CN114181680A - 一种水基钻井液触变性改良剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水基钻井液触变性改良剂及其应用，涉及钻井液技术领域。改性聚脲的N‑甲基吡咯烷酮溶液当加入钻井液中，利用其有效物质在水中的不溶解性，形成很细的针状微结晶，此结晶同氢键等共同作用可快速形成三维网络结构，为钻井液提供优异的防沉降性，同时很低的剪切速率就足以破坏此网络结构，快速达到钻井液流动所需的低粘度，具有明显低减切增稠剂的特性。改性聚脲的N‑甲基吡咯烷酮溶液在常温下能较好地应用到各种水基钻井液中，协同作用良好，能实现良好的触变作用，对动塑比、失水量、润滑性均具有不同程度的改良，可作为一种水基钻井液触变性改良剂使用。

Description

一种水基钻井液触变性改良剂及其应用

技术领域

本发明涉及钻井液技术领域，具体涉及一种水基钻井液触变性改良剂及其应用。

背景技术

钻井工程是获取地球内部资料、提供测试空间及资源开采通道最直接的技术手段，钻井施工往往面临难以预测的孔内复杂条件，给工程带来很大的不确定性。钻井液是钻井工程的血液，对维持孔内良好施工条件起到至关重要的作用。钻井液技术是确保快速安全钻井的关键技术之一。

钻井液良好的触变性有利于悬浮加重剂和岩屑，特别在钻井液静止或低速下其重要性更为突出，是钻井液的重要特征之一。触变性钻井液的切力除与剪切速率、温度等有关，还与剪切持续时间、静置时间有关，它是与时间有关的流体。含膨润土的钻井液是典型的触变流体，部分高分子、无机盐也会改变钻井液的触变性，但随着这些材料加量的增多，会带来固相含量增加、钻井液体系变化等诸多问题，并且多数材料的触变效果并不明显。

现阶段钻井液触变性的研究主要集中在评价方法、不同配方性能对比、触变方程等方面，钻井液处理剂暂无触变剂这一单独分类，专用材料研发不多。因此，急需研究一种可维持现有钻井液体系，能较为精准地调节触变性，达到“快的弱凝胶”作用的水基钻井液触变性改良剂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种水基钻井液触变性改良剂及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：改性聚脲在水基钻井液触变性改良剂中的应用。

进一步地，所述的改性聚脲采用改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮溶液的形式。

进一步地，所述改性聚脲在钻井液体系中的质量百分比浓度为1.5～2％。

一种水基钻井液触变性改良剂，包含上述的改性聚脲。

作为优选方案，所述水基钻井液为无固相钻井液，其改良剂使用配方为：水+0.2～0.5％PAM+1.5～2％改性聚脲。

作为优选方案，所述水基钻井液为细分散钻井液，其改良剂使用配方为：水+3～6％钠基膨润土+1.5～2％改性聚脲。

作为优选方案，所述水基钻井液为不分散低固相钻井液，其改良剂使用配方为：水+2～5％钠基膨润土+0.1～0.3％CMC+0.01～0.03％PHP+1.5～2％改性聚脲。

本发明具有以下优点：

(1)改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮溶液，其不挥发份占52％，能较好地混溶于水，它的增稠机理既有氢键的作用，也有端基的缔和作用。改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮溶液具有空间位阻的作用，当加入钻井液中，利用其有效物质在水中的不溶解性，形成很细的针状微结晶，此结晶同氢键等共同作用可快速形成三维网络结构，为钻井液提供优异的防沉降性，同时很低的剪切速率就足以破坏此网络结构，快速达到钻井液流动所需的低粘度，具有明显低减切增稠剂的特性。

(2)改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮溶液溶于水后肉眼观察具有大小不等半透明片状等结构特征，其水溶液在做失水量实验时能快速漏失完毕，说明其在水中的实际颗粒属于溶质或偏小胶体粒子(1-100nm)的范畴，长期放置不发生沉淀。而在与蒙脱石配合时的失水量实验中却不易分离出来，其可强力吸附于蒙脱石，两者协同作用良好。

