專利名稱：：油田鉆井液用加重劑及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種鉆井液用加重劑及其制備方法，特別是一種用于石油鉆井、完井或固井作業(yè)中艱泥漿的加重劑及其制備方法。技術(shù)背景在高壓或超高壓的鉆井現(xiàn)場作業(yè)中，需使用高密度或超高密度的鉆井液。而在配制這種高密度的泥漿過程中，需要加入大量的泥漿加重材料，這些加重材料加入后，往往引起鉆井液的粘度和切力大幅度上升，流動性差，這主要是由于固體顆粒之間頻繁的相互摩擦、碰撞等引起的物理化學(xué)效應(yīng)和微米級粒子相互之間增大的粘結(jié)效應(yīng)所致。如果僅采用加水和加降粘劑的方法來處理，則易影響加重劑在泥漿中的懸浮穩(wěn)定性。尤其鉆深井時，由于井底溫度高，使對高密度鉆井液的處理工作變得異常復(fù)雜。最終使處理工作陷入"加重-增稠-降粘處理-加重劑沉淀-密度下降-再次加重"的惡性循環(huán)之中，影響鉆井生產(chǎn)工作的正常進行，甚至可能引起嚴重的卡鉆事故。為了降低這種效應(yīng)，通常的作法是對加重劑的表面進行活化處理，將原惰性表面形成活性表面，能在重泥漿中抑制增稠，并有良好的流動性和動力學(xué)穩(wěn)定性?，F(xiàn)在普遍使用的各種經(jīng)活化的加重材料在密度高于2.20kg/l以后仍會導(dǎo)致鉆井液體系流變性能明顯變差，造成這種情況的主要原因有①活化工藝過于簡單，加重劑顆粒表面僅以表面活性劑進行了初步的包裹與改性，使用時容易遭到破壞；②活化劑在選擇與使用上不夠合理，造成活化加重材料性能不穩(wěn)定，應(yīng)用時易出現(xiàn)粘度效應(yīng)的起伏；③活化處理條件不合理，致使活化處理深度不夠。例如，本行業(yè)中常規(guī)的活化處理時，通常是將活化劑直接與加重劑固體粒子的原始表面接觸，由于固體顆粒表面對于活化劑的吸附具有選擇性和吸附量的限制，因此二者的結(jié)合效率往往較低；同時由于天然固體顆粒表面電性的不穩(wěn)定，使吸附的牢固性、飽和性、可逆性(解吸附性)等不確定，也容易造成活化加重劑的性能不穩(wěn)走，因此很難適用子髙溫、嵩壓、高鹽等惡劣環(huán)境。因此，非常需要提供一種活化加重材料(加重劑)，不僅可以提高鉆井液的密度，而且具有比較廣泛的適用范圍，如高溫高壓、復(fù)合鹽污染、固相污染等惡劣條件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種用于高或超高密度鉆井液體系的加重劑，其包含以下組分和重量份數(shù)(1)無機電解質(zhì):0.92份，優(yōu)選為0.701.60份;(2)硅酸鹽0.151.2份，優(yōu)選為0.300.95份；(3)至少一種表面活性劑0.31.4份，優(yōu)選為0.701.2份；(4)加重材料100份。其中所述的無機電解質(zhì)采用無機鹽即可，優(yōu)選選自以下無機鹽中的至少一種KC1、NaCl、CaCl2、MgCl2、ZnCl2、K2S04、A12(S04)3、ZnS04、FeCl3、K2Si03、K2Si409H20和Na2Si03。所述硅酸鹽選自硅酸的水溶性金屬鹽，具體如硅酸鈉、硅酸鉀、水合四硅酸鉀等。其中所述的表面活性劑選自聚氧乙烯醚類、聚氧乙烯失水山梨醇類、聚氧苯酚醚類、垸基磺酸鹽類、烷基苯磺酸鹽類、氯代烷基硅烷類、丁基萘磺酸鈉、甲基化垸基鹵代烴的衍生物、烷基磺酸胺醋酸鹽、氯代烷基硅烷類和氯代垸基吡啶類中的至少一種。所述的表面活性劑可以單一使用，也可以兩種或兩種以上組合使用。當兩種或兩種以上表面活性劑復(fù)合使用時，可選擇下述具體實施方案進行復(fù)配選自非離子或陰離子表面活性劑中的至少一種和陽離子表面活性劑中的至少一種；或選自非離子表面活性劑中的至少一種和陰離子表面活性劑中的至少一種；或選自陽離子表面活性劑中的至少兩種；其中非離子表面活性劑包括氯代垸基硅烷類、聚氧苯酚醚類、聚氧乙烯醚類、烷基聚氧乙烯醚類、聚氧乙烯失水山梨醇類；陰離子表面活性劑包括丁基萘磺酸鈉、烷基磺酸鹽類、垸基苯磺酸鹽類、烷基磺酸胺醋酸鹽；陽離子表面活性劑包括氯代烷基吡啶、烷基甲基鹵代烴。