用于深井钻井的钻井液体系及其制备方法

摘要

本公开实施例提供了一种用于深井钻井的钻井液体系，属于油气勘探和开发技术领域。所述本公开实施例提供了一种用于深井钻井的钻井液体系。所述钻井液体系包括以下组分：90‑100份的水、2‑5份的膨润土、3‑6份的pH调节剂、6‑10份的丙烯酸酯共聚物、1‑6份的聚氨酯聚合物、1‑5份的烯丙醇丙烯酸共聚物、0.2‑0.5份的表面活性剂、4‑20份的氯化钾、4‑20份的氯化钠、0.1‑3份的聚丙烯酰胺钾盐和0.1‑3份的两性离子聚合物强包被剂。本公开通过该钻井液在进行钻井时，能够有效的对防止泥页岩的水化膨胀、分散，防止井壁垮塌，并且，具有高的环保型，无生物毒性、易降解性、无重金属。

说明书

技术领域

本公开属于油气勘探和开发技术领域，特别涉及一种用于深井钻井的钻井液体系及其制备方法。

背景技术

钻井液是指油气钻井过程中满足钻井工作需要的各种循环流体的总称，其在钻井过程中必不可少，被喻为钻井的血液。钻井液需要具有携带和悬浮钻屑、稳定井壁及控制地层压力、冷却和润滑钻头钻具、传递水动力、获取地下信息等功能，因此需要向其中对应添加具有各种功能的钻井液处理剂。钻井液处理剂按其作用可分为防塌剂、降滤失剂、堵漏剂、页岩抑制剂、降粘剂、润滑剂、高温稳定剂等多种，根据加入的不同处理剂将钻井液对应划分在不同类型的钻井液体系中。

相关技术中，在我国很多油田中应用最广泛的就是聚磺钻井液体系。在具体的钻井作业中，聚磺钻井液体系将聚合物钻井液和磺化钻井液结合于一体，具有抗高温性和好的抑制性，可以保证钻井速度的提升，提升井壁的稳定性能，另外聚磺钻井液体系还有很好的抗污染性能、润滑性能、封堵性能、抗盐性能、耐老化性能以及易于维护等等。

然而，由于聚磺钻井液体系中的苯环、磺酸基团为顽固基团，在自然条件下不易分解。另外由于在磺化沥青、磺化褐煤等合成过程中使用重金属作为催化剂，造成重金属超标，使聚磺钻井液体系具有生物毒性。

发明内容

本公开实施例提供了一种用于深井钻井的钻井液体系及其制备方法，可以克服在深井钻探中使用的钻井液体系难以降解、有生物毒性、重金属离子超标的问题。所述技术方案如下：

本公开实施例提供了一种用于深井钻井的钻井液体系。所述钻井液体系包括以下组分：90-100份的水、2-5份的膨润土、3-6份的pH调节剂、6-10份的丙烯酸酯共聚物、1-6份的聚氨酯聚合物、1-5份的烯丙醇丙烯酸共聚物、0.2-0.5份的表面活性剂、4-20份的氯化钾、4-20份的氯化钠、0.1-3份的聚丙烯酰胺钾盐和0.1-3份的两性离子聚合物强包被剂。

在本公开的又一种实现方式中，所述钻井液体系还包括2-200份的重晶石。

在本公开的又一种实现方式中，所述重晶石的纯度在98％以上，所述重晶石的粒径为不小于200目。

在本公开的又一种实现方式中，所述pH调节剂为碳酸钠。

在本公开的又一种实现方式中，所述表面活性剂为司盘80。

在本公开的又一种实现方式中，所述制备方法包括：

将水、膨润土搅拌均匀得到膨润土浆；

在所述膨润土浆中加入pH调节剂搅拌均匀并预水化24小时以上，得到预水化膨润土浆；

在所述预水化膨润土浆中依次加入丙烯酸酯共聚物、聚氨酯聚合物、烯丙醇丙烯酸共聚物、表面活性剂、氯化钾、氯化钠、聚丙烯酰胺钾盐、两性离子聚合物强包被剂，并搅拌均匀，得到钻井液体系。

