入混相水溶剂，然后焖井一段时间，当近井温度与油气藏温度相同 时打开油井，此时释放的压力会对溶剂和水产生闪蒸作用，使束缚水得以解 除，从而降低了水锁效应。

利用现有技术中的上述方法解决水锁效应存在成本过高或者效果不理想 的问题。

发明内容

本发明提供一种降低地层伤害的钻井液，以解决现有技术中解决水锁效 应的方法存在的成本过高或者效果不理想的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种降低地层伤害的钻井液，所述钻井液包括：

100单位质量的淡水、1.5～4.5单位质量的降滤失剂、1单位质量的防塌 剂、2单位质量的聚合醇、1.5单位质量的无机钠膨润土、1单位质量的氟碳 表面活性剂和3单位质量的无机碱。

可选地，所述1.5～4.5单位质量的降滤失剂为1～2.5单位质量的丙烯酸、 丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸三元共聚物和0.5～2单位质量的聚阴 离子纤维素的混合物。

可选地，所述淡水为氯化钠矿化度低于10000mg/L的天然淡水。

可选地，所述防塌剂为乳化沥青、氯化钾或氯化铵。

可选地，所述聚合醇为聚乙二醇或聚乙烯醇。

可选地，所述无机碱为碳酸钠、碳酸氢钠或氢氧化钠。

可选地，所述钻井液还包括：1单位质量的十六烷基三甲基溴化铵。

本发明还提供了一种煤层气开发钻井中使用的钻井液，该煤层气开发钻 井中使用的钻井液为上述任意一种钻井液。

由上述可见，本发明的这种包括100单位质量的淡水、1.5～4.5单位质 量的降滤失剂、1单位质量的防塌剂、2单位质量的聚合醇、1.5单位质量的 无机钠膨润土、1单位质量的氟碳表面活性剂和3单位质量的无机碱的降低 地层伤害的钻井液，能够有效降低储层液体的表面张力，从而产生润湿或者 反润湿，同时降低储存的毛细管阻力，从而极大地降低了钻井过程所产生的 水锁效应，进而降低对底层的伤害。并且，本发明的钻井液尤其适合在煤层 气开发钻井中使用。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方 式作进一步地详细描述。

本发明的核心思想是，针对现有的钻井液由于水锁对地层伤害比较严重， 使地层渗透率大大降低的问题，在钻井液中加入表面活性剂，从而有效降低 储层液体的表面张力，从而产生润湿或者反润湿，同时降低储存的毛细管阻 力，最终更好地解除水锁，减小对地层的伤害。

表面活性剂的特点是：

(1)、少量的加入便能大大降低溶液的表面张力或界面张力，改变体系 界面状态，使表面呈活化状态，从而产生润湿或反润湿。

(2)、表面活性剂是一种易挥发的极性物质，可加速侵入液的蒸发，这 有利于近井地层滞留液以蒸发方式被驱走，更好地解除水锁。

本发明的降低地层伤害的钻井液中所添加的表面活性剂为氟碳表面活性 剂。氟碳表面表面活性剂是特种表面活性剂里面最重要的品种，指碳氢表面 活性剂的碳氢链中氢原子全部或者部分被氟原子所取代，即氟碳链代替了碳 氢链，因此表面活性剂中非极性基不仅有疏水性质而且独具疏油的性能，它 能以极低的浓度显著地降低溶剂的表面张力。

在加入了表面活性剂之后，表面活性剂可以改变体系界面状态，使表面 呈活化状态，从而产生润湿或反润湿并解决钻井过程尤其是煤层气开发钻井 过程中产生的水锁问题。同时，因为储层尤其是煤层气储层的孔隙喉道直径 很小，它的毛细管阻力就很大，表面活性剂的加入降低了界面张力，从而降 低毛细管阻力。并且表面活性剂是一种极性物质，这样就加速了侵入液的蒸 发，这有利于近井地层滞留液以蒸发方式被驱走，更好地解除水锁。由于表 面活性剂具有以上特有的性质，使得气相和液相的界面张力降低，提高气相 相对渗透率，从而使采气过程中克服水锁效应所需的启动压力降低。

