一种水基钻井液抑制剂组合物和水基钻井液及其应用.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201510706230.4 (22)申请日 2015.10.27 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 105295862 A (43)申请公布日 2016.02.03 (73)专利权人 中国石油天然气集团公司 地址 100007 北京市东城区东直门北大街9 号 专利权人 中国石油集团钻井工程技术研究 院 (72)发明人 孙金声刘敬平李丛俊李爽 (74)专利代理机构 北京三友知识产权代理有限 公司 11127 代理人 姚亮 (51)Int.Cl. C09K 8/035

2、(2006.01) C09K 8/24(2006.01) (56)对比文件 EP 0702073 A1,1996.03.20, CN 104927805 A,2015.09.23, US 3738437 A,1973.06.12, CN 1196078 A,1998.10.14, CN 101864283 A,2010.10.20, CN 103848984 A,2014.06.11, 审查员 勇雪 (54)发明名称 一种水基钻井液抑制剂组合物和水基钻井 液及其应用 (57)摘要 本发明提供了一种水基钻井液抑制剂组合 物和水基钻井液及其应用。 该水基钻井液抑制剂 组合物的原料组成包括： 十二酸

3、山梨醇酯、 聚氧 乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯。 本发 明的水基钻井液中包括上述的水基钻井液抑制 剂组合物。 本发明提供的水基钻井液抑制剂组合 物和水基钻井液可以用于抑制页岩气页岩的水 化膨胀。 本发明的水基钻井液抑制剂组合物和水 基钻井液， 能够有效抑制页岩气页岩的水化膨 胀， 明显降低页岩膨胀率， 防止井壁坍塌、 卡钻 等， 从而强化井壁稳定性并减少井下复杂情况。 权利要求书1页 说明书6页 CN 105295862 B 2018.09.04 CN 105295862 B 1.一种水基钻井液抑制剂组合物， 该水基钻井液抑制剂组合物的原料组成包括： 十二 酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水山

4、梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯； 其中， 所述十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的重量比为1-5:1-5:1。 2.根据权利要求1所述的水基钻井液抑制剂组合物， 其中， 所述十二酸山梨醇酯、 聚氧 乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的重量比为2-3:2-5:1。 3.根据权利要求1或2所述的水基钻井液抑制剂组合物， 其中， 该水基钻井液抑制剂组 合物还包括水。 4.根据权利要求3所述的水基钻井液抑制剂组合物， 其中， 所述十二酸山梨醇酯、 聚氧 乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的总重量为该水基钻井液抑制剂组合物总重量 的1-10。 5.根据权利要求4所述的水基钻井液抑

5、制剂组合物， 其中， 所述十二酸山梨醇酯、 聚氧 乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的总重量为该水基钻井液抑制剂组合物总重量 的5-9。 6.权利要求1-5任一项所述的水基钻井液抑制剂组合物的应用， 该水基钻井液抑制剂 组合物用于抑制页岩气页岩的水化膨胀。 7.一种水基钻井液， 该水基钻井液中包括权利要求1-5任一项所述的水基钻井液抑制 剂组合物。 8.根据权利要求7所述的水基钻井液， 其中， 以该水基钻井液的重量计， 所述十二酸山 梨醇酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的总重量为该水基钻井液总重量的 5-8。 9.根据权利要求7或8所述的水基钻井液， 其中， 该水基钻井液还包括

6、粘土、 封堵剂、 加 重剂、 增粘剂、 润滑剂、 降粘剂、 降滤失剂和絮凝剂中的一种或几种的组合。 10.根据权利要求9所述的水基钻井液， 其中， 以该水基钻井液中含有的水的重量计， 所 述粘土的添加量为0-5， 所述封堵剂的添加量为0-5， 所述加重剂的添加量为0- 300， 所述增粘剂的添加量为0-1， 所述润滑剂的添加量为0-5， 所述降粘剂的添 加量为0-5， 所述降滤失剂的添加量为0-5， 所述絮凝剂的添加量为0-5。 11.权利要求7-10任一项所述的水基钻井液的应用， 该水基钻井液用于抑制页岩气页 岩的水化膨胀。 权利要求书 1/1 页 2 CN 105295862 B 2 一种