(3)通过改性聚脲的纯溶液及其添加到各种钻井液中进行触变性及相关性能测定实验，说明改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮溶液在常温下能较好地应用到各种水基钻井液中，协同作用良好，能实现良好的触变作用，对动塑比、失水量、润滑性均具有不同程度的改良，可作为一种水基钻井液触变性改良剂使用。

附图说明

图1为采取不同浓度加量改性聚脲的水溶液静切力与静置时间关系曲线图。

图2为采取不同浓度加量改性聚脲的水溶液切力—速梯半对数触变曲线图。

图3为采取不同浓度加量改性聚脲的水溶液粘度—速梯半对数触变曲线图。

图4为钻井液中添加改性聚脲静切力与静置时间关系曲线图。

图5为钻井液中添加改性聚脲切力—速梯半对数触变曲线图。

图6为钻井液中添加改性聚脲粘度—速梯半对数触变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

实施例1：一种水基钻井液触变性改良剂

所述水基钻井液为无固相钻井液，其改良剂为：水+0.2％PAM+1.5％改性聚脲。

实施例2：一种水基钻井液触变性改良剂

所述水基钻井液为无固相钻井液，其改良剂为：水+0.5％PAM+2％改性聚脲。

实施例3：一种水基钻井液触变性改良剂

所述水基钻井液为无固相钻井液，其改良剂为：水+0.3％PAM+1.8％改性聚脲。

实施例4：一种水基钻井液触变性改良剂

所述水基钻井液为细分散钻井液，其改良剂为：水+3％钠基膨润土+1.5％改性聚脲。

实施例5：一种水基钻井液触变性改良剂

所述水基钻井液为细分散钻井液，其改良剂为：水+6％钠基膨润土+2％改性聚脲。

实施例6：一种水基钻井液触变性改良剂

所述水基钻井液为细分散钻井液，其改良剂为：水+4％钠基膨润土+1.8％改性聚脲。

实施例7：一种水基钻井液触变性改良剂

所述水基钻井液为不分散低固相钻井液，其改良剂为：水+2％钠基膨润土+0.1％CMC+0.01％PHP+1.5％改性聚脲。

实施例8：一种水基钻井液触变性改良剂

所述水基钻井液为不分散低固相钻井液，其改良剂为：水+5％钠基膨润土+0.3％CMC+0.03％PHP+2％改性聚脲。

实施例9：一种水基钻井液触变性改良剂，

所述水基钻井液为不分散低固相钻井液，其改良剂为：水+3％钠基膨润土+0.2％CMC+0.02％PHP+1.8％改性聚脲。

以下通过实验说明本发明的有益效果

1实验器材和实验方法

1.1实验器材

(1)实验设备：ZNN-D12S智能数显十二速旋转粘度计、SD6B中压失水仪、EP-C极压润滑仪、HS-17磁力搅拌器、DQJ型低速强力搅拌机、苏氏漏斗粘度计。

(2)实验试剂：改性聚脲、膨润土、PAM、CMC、PHP、BaSO₄、纯净水。

改性聚脲采用改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮溶液的形式，其不挥发份占52％，酸碱度近中性。

1.2实验方法

先对不同加量改性聚脲液的水溶液进行静切力和触变环测试，选择相对合适的比例添加到无固相、细分散、不分散等钻井液体系中，测试其对钻井液触变性及失水量、粘度、润滑等主要性能指标的影响，并对温度适应性和实际悬浮能力也进行测试，较为全面地评价其对钻井液的适应性。

2改性聚脲水溶液触变性测试

2.1溶液静切力测试

ZNN-D12S智能数显十二速旋转粘度计可以0.1秒时间间隔连续读取数据，能较准确地找到切力最大值。静切力法是以600r/min高速搅拌10s后分别静置10s和10min，采用3r/min转速测得最大值的1/2作为初切(G10〞)和终切(G10′)，一般用其差值Δτ表示触变性强弱。实际钻井液的静切力会随着时间增长持续变大，为更好地反应其随时间变化的规律，测试延长了时间。每次测试均以600r/min高速重新搅拌10s后的测量值为准，除记录最大值外还记录相对稳定值供参考，以更全面地反映搅拌后的“稀释”状态。

