一種仿生鉆井液及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及鉆井液領域，具體公開了一種仿生鉆井液以及所述仿生鉆井液的制備 方法。
【背景技術】
[0002] 隨著國家對油氣資源需求的不斷擴大，復雜地層條件下的深井、超深井和頁巖氣 井數(shù)量的不斷增加，鉆井液的性能必須能夠滿足更加嚴苛的要求。其中，井壁穩(wěn)定性問題一 直是鉆井過程中難以得到徹底解決的一個世界性難題，井壁失穩(wěn)所導致的井塌、縮徑卡鉆、 鉆頭泥包等井下復雜、事故每年給石油工業(yè)造成大量的經(jīng)濟損失。
[0003] 為解決井壁穩(wěn)定難題，目前國內外主要采用油基鉆井液和高性能水基鉆井液體 系。油基鉆井液盡管能夠有效穩(wěn)定井壁，但是卻存在成本高、環(huán)境污染嚴重、固井質量差等 問題。而對于高性能水基鉆井液，目前的設計理念僅僅從"避免鉆井液引起泥頁巖黏土水 化膨脹"方面入手，篩選或設計能夠最大程度維持泥頁巖有效應力的鉆井液體系。然而，并 沒有一種水基鉆井液體系能夠完全抑制黏土的水化，因而無法有效解決井壁失穩(wěn)難題，不 能代替油基鉆井液滿足復雜地質條件和非常規(guī)油氣藏鉆探的需要。由于泥頁巖井壁失穩(wěn)是 "力學-化學"親合作用的結果，因此，必須從提高井壁泥頁巖自身內聚力（即井壁強化）的 角度出發(fā)，兼顧黏土化學抑制與泥頁巖微孔隙封堵，才能真正有效的解決井壁失穩(wěn)難題。由 于常規(guī)鉆井液體系難以實現(xiàn)隨鉆強化井壁的目的，因此，尋找一種能夠通過"強化、封堵、抑 制"的協(xié)同效應有效穩(wěn)定井壁的鉆井液體系是一個亟需解決的問題。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術的上述缺陷而提供一種能夠有效穩(wěn)定井壁的 仿生鉆井液以及所述仿生鉆井液的制備方法。
[0005] 具體地，本發(fā)明提供了一種仿生鉆井液，其中，所述仿生鉆井液含有仿生固壁劑、 仿生頁巖抑制劑、降濾失劑和兩親性儲層保護劑，所述降濾失劑至少含有納晶纖維素；
[0006] 所述仿生固壁劑含有作為主鏈的羧甲基殼聚糖和接枝在主鏈上的源自多巴胺的 基團，所述源自多巴胺的基團如式⑴所示：
[0007]
[0008] 所述仿生頁巖抑制劑由式（2)所示的結構單元和式（3)所示的結構單元構成：
[0009]
[0010] 式（2)所示的結構單元和式（3)所示的結構單元的摩爾比為0. 2-6 :1，且所述仿 生頁巖抑制劑的重均分子量為800-4000g/mol ;
[0011] 所述兩親性儲層保護劑由式⑷、（5)、（6)和（7)所示的結構單元構成：
[0014] R1、R2、R3、R4和R 5各自獨立地為氫、C「(；的烷基或C「C4的烷氧基；R 6和R 6'各自 獨立地為(^-(：3的烷基；R 7為取代的或未取代的C1-C6的亞烷基；M為氫或堿金屬元素 ；R 8 和R8'各自獨立地為C ^C6的烷基、羥基取代的C ^C6的烷基、苯基或C ^C6烷基取代的苯基； 式（4)所示的結構單元、式（5)所示的結構單元、式（6)所示的結構單元和式（7)所示的 結構單元的摩爾比為1 :〇. 4-2 :0. 5-1 :0. 1-0. 5 ;所述兩親性儲層保護劑的重均分子量為 150000-350000g/mol〇
[0015] 此外，本發(fā)明提供的仿生鉆井液的制備方法包括將所述仿生固壁劑、仿生頁巖抑 制劑、降濾失劑和兩親性儲層保護劑以及任選的膨潤土、PH值調節(jié)劑、流型調節(jié)劑、潤滑劑、 加重劑和水混合均勻。
[0016] 本發(fā)明提供的仿生鉆井液與井壁巖石接觸后，其中的仿生固壁劑可以"定點"自發(fā) 固化形成強度較高的粘附性凝膠"仿生殼"，從而提高近井壁巖石強度；仿生頁巖抑制劑能 夠嵌入粘土層間域，通過與相鄰粘土晶層的強氫鍵作用有效抑制泥頁巖粘土的水化膨脹； 納晶纖維素降濾失劑能夠有效封堵泥頁巖納微米級孔隙和微裂縫；兩親性儲層保護劑能夠 在有效保護儲層的同時起到泥頁巖抑制的作用。此外，同時含有以上幾種新型處理劑的仿 生鉆井液能夠通過"強化、封堵、抑制"的協(xié)同耦合實現(xiàn)內外因的統(tǒng)一，從而有效解決井壁失 穩(wěn)問題。該仿生鉆井液能夠滿足復雜地質條件和非常規(guī)油氣藏鉆井工程要求，從而有效維 持井壁穩(wěn)定，極大地減少鉆井施工過程中為解決井塌、卡鉆、泥包鉆頭等井下復雜、事故所 造成的經(jīng)濟損失，極具工業(yè)應用前景。