7、水基钻井液抑制剂组合物和水基钻井液及其应用 技术领域 0001 本发明涉及一种水基钻井液抑制剂组合物和水基钻井液， 特别涉及一种页岩气页 岩的水基钻井液抑制剂组合物和水基钻井液， 属于钻井技术领域。 背景技术 0002 我国页岩气资源预测可采储量达10.31012-47.01012立方米， 具有良好的勘探 开发前景， 一旦成功地规模化勘探开发， 能够有效地缓解我国油气供需矛盾， 因此页岩气勘 探和开发已成为 “十二五” 国家重大战略。 0003 现阶段， 水平钻井技术是页岩气开发的核心技术之一， 广泛应用于页岩气开发钻 井。 为了后期水力压裂增产， 水平井段多分布在天然裂缝发育地层， 且沿最小

8、水平主应力方 向钻进。 在钻井过程中， 钻井液滤液极易侵入页岩气页岩内部， 容易引起页岩气页岩的水化 膨胀， 从而引起井壁坍塌、 卡钻等。 因此， 抑制页岩气页岩的水化膨胀成为水平井开发页岩 气资源的关键技术难题之一。 0004 抑制剂又称防塌剂， 主要用于配制钻井液， 在钻井液钻进页岩气页岩地层时， 可抑 制页岩气页岩的水化膨胀， 进而防止由于页岩气页岩的水化膨胀引起的井壁坍塌、 卡钻等。 目前， 我国页岩气水平井钻井使用的多为油基钻井液， 虽然油基钻井液具有优异的抑制性， 但其配制成本较高且存在环保问题， 井漏处理困难， 一旦发生井漏问题， 必将造成重大经济 损失； 而水基钻井液则具有成本

9、低廉以及环境友好等优点， 但在页岩气水平井钻井中， 常规 水基钻井液难以解决页岩气页岩的水化膨胀这一问题， 从而难以满足页岩气水平井勘探的 工程技术需要。 0005 因此， 研发一种能够有效抑制页岩水化膨胀的页岩气页岩水基钻井液抑制剂组合 物， 具有重要的现实意义和应用前景。 发明内容 0006 为了解决上述技术问题， 本发明的目的在于提供一种水基钻井液抑制剂组合物和 水基钻井液， 该水基钻井液中包括该水基钻井液抑制剂组合物， 本发明的水基钻井液抑制 剂组合物和水基钻井液能够有效抑制页岩气页岩的水化膨胀， 明显降低页岩膨胀率， 防止 井壁坍塌、 卡钻等， 从而强化井壁稳定性并减少井下复杂情况。

10、 0007 为了实现上述技术目的， 本发明首先提供了一种水基钻井液抑制剂组合物， 该水 基钻井液抑制剂组合物的原料组成包括： 十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯 和油酸山梨醇酯。 0008 本发明提供了上述十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇 酯组合在一起作为水基钻井液抑制剂的应用。 0009 在本发明提供的水基钻井液抑制剂组合物中， 优选地， 十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯 失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的重量比为1-5:1-5:1。 0010 在本发明提供的水基钻井液抑制剂组合物中， 更优选地， 十二酸山梨醇酯、 聚氧乙 说明书 1/6 页 3 CN 10529

11、5862 B 3 烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的重量比为2-3:2-5:1。 0011 在本发明提供的水基钻井液抑制剂组合物中， 优选地， 该水基钻井液抑制剂组合 物还可以包括水。 0012 在本发明提供的水基钻井液抑制剂组合物中， 优选地， 所述十二酸山梨醇酯、 聚氧 乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的总重量为该水基钻井液抑制剂组合物总重量 的1-10； 更优选地， 所述十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇 酯的总重量为该水基钻井液抑制剂组合物总重量的5-9。 0013 本发明提供的上述水基钻井液抑制剂组合物可以用于抑制页岩气页岩的水化膨 胀。 0014 本发明

12、还提供了一种水基钻井液， 该水基钻井液中包括上述的水基钻井液抑制剂 组合物。 0015 本发明提供了上述十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇 酯组合在一起作为水基钻井液的应用。 0016 在本发明提供的水基钻井液中， 优选地， 以该水基钻井液的重量计， 十二酸山梨醇 酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的总重量为该水基钻井液总重量的5- 8。 0017 在本发明提供的水基钻井液中， 优选地， 该水基钻井液还包括粘土、 封堵剂、 加重 剂、 增粘剂、 润滑剂、 降粘剂、 降滤失剂和絮凝剂中的一种或几种的组合。 0018 在本发明提供的水基钻井液中， 对于粘土、 封堵