在進行組合型活性劑的使用時，可根據(jù)表面活性劑的種類進行合理的配伍。其中較為優(yōu)選的配比范圍為①對于非離子+陰離子復(fù)合型，可采用非離子陰離子=0.20.97:0.10.43;②對于非離子+陽離子復(fù)合型，可采用非離子陽離子=0.10.6:0.20.8;③對于陰離子+陽離子復(fù)合型，可采用陰離子陽離子=0.150.9:0.150.5;④對于陽離子+陽離子復(fù)合型，可采用陽離子陽離子=0.150.7:0.150.7;⑤對于非離子+陽離子+陰離子復(fù)合型，可采用非離子陽離子陰離子=0.10.44:o.i5o.8i:0.050.15。所述加重材料采用本領(lǐng)域所熟知一些物質(zhì)，例如重晶石、鐵礦粉、釩鈦鐵礦粉、鈦鐵礦粉、赤鐵礦粉等。其可以單獨使用，也可以混合使用。本發(fā)明還提供了一種上述用于鉆井液的加重劑的制備方法，包含以下步驟a將無機電解質(zhì)、硅酸鹽按照設(shè)計數(shù)量溶于水中配制成水溶液，并將水溶液與待活化的加重材料進行混合，混合均勻后的產(chǎn)物呈稠膏狀，混合時間可根據(jù)均勻程度確定；b.按照所述配方一種或幾種活化劑溶于水中，完全溶解后，一種或幾種活化劑的水溶液與a步驟所得到的混合物進行混合，采用多種活化劑時，可同時進行混合，也可分步進行混合；混合時間以達到均勻為止；C.將步驟b得到的混合物置于捏合設(shè)備中，于206(TC下進行捏合，捏合時間一般為2030rnin;如果在這一過程中有較多泡沫產(chǎn)生時，可以加入少量常規(guī)的、本行業(yè)公知(總量不應(yīng)超過活化劑總量的3.5%，以免影響活化效果)帶有多支鏈型的醇類滅泡即可；d.將充分捏合以后的產(chǎn)物干燥，粉碎后即可得到產(chǎn)品。本發(fā)明上述的加重劑可廣泛應(yīng)用于石油勘探鉆井和固井作業(yè)中。由于在本發(fā)明的加重劑中，無機電解質(zhì)和硅酸鹽對加重材料表面進行了化學(xué)改性，使活化劑分子更加牢固的結(jié)合到加重材料顆粒的表面，提高加重劑顆粒的水化膜效率，使加重材料顆粒表面在數(shù)量較少的水分子下即可形成均勻而牢靠的水化膜層，從而使加重鉆井液體系中的水份保持最大限度的自由態(tài)數(shù)量，可解決鉆井液流變性與密度之間的矛盾，提高了加重劑顆粒在鉆井液中的動力穩(wěn)定性，并可以較好的改善泥餅質(zhì)量。因此，非常適合在高溫、高壓、高鹽等惡劣環(huán)境中的使用。具體實施方式下述實施例中，各種性能的測試方法，采用中華人民共和國行業(yè)標準ZB/TE13004-90。實例1:按下述配方配制加重劑1200g鐵礦粉(符合SY5508-92標準)、4gKC1、6.4g硅酸鈉、2.2gZr(S04)2、1.2gAlCl3、6g氯代烷基硅烷。制備步驟如下A.將無機鹽和硅酸鹽按照設(shè)計數(shù)量溶于水中，注意應(yīng)盡可能使用高濃度(即模數(shù)〉2.5)硅酸鹽溶液，以降低耗水量和減少總處理體積；B.將溶有無機鹽和硅酸鹽的水溶液與待活化的加重材料進行混合，混合均勻后的產(chǎn)物呈稠膏狀；c.按照配伍方案將一種或幾種活化劑溶于水中，完全溶解后導(dǎo)入混合器中與步驟B之混合物進行再次混合，均勻后依次按配伍方案進行下一種(或幾種)活化劑溶液的混合，直至完成設(shè)計中所有種類的添加。D.將混合均勻以后的產(chǎn)物導(dǎo)入捏合設(shè)備中，在2060。C下捏合2030min。根據(jù)實際情況，如果混合吸附過程中泡沬不是很多，可以不加滅泡劑，如果大量起泡，為了防止活化劑過多損失，一般加入少量滅泡劑消泡，但添加量不要超過所使用活化劑總量的3.5%。E.將充分捏合以后的產(chǎn)物導(dǎo)入干燥床，干燥至符合要求時，粉碎后即可得到產(chǎn)品。