[0017] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的【具體實施方式】部分予以詳細說明。
【具體實施方式】
[0018] 以下對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體 實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。
[0019] 本發(fā)明提供的仿生鉆井液含有仿生固壁劑、仿生頁巖抑制劑、降濾失劑和兩親性 儲層保護劑，所述降濾失劑至少含有納晶纖維素；
[0020] 所述仿生固壁劑含有作為主鏈的羧甲基殼聚糖和接枝在主鏈上的源自多巴胺的 基團，所述源自多巴胺的基團如式⑴所示：
[0021]
[0022] 所述仿生頁巖抑制劑由式（2)所示的結構單元和式（3)所示的結構單元構成：
[0024] 式（2)所示的結構單元和式（3)所示的結構單元的摩爾比為0. 2-6 :1，且所述仿 生頁巖抑制劑的重均分子量為800-4000g/mol ;
[0025] 所述兩親性儲層保護劑由式（4)、（5)、（6)和（7)所示的結構單元構成：
[0028] R1、R2、R3、R4和R 5各自獨立地為氫、C「(；的烷基或C「C4的烷氧基；R 6和R 6'各自 獨立地為(^-(：3的烷基；R 7為取代的或未取代的C1-C6的亞烷基；M為氫或堿金屬元素 ；R 8 和R8'各自獨立地為C ^C6的烷基、羥基取代的C ^C6的烷基、苯基或C ^C6烷基取代的苯基； 式（4)所示的結構單元、式（5)所示的結構單元、式（6)所示的結構單元和式（7)所示的 結構單元的摩爾比為1 :〇. 4-2 :0. 5-1 :0. 1-0. 5 ;所述兩親性儲層保護劑的重均分子量為 150000-350000g/mol〇
[0029] 本發(fā)明對所述仿生固壁劑、仿生頁巖抑制劑、納晶纖維素和兩親性儲層保護劑的 含量沒有特別地限定，但為了使得這幾種物質能夠協(xié)同起到更好的穩(wěn)定井壁效果，優(yōu)選地， 以所述仿生鉆井液的總重量為基準，所述仿生固壁劑的含量為3-7重量％，所述仿生頁巖 抑制劑的含量為1-2重量％，所述納晶纖維素的含量為0. 5-1重量％，所述兩親性儲層保護 劑的含量為2-3重量％。
[0030] 在本發(fā)明提供的仿生鉆井液中，所述仿生固壁劑作用機理如下：海洋生物貽貝的 足絲線能夠在水環(huán)境下牢固地黏附在巖石表面，而足絲蛋白中含有的一種特殊的氨基酸衍 生物-多巴胺被證明是貽貝足絲線具有強水下黏附性能的關鍵。當貽貝將足絲蛋白從體內 分泌到海底巖石表面時，足絲蛋白通過多巴胺基團與海水中Fe 3+離子發(fā)生交聯(lián)固化反應， 從而形成具有強黏附性和內聚力的足絲線，將貽貝粘附在巖石表面。模仿貽貝黏附蛋白結 構研發(fā)的仿生固壁劑能夠隨鉆井液與泥頁巖井壁接觸并吸附在泥頁巖表面，并通過多巴胺 基團與泥頁巖表面Fe 3+的絡合作用，在井壁表面交聯(lián)固化形成一層厚度為100μπι-lmm(隨 鉆井液中聚合物濃度增加而增大）的具有較強黏附性的聚合物膜。該聚合物膜不僅能夠有 效阻止鉆井液向地層的滲透，而且具有一定強度，能夠部分抵消巖石所受的水化應力，從而 起到封堵井壁泥頁巖孔隙并提高泥頁巖強度的作用。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，所述仿生固壁劑含有式（I)所示的結構單元：
η為1以上的整數(shù)，η個R5各自獨立地為H或源自多巴胺的基團
且11個1?5中至少一者為源自多巴胺的基團，1?4為!1或(：1-(： 1(|的烷基，R"'為H、-CH2COOIV 或-CH2COOR3，且RJPR"'不同時為H，R/為氫或堿金屬，馬為源自多巴胺的基團。
