專利名稱：：鉆井液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及鉆井液，尤其涉及水基鉆井液。本發(fā)明背景鉆井液是用于鉆井作業(yè)中的，例如用于油井和氣井的鉆探中。在鉆井過程中，鉆井液被泵入鉆柱下，經(jīng)鉆頭中之孔排出，并經(jīng)由鉆桿與周圍的巖層間的環(huán)狀空間回到地面。鉆井液起著各種作用，如冷卻和潤滑鉆頭與鉆桿；除去鉆井過程中產(chǎn)生的巖屑并將其帶至地面；當(dāng)泵送停止時(shí)，將鉆屑保留在環(huán)狀空間內(nèi)以防止擠入地層或防止井壁坍塌以及阻止地層流體上升。一般，鉆井液包含載體、增重劑及化學(xué)添加劑。鉆井液可分為兩大類水基鉆井液，也稱水基泥漿(WBM)，其中載體是水性介質(zhì)；及油基鉆井液，也稱為油基泥漿(OBM)，其中載體是油。從技術(shù)上看，在某些重要性能方面，OBM優(yōu)于WBM，如在鉆探油和氣過程中，OBM不會(huì)對最常遇到的一類巖石-頁巖產(chǎn)生有害的作用。然而，采用OBM也有缺點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生大量被油污染的廢物，如難以用符合環(huán)境要求的方法處理的鉆屑。雖然WBM較OBM更符合環(huán)境要求，但從技術(shù)上說，WBM的性能，尤其是當(dāng)鉆探對水敏感的巖石如頁巖時(shí)，不如OBM的性能。頁巖對水有強(qiáng)的親和性，而且頁巖吸附水后會(huì)使其膨脹并在巖石內(nèi)發(fā)生化學(xué)變化而產(chǎn)生削弱地層的應(yīng)力，因此有可能導(dǎo)致井筒風(fēng)化或結(jié)構(gòu)損耗。這可能會(huì)給鉆井作業(yè)帶來如鉆桿被卡住的問題。此外，質(zhì)量低劣的井筒可能會(huì)妨礙測井和完井作業(yè)。在改善WBM對頁巖的性能方面，即提高WBM的所謂頁巖抑制水平方面已經(jīng)進(jìn)行了許多工作。在WBM中已添加了種種化學(xué)添加劑以改善其頁巖抑制水平。具體地說，水溶性二醇或多元醇(即含一個(gè)以上羥基基團(tuán)的分子)常用于此目的，通常在WBM中的添加量為3-10(重量)％之間。用于此目的多元醇包括例如甘油；聚甘油；二醇；聚亞烷基二醇(PAG)，如聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)及乙二醇與丙二醇的共聚物；醇的乙氧基化物(AET)以及乙二醇醚。典型的具有抑制性AET是環(huán)氧乙烷的正丁醇衍生物。PAG中環(huán)氧乙烷與環(huán)氧丙烷(EO∶PO)之比率可有一范圍并可以是無規(guī)共聚物或嵌段共聚物；已認(rèn)為這類材料中常用的是EO∶PO之比大約為1∶1的無規(guī)共聚物。參見如EP0495579、US4830765、US4172800。為進(jìn)一步討論這一主題，可參看如TheSocietyofPetroteumEngineersReportsSPE25989(用含二醇類水基泥漿來降低對環(huán)境的影響和改善鉆井性能)和SPE28818(水基二醇鉆井泥漿-頁巖抑制機(jī)理)以及SchlumbergerOilfieldReview，April1994.33-43頁(鉆井液的設(shè)計(jì)與運(yùn)用)。SPE28960(水基鉆井液中多元醇對頁巖抑制機(jī)理)提出了一種可信的機(jī)理，該機(jī)理充分地說明了這類多元醇是如何提供頁巖抑制作用的?？傊?，該文獻(xiàn)介紹的兩種過程是重要的。多元醇能與存在于反應(yīng)性頁巖中的細(xì)微顆粒狀粘土無機(jī)物表面上的鉀離子發(fā)生相互作用。這些鉀離子是水合的，但它們的水合能低，這就意味著水容易從陽離子上除去，因而鉀離子能與多元醇形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。從鈉或鈣離子除去水較不容易，且形成的陽離子/多元醇絡(luò)合物的穩(wěn)定性較差，因此作者認(rèn)為這就是為什么多元醇中含鉀會(huì)具有較高的抑制水平。據(jù)說作者研究所確證的具有頁巖抑制作用的多元醇大多是根據(jù)這一機(jī)理而推論出具有抑制活性的。其它水合弱的陽離子(如銨或銫)的行為與鉀相同。第二種但次要的，具有頁巖抑制作用的是目前可購得的EO∶PO聚合物。關(guān)于這種聚合物，作者提供了吸附在粘土表面上相鄰近的多元醇分子間發(fā)生相互作用的證據(jù)。這些相互作用與鹽水溶液的濃度和組成無關(guān)，而且因?yàn)樵赑EG和正丁醇乙氧基化物分子中并不存在這種相互作用，因此，作者假設(shè)這種相互作用是EO∶PO共聚物中PO部分的中等憎水的甲基基團(tuán)間引起的分子間作用。