采用該產(chǎn)物進行加重實驗，結(jié)果如下(見表l)。實例2:按下述配方配制加重劑1200g鐵礦粉、4gKCl、6g硅酸鉀、1.3gA12(S04)3、2.1g聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯、2.4g烷基苯磺酸鹽、2g氯代垸基硅烷。制備方法同實施例1。該產(chǎn)物進行加重實驗，結(jié)果如下(見表l)。實例3:按下述配方配制加重劑1200g鐵礦粉、10gKCl、6.4g硅酸鉀、2.3gZnS04、2gK2S04、4.8g聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯、4.8g烷基甲基鹵化物。制備方法同實施例1。采用該產(chǎn)物進行加重實驗，結(jié)果如下(見表l)。實例4:按下述配方配制加重劑1200g鐵礦粉、5gKCl、7.4g硅酸鉀、1.2gMgCl2、0.8gFe2(S04)3、2.4g垸基苯磺酸鹽、2g氯代垸基硅烷、2g垸基吡啶。制備方法同實施例l。采用該產(chǎn)物進行加重實驗，結(jié)果如下(見表l)。實例5:按下述配方配制加重劑1200g鐵礦粉、4.8gKCl、5.6g硅酸鈉、lgZnCl2、0.8gKC103、2.4g烷基苯磺酸鹽、1.8g氯代烷基硅烷、2.4g聚氧乙烯醚、2g烷基吡啶。制備方法同實施例l。采用該產(chǎn)物進行加重實驗，結(jié)果如下(見表l)。對比例l:普通加重劑為符合SY5508-92標準的鐵礦粉。對比例2:油田施工現(xiàn)場使用的活化鐵礦粉，取自塔河油田現(xiàn)場使用的加重材料。1.不同加重材料的加重能力對比分別采用本發(fā)明的加重劑與普通鐵礦粉和取自塔河油田現(xiàn)場使用的活化鐵礦粉進行了加重對比實驗，結(jié)果如下(見表l)。表1實施例和對比例的加重試驗數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>注AV—表觀粘度，mPa's;03—旋轉(zhuǎn)粘度計3rpm檔讀數(shù)。1.鉀鈣基體系17g/l膨潤土+2g/lNaOH+10g/lKHm+2g/lMV-CMC+5g/lDH-42+Ig/IKPAM+10g/lHN4PAN+10g/lSPNH+5g/l(:aO;2.聚磺體系17g/l膨潤土+2g'lNaOH+2g/lKPAM+3g/lMV-CMC+15g/lSMP-l+10g/lSPNH+10g/lSMT+10g/lHN4PAN+10g/lSMC+10g/lMFG-2。上述實驗數(shù)據(jù)表明，采用本發(fā)明加重材料對鉆井液體系粘度的影響程度明顯降低，在室溫下，以普通鐵礦粉加重至2.7kg/l左右時鉆井液的表觀粘度一般均高于150mPa*s(超過可測范圍)，而以本發(fā)明加重劑加重的鉆井液體系密度達到2.8kg/l時仍具有可測定能力，流動性也比較好。2.加重材料沉降穩(wěn)定性的評價將以實施例2產(chǎn)品所加重的鉆井液進行沉降穩(wěn)定性評價，評價用基漿為聚磺體系，見表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>注1—靜止Omin后的密度值；2—靜止60min后的密度值。可以看出，以本發(fā)明加重劑加重的鉆井液體系其沉降穩(wěn)定性比之普通加重體系明顯提高。雖然二者的差距隨鉆井液體系密度的升高有所降低，但這完全是由于普通加重劑粘度效應(yīng)較高所導(dǎo)致的"慢沉降"假像所造成的。當外部條件(如溫度、壓力、液相參數(shù))改變以后，這種暫時的平衡性穩(wěn)定狀態(tài)很容易被破壞。而本發(fā)明加重劑由于本身對液相(水)的低沾附能力，增大了整個鉆井液體系的平衡穩(wěn)定性，這種穩(wěn)定狀態(tài)對外部作業(yè)參數(shù)變化的敏感性大大降低，表現(xiàn)為較好的沉降穩(wěn)定性。3.加重材料潤濕能力評價潤濕是指固體表面上的一種流體被另外一種流體取代后所引起的表面能降低的過程。