CN114381252B - 一种超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液的制备方法 - Google Patents
一种超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液的制备方法，其特点是各组分按重量计，在常温下，把2～50份增稠剂缓慢倒入到搅拌中的1000份清水和地层水中的至少一种里，然后继续搅拌，直至完全溶解，得到具有增粘性能的聚合物溶液，在搅拌过程中，在配制好的增稠剂溶液中先后加入0.3～20份超高温聚合物第一沉淀抑制剂和0.5～200份超高温聚合物第二沉淀抑制剂，搅拌1小时，再在搅拌过程中加入0.1～10份杀菌剂，并继续搅拌均匀，然后再继续添加0.1～10份超高温热稳定剂，并混合均匀，最后加入10～4000份密度调节剂，得到密度为1.01～2.50g/cm3、超高温180℃～230℃下耐多价金属阳离子的无固相修井液，这种修井液在超高温下具有良好的抗老化性、冲砂携岩性和降滤失性。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液的制备方法，属于石油开采、油田化学和油田高分子领域。
二、背景技术
在油气开采中，每年有大量超深油气井需要进行修井作业，才能保证油气井的正常生产，而且必须在安全前提以及保护油井产能条件下进行现场施工。超深油气井的井深通常在6000m以上，井底温度在140℃以上，其中一些井的井底温度高于180℃。为了避免修井液的漏失，保障修井作业的安全，保护储层，提高修井液的冲砂携岩性，通常在无固相盐水修井液中添加羧甲基纤维素钠、聚阴离子纤维素钠、羟乙基纤维素等水溶性纤维素醚和黄原胶(XG)，以显著提高修井液的增粘性能。为了调节修井液的密度，会在其中加入NaCl、KCl、NaBr、CaCl2、CaBr2、MgCl2、MgBr2等一、二价阳离子无机水溶性盐和有机盐甲酸钠、甲酸钾。水溶性纤维素醚的井底使用温度低于100℃，因为其在高于100℃的温度下在任何盐水中热滚老化16小时后均会发生剧烈的氧化降解，溶液粘度极低，因此，当水溶性纤维素醚用作修井液中的增稠剂时，适用于井底温度低于100℃的油气井。黄原胶XG在盐水中作为增稠剂，具有明显的假塑性，有利于井底的冲砂携岩，对修井作业工具也具有良好的润滑性，其与NaCl、KCl等一价金属阳离子无机盐形成的盐水溶液在低于120℃的温度下具有良好的抗老化性能，在120℃下热滚老化16小时后，粘度保留率较高，但Fe3+、Fe2+、Al3+、Ca2+和Mg2+等多价金属阳离子在120℃时就能显著削弱修井液的高温抗老化性能，温度越高，多价金属阳离子对修井液老化性能的影响越严重，尤其是在140℃以上的超高温时，极微量的Fe3+、Fe2 +、Al3+就会使XG沉淀和氧化降解，使得盐水溶液的粘性完全丧失，因此，为了避免这些多价金属阳离子的影响，在超高温无固相聚合物盐水溶液的现场配制中，通常都采用含一价阳离子的无机盐和质量浓度高于20％、成本高的有机水溶性盐来调节盐水的密度，这明显增加了无固相高密度修井液的成本。而超深井的井底地层水中通常含有Fe3+、Fe2+、Ca2+和Mg2+等多价金属阳离子，在地层水的水处理工艺中，Al3+也可能被带入，这就出现了在地面上修井液的粘度高，但在超高温的井底，修井液的粘度极低的状况。另外，为了降低修井液成本和减少水污染，油田都希望能用含有这些多价金属阳离子的地层水来配制修井液。而且当温度高于180℃时，黄原胶在高含一价金属阳离子的无机或有机水溶性盐水中也会发生严重降解，溶液的增粘性完全丧失，使得溶液粘度几乎就是清水的粘度。