更进一步地，在本发明的钻井液中，在加入氟碳表面活性剂的同时，可 以加入一定量的十六烷基三甲基溴化铵，十六烷基三甲基溴化铵是一种阳离 子表面活性剂，加入十六烷基三甲基溴化铵能够降低氟碳表面活性剂的用量， 节省成本。同时不影响降低地层液体表面张力的效果。并且加入十六烷基三 甲基溴化铵能够使本发明钻井液的防塌性能明显增加。

本发明的降低地层伤害的钻井液包括：100单位质量的淡水、1.5～4.5 单位质量的降滤失剂、1单位质量的防塌剂、2单位质量的聚合醇、1.5单位 质量的无机钠膨润土、1单位质量的氟碳表面活性剂和3单位质量的无机碱。

在本发明实施例的钻井液中，降滤失剂可以只使用丙烯酸、丙烯酰胺和 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸三元共聚物或聚阴离子纤维素中的一种，但是为 了取得更好的降滤失效果，最好是将丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2- 甲基丙磺酸三元共聚物和聚阴离子纤维素混合在一起使用。当然，使用丙烯 酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸三元共聚物和聚阴离子纤维素之 外的常规降滤失也能解决本发明要解决的技术问题。

由于配制钻井液所使用的淡水的高矿化度容易污染水基钻井液，维护处 理不当时，会导致井下复杂情况的发生，增加钻井费用，并且当配制钻井液 的淡水矿化度较高时，钻遇造浆地层前还要调整钻井液性能。因此，在本发 明实施例的钻井液中，为了使配制的钻井液达到更好的技术效果，配制钻井 液所使用的淡水优选采用氯化钠矿化度低于10000mg/L的天然淡水。

在本发明实施例的钻井液中，防塌剂可以采用乳化沥青、氯化钾或氯化 铵。

在本发明实施例的钻井液中，聚合醇可以采用聚乙二醇或聚乙烯醇。

在本发明实施例的钻井液中，无机碱可以采用碳酸钠、碳酸氢钠或氢氧 化钠。

特别地，本发明的钻井液尤其适合于在煤层气开发钻井中使用。

为了检验本发明钻井液的性能，发明人配制了本发明钻井液的以下五个 实施例的钻井液并进行了性能检测实验。

下列实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下列实施例中的所用的材料试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得 到。

实施例1

配方为：淡水800g、丙烯酸、丙烯酰胺和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸三 元共聚物(下称HYJ-1)8g、聚阴离子纤维素(下称PAC-LV)4g、乳化沥 青8g、聚乙二醇16g、无机钠膨润土12g、氟碳表面活性剂8g、碳酸钠24g。 各组分的质量配比为水：HYJ-1：PAC-LV：乳化沥青：聚乙二醇：无机钠膨 润土：氟碳表面活性剂：碳酸钠＝100：1：0.5：1：2：1.5：1：3。

实施例2

配方为：淡水800g、HYJ-18g、PAC-LV16g、乳化沥青8g、聚乙二醇 16g、无机钠膨润土12g、氟碳表面活性剂8g、碳酸钠24g。各组分的质量配 比为水：HYJ-1：PAC-LV：乳化沥青：聚乙二醇：无机钠膨润土：氟碳表面 活性剂：碳酸钠＝100：1：2：1：2：1.5：1：3。

实施例3

配方为：淡水800g、HYJ-120g、PAC-LV4g、乳化沥青8g、聚乙二醇 16g、无机钠膨润土12g、氟碳表面活性剂8g、碳酸钠24g。各组分的质量配 比为水：HYJ-1：PAC-LV：乳化沥青：聚乙二醇：无机钠膨润土：氟碳表面 活性剂：碳酸钠＝100：2.5：0.5：1：2：1.5：1：3

实施例4

配方为：淡水800g、HYJ-120g、PAC-LV16g、乳化沥青8g、聚乙二醇 16g、无机钠膨润土12g、氟碳表面活性剂8g、碳酸钠24g。各组分的质量配 比为水：HYJ-1：PAC-LV：乳化沥青：聚乙二醇：无机钠膨润土：氟碳表面 活性剂：碳酸钠＝100：2.5：2：1：2：1.5：1：3。

