一种抗高温无固相低伤害压井液及其制备方法

摘要

本发明涉及一种抗高温无固相低伤害压井液及其制备方法，属于石油及天然气勘探开发领域。本发明的抗高温无固相低伤害压井液由以下成分组成：多功能聚合物，改性褐煤，水溶性纤维素醚类衍生物，高温缓蚀稳定剂，有机盐加重剂，水，各组份质量百分含量为：多功能聚合物为0.3%~2%，改性褐煤为0.5%~5%，水溶性纤维素醚类衍生物为0.3%~2%，高温缓蚀稳定剂为0.01%~0.3%，有机盐加重剂的用量控制在保证所述压井液密度达到1.0g/cm3~2.3g/cm3，余量为水。本发明的压井液具有滤失量低且滤饼薄，保护地层环境不被污染和破坏，压井液粘度长时间高温地层剪切下保证粘度保留一半以上，具有防膨、缓蚀作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于石油及天然气勘探开发时油气井作业过程中使用的压井液，特别是一种用于强水敏油气藏作业过程中使用的抗高温无固相低伤害压井液。

背景技术

随着油田开发的不断深入，地层油藏性质更为复杂，所有油田公司对油气层的保护要求也更高。随着开发模式的转变(如大位移、水平井、分支井等)不断出现，环境保护更加严格。油气井的加深，地层温度、压力都随着升高，压井液面临着高温、高压的难点，要求压井液在超高温度和超高密度下具有良好的稳定性和流变性。为满足这些要求，保证油气田的高效开发，满足油气层的保护要求，当地层压力系数大于1.0时，在各种作业过程中必须使用合理密度的抗高温环保压井液。

目前使用的性能优良的压井液多为树脂类不易降解的材料构成不利于环保，而普通无机盐类的压井液存在滤失量大的问题。目前应用的低温无固相低伤害压井液体系虽然性能优良，利于环保，但不适用于高温条件下作业。针对强水敏油气藏和复杂性质的油气藏还没有合适的抗高温无固相低伤害压井液体系。

开发抗高温无固相低伤害压井液体系的关键在于选取分子量适中，具有盐水增稠、降滤、防膨、抗二价离子污染、易降解的多元共聚物。目前压井液使用的聚合物存在性能单一、对盐水增稠能力弱、加量大等问题。

近年来高温深井数量逐渐增多，使用压井液时必须考虑油气井管柱的腐蚀防护问题，因此压井液体系不能引入氯离子及钙离子，这两种离子能够引起管柱的腐蚀与结垢，直接影响油气井的生产。因此需要研究一套使用原材料来源广、配制方便、使用有机盐作为加重剂的压井液体系。

发明内容

本发明的目的是提供一种抗高温无固相低伤害压井液以适用于强水敏气藏作业过程中。

为实现上述目的，本发明的抗高温无固相低伤害压井液，由以下成分组成：多功能聚合物，改性褐煤，水溶性纤维素醚类衍生物，高温缓蚀稳定剂，有机盐加重剂，余量为水。

其中，各组份质量百分含量为：

多功能聚合物为0.3%~2%，

改性褐煤为0.5%~5%，

水溶性纤维素醚类衍生物为0.3%~2%，

高温缓蚀稳定剂为0.01%~0.3%，

有机盐加重剂的用量控制在保证所述压井液密度达到1.0g/cm³~2.3g/cm³，

余量为水。

所述多功能聚合物为丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、丙烯酸钠的四元聚合物。

进一步，所述四元聚合物中丙烯酰胺∶N,N-二甲基丙烯酰胺∶2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸∶丙烯酸钠的摩尔比为2~70∶1~10∶8~72∶17~25，所述四元聚合物的分子量为100万~200万。

所述改性褐煤为磺甲基腐植酸钾或磺甲基腐植酸钠。

所述水溶性纤维素醚类衍生物为低粘聚阴离子纤维素。

所述高温缓蚀稳定剂为氮川三乙酸（简称NTA）与钼酸钠、柠檬酸钠比为1∶1∶0.1~0.5的混合物，优选1∶1∶0.2。

所述压井液密度要求为1.00~1.30g/cm³时，有机盐加重剂为甲酸钠；

所述压井液密度要求为1.31~1.60g/cm³时，有机盐加重剂为甲酸钾；

所述压井液密度要求为1.61~2.30g/cm³时，有机盐加重剂为甲酸铯。

其中，有机盐加重剂的质量百分含量为17%~85%。

本发明所述压井液中各成分的作用机理如下：

（1）多功能聚合物，用作压井液增稠、降滤、防膨。其中丙烯酰胺∶N,N-二甲基丙烯酰胺∶2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸∶丙烯酸钠按一定摩尔比合成的四元聚合物具有较高的表观粘度和较好的增粘效果，且耐温耐盐性能较好。

工作机理：聚合物分子的主链和主链与亲水基团连接键必须有C-C，C-N，C-S等键。增加聚合物分子上的亲水基团，克服高温去水化作用和取代基脱落造成的分子亲水性的不足，增加聚合物分子的亲水能力，提高有机处理剂的抗高温性能。通过引入耐盐的官能团2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，引入耐水解的结构单元N,N-二甲基丙烯酰胺，提高耐盐耐高温性能。