這種相互作用足以使EO∶PO共聚物在蒸餾水中有中等程度的頁巖抑制作用，而如PEG和AET等分子在蒸餾水中很少呈現(xiàn)出任何抑制作用。含多元醇的WBM的頁巖抑制性能可通過摻混可與石膏結(jié)合的鉀鹽，如氯化鉀來增強(qiáng)。然而，即使是已知最好的鉀鹽與含多元醇的WBM的頁巖抑制性能仍遠(yuǎn)低于OBM。而且，鉀的使用可能會(huì)產(chǎn)生廢物的處理問題，象在某些地區(qū)，如墨西哥灣是禁止或嚴(yán)格限制向環(huán)境排放鉀的。此外，采用含鉀的WBM，在陸上鉆井過程中也會(huì)產(chǎn)生地下水被含鉀鉆井廢液污染的問題，而地下水被污染是不能容許的。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可通過采用以多羥基烷烴(也稱為醛醇)和烯化氧的反應(yīng)產(chǎn)物形式的新型多元醇添加劑來改善WBM的頁巖抑制性能。本發(fā)明的概述本發(fā)明提供一種包含多羥基烷烴與烯化氧的反應(yīng)產(chǎn)物作用添加劑的水基鉆井液。多羥基烷烴可以是直鏈或支鏈的，并可包含多達(dá)20個(gè)碳原子，該多羥基烷烴最好是單糖類化合物，適宜的多羥基烷烴是如丙三醇、赤鮮醇、蘇糖醇、核糖醇、山梨醇、甘露糖醇及半乳糖醇等。目前優(yōu)選的多羥基烷烴是山梨醇。適宜的烯化氧包括環(huán)氧乙烷(EO)，環(huán)氧丙烷(PO)和/或環(huán)氧丁烷(BO)。也可采用各種烯化氧的混合物。通過聚合反應(yīng)，如堿催化聚合可容易地制得多羥基烷烴與烯化氧的反應(yīng)產(chǎn)物。這類產(chǎn)物可從多方面來源，如從DowChemical、ICI及Hoechst公司購得。該添加劑包括在其一端或兩端至少有一個(gè)以化學(xué)鍵連接的烯化氧的多羥基烷烴，優(yōu)選在其兩端都連有烯化氧一般形成對稱分子。如果該分子不太粘稠、至少部分可溶于水性流體中并具有適當(dāng)?shù)呐菽卣鞯脑?，則烯化氧的個(gè)數(shù)和性質(zhì)就不是關(guān)鍵。粘度、不溶解性及起泡性會(huì)隨分子量增加而增加，所以可允許EO單元數(shù)大于PO和BO單元數(shù)。適用的添加劑包含高達(dá)30個(gè)EO單元(一般，在多羥基烷烴的每端都線性地連接15個(gè)單元)或較少數(shù)量的PO單元、BO單元，任何比率的EO、PO和/或BO混合物。使用包括山梨醇+18EO、山梨醇+9PO、山梨醇+4EO+6BO、山梨醇+6EO+6BO或山梨醇+6BO在內(nèi)的添加劑已經(jīng)獲得了好的結(jié)果。也可采用根據(jù)本發(fā)明的各種添加劑的混合物。通常，添加劑在WBM中的用量在1-10(重量)％之間，優(yōu)選1-5(重量)％。本發(fā)明的鉆井液可按不同的常規(guī)配方，用水性介質(zhì)，通常包括淡水、鹽水、其它鹽溶液或它們的混合物進(jìn)行配制。按照常規(guī)方法也可將其它添加劑加入鉆井液中。尤其是可添加鉀離子(如來自氯化鉀的鉀離子)以改善頁巖抑制性能。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與已知的含多元醇的WBM相比，尤其是在不添加鉀離子時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的鉆井液具有高的頁巖抑制性能。正如上面所指出的，這對環(huán)境保護(hù)來說是有利的。頁巖抑制目前還未完全清楚，但可認(rèn)為(雖然不希望受理論束縛)使用本發(fā)明鉆井液產(chǎn)生高的頁巖抑制性能可能是因多羥基烷烴的存在而提高了多元醇的增水性，從而使吸附在頁巖粘土表面上的鄰近的多元醇添加劑分子間有高的憎水相互作用的結(jié)果。另一種中可信的解釋是，這些分子能有效地使靠近粘土礦物質(zhì)表面的水分子結(jié)構(gòu)破壞。這種結(jié)構(gòu)已被認(rèn)為是粘土礦物質(zhì)在水性流體中膨脹的機(jī)理。通過下面實(shí)施例中的說明對本發(fā)明作進(jìn)一步敘述。實(shí)施例采用不同的鉆井液添加劑和不同的配方所獲得的頁巖抑制水平按慣例由多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行評價(jià)。如鉆屑的分散和頁巖膨脹等的各種試驗(yàn)適用于新添加劑的快速篩選并廣泛地用于工業(yè)上。按修改的標(biāo)準(zhǔn)油田鉆屑分散試驗(yàn)也可獲得篩選添加劑抑制性能的一種好指標(biāo)。這一方法特別適用于篩選低粘度、水溶性的品種，如多元醇及含添加劑的全配制之鉆井液。在該試驗(yàn)方法中，將已知重量的頁巖鉆屑(約20克)添加到置于容器中的已測量過體積的試驗(yàn)用流體(約350毫升)中。