本技術(shù)涉及鉆井液，具體涉及一種物理化學耦合防塌鉆井液及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、新疆地區(qū)油氣資源豐富，但許多儲層埋深超過7000m，地層溫度超過150℃，受構(gòu)造運動影響，導致地層斷裂帶發(fā)育，地層破碎，鉆井期間地層井壁穩(wěn)定問題突出，遇到了大量的井壁垮塌、及其引發(fā)的卡鉆等事故，井壁失穩(wěn)已成為制約新疆油氣田安全、高效開發(fā)的重大技術(shù)難題。

2、油基鉆井液在新疆鉆井過程中能夠起到較好的防塌、穩(wěn)定井壁的作用，但其環(huán)境可接受性差，成本高，因此，目前鉆井過程所用鉆井液仍以水基鉆井液為主。目前水基鉆井液防塌的方法主要是加入帶有正電荷的添加劑來中和泥頁巖表面負電荷，如胺類抑制劑、正電膠等；或者通過抑制目的壓縮黏土顆粒表面雙電層來抑制泥頁巖水化膨脹，如氯化鉀等；或者通過封堵井壁微裂縫來阻止鉆井液向地層滲透，維持井壁穩(wěn)定，如納米二氧化硅等材料。

3、中國專利文件cn201711212432.9提供了一種適用于頁巖地層的強抑制強封堵性水基鉆井液及其制備方法，所述水基鉆井液,包含水、膨潤土、降濾失劑、流型調(diào)節(jié)劑、封堵防塌劑、納米封堵防塌劑、抑制防塌劑、潤滑劑、密度調(diào)節(jié)劑和純堿。該鉆井液采用氯化鉀和聚胺抑制頁巖地層黏土水化，高溫作用穩(wěn)定性不足，防塌作用以封堵和抑制泥頁巖水化為主，缺少化學固壁作用，不適用于深層破碎性地層鉆井。

4、文獻成膜防塌鉆井液技術(shù)研究與應(yīng)用(孔凱等，鉆采工藝)報道了一種成膜防塌鉆井液體系，引入成膜封堵技術(shù)，所述水基鉆井液包括膨潤土、水、抗高溫降濾失劑、抑制劑、陽離子瀝青、成膜封堵劑、超細碳酸鈣、密度調(diào)節(jié)劑。該體系利用成膜封堵劑中的變形顆粒填充架橋、聚合物球形膠束封孔喉、溫壓成膜材料交聯(lián)成膜封堵，但抗溫能力不足，且作用方式單一，依舊是以封堵加抑制作用，缺少化學固壁作用。

5、文獻多元協(xié)同防塌鉆井液技術(shù)在臨盤油田探井的應(yīng)用(李鐘等，斷塊油氣田)報道了一種“多元協(xié)同”防塌鉆井液技術(shù)，所述水基鉆井液包含水、膨潤土、降濾失劑、流型調(diào)節(jié)劑、封堵防塌劑、納米封堵防塌劑、抑制防塌劑、潤滑劑。以“多元協(xié)同”穩(wěn)定井壁理論為基礎(chǔ)，借鑒致密泥餅封堵技術(shù)，將鉆井液中的膠體粒徑中值控制在4-6μm。通過室內(nèi)大量實驗優(yōu)選主要的處理劑，用粒徑為4-6μm的超細碳酸鈣架橋，低熒光磺化瀝青(gl-1)和乳化石蠟(dtnm)充填、鑲嵌成膜，形成多級匹配，實現(xiàn)“強封堵”。但抗溫能力低，主要是通過物理填充封堵，不適用于深層破碎性地層。