13、剂、 加重剂、 增粘剂、 润滑剂、 降粘 剂、 降滤失剂和絮凝剂的添加量没有特别的限定， 可以分别为本领域常用的各种含量。 优选 地， 以该水基钻井液中含有的水的重量计， 所述粘土的添加量为0-5(5以下)， 所述封 堵剂的添加量为0-5(5以下)， 所述加重剂的添加量为0-300(300以下)， 所述 增粘剂的添加量为0-1(1以下)， 所述润滑剂的添加量为0-5(5以下)， 所述降 粘剂的添加量为0-5(5以下)， 所述降滤失剂的添加量为0-5(5以下)， 所述絮 凝剂的添加量为0-5(5以下)。 0019 在本发明提供的水基钻井液中， 对于粘土、 封堵剂、 加重剂、 增粘剂、 润滑剂、

14、降粘 剂、 降滤失剂和絮凝剂的种类没有特别的限定， 可以分别为本领域常用的各种粘土、 封堵 剂、 加重剂、 增粘剂、 润滑剂、 降粘剂、 降滤失剂和絮凝剂， 均为本领域常见的材料， 均可市售 获得； 0020 优选地， 采用的粘土包括膨润土、 海泡石和凹凸棒石中的一种或几种的组合； 0021 采用的封堵剂包括沥青、 磺化沥青、 纳米二氧化硅和纳米重晶石中的一种或几种 的组合； 0022 采用的加重剂包括重晶石和/或铁矿粉； 0023 采用的增粘剂包括高粘聚阳离子纤维素、 高粘羧甲基纤维素钠盐、 丙烯酸盐与丙 烯酰胺共聚物和羟乙基纤维素中的一种或几种的组合； 0024 采用的润滑剂包括塑料小球和

15、/或石墨； 0025 采用的降粘剂包括磺甲基丹宁、 磺甲基栲胶、 磺化苯乙烯-马来酸酐共聚物和醋酸 乙烯酯-顺丁烯二酸酐共聚物中的一种或几种的组合； 0026 采用的降滤失剂包括羧甲基纤维素钠盐、 褐煤碱液、 硝基腐植酸钠、 铬腐植酸和羧 说明书 2/6 页 4 CN 105295862 B 4 丙基淀粉中的一种或几种的组合； 0027 采用的絮凝剂包括丙烯腈共聚物钾盐、 丙烯酰胺与丙烯酸钠共聚物和复合离子型 大分子量聚合物中的一种或几种的组合。 0028 本发明提供的上述水基钻井液可以用于抑制页岩气页岩的水化膨胀。 0029 在本发明提供的上述水基钻井液抑制剂组合物和水基钻井液中， 采用的十

16、二酸山 梨醇酯为Span20， 采用的聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯为Tween60， 采用的油酸山梨醇酯为 Span80。 采用的十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯均分别为 本领域常用的十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯， 均可市售 获得。 0030 这里需要说明的事， 对本发明提供的水基钻井液抑制剂组合物和水基钻井液的制 备方法没有特别的限定， 只要按比例将各组分混合均匀即可。 0031 本发明的水基钻井液抑制剂组合物对页岩气页岩的水化膨胀、 分散具有强抑制作 用， 是由于其在页岩孔喉和页岩表面具有强烈吸附作用， 能够改变页岩孔喉和页岩表面的 性

17、能， 从而对页岩气页岩的水化膨胀和分散具有强抑制作用， 降低页岩膨胀率， 进而能够防 止井壁坍塌、 卡钻和强化井壁稳定性并减少井下复杂事故。 0032 本发明的水基钻井液抑制剂组合物是一种页岩气页岩水基钻井液抑制剂组合物， 对页岩气页岩的水化膨胀、 分散具有强抑制作用， 能够明显降低页岩膨胀率， 防止井壁坍 塌、 卡钻等， 强化井壁稳定性并减少井下复杂情况， 是一种性能优良的强抑制剂组合物。 0033 本发明的水基钻井液抑制剂组合物是一种页岩气页岩水基钻井液， 能够有效抑制 页岩气页岩的水化膨胀、 分散， 降低页岩膨胀率， 进而能够防止井壁坍塌、 卡钻和强化井壁 稳定性并减少井下复杂事故。 具