容器是旋轉(zhuǎn)的，以使鉆屑在流體中處于持續(xù)的攪拌之中；如果鉆屑與試驗(yàn)用流體間的相互作用使鉆屑變軟的話，這樣就可使鉆屑破碎和分散。在試驗(yàn)周期終了時(shí)，收集未被分散的鉆屑，經(jīng)洗滌、干燥、稱重?；厥盏闹亓恳蕴砑拥皆囼?yàn)用流體中的初始重量的百分比表示。顯而易見，試驗(yàn)用流體的抑制性能越好，鉆屑分散的程度越低，因此，最終回收鉆屑的百分比越高。對兩種不同類型頁巖的試驗(yàn)結(jié)果列于表1和表2中。用來比較的兩種多元醇是聚乙二醇(PEG)和聚亞烷基二醇(PAG)；這兩種多元醇目前在工業(yè)系統(tǒng)中都用作頁巖抑制劑。這兩種材料的平均分子量分別為約600和650。PAG是EO與PO的無規(guī)共聚物，EO∶PO比率約1∶1。本發(fā)明的多元醇都包含山梨醇并是按表1和表2所述的EO、PO和BO的結(jié)合物。表1，從試驗(yàn)用流體中回收牛津粘土鉆屑的回收率，試驗(yàn)用流體包含去離子水、10克/升低粘度羧甲基纖維素、4克/升黃原膠。試驗(yàn)用多元醇的濃度如表所列。</tables>表2從試驗(yàn)用流體中回收倫敦粘土鉆屑的回收率，試驗(yàn)液包含去離子水、人造海水或去離子水+7(重量)％KCl。除PEG(6.5％)外所有多元醇濃度為5％。</tables>試驗(yàn)結(jié)果清楚地顯示，當(dāng)以山梨醇基多元醇代替目前工業(yè)用多元醇時(shí)，不含氯化鉀的試驗(yàn)液具有高的抑制水平。已對以包括甘露糖醇和丙三醇在內(nèi)的其它多羥基烷烴為基本成分的添加劑進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)用丙三醇代替上述山梨醇時(shí)，所得試驗(yàn)結(jié)果是差的。權(quán)利要求1.包含以多羥基烷烴與烯化氧的反應(yīng)產(chǎn)物為添加劑的水基鉆井液。2.根據(jù)權(quán)利要求1的鉆井液，其中多羥基烷烴主要是單糖類化合物。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的鉆井液，其中多羥基烷烴包括丙三醇、赤蘚醇、蘇糖醇、核糖醇、山梨醇、甘露糖醇或半乳糖醇。4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的鉆井液，烯化氧包括環(huán)氧乙烷(EO)、環(huán)氧丙烷(PO)和/或環(huán)氧丁烷(BO)。5.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的鉆井液，其中添加劑中每一多羥基烷烴分子含高達(dá)30個(gè)烯化氧單元。6.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的鉆井液，其中添加劑選自山梨醇+18EO、山梨醇+9PO、山梨醇+4EO+6BO、山梨醇+6EO+6BO、山梨醇+6BO。7.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的鉆井液，其中添加劑的用量為1-10(重量)％之間。8.根據(jù)權(quán)利要求7的鉆井液，其中添加劑的用量為1-5(重量)％之間。9.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的鉆井液，包括淡水、鹽水、其它鹽溶液或它們混合物的水性介質(zhì)。10.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項(xiàng)的鉆井液，包括一種或多種其它添加劑。11.根據(jù)權(quán)利要求10的鉆井液包含鉀鹽添加劑。12.根據(jù)權(quán)利要求11的鉆井液，其中鉀鹽包括氯化鉀。全文摘要一種包含以多羥基烷烴與烯化氧反應(yīng)產(chǎn)物為添加劑的水基鉆井液(WBM)。該多羥基烷烴最好是單糖化合物并且優(yōu)選為山梨醇。烯化氧可包括環(huán)氧乙烷(EO)、環(huán)氧丙烷(PO)和/或環(huán)氧丁烷(BO)。采用以山梨醇+18EO、山梨醇+9PO、山梨醇+4EO+6BO、山梨醇+6EO+6BO、或山梨醇+6BO為添加劑已經(jīng)得到了好的試驗(yàn)結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn),根據(jù)本發(fā)明的鉆井液與含已知多元醇的WBM相比,特別在不添加鉀離子的情況下,具有高的頁巖抑制性能,對環(huán)境保護(hù)有利。文檔編號(hào)C09K8/22GK1196078SQ9619688公開日1998年10月14日申請日期1996年8月14日優(yōu)先權(quán)日1995年8月17日發(fā)明者P·I·里德,B·T·克拉斯特,J·P·克勞肖,T·G·巴爾森申請人:陶氏化學(xué)公司,索菲泰克公司