在本公开的又一种实现方式中，所述制备方法还包括：在所述钻井液体系加入重晶石并持续搅拌1小时以上，使得所述钻井液体系的密度达到设定密度。

在本公开的又一种实现方式中，所述将水、膨润土搅拌混合得到膨润土浆，包括：

将所述水加热至70摄氏度；

将所述膨润土加入在所述水中，并持续搅拌10分钟得到所述膨润土浆。

在本公开的又一种实现方式中，所述在所述膨润土浆中加入碳酸钠搅拌均匀并预水化24小时以上，得到预水化膨润土浆，包括：

在所述膨润土浆中加入所述碳酸钠，并持续搅拌30-60分钟；

将所述膨润土浆冷却至常温常压下并预水化24小时以上得到预水化膨润土浆。

在本公开的又一种实现方式中，所述在所述预水化膨润土浆中所述依次加入丙烯酸酯共聚物、聚氨酯聚合物、烯丙醇丙烯酸共聚物、表面活性剂、氯化钾、氯化钠、聚丙烯酰胺钾盐、两性离子聚合物强包被剂，并搅拌均匀，包括：

在所述预水化膨润土浆中加入所述丙烯酸酯共聚物，并持续搅拌5-10分钟；

在所述预水化膨润土浆中加入所述聚氨酯聚合物，并持续搅拌5-10分钟；

在所述预水化膨润土浆中加入所述烯丙醇丙烯酸共聚物，并持续搅拌5-10分钟；

在所述预水化膨润土浆中加入所述表面活性剂，并持续搅拌5-10分钟；

在所述预水化膨润土浆中加入所述氯化钾，并持续搅拌5-10分钟；

在所述预水化膨润土浆中加入所述氯化钠，并持续搅拌5-10分钟；

在所述预水化膨润土浆中加入所述聚丙烯酰胺钾盐，并持续搅拌5-10分钟；

在所述预水化膨润土浆中加入所述两性离子聚合物强包被剂，并持续搅拌5-10分钟，得到用于深井钻井的钻井液体系。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过本实施例提供的钻井液体系在进行深井钻井时，由于本钻井液体系中引入丙烯酸酯共聚物作为降失水剂，使得钻井液体系在钻井时能够快速形成泥饼，进而提高泥饼质量和降低钻井液失水，最终提高泥浆的性能，保证钻井液的使用效果。并且，因为钻井液体系中通过引入聚氨酯聚合物作为封堵剂，使得钻井液体系在使用时能够快速的在井眼表面形成泥饼，降低钻井液对地层的侵入，有助于抑制次生微裂缝的产生、扩展与连通，从而起到防塌作用。再则，本钻井液体系中通过引入烯丙醇丙烯酸共聚物作为泥页岩抑制剂，可以抑制该钻井液体系在钻井时，对粘土矿物活性组分的水化膨胀分散，进而防止井壁失稳。通过引入以上三种化合物，避免引入磺酸基团，由此降低该钻井液的生物毒性，防止重金属超标。

本实施例提供的钻井液体系不仅具有很强的稳定性，还具有很强的抑制性，能够有效的对防止泥页岩的水化膨胀、分散，防止井壁垮塌。除此之外，还具有高的环保型，无生物毒性、易降解性、无重金属。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种用于深井钻井的钻井液体系的制作方法流程图；

图2是本公开实施例提供的另一种用于深井钻井的钻井液体系的制作方法流程图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

本公开实施例提供了一种于深井钻井的钻井液体系，钻井液体系包括以下组分：90-100份的水、2-5份的膨润土、3-6份的pH调节剂、6-10份的丙烯酸酯共聚物、1-6份的聚氨酯聚合物、1-5份的烯丙醇丙烯酸共聚物、0.2-0.5份的表面活性剂、4-20份的氯化钾、4-20份的氯化钠、0.1-3份的聚丙烯酰胺钾盐和0.1-3份的两性离子聚合物强包被剂。

通过本实施例提供的钻井液体系在进行深井钻井时，由于本钻井液体系中引入丙烯酸酯共聚物作为降失水剂，使得钻井液体系在钻井时能够快速形成泥饼，进而提高泥饼质量和降低泥浆滤失，保证钻井液的使用效果。并且，因为钻井液体系中通过引入聚氨酯聚合物作为封堵剂，使得钻井液体系在使用时能够快速的在井眼表面形成泥饼，降低钻井液对地层的侵入，有助于抑制次生微裂缝的产生、扩展与连通，从而起到防塌作用。再则，本钻井液体系中通过引入烯丙醇丙烯酸共聚物作为泥页岩抑制剂，可以抑制该钻井液体系在钻井时，对粘土矿物活性组分的水化膨胀分散，进而防止井壁失稳。通过引入以上三种化合物，避免引入磺酸基团，由此降低该钻井液的生物毒性，防止重金属超标。