6、經(jīng)過長時間的發(fā)展，目前國內(nèi)對水基鉆井液的防塌技術(shù)有了一定的認知與進步，但現(xiàn)有的水基鉆井液防塌技術(shù)以物理封堵和抑制作用為主，而破碎性地層井壁坍塌主要原因是地層破碎、應(yīng)力集中和大量微裂縫發(fā)育，針對此類地層，目前的水基鉆井液防塌技術(shù)缺乏固壁作用，作用方式單一。對于破碎性地層現(xiàn)有鉆井液防塌能力不足，不能很好地解決深層鉆井破碎性地層的井壁失穩(wěn)問題。因此，針對破碎性地層的新型物理化學耦合防塌鉆井液體系的構(gòu)建是亟需解決的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于目前破碎性地層鉆井工程現(xiàn)場水基鉆井液抗溫性能不足、防塌作用方式單一，防塌能力不足等技術(shù)難題，本發(fā)明提供了一種物理化學耦合防塌鉆井液及其制備方法。本發(fā)明的水基鉆井液具有良好的防塌性能、抑制性能以及流變性能，能夠有效穩(wěn)定破碎性地層的井壁。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種物理化學耦合防塌水基鉆井液，包括如下重量份原料：

4、配漿水：100份

5、膨潤土：4份

6、聚丙烯酸鉀：0.1-0.2份

7、磺甲基酚醛樹脂：1-2份

8、柔性納米封堵劑：2-3份

9、自吸水抑制劑：0.1-0.3份

10、化學固壁劑：2-3份

11、自適應(yīng)封堵劑：2-3份

12、油酸甲酯：2-3份。

13、其中，所述的配漿水為自來水或天然淡水；優(yōu)選地，所述的配漿水為自來水。

14、所述的膨潤土為鉆井液用鈉基膨潤土；優(yōu)選地，所述的膨潤土為鉆井液用鈉基膨潤土，購于濰坊華濰膨潤土集團股份有限公司。

15、所述的聚丙烯酸鉀購于陽谷縣龍泉化工廠，型號為k-pam；

16、所述的磺甲基酚醛樹脂購自成都春峰石油科技有限公司，型號為smp-ⅱ；

17、所述的柔性納米封堵劑是以對苯乙烯磺酸鈉和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(amps)為聚合單體通過乳液聚合得到，其中，對苯乙烯磺酸鈉和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸均為工業(yè)品；

18、所述的柔性納米封堵劑的結(jié)構(gòu)式，如下式(1)所示：

19、

20、所述的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸與對苯乙烯磺酸鈉的摩爾比x:y為1:0.05-0.55，優(yōu)選為1:0.25-0.55。

21、所述的柔性納米封堵劑的制備方法為：

22、(1)油相制備：將環(huán)己烷、span80、tween80按質(zhì)量比1:0..05-0.1:0.05-0.1的比例混合均勻，得到油相混合液；

23、(2)水相制備：將摩爾比為1:0.05-0.55的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和對苯乙烯磺酸鈉加入水中，以200-300r/min的速度攪拌至充分溶解，得到水相混合液；

24、(2)將水相混合液滴加到油相混合液中，加入交聯(lián)劑，之后升溫至45-55℃，加入引發(fā)劑，恒溫反應(yīng)3-5h；所得乳液即為柔性納米封堵劑。

25、所述的水相混合液中聚合單體的質(zhì)量濃度為0.2-0.4g/ml。

26、所述的水相混合液與油相混合液的體積比為1:2-5。

27、所述的交聯(lián)劑為n,n-亞甲基雙丙烯酰胺，所述交聯(lián)劑的加入量為聚合單體質(zhì)量的1-4％。

28、所述的引發(fā)劑為偶氮類引發(fā)劑，所述的引發(fā)劑為偶氮二異丁脒鹽酸鹽(v50)，所述引發(fā)劑的加入量為聚合單體質(zhì)量的0.1-0.5％。

29、所述的自吸水抑制劑為碳氟類表面活性劑，所述的碳氟類表面活性劑為全氟辛基乙基丙烯酸酯。

30、所述的化學固壁劑由丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化銨、n-乙烯基吡咯烷酮、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(kh570)為聚合單體通過溶液聚合得到。其中，丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化銨、n-乙烯基吡咯烷酮、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷均為工業(yè)品；