（2）改性褐煤，用作压井液降滤失剂，其中磺甲基腐植酸钾由腐植酸在褐煤中通过磺化反应和其它的化学改性生成，是很好的失水控制剂和稀释剂，能够有效抑制高温条件下(200~230℃)的粘土分散，改善高温稳定性和减少滤失量，并和其它处理剂有很好的兼容性，尤其适用于水敏性岩层的稳定作用。磺甲基褐煤原料易得，价格便宜，具有较强的热稳定性。

工作机理:磺甲基腐植酸钾分子中有较强的亲水基磺甲基，能够克服高温去水化作用，确保其高温水溶性。处理剂中亲水基团越多，其抗温抗盐能力越强。其分子链为大分子刚性链，增大水泥浆液的粘度，增加液相向地层滤失的阻力。

（3）水溶性纤维素醚类衍生物，用作压井液降滤失剂助剂。其中低粘聚阴离子纤维素，水溶性强，具有优良的抗盐、抗钙镁降滤失能力和耐热稳定性，抗菌性强，并且无毒、无害、无污染，与环境友好。该产品配制的流体具有良好的降失水性、抑制性、较高的耐温性。

（4）有机盐加重剂，用作压井液密度调节剂，根据密度要求调节加量。

其中，密度要求为1.00~1.30g/cm³的压井液，采用甲酸钠配制溶液。密度要求为1.31~1.60g/cm³的溶液时，采用甲酸钾来调节所需压井液的密度。密度要求为1.61~2.30g/cm³的溶液时，采用甲酸铯来调节所需压井液的密度具体比例如下表所示。

表1甲酸盐体系加量表

由表得到所用有机盐加重剂的质量百分含量为17%~85%。

甲酸盐具有强抑制性，可有效地抑制泥页岩的水化膨胀和分散，有利于减少压井液对油气层的损害。易生物降解，不会对环境造成污染。对套管等金属材料的腐蚀性小，有利于延长它们的使用寿命。不需要加重材料就可以配制高密度压井液，而且有利于保护油气层。此压井液体系具有良好的抗高温、抗污染的能力，并可以降低所使用的各类处理剂在高温条件下的水解和氧化降解的速度。水溶性好，溶解快，不含二价离子，配伍及热稳定性能较好。由于不含固相，减少了固相物质对产层的伤害，更大程度地保护油气层。

工作机理：a、甲酸盐溶解后，电离出无机一价阳离子，提高了压井液液相矿化度，防止或降低了渗透水化，在无机阳离子的镶嵌和静电引力的双重作用下，减少了水分子的进入，从而起到防塌和抑制作用；b、甲酸盐降低了泥浆中自由水活度，使地层水向井眼反响渗透，促进井壁稳定，甲酸根是极性水化基团，体积较小，它通过氢键力吸附于粘土表面，增加水化膜厚度，防止粘土进一步水化，形成结构，使压井液保持良好的流变性和稳定性。

（5）高温缓蚀稳定剂具有缓蚀作用，NTA与钼酸钠、柠檬酸钠具有协同缓蚀效果，具有很强的耐高温性能。各组分按照本发明配比使用，能够达到最低的腐蚀速率。

混合物作用机理：协同缓蚀效果能够在金属表面形成具有互补性的保护膜，提高自腐蚀电位，降低腐蚀电流，提高综合效益。可用少量的缓蚀物质获得较好的效果。钼酸盐用作缓蚀剂无毒、无污染、但价格昂贵，用量大而受到限制，因此以钼酸盐为主体的缓蚀剂得到广泛应用，缓蚀效果好，尤其是与其它药剂共用可大大抑制点蚀的发生，热稳定性高，可用于高热高密度系统。

所述抗高温无固相低伤害压井液的制备方法，包括将改性褐煤加入水中，搅拌均匀配制成压井液准备液，依次加入有机盐加重剂、多功能聚合物、水溶性纤维素醚类衍生物、高温缓蚀稳定剂，搅拌均匀后，即得到抗高温无固相低伤害压井液。

所述抗高温无固相低伤害压井液可用于强水敏油气藏作业过程中。

本发明的压井液的性能如下：

表2压井液性能指标

本发明的压井液具有以下有益效果：

（1）压井液滤失量低且滤饼薄，保护地层环境不被污染和破坏，且具有缓蚀作用；

（2）压井液粘度长时间高温地层剪切下保证粘度保留一半以上，且具有防膨作用；

（3）压井液密度根据使用要求进行调节，调节范围可从1.0g/cm³~2.3g/cm³；

（4）压井液所用原料均为易生物降解并且均为市场公开的销售产品，来源广，配制方便；

（5）压井液抗温性能好，热稳定性强，最高能抗到180℃，24h粘度保持率50%以上；

（6）压井液所用原料主要成分为单体，配方简单，易于维护处理和现场配制，较同类产品比，降低了总体成本，降低了工人的劳动强度；

（7）压井液各成分配伍性能好，不发生化学反应，静止48h以上没有分层现象。且各组分复配使用具有协同增效作用，因此用量较同类产品少，而使用效果好。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所用试剂均可市售获得。