本实施例提供的钻井液体系不仅具有很强的稳定性，还具有很强的抑制性，能够有效的对防止泥页岩的水化膨胀、分散，防止井壁垮塌。除此之外，还具有高的环保型，无生物毒性、易降解性、无重金属。

需要说明的是，本公开中所有组分的份数，均是指各化学物的质量，也就是说通过调整组分之间质量的比值，可以合理的选择需要的钻井液体系。

可选地，钻井液体系还包括2-200份的重晶石。

在上述实现方式中，为了保证钻井液体系具有合适的密度，通过加入重晶石在该钻井液体系，以保证该钻井液具有合适的密度。

可选地，重晶石的纯度在98％以上，重晶石的粒径分布在200目以上。

在上述实现方式中，通过使用高纯度重晶石粉末，能够使得重晶石快速分散在该钻井液体系中，对钻井液体系的密度进行快速调整，以达到设定密度值。设定密度值根据钻井实际需求具体设定。

举例来说，通过重晶石可以将钻井液体系的密度从1.02克每立方厘米调整至2.02克每立方厘米。

可选地，pH调节剂可以为碳酸钠。

在上述实现方式中，通过引入碳酸钠，一方面可以保证该钻井液体系的pH值大于8，同时又可以引入钠离子，促进膨润土的水化。

示例性地，表面活性剂可以为司盘80。

在上述实现方式中，表面活性剂的加入能够钻井液体系的界面状态发生明显变化。而由于司盘80具有固定的亲水亲油基团，所以在钻井液体系的表面能定向排列。如此一来，可以有效地降低钻井液中油水界面的张力，使得水与有机化合物混合在一起时不会出现油水的上下分层，而是呈现为一种上下一致的稳定非互溶、非混相的油水混合形式，保证钻井液体系在使用中能够均匀分散在地层中。

示例性地，丙烯酸酯共聚物、聚氨酯聚合物、烯丙醇丙烯酸共聚物、司班80均需要满足行业标准。

在上述实现方式中，满足行业标准的产品可以尽可能的保证该钻井液体系满足实际使用要求。

示例性地，本实施例中以上所选用的化合物明细，具体见下表1。

表1用于深井钻井的钻井液体系原料明细表

本实施例还提供了一种用于深井钻井的的钻井液体系的制备方法，如图1所示，制备方法包括：

S101、将水、膨润土搅拌均匀得到膨润土浆；

S102、在膨润土浆中加入碳酸钠搅拌均匀并预水化24小时以上，得到预水化膨润土浆；

S103、在预水化膨润土浆中依次加入丙烯酸酯共聚物、聚氨酯聚合物、烯丙醇丙烯酸共聚物、表面活性剂、氯化钾、氯化钠、聚丙烯酰胺钾盐、两性离子聚合物强包被剂，并搅拌均匀，得到钻井液体系。

通过本实施例提供的用于深井钻井的钻井液体系的制备方法，可以成功的制备用于深井钻井的钻井液体系，使得该钻井液体系含有重金属离子少，对油田污染性降低，同时，也可以保证该钻井液体系具备高的抗盐性等。并且，能够可以有效地保证该钻井液体系具备高的封堵性。

本实施例提供的钻井液体系可以很好替代聚磺钻井液体系，具有很强的稳定性，同时又具有强的抑制性，能够有效的防止泥页岩的水化膨胀、分散，防止井壁垮塌，并且，具有高的环保型，无生物毒性、易降解性、无重金属。

图2为本实施提供的另一种用于深井钻井的钻井液体系的制备方法，制备方法包括：

S201、将水加热至70摄氏度。

在上述实现方式中，通过将水加热至70摄氏度，可以进一步使得膨润土易于水化，保证膨润土水化效果最佳。

S202、将膨润土加入在水中，并持续搅拌10-30分钟得到膨润土浆。

在上述实现方式中，通过持续搅拌可以快速的将膨润土溶于水中，使得膨润土与水能够快速形成膨润土浆，同时也可以保证膨润土能够均匀分散在水中。

S203、在膨润土浆中加入碳酸钠，并持续搅拌30-60分钟。

在上述实现方式中，加入碳酸钠，可以使得膨润土快速吸附阳离子，即由原来的钙膨润土转变为钠膨润土，通过引入钠离子使得膨润土更易溶于水，进一步使得膨润土在水中分散得更好。