31、所述的化學固壁劑的結(jié)構(gòu)式，如下式(2)所示：

32、

33、所述的丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化銨、n-乙烯基吡咯烷酮、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(kh570)的摩爾比x:y:z:w為1:0.10-0.30：0.10-0.45:0.05-0.35，優(yōu)選為1:0.15-0.25:0.15-0.35:0.15-0.25。

34、所述化學固壁劑的粘均分子量為20-50萬，優(yōu)選為35-50萬。

35、所述化學固壁劑的制備方法包括如下步驟：

36、將聚合單體加入n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中，升溫至55-65℃攪拌25-35min，之后加入引發(fā)劑，恒溫反應(yīng)5-6h；反應(yīng)完成后，除去溶劑，得到白色膠狀粗產(chǎn)物，將其用苯浸泡后過濾、烘干粉碎，得到化學固壁劑；

37、所述聚合單體為丙烯酰胺、二甲基二烯丙基氯化銨、n-乙烯基吡咯烷酮和γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(kh570)，其摩爾比為1:0.10-0.30：0.10-0.45:0.05-0.35。

38、所述的聚合單體的質(zhì)量與n,n-二甲基甲酰胺的體積的比為0.15-0.25g:1ml。

39、所述的引發(fā)劑為偶氮二異丁腈，所述引發(fā)劑的加入量為聚合單體質(zhì)量的0.1-0.5％。

40、所述的自適應(yīng)封堵劑以丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和n,n-亞甲基雙丙烯酰胺為聚合單體通過反向乳液聚合得到。其中，丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和n,n-亞甲基雙丙烯酰胺均為工業(yè)品；

41、所述的自適應(yīng)封堵劑的結(jié)構(gòu)式，如下式(3)所示：

42、

43、所述丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和n,n-亞甲基雙丙烯酰胺的摩爾比x:y:z:w為1:0.10-0.25:0.05-0.20:0.002-0.0.015。

44、所述自適應(yīng)封堵劑的制備方法包括如下步驟：

45、(1)油相制備：將乳化劑span60加入環(huán)己烷中，以600-1000r/min的速度勻速攪拌至完全溶解，得到油相；其中，環(huán)己烷與span60的體積比為100:3.0-7.0；

46、(2)水相制備：將摩爾比為1:0.10-0.25:0.05-0.20:0.002-0.0.015的丙烯酰胺、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、n,n-亞甲基雙丙烯酰胺溶于水中，攪拌至完全溶解，得到水相；其中，水相與聚合單體總質(zhì)量比為100:4.5-15；

47、(3)將水相緩慢加入到油相中，以600-1000r/min的速度持續(xù)攪拌，升溫至55-75℃，加入引發(fā)劑，恒溫反應(yīng)5-6h，所得產(chǎn)物即為自適應(yīng)封堵劑。