依據(jù)常識，當固體的表面能降低以后，液體容易在其表面鋪展，亦即表面積一定的情況下，潤濕性越好固體所粘附的液體分子越多。根據(jù)這種情況，對某種液體潤濕性好的固體會在其表面吸附盡可能多的該種液體的分子，使總體積趨于減少。由表3所提供的實驗數(shù)據(jù)可以看出，普通鐵礦粉其水潤濕能力要高于油潤濕能力，而本發(fā)明加重劑的水潤濕能力明顯低于油潤濕能力，其中以實施例3樣品最具代表性。這可以直觀的解釋為什么本發(fā)明加重劑加重后體系的流動性要好于普通加重體系的情況。表3活化加重材料潤濕性評價<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>從上述本發(fā)明加重劑與普通加重劑測試數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的加重劑具有以下優(yōu)越性(1)很高的加重效率。常溫下，室內(nèi)最高可以將密度加至2.8kg/1以上，而且依然可以保持相當好的流動性；(2)具有很好的動力穩(wěn)定性。室內(nèi)模擬實驗結(jié)果表明，當鉆井液體系的膨潤土含量低于12g/l時，基本無加重劑的沉淀現(xiàn)象發(fā)生，在密度達到2.7kg/K膨潤土含量達到20g/1時，體系仍具有較好的流動性。另外，本發(fā)明還具有(3)抗高溫能力強。室內(nèi)在高溫下進行的評價實驗結(jié)果表明，該活化加重材料可以抗22(TC高溫，實驗結(jié)果見表4。表4溫度變化時的流變性能對比<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>注鉆井液的實際密度值加至2.63kg/l;※代表鉆井液呈裔狀，但3覺動后仍具有傾倒檔(4)抗鹽污染、抗鈣能力強。分別以鹽(NaCl)和石膏(CaSO》進行的抗污染實驗結(jié)果表明，本活化產(chǎn)品可以在同時出現(xiàn)高鹽(C廠為1X10"'19Xl(fmg/1)、高鈣(Ca2+為20010000mg/l)和高溫的復(fù)雜情況下使用，評價實驗結(jié)果見表5和表6。表5200°C/24h下NaCl對加重鉆井液性能的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>注鉆井液密度值分別以普通鐵礦粉和本發(fā)明活化鐵礦粉加至2.6Skg/I表6200°C/24h下石膏對加重鉆井液性能的影響<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>注鉆井液密度值分別以普通鐵礦粉和本發(fā)明活化鐵礦粉加至2.61kg/l權(quán)利要求1.一種用于鉆井液的加重劑，其包含以下組分和重量份數(shù)(1)無機電解質(zhì)0.4～1.8份；(2)硅酸鹽0.15～1.2份；(3)至少一種表面活性劑0.3～1.4份；(4)加重材料100份；其中所述的無機電解質(zhì)選自以下無機鹽中的至少一種KCl、NaCl、CaCl2、MgCl2、ZnCl2、KClO3、BeCl2、K2SO4、MgSO4、Al2(SO4)3、ZnSO4、Zr(SO4)2、AlCl3、FeCl3、Fe2(SO4)3、K2SiO3、K2Si4O9·H2O和Na2SiO3；其中所述的表面活性劑選自聚氧乙烯醚類、聚氧乙烯失水山梨醇類、聚氧苯酚醚類、烷基磺酸鹽類、烷基苯磺酸鹽類、丁基萘磺酸鈉、甲基化烷基鹵代烴及其衍生物、烷基磺酸胺醋酸鹽、氯代烷基硅烷類和氯代烷基吡啶類中的至少一種。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鉆井液的加重劑，其中所述的硅酸鹽是硅酸的水溶性金屬鹽。