S204、将膨润土浆冷却至常温常压下并预水化24小时以上得到预水化膨润土浆。

在上述实现方式中，通过以上操作可以使得膨润土充分溶解在水里，为后续步骤205做准备。

S205、在预水化膨润土浆中依次加入丙烯酸酯共聚物、聚氨酯聚合物、烯丙醇丙烯酸共聚物、表面活性剂、氯化钾、氯化钠、聚丙烯酰胺钾盐、两性离子聚合物强包被剂，并搅拌均匀，得到钻井液体系。

以上步骤可以通过以下方式进行实现：

(1)在预水化膨润土浆中加入丙烯酸酯共聚物，并持续搅拌5分钟。

在上述实现方式中，丙烯酸酯共聚物主要作为降失水剂，通过引入丙烯酸酯共聚物可以减小膨润土浆中的失水性，使得钻井液体系在钻井时能够快速形成泥饼，进而提高泥饼质量和降低钻井液失水，最终提高泥浆的性能，保证钻井液的使用效果。

(2)在预水化膨润土浆中加入聚氨酯聚合物，并持续搅拌5-10分钟。

在上述实现方式中，聚氨酯聚合物主要作为封堵剂，封堵剂能够显著降低该钻井液的滤失量，通过引入聚氨酯聚合物能够保证该钻井液体系在使用时，能够快速的在井眼表面形成泥饼，降低钻井液对地层的侵入，有助于抑制次生微裂缝的产生、扩展与连通，从而起到防塌作用。

(3)在预水化膨润土浆中加入烯丙醇丙烯酸共聚物，并持续搅拌5-10分钟。

在上述实现方式中，烯丙醇丙烯酸共聚物主要作为泥页岩抑制剂，通过引入烯丙醇丙烯酸共聚物可以抑制该钻井液体系在钻井时，对粘土矿物活性组分的水化膨胀分散，进而防止井壁失稳。因为钻井时，地层中的页岩与钻井液接触后，钻井液会沿页岩微裂缝渗入，页岩发生水化膨胀和分散，并且钻井液的压力也会缓慢传递至地层，最终导致井壁失稳。稳定井壁的途径主要是抑制粘土矿物活性组分的水化膨胀分散及阻止钻井液压力沿微裂缝在地层中的传递。

(4)在预水化膨润土浆中加入表面活性剂，并持续搅拌5-10分钟。

在上述实现方式中，表面活性剂的加入能够钻井液体系的界面状态发生明显变化。而司盘80作为常用的钻井液体系中的表面活性剂，其具有固定的亲水亲油基团，在钻井液体系的表面能定向排列，进而有效地降低钻井液中油水界面的张力，使得水与有机化合物混合在一起时不会出现油水的上下分层，而是呈现为一种上下一致的稳定非互溶、非混相的油水混合形式，保证钻井液体系在使用中能够均匀分散在地层中。

(5)在预水化膨润土浆中加入氯化钾，并持续搅拌5-10分钟。

在上述实现方中，氯化钾作为抑制剂，通过引入氯化钾能抑制泥页岩和钻屑的水化分散，降低泥浆粘度。

(6)在预水化膨润土浆中加入氯化钠，并持续搅拌5-10分钟。

(7)在预水化膨润土浆中加入聚丙烯酰胺钾盐，并持续搅拌5-10分钟。

在上述实现方中，聚丙烯酰胺钾盐作为增粘剂、包被剂、絮凝剂，通过引入聚丙烯酰胺钾盐，可以使得该钻井液体系具有调节流型，以此进一步抑制页岩分散，并且能够降低钻井液的滤失量，进而提高钻速。

(8)在预水化膨润土浆中加入两性离子聚合物强包被剂，并持续搅拌5-10分钟，得到用于深井钻井的钻井液体系。

在上述实现方中，通过引入两性离子聚合物强包被剂，可以抑制钻井液粘度、包被钻屑、稳定井壁、降低滤失量，起到防塌作用。同时通过搅拌能够均匀的将两性离子聚合物强包被剂混合至钻井液体系中，保证钻井液体系的上下均一，化学性能稳定。