如含黄原胶的NaCl盐水溶液在180℃下热滚老化24小时后几乎无粘性。虽然可以用络合剂来络合地面上的油田水及储罐、管道和井筒中的Fe3+、Fe2+离子，消除这些阳离子在修井液中的影响，但超高温超深井井底的地层水一般都含高浓度的Ca2+、Mg2+、Fe3+、Fe2+等多价金属阳离子，这对修井液增粘性的影响就不可避免，因此，多价金属阳离子对修井液在超高温下抗老化性能的严重影响限制了无固相增粘型修井液在超高温超深井中的应用，也限制了含高浓度多价金属阳离子的油田水在无固相增粘型修井液配制中的应用。2016年，刘福鹏等公开了一种修井液增粘剂及制造方法(中国专利CN105820803A)，在修井液中用黄原胶作为增粘剂，为了避免多价金属阳离子对增粘剂的影响，在修井液中添加的盐只有甲酸钾，未见含多价金属阳离子的无机水溶性盐。谢俊等，山东科技大学学报，2007，26(5)，16-20，报道了在120℃下，较高浓度的Ca2+会使黄原胶溶液产生沉淀，使溶液失效，而且溶液粘度损失随老化时间的延长和环境温度的增加而增大，另外，Fe2+会使黄原胶在高温下剧烈降解。李明等，石油学报，报道了在90℃时，Fe3+、Al3+与钻井液中的黄原胶发生交联而凝胶化，使得溶液粘度急剧下降。而在高温120以上时，凝胶脱水，从溶液中沉淀，使得无固相钻井液或修井液的粘度变成了水的粘度。
三、发明内容
本发明的目的是针对目前Fe3+、Fe2+、Al3+、Ca2+和Mg2+等多价金属阳离子严重影响修井液在超高温下的抗老化性能，地面上含高浓度多价金属阳离子的油田水在无固相增粘型修井液的应用受到限制，超高温超深井井底的地层水因一般都含高浓度的Ca2+、Mg2+、Fe3 +、Fe2+等多价金属阳离子而会使修井液的增粘性丧失，从而严重削弱其冲砂携岩性、降滤失性等问题，提供了一种在180℃～230℃的井底超高温下，能耐井底地层水中高浓度的Fe3+、Fe2+、Al3+、Ca2+和Mg2+等多价金属阳离子，在超深井井底环境下仍具有良好的增粘性、冲砂携岩性和降滤失性，能平衡地层的无固相修井液的制备方法，其特点是以结冷胶、威兰胶、定优胶、鼠李聚糖胶和小核菌葡聚糖中的至少一种作为增稠剂，能用清水、含Fe3+、Fe2+、Al3+、Ca2+和Mg2+等多价金属阳离子的油田地层水中的至少一种配制，以2-丁炔-1,4-二醇HOCH2C≡CCH2OH、3-己炔-2,5-二醇CH3CH(OH)C≡CCH(OH)CH3、丙炔醇CH(OH)C≡CH和1-正烷基炔-3-醇CmH2m+1CH(OH)C≡CH，整数m＝1～13中的至少一种为超高温聚合物第一沉淀抑制剂，以六偏磷酸钠、二氮杂菲、三乙醇胺、柠檬酸三钠、乙二胺四乙酸四钠、甲酸钠、甲酸钾、乙酸钠、乙酸钾、丙酸钠、丙酸钾、2-羟基丙酸钠和氮川三乙酸三钠中的至少一种为超高温聚合物第二沉淀抑制剂，以甲醛、丙二醛、丁二醛、戊二醛、己二醛、三氯酚钠、苯酚、邻苯二酚、间苯二酚、二硫化氨基甲酸钠和二硫化氨基甲酸钾中的至少一种为杀菌剂，以硼氢化钠(NaBH4)、硼氢化钾(KBH4)、连二亚硫酸钠(Na2S2O4)、连二亚硫酸钾(K2S2O4)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)、亚硫酸氢钾(KHSO3)、亚硫酸钠(Na2SO3)、亚硫酸钾(K2SO3)、硫化钠(Na2S)、硫化钾(K2S)、硫脲、邻二甲苯硫脲、异丙醇、正丙醇、异丁醇、正丁醇、异戊醇、正戊醇、异己醇和正己醇中的至少一种为超高温热稳定剂，以氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氯化钙(CaCl2)、溴化钠(NaBr)、溴化钾(KBr)、溴化钙(CaBr2)和溴化锌中的至少一种为密度调节剂。