18、体实施方式 0034 为了对本发明的技术特征、 目的和有益效果有更加清楚的理解， 现对本发明的技 术方案进行以下详细说明， 但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。 0035 如无特别说明， 使用的各材料均可市售获得， 其中， 十二酸山梨醇酯(Span20)由成 都格雷西亚化学技术有限公司生产； 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯(Tween60)由成都格雷 西亚化学技术有限公司生产， 分子量为1311.68； 油酸山梨醇酯(Span80)由成都格雷西亚化 学技术有限公司生产。 0036 实施例1 0037 本实施例提供了一种水基钻井液抑制剂组合物， 其是通过以下步骤制备得到的： 0038 将3g十二

19、酸山梨醇酯、 5g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 1g油酸山梨醇酯和91g去 离子水混合， 得到水基钻井液抑制剂组合物。 该水基钻井液抑制剂可以直接作为水基钻井 液使用。 0039 实施例2 0040 本实施例提供了一种水基钻井液抑制剂组合物， 其是通过以下步骤制备得到的： 0041 将3g十二酸山梨醇酯、 2g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 1g油酸山梨醇酯和94g去 离子水混合， 得到水基钻井液抑制剂组合物。 该水基钻井液抑制剂可以直接作为水基钻井 液使用。 说明书 3/6 页 5 CN 105295862 B 5 0042 实施例3 0043 本实施例提供了一种水基钻井液抑制剂组合物， 其是

20、通过以下步骤制备得到的： 0044 将2.5g十二酸山梨醇酯、 3g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 1g油酸山梨醇酯和 93.5g去离子水混合， 得到水基钻井液抑制剂组合物。 该水基钻井液抑制剂可以直接作为水 基钻井液使用。 0045 实施例4 0046 本实施例提供了一种水基钻井液抑制剂组合物， 其是通过以下步骤制备得到的： 0047 将2g十二酸山梨醇酯、 2g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 1g油酸山梨醇酯和95g去 离子水混合， 得到水基钻井液抑制剂组合物。 该水基钻井液抑制剂可以直接作为水基钻井 液使用。 0048 实施例5 0049 本实施例提供了一种水基钻井液抑制剂组合物， 其是通过

21、以下步骤制备得到的： 0050 将3g十二酸山梨醇酯、 3g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 3g油酸山梨醇酯和91g去 离子水混合， 得到水基钻井液抑制剂组合物。 该水基钻井液抑制剂可以直接作为水基钻井 液使用。 0051 实施例6 0052 本实施例提供了一种水基钻井液抑制剂组合物， 其是通过以下步骤制备得到的： 0053 将4.1g十二酸山梨醇酯、 4.1g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 0.8g油酸山梨醇酯 和91g去离子水混合， 得到水基钻井液抑制剂组合物。 该水基钻井液抑制剂可以直接作为水 基钻井液使用。 0054 实施例7 0055 本实施例提供了一种水基钻井液抑制剂组合物， 其是通过

22、以下步骤制备得到的： 0056 将1g十二酸山梨醇酯、 7g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 1g油酸山梨醇酯和91g去 离子水混合， 得到水基钻井液抑制剂组合物。 该水基钻井液抑制剂可以直接作为水基钻井 液使用。 0057 实施例8 0058 本实施例提供了一种水基钻井液抑制剂组合物， 其是通过以下步骤制备得到的： 0059 将0.33g十二酸山梨醇酯、 0.55g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 0.12g油酸山梨醇 酯和99g去离子水混合， 得到水基钻井液抑制剂组合物。 该水基钻井液抑制剂可以直接作为 水基钻井液使用。 0060 实施例9 0061 本实施例提供了一种水基钻井液抑制剂组合物， 其

23、是通过以下步骤制备得到的： 0062 将3.33g十二酸山梨醇酯、 5.55g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 1.12g油酸山梨醇 酯和90g去离子水混合， 得到水基钻井液抑制剂组合物。 该水基钻井液抑制剂可以直接作为 水基钻井液使用。 0063 实施例10 0064 本实施例提供了一种水基钻井液， 其是通过以下步骤制备得到的： 0065 将3g十二酸山梨醇酯、 5g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 1g油酸山梨醇酯、 128g去 离子水、 3.8g膨润土、 2.6g纳米二氧化硅、 3.8g石墨和2.8g磺甲基丹宁混合， 得到水基钻井 说明书 4/6 页 6 CN 105295862 B 6 液。

