[发明专利]一种高性能成膜水基钻井液的制备方法

说明书

技术领域

本发明是一种新型高性能成膜水基钻井液体系。它是一种能满足环保需要而且可以替代油基钻井液(OBM)的新型钻井液体系。该体系具有如下主要优良性能：①成膜性好；②抑制性强；③环境友好；④润滑性能好；⑤高温稳定性好；⑥储层伤害低。

背景技术

泥页岩地层大约占所钻地层的75％，而有90％以上的井壁失稳现象发生在泥页岩地层。当泥页岩和软泥岩的水化及分散得不到有效抑制时，便会导致多种井下复杂情况的发生。这些复杂情况包括：钻头泥包、缩径、井塌，以及流变性和滤失量难以控制等等。泥页岩地层中粘土矿物的表面水化和渗透性水化，伴随着孔隙压力的传递，是导致泥页岩井壁失稳的主导因素之一。

保持页岩稳定的关键因素是阻止孔隙压力向页岩基质的传递。天然的泥页岩常常是非理想膜，溶质没有完全被阻止而进入膜。为了改善泥页岩膜的理想性，须减小孔隙尺寸或增加在泥页岩薄层的电荷密度。油基钻井液体系是通过油膜和乳状液中的乳化剂/表面活性剂吸附在页岩表面上而形成理想半透膜的。油膜和乳状液中的乳化剂/表面活性剂吸附在页岩表面上形成的毛细管压力能阻止孔隙压力传递。而且，高浓度的盐相能降低了钻井液中水相的活度，在井壁上产生一个渗透压，阻止水分子自由进入地层。

为了满足环保要求和降低钻井液成本，近年来国内外一直在寻求一种具有油基钻井液优良性能的水基钻井液。在过去的几年内，采用了多种方法提高水基钻井液性能，例如：阳离子聚合物钻井液、聚合醇钻井液和硅酸盐钻井液等。然而，在抑制泥页岩水化以及钻井液润滑性等方面均存在多种局限性。针对这些情况，在深入研究油基钻井液井壁稳定机理后，开发出了一种新型的高性能成膜水基钻井液，可以有效抑制泥页岩水化，稳定井壁，是一种可满足环保需要的油基钻井液(OBM)替代体系。

高性能成膜水基钻井液可通过力学和化学机理，以某种特有的方式在井壁上形成一种选择性的半透膜。在该钻井液体系中，使用一种微粉状、可变形的聚合物来封堵页岩的孔喉或微裂缝，它甚至在高浓度盐水中也能保持稳定的颗粒尺寸分布。这种聚合物特有的颗粒尺寸和变形特性可使之沿着裂缝吸附，从而进一步提高封堵效率，减小页岩孔隙尺寸。页岩内部的架桥作用是通过选用一种有机硅盐，在裂缝和孔喉中生成沉淀而实现的。有机硅盐在泥浆中处于溶解状态，但当它随着泥饼和滤液扩散进入页岩基质时，吸附在井壁岩石表面上，由于pH值降低，或与多价阳离子发生反应时，生成硅醇钙等沉淀性的物质，在泥页岩内部沉积，使界面的渗透性下降，形成一层屏障或膜来阻止离子的运动。这种离子膜的膜效率可以达到油基钻井液的膜效率。

高性能成膜水基钻井液具有油基钻井液使用时具有的如下优良性能：①页岩稳定性强；②抑制性强；③井壁稳定性好；④减小钻头泥包；⑤减少扭矩和摩阻；⑥高温稳定性；⑦提高机械钻速；⑧减少储层伤害。在具有这些优良性能的同时，它还具有对环境友好和配浆成本较低的优点。

发明内容

高性能成膜水基钻井液体系使用了一种微米级的可变形聚合物来封堵易剥落页岩上的微孔隙和微裂缝，可在力学封堵和化学沉淀的共同作用下形成选择性半透膜，这样可降低页岩的渗透率。而常规的封堵剂，如超细碳酸钙，其粒度不能与孔隙和裂缝很好的匹配，因此不能实施有效地封堵。这种可变形的聚合物封堵剂粒径分布宽，不仅可与各种页岩的微孔隙或微裂缝相匹配，而且在淡水和饱和盐水溶液中也可保持同样的粒度分布，是一种理想的成膜封堵剂。并且，可变形的特点使它能嵌入孔喉或裂缝中，从而可提高封堵效率。

用盐水配制的高性能成膜水基钻井液体系的典型配方为：10％-饱和NaCl水溶液+1-3％降失水剂+0.3-0.5％聚合物增粘剂+0.5-1％包被剂+2.5-5％页岩抑制剂+3-4％润滑剂+7-8％成膜剂。

高性能成膜水基钻井液中的页岩抑制剂是一种胺基多官能分子，完全溶于水并且低毒。生物毒性试验结果表明96小时LC₅₀＞500000。

页岩抑制剂的分子结构如下：

[R-N-(R’)-X]_n

式中：R和R′为H、甲基或者含2～4个碳原子的烷基，X为含5-12个碳原子的烃基基团。n为1-4。页岩抑制剂也可从具有下列化学分子式的产品中进行选择。

R-NH-CH₂-CH₂-CH₂-O-CH₂-CH₂-NH-R′