本发明者发现超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液中增稠剂的浓度、多价金属阳离子的含量、各添加剂的用量能明显影响无固相修井液的增粘性。
本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料份数除特殊说明外，均为重量份数。
1.超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液的配方组分为：
其中溶剂为清水、含Fe3+、Fe2+、Al3+、Ca2+和Mg2+等多价金属阳离子的油田地层水中的至少一种，增稠剂为结冷胶、威兰胶、定优胶、鼠李聚糖胶和小核菌葡聚糖中的至少一种，超高温聚合物第一沉淀抑制剂为2-丁炔-1,4-二醇HOCH2C≡CCH2OH、3-己炔-2,5-二醇CH3CH(OH)C≡CCH(OH)CH3、丙炔醇CH(OH)C≡CH和1-正烷基炔-3-醇CmH2m+1CH(OH)C≡CH，整数m＝1～13中的至少一种，超高温聚合物第二沉淀抑制剂为六偏磷酸钠、二氮杂菲、三乙醇胺、柠檬酸三钠、乙二胺四乙酸四钠、甲酸钠、甲酸钾、乙酸钠、乙酸钾、丙酸钠、丙酸钾、2-羟基丙酸钠和氮川三乙酸三钠中的至少一种，杀菌剂为甲醛、丙二醛、丁二醛、戊二醛、己二醛、三氯酚钠、苯酚、邻苯二酚、间苯二酚、二硫化氨基甲酸钠和二硫化氨基甲酸钾中的至少一种，超高温热稳定剂为硼氢化钠(NaBH4)、硼氢化钾(KBH4)、连二亚硫酸钠(Na2S2O4)、连二亚硫酸钾(K2S2O4)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)、亚硫酸氢钾(KHSO3)、亚硫酸钠(Na2SO3)、亚硫酸钾(K2SO3)、硫化钠(Na2S)、硫化钾(K2S)、硫脲、邻二甲苯硫脲、异丙醇、正丙醇、异丁醇、正丁醇、异戊醇、正戊醇、异己醇和正己醇中的至少一种，密度调节剂为氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氯化钙(CaCl2)、溴化钠(NaBr)、溴化钾(KBr)、溴化钙(CaBr2)和溴化锌中的至少一种。
2.超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液的制备
在常温下，把2～50份增稠剂缓慢倒入到搅拌中的1000份溶剂里，然后继续搅拌，直至完全溶解，得到具有增粘性能的聚合物溶液，在搅拌过程中，在配制好的增稠剂溶液中先后加入0.3～20份超高温聚合物第一沉淀抑制剂和0.5～200份超高温聚合物第二沉淀抑制剂，搅拌1小时，再在搅拌过程中加入0.1～10份杀菌剂，并继续搅拌均匀，然后再继续添加0.1～10份超高温热稳定剂，并混合均匀，最后加入10～4000份密度调节剂，得到密度为1.01～2.50g/cm3、超高温180℃～230℃下耐多价金属阳离子的无固相修井液。
其中溶剂为清水、含Fe3+、Fe2+、Al3+、Ca2+和Mg2+等多价金属阳离子的油田地层水中的至少一种，增稠剂为结冷胶、威兰胶、定优胶、鼠李聚糖胶和小核菌葡聚糖中的至少一种，超高温聚合物第一沉淀抑制剂为2-丁炔-1,4-二醇HOCH2C≡CCH2OH、3-己炔-2,5-二醇CH3CH(OH)C≡CCH(OH)CH3、丙炔醇CH(OH)C≡CH和1-正烷基炔-3-醇CmH2m+1CH(OH)C≡CH，整数m＝1～13中的至少一种，超高温聚合物第二沉淀抑制剂为六偏磷酸钠、二氮杂菲、三乙醇胺、柠檬酸三钠、乙