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鉆井液的加重劑，所述加重材料采用重晶石、鐵礦粉、釩鈦鐵礦粉、鈦鐵礦粉和赤鐵礦粉中的至少一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鉆井液的加重劑，其中所述表面活性選自非離子或陰離子表面活性劑中的至少一種和陽離子表面活性劑中的至少一種；或選自非離子表面活性劑中的至少一種和陰離子表面活性劑中的至少一種；或選自陽離子表面活性劑中的至少兩種；其中非離子表面活性劑包括氯代垸基硅烷類、聚氧苯酚醚類、聚氧乙烯醚類、垸基聚氧乙烯醚類、聚氧乙烯失水山梨醇類；陰離子表面活性劑包括丁基萘磺酸鈉、垸基磺酸鹽類、烷基苯磺酸鹽類、烷基磺酸胺醋酸鹽；陽離子表面活性劑包括氯代垸基吡啶、垸基甲基鹵代烴。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鉆井液的加重劑，其中各組分的重量份數(shù)如下(1)無機電解質(zhì)0.41.8份；(2)硅酸鹽0.30.95份；(3)至少一種表面活性劑0.31.4份；(4)加重材料100份。6.—種用于鉆井液的加重劑，其包含以下組分和重量份數(shù)(1)無機電解質(zhì)4份KC1、2.2份ZnS04、1.2份A1C13;(2)硅酸鹽6.4份硅酸鈉；(3)表面活性劑6份氯代烷基硅垸；(4)加重材料1200份鐵礦粉。7.—種用于鉆井液的加重劑，其包含以下組分和重量份數(shù)(1)無機電解質(zhì)4份KC1、1.3份Al2(S04)3;(2)硅酸鹽6份硅酸鈉；(3)表面活性劑2.]份聚氧乙烯失水山梨醇、2.4份烷基苯磺酸鹽、2份氯代垸基硅烷；(4)加重材料1200份鐵礦粉。8.—種用于鉆井液的加重劑，其包含以下組分和重量份數(shù)(1)無機電解質(zhì)10份KC1、2.3份ZnS。4、2份K2S04;(2)硅酸鹽6.4份硅酸鉀；(3)表面活性劑4.8份聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯、4.8份烷基甲基鹵代烴；(4)加重材料1200份鐵礦粉。9.一種用于鉆井液的加重劑，其包含以下組分和重量份數(shù)(1)無機電解質(zhì)5份KC1、1.2份MgCl2、0.8份Fe2(S(X)3;(2)硅酸鹽7.4份硅酸鉀;(3)表面活性劑2.4份垸基苯磺酸鹽、2份氯代烷基硅垸、2份烷基吡啶；(4)加重材料1200份鐵礦粉。10.—種用于鉆井液的加重劑，其包含以下組分和重量份數(shù)(1)無機電解質(zhì)4.8份KC1、l份ZnCl2、0.8份KC103;(2)硅酸鹽5.6份艱合四硅酸鉀；(3)表面活性劑2.4份聚氧乙烯醚、1.8份氯代烷基硅烷、2份烷基吡啶；(4)加重材料1200份鐵礦粉。11.權(quán)利要求110之一所述的用于鉆井液的加重劑的制備方法，包含如下步驟a.將溶有無機電解質(zhì)、硅酸鹽的水溶液與待活化的加重材料進行混合，混合均勻使混合物呈稠膏狀；b.將所述配方中的一種或幾種活化劑的水溶液與a步驟所得到的混合物進行混合，c.將步驟b得到的混合物置于捏合設(shè)備中，于206(TC下進行捏合；d.將充分捏合以后的產(chǎn)物干燥，粉碎后即可得到產(chǎn)品。12、權(quán)利要求110之一所述的用于鉆井液的加重劑在石油勘探鉆井和固井作業(yè)中的應(yīng)用。全文摘要本發(fā)明提供了一種用于石油鉆井、完井或固井作業(yè)中水泥漿的加重劑及其制備方法。該加重劑主要包括一種或多種無機電解質(zhì)、硅酸鹽、一種或多種表面活性劑以及加重材料，其不僅有較高的加重效率，而且在鉆井液中的動力穩(wěn)定性好，非常適合在高溫、高壓、高鹽等惡劣環(huán)境中的使用。文檔編號C09K8/02GK101153215SQ200610113488公開日2008年4月2日申請日期2006年9月29日優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日發(fā)明者何漢平,宋明全,常連玉,蔡利山申請人:中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院