实施例1以1m³，比重为1.3g/cm³为例，按压井液配方配制。

配方：

磺甲基腐植酸钾15kg；

甲酸钠557.7kg；

分子量为100万的四元多功能聚合物（丙烯酰胺∶N,N-二甲基丙烯酰胺∶2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸∶丙烯酸钠的摩尔比为65∶10∶9∶17.5）8kg；

低粘聚阴离子纤维素（购自明珠化工有限公司）20kg；

NTA与钼酸钠、柠檬酸钠比为1∶1∶0.2的混合物1.2kg；

水698.1kg。

配制方法：

(1)在配液池中注入清水698.1kg，在1000转/分钟的条件下准备加药；

(2)在搅拌状态下加入磺甲基腐植酸钾15kg，搅拌均匀，得到压井液准备液；

(3)继续在搅拌状态下加入甲酸钠557.7kg，搅拌均匀；

(4)继续在搅拌状态下加入分子量为100万的四元多功能聚合物8kg，搅拌均匀；

(5)继续在搅拌状态下加入低粘聚阴离子纤维素20kg，搅拌均匀；

(6)继续在搅拌状态下加入NTA与钼酸钠、柠檬酸钠比为1∶1∶0.2的混合物1.2kg，搅拌均匀后，即得到适合用于强水敏的抗高温无固相低伤害压井液。

压井液性能指标检测：如上表2所示。

压井液性能指标检测方法：

(1)密度测定

密度测定按GB/16783.1-2006中的4.1-4.4执行，测定温度为30℃。

(2)表观粘度

产品配制完成后48小时内，测定常温读数，接着放入高温罐在180℃下热滚24h，取出冷却至室温再高搅5分钟，测定热滚后的读数。

(3)静态悬浮稳定时间

静态悬浮稳定时间按SY/T5834—2007中的5.6执行。

(4)失水量测定

API失水量测定按GB/16783.1—2006中的7.2执行。

高温高压失水量测定按GB/16783.1-2006中的7.3执行。

(5)油管腐蚀率测定

油管腐蚀率测定按SY/T0026-1999执行。

(6)页岩防膨率

a.实验仪器：高温高压岩心膨胀试验仪

b.实验方法：

①称取20g在膨润土粉，以4MPa的压力加压5min制作模拟岩心。

②把装有模拟岩心的测试杯放入测试室，将位移传感器头对准测试杯放好后，盖测试室的堵头。

③在测试系统I装入蒸馏水，测试系统II装入中博公司压井液，打开计算机测试软件，将温度设定在150℃，压力设定在10MPa条件下记录24h内的膨胀量和防膨率。

结果如表3所示。

表3压井液性能指标检测结果

实施例2以1m³，比重为1.6g/cm³为例，按压井液配方配制。

配方：

磺甲基腐植酸钾48kg；

甲酸钾1232kg；

分子量为200万的四元多功能聚合物（丙烯酰胺∶N,N-二甲基丙烯酰胺∶2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸∶丙烯酸钠的摩尔比为4∶3∶70∶25）16kg；

低粘聚阴离子纤维素(购自明珠化工有限公司)24kg；

NTA与钼酸钠、柠檬酸钠比为1∶1∶0.5的混合物2.4kg；

水277.6kg。

配制方法、检测指标及检测方法如实施例1。检测结果如表4所示，均符合要求。

表4压井液性能指标检测结果

实施例3以1m³，比重为2.1g/cm³为例，按压井液配方配制。

配方：

磺甲基腐植酸钾16.8kg；

甲酸铯1604.4kg；

分子量为100万四元多功能聚合物（丙烯酰胺∶N,N-二甲基丙烯酰胺∶2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸∶丙烯酸钠的摩尔比为67∶5∶10∶20.5）10.5kg；

低粘聚阴离子纤维素(购自明珠化工有限公司)20kg；

NTA与钼酸钠、柠檬酸钠比为1∶1∶0.2的混合物1.2kg；

水447.1kg。

配制方法、检测指标及检测方法如实施例1。检测结果如表5所示，均符合要求。

表5压井液性能指标检测结果

实验例以比重为2.1g/cm³为例，对比本发明的抗高温无固相低伤害压井液与同类产品(购自潍坊北城化工有限公司)的性能指标。检测结果如表6所示。

表6压井液性能指标检测结果

由表中数据对比可以得出，本专利的高温无固相低伤害压井液各项性能指标均等于或优于同类产品。其一，180℃热滚24h后，本专利产品粘度损失率为27.8%，小于50%；而同类产品粘度损失率为65%，高于50%，本专利产品效果更优。其二，180℃热滚24h后，本专利产品高温高压失水量为17ml，而同类产品高温高压失水量为28ml，本专利产品效果更优。同时，油管腐蚀速率和防膨率也均是本专利产品效果更优。