二胺四乙酸四钠、甲酸钠、甲酸钾、乙酸钠、乙酸钾、丙酸钠、丙酸钾、2-羟基丙酸钠和氮川三乙酸三钠中的至少一种，杀菌剂为甲醛、丙二醛、丁二醛、戊二醛、己二醛、三氯酚钠、苯酚、邻苯二酚、间苯二酚、二硫化氨基甲酸钠和二硫化氨基甲酸钾中的至少一种，超高温热稳定剂为硼氢化钠(NaBH4)、硼氢化钾(KBH4)、连二亚硫酸钠(Na2S2O4)、连二亚硫酸钾(K2S2O4)、亚硫酸氢钠(NaHSO3)、亚硫酸氢钾(KHSO3)、亚硫酸钠(Na2SO3)、亚硫酸钾(K2SO3)、硫化钠(Na2S)、硫化钾(K2S)、硫脲、邻二甲苯硫脲、异丙醇、正丙醇、异丁醇、正丁醇、异戊醇、正戊醇、异己醇和正己醇中的至少一种，密度调节剂为氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氯化钙(CaCl2)、溴化钠(NaBr)、溴化钾(KBr)、溴化钙(CaBr2)和溴化锌中的至少一种。
3.超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液的性能
以下超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液样品的制备方法见实施例1。有必要在此指出，按实施例1制备的无固相修井液样品的以下性能说明只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的研究人员可以根据本发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
(1)超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液老化前的表观粘度与测试温度的关系如表1所示。当温度低于90℃，随着测试温度的升高，无固相修井液老化前的表观粘度还稍有增加，温度高于90℃后表观粘度缓慢减小，但在整个温度范围内，温度对无固相修井液表观粘度的影响较小。结果表明，无固相修井液具有良好的耐温性能。
(2)超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液的表观粘度与老化温度的关系如表2所示，所有样品的老化时间均为16h。含有二价盐氯化钙的无固相修井液在超高温180℃和190℃下老化后仍然具有较高的粘度保留率，从而使得无固相修井液流经超深井井筒，在超高温的地层下仍然具有良好的冲砂携岩性能和降滤失性能。结果表明，无固相修井液具有良好的超高温抗老化性能。
(3)超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液在210℃下老化16h后，不同剪切速率下的表观粘度如表3所示。表3中的流性指数n值远低于1，稠度系数K值较高，这说明修井液具有良好的假塑性和增粘性，这使得在井筒中高剪切速率下表观粘度低，摩阻低，但在环空更低剪切速率下表观粘度明显增加，有利于冲砂携岩。结果显示，在超高温下老化16h后的无固相修井液仍然表现了良好的假塑性行为，无固相修井液在超高温的地层下仍然具有良好的冲砂携岩性。
本发明的超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液具有如下的优点：
(1)超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液在井底温度180℃～230℃，地层水中高含Fe3+、Fe2+、Ca2+和Mg2+等多价金属阳离子的超深井井底环境下老化16小时后，仍能表现良好的增粘性、冲砂携岩性和降滤失性。