按照上述配方，在搅拌条件下，向淡水中依次加入HYJ-1、PAC-LV、乳 化沥青、聚乙二醇、无机钠膨润土、氟碳表面活性剂、碳酸钠，即得本发明 的钻井液的实施例1～4。

在本发明的钻井液中，在表明活性剂的使用上，加入氟碳表面活性剂的 同时，可以加入一定量的十六烷基三甲基溴化铵。以上述实施例1为例，在 实施例1的基础上加入一定量的十六烷基三甲基溴化铵，得到实施例5。

实施例5

配方为：淡水800g、HYJ-18g、PAC-LV4g、乳化沥青8g、聚乙二醇16g、 无机钠膨润土12g、氟碳表面活性剂8g、十六烷基三甲基溴化铵8g、碳酸钠 24g。各组分的质量配比为水：HYJ-1：PAC-LV：乳化沥青：聚乙二醇：无 机钠膨润土：氟碳表面活性剂：十六烷基三甲基溴化铵：碳酸钠＝100：1： 0.5：1：2：1.5：1：1：3。

按照实施例5的配方，在搅拌条件下，向淡水中依次加入HYJ-1、PAC-LV、 乳化沥青、聚乙二醇、无机钠膨润土、氟碳表面活性剂、十六烷基三甲基溴 化铵、碳酸钠，即得本发明的钻井液的实施例5。

在本发明的钻井液配方中，上述五个实施例中的乳化沥青还可以用氯化 钾或氯化铵代替；上述五个实施例中的聚乙二醇还可以用聚乙烯醇代替；上 述五个实施例中的碳酸钠还可以用碳酸氢钠或氢氧化钠代替。

为了说明本发明钻井液配方降低钻井液表面张力的技术效果，下面使用 十六烷基三甲基溴化铵来代替实施例1中的氟碳表面活性剂得到对比配方1， 并将上述五个实施例与对比配方1的性能进行对比。

对比配方1，配方为：淡水800g、HYJ-18g、PAC-LV4g、乳化沥青8g、 聚乙二醇16g、无机钠膨润土12g、十六烷基三甲基溴化铵8g、碳酸钠24g。 各组分的质量配比为水：HYJ-1：PAC-LV：乳化沥青：聚乙二醇：无机钠膨 润土：十六烷基三甲基溴化铵：碳酸钠＝100：1：0.5：1：2：1.5：1： 3。

按照对比配方1的配方，在搅拌条件下，向淡水中依次加入HYJ-1、 PAC-LV、乳化沥青、聚乙二醇、无机钠膨润土、十六烷基三甲基溴化铵、碳 酸钠，即得对比配方1的钻井液。

对上述实施例1～5以及对比配方1的钻井液进行性能测试，测试的指标 包括：

(1)密度，用钻井液测密度专用的液体密度计进行测定。

(2)表观粘度，测量方法为：将样品倒进容器中，使转筒刚好浸入至刻 度线，开启仪器，待读数恒定后，分别记录转速在600rpm和300rpm时的读 数值。

(3)pH值，测量方法：用洁净玻璃棒蘸取钻井液滴于pH试纸上，对 照标准色阶读数。

(4)API滤失量，测量方法：将钻井液置于浆杯，装入滤纸，倒置失水 仪上，分别打开氮气伐，记录其7.5min和30min时的读数。

(5)表面张力，测量方法：收集测量API滤失量时所得滤液，将其放 在表面张力仪下测得其张力。

对上述六种钻井液的性能测试的结果参见表1。表1为本发明钻井液实 施例性能与常规钻井液性能对比表。

表1

从表1中的测试结果可以看出，本发明的钻井液不但满足钻井施工对钻 井液各项性能的要求，而且在表面张力这个性能上比常规钻井液明显偏低， 偏低的表面张力能够有效减轻钻井过程造成的水锁，从而减轻钻井过程对地 层的伤害。

综上所述，本发明提供了一种降低地层伤害的钻井液，尤其是一种适用 于煤层气开发钻井的钻井液，本发明的钻井液不需要特殊的配制设备，配制 简单。且密度易于调整，钻井液性能易于维护。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范 围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均 包含在本发明的保护范围内。