S206、在钻井液体系加入重晶石并持续搅拌1小时以上，使得钻井液体系的密度达到设定密度。

在上述实现方式中，通过引入重晶石，能够对钻井液体系的密度进行快速调整至设定密度值。

示例性地，制备方法中搅拌过程均采用的是电动搅拌，搅拌速率为100-500转。

在上述实现方式中，通过电动搅拌能够促进各种化学产品于水，保证钻井液体系溶液的均一性，同时又可以提高制作效率。

需要说明的是，以上制作方法中需各组分的用量根据先前所述的用于深井钻井的钻井液体系中具体的份数，这里不再赘述。

本实施例中还对以上所制备的用于深井钻井的钻井液体系的化学性能进行检测评价：

一、流变性、滤失性的检测

按照上述方法配制所需的钻井液体系，完成后，在滚条件150摄氏度/16h，检测其流变性、滤失性等，结果如下表2：

以上实验是通过在滚子炉150摄氏度中热滚16h，以检测该钻井液体系的流变性、滤失性能等。

表2：不同滚条件下钻井液体系的流变性检测

从表2中可以看出，本钻井液体系的性能在150摄氏度老化16h的前后变化不大，抗温性、失水造壁性、流型能够满足现场深井钻井需求，密度可调范围1.10～2.0g/cm

二、抗钙稳定性的检测

将上述制备的钻井液体系中分别加入5％、10％的CaCl

表3：不同含量的CaCl

钻井液体系在加入CaCl

三、抗劣土污染性能的检测

将上述制备的钻井液体系分别加入3％、5％的四川地区沙溪庙页岩岩屑，在150摄氏度下老化16h后测试其流变性能、滤失量，结果如下表4：

表4：不同含量的劣土对钻井液体系的性能的影响

随着劣土量增加，该钻井液体系的粘度及滤失量仅有小幅上升，劣土加量5％情况下性能保持稳定，该钻井液体系具有优良的抗劣土污染能力。

四、沉降稳定性的检测

将该钻井液体系在150摄氏度下热滚16h，分别静置32h、48h、72h后投玻璃棒开展测试，测试结果玻璃棒均能到底听见撞击声；测试老化罐上层及下层钻井液体系溶液的密度，静止不同时间后上下层密度几乎一致，说明该该钻井液体系具有良好的沉降稳定性，能够防止重晶石下沉，结果如下表5：

表5：不同沉降时间对该钻井液体系的性能的影响

五、抑制性的检测

选取四川沙溪庙泥页岩，清水页岩回收率为10.70％，现有聚磺钻井液体系的页岩回收率79.47％，该钻井液体系的岩回收率为98.96％，该钻井液体系抑制性优于聚磺钻井液，具有强的抑制性，可有效防止泥页岩的水化膨胀、分散，防止井壁垮塌，结果如下表6：

表6：钻井液体系与现有聚磺钻井液体系抑制性的对比

六、环保性的检测

将四川地区普通聚磺体系钻井液和本钻井液体系做生物毒性、生物降解性、重金属测试，结果如下表7：

表7：钻井液体系与现有聚磺钻井液体系的环保性能的对比

结果表明，本钻井液体系无生物毒性、易降解性、无重金属。

六、现场实施

在四川秋林地区某井现场实施该钻井液体系，秋林某井位于绵阳市三台县富顺镇南峰村，设计井深2620m，于2019年2月10日开钻，2019年3月8日完钻，完钻井深2655m，钻井周期27天，平均机械转速14.6m/h。其钻遇地层为蓬莱镇组、遂宁组、沙溪庙组，岩性以棕色、棕红，褐棕色泥岩为主，夹棕褐色粉砂岩，易缩径，垮塌。岩屑不易携带清除干净等情况，结果如下表8。

表8：现场组织本钻井液体系性能

钻进过程中，及时补充FA367+YFKN+KCl聚合物混合液，并且不间断加入膨润土基浆来维护钻井液粘度，保证钻井液流变性，提高钻井液的井眼清洁能力。在根据性能补充JY-1、JHS-01加量来降滤失量与增强钻井液的抑制性和防塌能力。

从钻井工程参数来看，钻压、转速、排量以及泵压均在设计范围之内，总体钻井情况正常，证明本体系具有现场运用能力。钻头螺杆无泥包、起下钻无挂阻，井径在10％以内，证明其有良好的抑制性能。

以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。