(2)发明的修井液体系中增稠剂的耐温性和抗老化性强于目前常用的黄原胶，而且体系中各添加剂的共同作用使得该增稠剂能在超高温下能很好地溶解于含多价金属阳离子的地层水中，并且分子链的结构稳定，体系中的杀菌剂能防止细菌滋生，超高温稳定剂能吸收体系中微量的氧气，避免增稠剂的氧化降解。
(3)第一沉淀抑制剂中的碳碳三键具有刚性和强的热稳定性，且能与多价金属阳离子在超高温下发生强的络合作用，抑制了多价金属阳离子对增稠剂的交联作用和盐效应，而碳碳三键相邻碳上的—OH又能与增稠剂分子链中的—OH形成氢键，这就明显增强了增稠剂分子链的刚性、耐温性和抗老化性。
(4)第二沉淀抑制剂能络合多价金属阳离子，也抑制了多价金属阳离子对增稠剂的交联作用和盐效应，另外，第二沉淀抑制剂分子中与—COO—相连的C—H具有极性，能与增稠剂分子链中的—OH发生分子间相互作用，这使得增稠剂分子链中能被物理引入更多的亲水基团—COO—，使得增稠剂在超高温下仍然保持较强的亲水性，保持其聚集态结构，而不会沉淀析出。另外，修井液中的超高温聚合物第一、第二沉淀抑制剂能发生彼此的协同效应，有力地保护了修井液体系中增稠剂分子链在超高温和高浓度多价金属阳离子地层环境下的伸展构象，从而维持了增稠剂在溶液中的聚集态结构，防止了增稠剂在苛刻的超深井环境下的脱水沉淀。
四、具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的研究人员可以根据上述本发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。
实施例1
在常温下，把4克威兰胶和6克定优胶分别缓慢倒入到搅拌中的1000克水里，然后继续搅拌，直至完全溶解，在搅拌过程中，在配制好的增稠剂溶液中先加入6克丙炔醇和1克2-丁炔-1,4-二醇，再加入5克乙二胺四乙酸四钠、20甲酸钠、40克甲酸钾和30克丙酸钾，搅拌1小时，再在搅拌过程中分别加入0.6克甲醛和0.2克苯酚，并继续搅拌均匀，然后再继续添加0.5克亚硫酸氢钠和0.4克硫脲，并混合均匀，最后加入165克氯化钠、40克氯化钙、3g/L氯化镁、100mg/L氯化铁和20mg/L氯化亚铁，用来调节修井液的密度，得到密度为1.185g/cm3、超高温下耐多价金属阳离子的无固相修井液。
实施例2
在常温下，把30克威兰胶分别缓慢倒入到搅拌中的1000克水里，然后继续搅拌，直至完全溶解，在搅拌过程中，在配制好的增稠剂溶液中先加入9克3-己炔-2,5-二醇，再加入2克六偏磷酸钠、2克二氮杂菲、80克甲酸钠和30克乙酸钾，搅拌1小时，再在搅拌过程中分别加入1克戊二醛和0.5克三氯酚钠，并继续搅拌均匀，然后再继续添加1克硼氢化钠和1克连二亚硫酸钠，并混合均匀，最后加入100克氯化钠和50克氯化钙，用来调节修井液的密度，得到密度为1.188g/cm3、超高温下耐多价金属阳离子的无固相修井液。
实施例3
在常温下，把3克结冷胶和10克威兰胶分别缓慢倒入到搅拌中的1000克水里，然后继续搅拌，直至完全溶解，在搅拌过程中，在配制好的增稠剂溶液中先加入7克1-正辛炔-3-醇和2克2-丁炔-1,4-二醇，再加入4克三乙醇胺、5克氮川三乙酸三钠、130克甲酸钾和30克丙酸钠，搅拌1小时，再在搅拌过程中分别加入3克丁二醛和2克间苯二酚，并继续搅拌均匀，然后再继续添加4克亚硫酸钠和2克邻二甲苯硫脲，并混合均匀，最后加入200克氯化钠和800克溴化钙，用来调节修井液的密度，得到密度为1.725g/cm3、超高温下耐多价金属阳离子的无固相修井液。
实施例4