48、所述的水相與油相的體積比為1:1-1.5。

49、所述引發(fā)劑為過硫酸鉀，其加入量為聚合單體質(zhì)量的0.3-0.6％。

50、所述的油酸甲酯購于濟南匯豐達化工有限公司。

51、作為一些優(yōu)選的實施例，所述的新型物理化學耦合防塌水基鉆井液，包括如下重量份原料：

52、配漿水：100份

53、膨潤土：4份

54、聚丙烯酸鉀：0.1-0.2份

55、磺甲基酚醛樹脂：1-2份

56、柔性納米封堵劑：2-3份

57、自吸水抑制劑：0.1-0.3份

58、化學固壁劑：2-3份

59、自適應(yīng)封堵劑：2-3份

60、油酸甲酯：2-3份。

61、本發(fā)明的物理化學耦合防塌鉆井液，所述的各組成原料均可商購得到，各合格普通工業(yè)產(chǎn)品均可。

62、上述物理化學耦合防塌鉆井液的制備方法，包括以下步驟：

63、先在高攪杯中加入水，低速攪拌下加入膨潤土，低速攪拌24小時，加入聚丙烯酸鉀，高速攪拌30分鐘，加入磺甲基酚醛樹脂，高速攪拌30分鐘，加入柔性納米封堵劑，高速攪拌30分鐘，加入自吸水抑制劑，高速攪拌20分鐘，加入化學固壁劑，高速攪拌20分鐘，加入自適應(yīng)封堵劑，高速攪拌20分鐘，加入油酸甲酯，高速攪拌20分鐘，制得適用于破碎性地層的物理化學耦合防塌鉆井液；

64、其中，所述低速攪拌的轉(zhuǎn)速為3000r/min，所述的高速攪拌的轉(zhuǎn)速為6000-8000r/min。

65、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)的有益效果在于：

66、(1)本發(fā)明的物理化學耦合防塌鉆井液中含有柔性納米封堵劑、自適應(yīng)封堵劑、自吸水抑制劑、化學固壁劑等核心處理劑材料，該鉆井液能夠有效抑制泥頁巖水化，阻止水滲入地層及壓力傳遞，可以吸附在井壁形成結(jié)構(gòu)防止井壁坍塌，有效保持破碎性地層的井壁穩(wěn)定。同時，將本發(fā)明鉆井液應(yīng)用于破碎性地層鉆井中時，能夠表現(xiàn)出較好的流變性能、降濾失性能。

67、(2)本發(fā)明的物理化學耦合防塌鉆井液中含有柔性納米封堵劑和自適應(yīng)封堵劑。柔性納米封堵劑具有納米尺寸和吸附基團，可以進入納米孔隙并與地層形成吸附作用，有效封堵地層納米孔縫。自適應(yīng)封堵劑具有微米粒徑和彈性作用，在壓差作用下可以自適應(yīng)進入不同微米孔縫起到封堵地層孔縫的作用。兩種封堵劑協(xié)同作用封堵納微米孔縫，封堵范圍更寬、封堵效果更優(yōu)。同時，兩種封堵劑可以有效適應(yīng)泥餅的孔隙和形狀，封堵泥餅孔隙，提高泥餅質(zhì)量，降低鉆井液濾失量，進一步穩(wěn)定井壁。

68、(3)本發(fā)明的物理化學耦合防塌鉆井液中含有自吸水抑制劑，所述的自吸水抑制劑為碳氟類表面活性劑，能有效降低表面張力，增加巖石的疏水性能，進而有效降低毛細管力，降低應(yīng)微裂縫地層因毛細管力進入地層的鉆井液數(shù)量，有利于井壁穩(wěn)定。

69、(4)本發(fā)明的物理化學耦合防塌鉆井液中含有化學固壁劑，該抑制劑為四元聚合物，分子中的陽離子基團、酰胺基團、硅氧基團可以與泥頁巖表面發(fā)生強烈的物理化學吸附作用，長分子鏈可以同時吸附在多個泥頁巖顆粒表面且分子間可以相互作用、聯(lián)結(jié)，阻止泥頁巖吸水膨脹和井壁脫落，起到化學固壁作用，防止井壁垮塌。同時，可以有效阻斷水分子與頁巖表面的接觸與滲入，阻止壓力向地層傳遞，抑制泥頁巖水化膨脹。

70、(5)本發(fā)明的物理化學耦合防塌鉆井液中同時添加了聚丙烯酸鉀作為泥頁巖分散抑制劑，磺甲基酚醛樹脂作為抗高溫降濾失劑，油酸甲酯作為潤滑劑，所得水基鉆井液高效穩(wěn)定易塌地層井壁。

71、本發(fā)明的水基鉆井液能夠解決破碎性地層的井壁失穩(wěn)問題，并且配制簡單，維護方便。