24、0066 实施例11 0067 本实施例提供了一种水基钻井液， 其是通过以下步骤制备得到的： 0068 将3g十二酸山梨醇酯、 5g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 1g油酸山梨醇酯、 82g去 离子水、 3.3g海泡石、 2.5g沥青、 82.4g铁矿粉和0.8g羟乙基纤维素混合， 得到水基钻井液。 0069 实施例12 0070 本实施例提供了一种水基钻井液， 其是通过以下步骤制备得到的： 0071 将3g十二酸山梨醇酯、 5g聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯、 1g油酸山梨醇酯、 98.6g 去离子水、 2g膨润土和2.9g磺化沥青混合， 得到水基钻井液。 0072 实施例13 0073 本实施例

25、中分别对实施例1至实施例12的水基钻井液抑制剂组合物/水基钻井液、 10wt的硅酸钠溶液(对比例1)、 10wt甲酸钾溶液(对比例2)和去离子水(对比例3)进行 页岩膨胀率测定实验。 0074 页岩膨胀率测定实验的实验方法包括以下步骤： 0075 使用线性膨胀率测定仪(LSM， 购自华北油田钻井工艺研究所)进行测定， 页岩气页 岩来自云南昭通108区块； 0076 先将页岩气页岩用粉碎机打成粉末， 过100目筛， 然后在加入页岩粉末前在内径为 13.50毫米的样品池中加入一张滤纸， 并测量样品池的内高； 0077 再称取10克页岩粉末于样品池中并加入一张滤纸， 然后在6000psi的压力下压缩

26、 5min， 测量加入页岩粉末并压缩后的样品池高度， 则原始页岩片高度Bt0为加入页岩粉末并 压缩后的样品池高度与加入页岩粉末前的样品池高度的差； 0078 将样品池固定在浆杯中， 在浆杯中分别缓缓加入300mL的实施例1至实施例12和对 比例1至对比例3的样品， 并立即密封； 0079 页岩片开始膨胀， 通过记录表(大指针转一圈代表膨胀1mm， 小指针转一圈代表膨 胀1mm)记录24h时页岩片的膨胀高度Bt1， 测定过程温度控制为25。 膨胀率(ut1， )由如下 公式获得： ut1(Bt1-Bt0)100/Bt0。 实施例1-12、 对比例1-3对页岩膨胀率的结果如表1所 示。 0080

27、表1 说明书 5/6 页 7 CN 105295862 B 7 0081 0082 从表1中实施例1-12与对比例1-3的比较结果可知， 与甲酸钾溶液、 无机硅酸盐溶 液如硅酸钠溶液和去离子水相比， 本发明的含有十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬 脂酸酯和油酸山梨醇酯的水基钻井液抑制剂组合物和水基钻井液， 能够显著抑制页岩气页 岩的水化膨胀， 能够明显降低页岩膨胀率。 0083 从表1中实施例1与实施例5-7的比较结果可知， 当十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水 山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的重量比为2-3:2-5:1时， 能够进一步抑制页岩气页岩的 水化膨胀， 进一步降低页岩膨胀率。 008

28、4 从表1中实施例1与实施例8-9的比较结果可知， 当水基钻井液抑制剂组合物中还 含有水时， 十二酸山梨醇酯、 聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯和油酸山梨醇酯的总重量为该 水基钻井液抑制剂组合物重量的5-9时， 能够进一步抑制页岩气页岩的水化膨胀， 进一步 降低页岩膨胀率。 0085 从表1中实施例1与实施例10-12的比较结果可知， 当水基钻井液中还进一步含有 粘土、 封堵剂、 加重剂、 增粘剂、 润滑剂、 降粘剂、 降滤失剂和絮凝剂中的一种或多种时， 能够 进一步抑制页岩气页岩的水化膨胀， 进一步降低页岩膨胀率。 0086 以上实施例说明， 本发明的水基钻井液抑制剂组合物和水基钻井液， 能够有效抑 制页岩气页岩的水化膨胀， 明显降低页岩膨胀率， 防止井壁坍塌、 卡钻等， 从而强化井壁稳 定性并减少井下复杂情况。 说明书 6/6 页 8 CN 105295862 B 8