在常温下，把20克鼠李聚糖胶和20克定优胶分别缓慢倒入到搅拌中的1000克地层水里，地层水中含氯化钠163g/L、氯化钙33g/L、氯化镁4g/L和氯化铁60mg/L，然后继续搅拌，直至完全溶解，在搅拌过程中，在配制好的增稠剂溶液中先加入2克1-正戊炔-3-醇和4克丙炔醇，再加入8克柠檬酸三钠、80克甲酸钾和20克丙酸钾，搅拌1小时，再在搅拌过程中分别加入2克戊二醛和1克二硫化氨基甲酸钠，并继续搅拌均匀，然后再继续添加3克硫化钠和3克异丁醇，并混合均匀，最后加入200克溴化钙，用来调节修井液的密度，得到密度为1.358g/cm3、超高温下耐多价金属阳离子的无固相修井液。
实施例5
在常温下，把3克小核菌葡聚糖、1克定优胶和5克威兰胶分别缓慢倒入到搅拌中的1000克地层水里，地层水中含氯化钠和氯化钾共163g/L、氯化钙33g/L、氯化镁4g/L和氯化铁60mg/L，然后继续搅拌，直至完全溶解，在搅拌过程中，在配制好的增稠剂溶液中先加入1克1-正己炔-3-醇，再加入4克2-羟基丙酸钠、40克甲酸钾和10克乙酸钠，搅拌1小时，再在搅拌过程中分别加入1克己二醛和1克邻苯二酚，并继续搅拌均匀，然后再继续添加0.5克硫脲和1克正戊醇，并混合均匀，最后加入20克氯化钙，用来调节修井液的密度，得到密度为1.171g/cm3、超高温下耐多价金属阳离子的无固相修井液。
五、附表说明
表1测试温度对无固相修井液老化前表观粘度的影响
注：测试剪切速率为170.3s-1
表2不同老化温度对无固相修井液表观粘度的影响
注：测试温度为30℃，剪切速率为170.3s-1.
表3 210℃下老化16h后样品的表观粘度及流变参数
注：测试温度为30℃，流性指数n为一个无因次量，稠度系数K的单位为Pa·sn。
Claims (1)
1.一种超高温下耐多价金属阳离子无固相修井液的制备方法，其特征在于：
各组分按重量计，在常温下，把2～50份增稠剂缓慢倒入到搅拌中的1000份溶剂里，然后继续搅拌，直至完全溶解，得到具有增粘性能的增稠剂溶液，在搅拌过程中，在配制好的增稠剂溶液中先后加入0.3～20份超高温聚合物第一沉淀抑制剂和0.5～200份超高温聚合物第二沉淀抑制剂，搅拌1小时，再在搅拌过程中加入0.1～10份杀菌剂，并继续搅拌均匀，然后再继续添加0.1～10份超高温热稳定剂，并混合均匀，最后加入10～4000份密度调节剂，得到密度为1.01～2.50g/cm3、超高温180℃～230℃下耐多价金属阳离子的无固相修井液；
其中溶剂为清水、含Fe3+、Fe2+、Al3+、Ca2+和Mg2+的油田地层水中的至少一种，增稠剂为结冷胶、威兰胶、定优胶和小核菌葡聚糖中的至少一种，超高温聚合物第一沉淀抑制剂为2-丁炔-1,4-二醇HOCH2C≡CCH2OH、3-己炔-2,5-二醇CH3CH(OH)C≡CCH(OH)CH3、丙炔醇CH(OH)C≡CH和1-正烷基炔-3-醇CmH2m+1CH(OH)C≡CH，整数m＝1～5中的至少一种，超高温聚合物第二沉淀抑制剂为六偏磷酸钠、二氮杂菲、三乙醇胺、柠檬酸三钠、乙二胺四乙酸四钠、甲酸钠、甲酸钾、乙酸钠、乙酸钾、丙酸钠、丙酸钾、2-羟基丙酸钠和氮川三乙酸三钠中的至少一种，杀菌剂为甲醛、丙二醛、丁二醛、戊二醛、己二醛、三氯酚钠、苯酚、邻苯二酚、间苯二酚、二硫化氨基甲酸钠和二硫化氨基甲酸钾中的至少一种，超高温热稳定剂为硼氢化钠、硼氢化钾、连二亚硫酸钠、连二亚硫酸钾、亚硫酸氢钠、亚硫酸氢钾、亚硫酸钠、亚硫酸钾、硫化钠、硫化钾、硫脲、邻二甲苯硫脲、异丙醇、正丙醇、异丁醇、正丁醇、异戊醇、正戊醇、异己醇和正己醇中的至少一种，密度调节剂为氯化钠、氯化钾、氯化钙、溴化钠、溴化钾、溴化钙和溴化锌中的至少一种。
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