US7063176成膜原位聚合的水基钻井液..doc

US 7063176 成膜原位聚合的水基钻井液 摘要：水基钻井液增加页岩地层稳定的方法，方法包括：将包括一种水溶液的钻井液输送到页岩层。第一反应物是一种水溶性单体，低聚物，或裸露酮，醛，或聚合物醛基或可转移至酮或醛官能团；第二反应物是经缩合反应的伯胺，二胺，或多胺与第一反应物形成的半溶解或沉淀的膜产品。 发明背景 在地下井的旋转钻井中要求钻井液具有很多功能和特性。钻井液应该在井下循环使用，从钻头下部携带钻屑、将钻屑运送至高于环面、并在表面完成分离。同时，钻井液应该能够冷却清洗钻头、减少钻柱和孔边磨擦、保持井壁露出部分的稳定。钻井液应形成薄而低渗透的滤饼，能够密封钻头渗入地层中的开孔，减少从渗透岩体多余地层流体的大量涌入。 钻井液是根据其基础物质或主要的连续相分类。在油基钻井液，固体颗粒悬浮在油相中，水或盐水在油中乳化，这里油为连续相。在水基钻井液，固体颗粒悬浮在水或盐水中，油在水或盐水中乳化，这里水为连续相。油基钻井液在稳定 稳定水敏性页岩层一般比水基钻井液效果要好。然而，环境因素限制了油基钻井液的使用。因此，油基钻井液公司也逐渐致力于水基钻井液的研究。 水基钻井液中常见以下三种类型的固体：（1）添加黏土和有机胶体，提供必须的粘度和过滤性能（2）能够增加钻井液密度的重矿物质（3）在钻井过程中能在钻井液中分散的固体。 在钻井液中分散的固体一般是钻头工作产生的钻屑和井壁失稳产生的固体。当储层固体为膨胀的黏土矿物质，钻井液中任何一种类型固体的存在都将增加钻井时间和成本。 黏土膨胀的机理很明显，黏土材料实际上是晶体，晶体结构决定其性质，一般具有薄片、云母结构。黏土薄片由一些晶体板面堆积而成。每一板称为一个单元层，单元层表面称为基底面。 每个单元层由多层薄片组成，每层薄片称为八面体片，由铝或镁原子与羟基中氧原子结合成八面体。另一种薄片称为四面体片，由硅原子和氧原子结合成四面体。 单元层中的薄片通过共用氧原子而连接。当在一个四面体片和一个八面体片之间形成这一连接，一个基底面构成裸露的氧原子而另一个基底面裸露羟基。通过共用氧原子，两个四面体片与一个八面体片连接。形成的如霍夫曼结构即两个四面体片包夹着一个八面体片。因此，霍夫曼结构中的两种基底面均由裸露氧原子构成。 层与层之间通过面面连接，并通过很弱的吸引力定位。临近的单元层之间的面距离称为c-间距。由三个薄片构成带有单元层的黏土结构的c-间距为9.5*10-7mm。 在黏土结构中，不同价态的原子在薄片中形成晶体表面上的负电位。阳离子吸附在晶体表面上。吸附的阳离子称为可替换的阳离子，因其在水中能与其它阳离子换位。此外，离子可以被吸附在黏土结构的边上并与水中其它离子交换。黏土结构中原子替换和可替换的阳离子的吸附影响着钻井液首要性质即黏土膨胀。黏土膨胀是发生在水分子包围黏土晶体结构并将原子定位来增加结构的c-间距。 膨胀的类型之一为水分子吸附在晶体表面的表面水合。一个水分子层上的氢键在晶体表面上与裸露的氧原子结合。紧接的水分子层排成行在层之间形成类似的晶体结构，这增大了c-间距。所有类型的黏土膨胀均采用这种形式。 渗透膨胀时膨胀的第二种类型，当层之间的阳离子浓度高于周围水中的浓度，层之间的水被吸出，c-间距增大。与表面水合相比，渗透膨胀导致了总体积的增加。但是，仅蒙脱石以这种形式膨胀。 黏土中的可替换的阳离子影响着膨胀量。黏土结构中，可替换的阳离子与水分子竞争反应活性位。高价态的阳离子被吸附能力强于低价态的。因此，带有低价态阳离子的黏土比带有高价态的黏土更易膨胀。 在北海和美国，钻井遇到似黏土的沉积，主要是微晶高岭土（通常叫胶页岩），众所周知，胶页岩的膨胀。胶页岩中钙、钠离子是最常见的可替换的阳离子。因钠离子具备低价态，在水中易分散，因此显示出胶页岩明显的膨胀性能。 找出在钻井地下井时的黏土膨胀对钻井有很大的不利影响，总体积的增加伴随着黏土膨胀，抑制了钻屑从钻头下部的脱除，增加了钻柱和孔边的磨擦，抑制了密封地层薄滤饼的形成。黏土膨胀也带来了其它问题，如减缓钻井和增加成本的循环损失或卡钻。因此，遇到胶页岩的频率，物质和减少黏土膨胀的发展一直是油气开采业的目标。 已经做了一些努力来改进水基钻井液的页岩抑制。一种方法便是在钻井液中使用如氯化钾和氯化钙等盐降低黏土膨胀。尽管盐能够降低黏土膨胀，但却能絮凝黏土导致液体损失和触变性的完全损失。而且，增加盐度经常降低钻井液添加剂的功能特性。 另一个控制粘土膨胀的方法是在钻井液中使用有机页岩抑制剂分子，有机页岩抑制剂分子吸附在黏土的表面，与水分子竞争黏土的活性位来降低黏土膨胀。 另一个稳定页岩层的方法是在页岩上形成的半渗透膜密封和保护页岩。含硅酸盐的钻井液将外膜沉积在钻层上，使水能相对自由的流动，同时抑制离子沿薄膜或膜的运动。这种潜在的渗透效应可以导致