操作步骤：

(1)按一定比例将改性聚脲加入到纯净水中，例如1％的溶液即为500mL水中加入5g改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮溶液，采用磁力搅拌器搅拌均匀并静置超12h待用；

(2)将ZNN-D12S智能数显十二速旋转粘度计通电并连接电脑，启用电脑控制模式中的常规测量，将读数间隔设定为0.1秒。

(3)将待测溶液重新搅拌倒入样品杯内至刻线处(350mL)，安置完毕；

(4)与秒表配合，用600r/min高速搅拌10s，停止静置10s，用3r/min测得最大值的1/2作为初切(G10〞)；再用600r/min高速搅拌10s，停止静置10min，用3r/min测得最大值的1/2作为终切(G10′)；再用600r/min高速搅拌10s，停止静置30min，用3r/min测得最大值的1/2作为30min时的静切力。依次类推测得静置1h、2h、4h、16h等不同时间对应的静切力。其中3r/min测试时旋转时间控制在10s，以使下降段的数据趋于稳定；

(5)该仪器会自动储存每次旋转下的数据，每秒可记录10个数据值，对照相关3r/min测试的数据找出读数最大值，乘以1/2即为相应时间溶液的静切力值，同时在数据表格末尾找出3r/min时数据下降后的稳定值，乘以1/2即为3r/min时溶液切力稳定值。

采取不同浓度加量的溶液在静置不同时间测得的静切力值，如表1所示，并以其绘制静切力与静置时间关系曲线如图1，同时记录3r/min时溶液切力稳定值，如表2所示。

表1水溶液静切力测试表

备注：实测纯净水600r/min切力1Pa，300r/min切力0.35Pa，200r/min切力0.1Pa，200rpm以下测值均显示为0。

表23r/min时水溶液切力稳定值测试表

根据静切力测试的相关数据，可总结其溶液性能规律如下：

(1)溶液随着改性聚脲的增加，静切力值整体呈不断增加的趋势；

(2)同一浓度下，随着时间延长，静切力是呈不断上升的趋势，并在约200min前有一个快速增长的过程，之后增长幅度趋缓，可较好地体现“快的弱凝胶”快凝的一面。

(3)无论实测静切力多大，搅拌后的稳定切力值均会快速下降到一个较低值，很好地体现了“快的弱凝胶”弱的一面，一触即变的性质表现的淋漓尽致。例如2％浓度溶液静置16h，测得静切力为58Pa，几秒内的切力值降低到2.1Pa，降幅巨大。

(4)3r/min转速下的稳定切力值会随着时间增长、加量增多整体呈上升的趋势。

(5)从Δτ数据分析，触变性在加量0.5％、1％改进不明显，1.5％、2％效果适中，2.5％、3％偏大。因此，选择2％的加量进一步测试其对钻井液的影响。

2.2溶液触变环测试

采用触变环法测试不同浓度溶液切力与转速的对应关系，速率由低到高，再逐级降低。因规范未做规定，每次循环操作时间控制在5min左右，以使每一速梯下尽量达到稳定读数，同一浓度下的切力会在速率上升段和下降段出现两条不完全重合的曲线，即触变环，以此进行定性分析。

操作步骤：

(1)按一定比例将改性聚脲加入到纯净水中，例如1％的溶液即为500mL水中加入5g改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮溶液，采用磁力搅拌器搅拌均匀并静置超12h待用；

(2)将ZNN-D12S智能数显十二速旋转粘度计通电并连接电脑，启用电脑控制模式中的常规测量，将读数间隔设定为1秒。

(3)将待测溶液重新搅拌倒入样品杯内至刻线处(350mL)，安置完毕；

(4)以1r/min→2r/min→3r/min→10r/min→20r/min→30r/min→60r/min→100r/min→200r/min→300r/min→600r/min→300r/min→200r/min→100r/min→60r/min→30r/min→20r/min→10r/min→6r/min→3r/min→2r/min→1r/min的转速顺序进行数据测试，与秒表配合，每一转速停留时间约10s，以使该速梯下的速度趋于稳定。