[0034] 所述仿生固壁劑的重均分子量可以為20000g/mol-150000g/mol，優(yōu)選為50000g/ mol-100000g/mol〇
[0035] 根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選地，在式（I)中，&為C2-Cltl的烷基，更優(yōu)選為C 2-C6的烷基。R4 的具體例子包括但不限于：乙基、丙基、異丙基、丁基。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明的一種【具體實施方式】，所述仿生固壁劑通過包含以下步驟的方法制備 得到：
[0037] (1)將含有式（III)所示的結構單元的聚合物與通式為R4CH = CHC00H的不飽和 羧酸進行接枝共聚反應；
[0038] (2)將步驟⑴所制得的聚合物與多巴胺和/或鹽酸多巴胺進行縮合反應；
[0039]
[0040] R'和R"各自獨立地為H或-CH2COOR3'且R'和R"不同時為H，R3'為氫或堿金屬； R4為!1或C ^Cltl的烷基。
[0041] 在上述仿生固壁劑的制備過程中，步驟（1)中所述的接枝共聚反應的條件可以包 括：溫度為50-90°C，優(yōu)選為60-80°C ;時間為1-10小時，優(yōu)選為2-6小時；含有式（III)所 示的結構單元的聚合物以羥基計的用量與不飽和羧酸的用量的摩爾比可以為1 :〇. 1-4 ;優(yōu) 選為1 :0. 5-3 ;所述接枝共聚反應可以在引發(fā)劑存在下進行，引發(fā)劑可以為硝酸鈰銨、過硫 酸鉀、過硫酸銨中的一種或多種。
[0042] 所述含有式（III)所示的結構單元的聚合物特別優(yōu)選為羧甲基殼聚糖。所述羧甲 基殼聚糖優(yōu)選以其水溶液的形式與不飽和羧酸混合接觸并進行接枝共聚反應。羧甲基殼聚 糖水溶液可以通過將羧甲基殼聚糖（重均分子量可以為10000g/m 〇l-80000g/m〇l))在攪拌 下（攪拌速度可以為100-500轉/分鐘）溶解于水中而得到。水的用量只要滿足將羧甲基 殼聚糖完全溶解即可，優(yōu)選地，羧甲基殼聚糖與水的重量比可以為1 :20-50。
[0043] 所述不飽和羧酸可以為碳原子數(shù)為3以上的不飽和一元羧酸，所述不飽和羧酸的 碳原子數(shù)優(yōu)選為3-11，更優(yōu)選為3-7。所述不飽和羧酸的具體例子包括但不限于丙烯酸和 /或甲基丙烯酸。
[0044] 在上述仿生固壁劑的制備過程中，步驟（2)中所述的縮合反應的條件可以包括： 溫度為10_50°C，優(yōu)選為20-40°C;時間為2-48小時，優(yōu)選為6-36小時。步驟⑴所制得的 聚合物（以羧基計）的用量與多巴胺和鹽酸多巴胺（以胺基計）的總用量的摩爾比可以為 1 :0.01-0.2,優(yōu)選為I :0.02-0. 1。所述縮合反應可以在催化劑存在下進行，該催化劑可以 為1-乙基-(3-二甲基氨基丙基）碳酰二亞胺鹽酸鹽和/或Ν，Ν' -二異丙基碳二亞胺。
[0045] 在本發(fā)明提供的仿生鉆井液中，所述仿生頁巖抑制劑的作用機理如下：所述仿生 頁巖抑制劑具有高正電荷密度且易于進入泥頁巖納米級孔隙并吸附在粘土礦物表面上，從 而能夠更好地壓縮粘土表面雙電層、降低粘土膨脹壓，防止因粘土膨脹導致的井壁失穩(wěn)。此 外，以生物體內氨基酸為原料研發(fā)的仿生頁巖抑制劑經(jīng)過后期的廢棄鉆井液填埋處理后， 能夠在較短時間內進行生物降解，具有良好的環(huán)保性能。
[0046] 在本發(fā)明中，所述仿生頁巖抑制劑的重均分子量為800_4000g/mol，優(yōu)選為 1550-4000g/mol，更優(yōu)選為1600-3300g/mol。通過將本發(fā)明的仿生頁巖抑制劑的重均分子 量控制在上述范圍內，能夠使所述仿生頁巖抑制劑很好地擴散進入埋藏深度大于2000米 以上的頁巖地層平均孔徑在4-10nm范圍之內的細孔內，且仿生頁巖抑制劑在泥頁巖表面 具有較高的吸附量和吸附強度。另外，當所述仿生頁巖抑制劑的重均分子量高于4000g/mol 時，具有難以擴散進入埋藏深度大于200