(5)该仪器会自动储存每次旋转下的数据，对照找到每一转速下数据稳定值，乘以1/2作为该转速下的切力，上升段和下降段在同一转速下的切力可能存在差异，特绘制切力-速梯半对数触变曲线进行分析。

(6)将上述切力值除以每一转速的实际速梯值即为该转速下的表观粘度，单位Pa.S，乘以1000可换算成mPa.S，例如3r/min的速梯为5.1S^-1，600r/min的速梯为1022S^-1。

采取不同浓度加量的溶液切力与不同转速的对应关系见表3，并以其绘制切力-速梯半对数触变曲线如图2所示。因切力数据差异偏小，不利于观察，现将切力换算成不同速梯下的表观粘度，绘制粘度-速梯半对数触变曲线如图3所示。

表3水溶液触变环切力测试表

根据触变环法测试的相关数据，可总结该溶液性能规律如下：

(1)溶液的切力会随着速梯的增加而增加，降低而降低，并且同一速梯的切力在转速下降段普遍低于上升段，说明溶液明显是与剪切时间有关的流体。

(2)溶液的切力(粘度)曲线表现为高速梯下趋于重叠，低速梯下趋于分离且差异增大的整体规律。

(3)溶液由低速向高速剪切时，内部结构来不及破坏，表现为偏高的粘度，由高速向低速时，内部结构来不及形成，表现为偏低的粘度，因此有了触变环。

(4)高速剪切时，不同浓度溶液的表观粘度接近且较小，低速剪切时，不同浓度溶液的粘度均急速增大，例如所有不同浓度溶液在600r/min时的表观粘度均在40mPa.S以下，1r/min时最大可接近3500mPa.s，剪切稀释作用明显。

(5)随着剪切速率趋于零，即溶液由低速趋于静止的动静转变过程中，粘度急速增大，相关性质变化明显。我们比方此现象近似于“动摩擦力”与“最大静摩擦力”的区别，只是固体的转变在瞬间完成，而溶液却有一个变化剧烈的过渡带，当完全静止时的表观粘度达到最大，变成极低强度“弱凝胶”般的固体，并随着静置时间延长，内部结构开始以静切力(或强度)的形式进一步增强。

3改性聚脲作用于钻井液性能测试

3.1钻井液配方

在进行相关测试前均提前一天配制钻井液，并以水的质量为基数添加2％的改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮溶液进行对比测试，3种基础钻井液配方如下表4所示。

表4钻井液基础配方表

编号	基础配方	钻井液体系
			1#	水+0.3％PAM	无固相钻井液
2#	水+4％钠基膨润土	细分散钻井液
			3#	水+3％钠基膨润土+0.2％CMC+0.02％PHP	不分散低固相钻井液

3.2钻井液静切力测试

以钻井液基础配方和添加改性聚脲的配方进行对比测试，静置不同时间测得的静切力值见下表5，并以其绘制静切力与静置时间关系曲线如图4所示，同时记录3r/min时钻井液切力稳定值见表6。

表5钻井液静切力测试表

表6 3r/min时钻井液切力稳定值测试表

根据静切力法测试的相关数据，可总结其作用于钻井液的性能规律如下：

(1)加入改良剂后，3中不同钻井液的静切力均明显增大，特别在前30min内增长幅度最大，实测数据离散度也较高，后期由于材料间相互作用影响，特别在有膨润土的情况下，静切力还有略微下降的趋势；

(2)加入改良剂的钻井液受其它材料影响，相对于2％的纯溶液，3r/min剪切后的切力稳定值均有所增长。1#配方的无固相钻井液呈持续增长的过程，受PAM影响较小，2#含膨润土的细分散钻井液具有明显增长到降低的过程；

(3)加入改良剂的钻井液，在3r/min剪切后的切力稳定值为静切力值50％左右大致规律。

3.3钻井液触变环测试

以钻井液基础配方和添加改良剂的配方进行对比测试，测试钻井液切力在不同转速下的对应关系见下表7，并以其绘制切力-速梯半对数触变曲线如图5所示。因切力数据差异偏小，不利于观察，现将切力换算成不同速梯下的表观粘度，绘制粘度-速梯半对数触变曲线如图6所示。

表7钻井液触变环切力测试表

根据触变环法测试的相关数据，可总结其作用于钻井液的性能规律如下：

(1)添加改良剂的钻井液会明显改变基础配方钻井液的触变曲线，使切力(粘度)整体提升；

(2)添加改良剂的钻井液与纯溶液触变曲线近似，说明整体效果受其它材料影响较小；

(3)添加改良剂的钻井液在有膨润土存在的钻井液中，随着剪切速率趋于零，触变环中的切力(粘度)有“收口”的趋势，这点与纯溶液存在较大差异。

3.4钻井液常规性能指标测试

为整体评价改性聚脲对钻井液的影响，现将常规性能指标测试数据整理如下表8。

表8钻井液常规性能测试表

根据常规性能指标测试的相关数据，可总结规律如下：

(1)添加改良剂的钻井液会增大漏斗粘度，大致提高一倍；

(2)添加改良剂的钻井液会明显提高动塑比，2#细分散钻井液效果最明显，1#无固相钻井液和2#不分散钻井液稍次；

(3)添加改良剂的钻井液会降低失水量，2#低固相细分散钻井液和3#不分散钻井液效果最明显，1#无固相钻井液最差，可能改良剂与膨润土存在较为明显的协同作用；

(4)1#无固相钻井液添加改良剂后的滤液仍具有明显的触变性，说明高分子与改性聚脲的颗粒范围属于或低于胶体粒子1-100nm这个范畴，能很好的透过滤纸。但在2#、3#加入改良剂后的滤液却为清水，明显无触变性，说明在有膨润土的情况下，其触变性是改性聚脲与膨润土协同作用后的综合结果，且强力吸附于膨润土，而使改性聚脲无法穿过滤纸。

(5)改性聚脲能在一定程度上改善钻井液的润滑性。

3.5高温适应性分析

新配制2％改性聚脲的水溶液，进行其在室温(11℃)、水浴加热(75℃)及加热后冷却至室温(13℃)情况下的触变环测试，以此评估其对温度的适应性，可规避钻井液其它材料的影响，具体数据见下表9。

表9水溶液切力高温适应性测试表

根据上表数据可得出如下结论：

(1)溶液在高温下切力明显丧失，触变作用破坏，加热过程中可发现溶液中白色析出物增多；

(2)溶液由高温降低到室温，切力有所恢复，但作用不明显，整体而言，其对高温适应能力不强。

3.6加重剂实际悬浮性能分析

新配制2％改性聚脲的水溶液，按水质量的30％加入重晶石粉，测试其实际悬浮能力，数据如下表10所示，说明其对加重材料的实际悬浮能力较强。

表10悬浮能力结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.改性聚脲在水基钻井液触变性改良剂中的应用。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的改性聚脲采用改性聚脲的N-甲基吡咯烷酮溶液的形式。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述改性聚脲在钻井液体系中的质量百分比浓度为1.5～2％。

4.一种水基钻井液触变性改良剂，其特征在于，包含权利要求1所述的改性聚脲。

5.根据权利要求4所述的一种水基钻井液触变性改良剂，其特征在于，所述水基钻井液为无固相钻井液，其改良剂使用配方为：水+0.2～0.5％PAM+1.5～2％改性聚脲。

6.根据权利要求4所述的一种水基钻井液触变性改良剂，其特征在于，所述水基钻井液为细分散钻井液，其改良剂使用配方为：水+3～6％钠基膨润土+1.5～2％改性聚脲。

7.根据权利要求4所述的一种水基钻井液触变性改良剂，其特征在于，所述水基钻井液为不分散低固相钻井液，其改良剂使用配方为：水+2～5％钠基膨润土+0.1～0.3％CMC+0.01～0.03％PHP+1.5～2％改性聚脲。

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