一種鉆井液減輕劑及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鉆井液材料領(lǐng)域，尤其涉及一種可降低鉆井液密度的微米級(jí)空心球體 材料（鉆井液減輕劑）及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，國內(nèi)油氣產(chǎn)量難以滿足實(shí)際需求，對(duì)進(jìn)口油氣的依賴日 益嚴(yán)重，在國際油價(jià)長期居高不下的形勢(shì)下，各石油公司加大了油氣資源的勘探與開發(fā)力 度，一些存在裂縫、溶蝕空洞和張開孔隙、低壓低滲透油藏相繼投入開發(fā)；另一方面，經(jīng)過幾 十年的開采，國內(nèi)不少油田開發(fā)都進(jìn)入中后期，許多高產(chǎn)油田地層壓力也逐漸降低，如中國 石化東北松南地區(qū)營城子組地層壓力為〇? 77~0? 98g/cm3,鄂爾多斯大牛地氣田，地層壓力 小于〇. 98g/cm3。此類油藏的勘探開發(fā)難度大，對(duì)鉆井液技術(shù)有特殊要求，若鉆井液密度過 高，將導(dǎo)致鉆井液漏失和油氣層污染，為避免漏失和污染，通常要求鉆井液密度低于I.Og/ cm3(低密度鉆井液）。傳統(tǒng)的低密度鉆井液技術(shù)主要有氣體、充氣、泡沫、油包水乳液等，但 這些方式存在井壁失穩(wěn)、脈沖信號(hào)衰減、常規(guī)MffD應(yīng)用困難、環(huán)境污染嚴(yán)重、泵吸困難、鉆具 腐蝕嚴(yán)重、設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜、投資和生產(chǎn)成本高等問題，而且鉆井液本身性能調(diào)控難度大、流 變性和水力學(xué)計(jì)算復(fù)雜、井眼凈化效果不穩(wěn)定等現(xiàn)實(shí)問題難以解決。在欠平衡井鉆井、大位 移井鉆井和水平井鉆井中這些問題尤為突出。
[0003] 為解決上述問題，有必要開發(fā)出新的低密度鉆井液技術(shù)。經(jīng)大量研究，人們發(fā)現(xiàn)， 使用空心微球材料作為減輕劑制備低密度鉆井液是一種具有發(fā)展前景的新技術(shù)，它既能實(shí) 現(xiàn)降低鉆井液密度之目的，又可避免傳統(tǒng)低密度鉆井液技術(shù)存在的種種問題?？招奈⑶蚋?據(jù)其殼層材料屬性不同，可分為無機(jī)空心微球和有機(jī)空心微球兩大類。無機(jī)空心微球主要 由氧化鋁、氧化鈦或硅酸鹽等金屬或非金屬的氧化物組成，其特點(diǎn)是強(qiáng)度高、耐溫、耐壓、耐 酸、耐堿、耐油，但其剛性大，受到強(qiáng)烈剪切、沖擊或研磨時(shí)易發(fā)生破碎；有機(jī)空心微球主要 由聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚碳酸酯、酚醛樹脂等有機(jī)聚合物組成，其特點(diǎn) 是韌性及彈性好、抗研磨、抗沖擊、不易發(fā)生破碎，但耐溫、耐壓等性能不及無機(jī)空心微球。 空心微球材料在隔音隔熱輕質(zhì)填料、化妝品、涂料、藥物緩釋、傳感器等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng) 用，而在石油鉆井和完井領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)較少，原因之一是石油鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用環(huán)境苛刻， 井眼內(nèi)部通常溫度高（彡90°C)、壓力大（彡25MPa)，同時(shí)還伴隨強(qiáng)烈的剪切、沖擊和研磨。 常規(guī)的空心微球材料難以滿足此類環(huán)境的應(yīng)用要求。20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)首次曾嘗試向 鉆井液中加入空心玻璃微球以制備低密度鉆井液；20世紀(jì)90年代，美國能源部和國外某些 石油公司也研究使用空心玻璃微球和其他密度減輕材料配制低密度鉆井液和低密度水泥 漿，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。近年來，空心玻璃微球低密度水基或油基鉆井液已經(jīng)在美國、俄羅 斯、中國的多口低壓油氣井以及欠平衡井鉆井中推廣應(yīng)用，展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛力。（石 油鉆探技術(shù)，2006年第34卷第4期第41-44頁；鉆井液與完井液，2007年第24卷第1期第 26-27頁）但在實(shí)際應(yīng)用過程中，空心玻璃微球在鉆井液動(dòng)態(tài)循環(huán)過程中發(fā)生破碎而導(dǎo)致 鉆井液密度難以控制、材料消耗量大，成本過高等問題仍未得到較好地解決。為解決上述問 題，需要研制耐溫、耐壓及抗研磨性能優(yōu)于現(xiàn)有玻璃空心微球產(chǎn)品的新型空心微球材料作 為新一代鉆井液減輕劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)狀況，為克服其中存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種鉆井液減輕 劑，包括：
[0005]a)空心微球；
[0006] b)包覆于空心微球表面的聚合物層；
[0007] 其中，所述鉆井液減輕劑的粒徑< 100Um，密度為0? 3至0? 65g/cm3,能夠耐90°C 以上的溫度，耐40MPa以上的壓力；
[0008] 所述空心微球占鉆井液減輕劑總重量的百分比為20-70%;
[0009] 所述包覆于空心微球表面的聚合物層占鉆井液減輕劑總重量的百分比為 30-80%。
[0010] a)中所述空心微球選自無機(jī)空心微球。根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鉆井液減輕 劑，其特征在于，所述無機(jī)空心微球的粒徑< 90iim，密度< 0. 5g/cm3,能夠耐90°C以上的溫 度，耐28MPa以上的壓力。
[0011] 所述無機(jī)空心微球?yàn)椴ＡЭ招奈⑶颉?br>[0012] b)中所述包覆于空心固體表面的聚合物層選自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚 丙烯腈、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯和苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物 中的一種或者幾種。
[0013] 所述空心微球占鉆井液減輕劑總重量的百分比為25-65%，優(yōu)選為30-60%;包覆 于空心微球表面的聚合物層占鉆井液減輕劑總重量的百分比為35-75%，優(yōu)選為40-70%。
[0014] -種鉆井液減輕劑的制備方法，包括：
[0015] i)將聚合物加至溶劑中，攪拌以使聚合物全部溶解，得到聚合物溶液；
[0016]ii)向聚合物溶液中加入空心微球，攪拌至空心微球分散均勻，得到空心微球/聚 合物懸浮液；
[0017] iii)將空心玻璃微球/聚合物懸浮液進(jìn)行噴霧干燥，得到所述的鉆井液減輕劑；
[0018] 步驟i)中所述溶液中聚合物重量百分濃度為5-40%，優(yōu)選為8-35%，更優(yōu)選為 10-30%。
[0019] 步驟iii)中所述噴霧干燥在閉式循環(huán)噴霧干燥機(jī)中進(jìn)行，設(shè)定噴霧干燥機(jī)進(jìn)料 口溫度高于溶劑沸點(diǎn)，當(dāng)進(jìn)口溫度穩(wěn)定后，啟動(dòng)進(jìn)料泵，向噴霧干燥機(jī)輸送溶劑并調(diào)整進(jìn)料 泵流量、進(jìn)風(fēng)量、引風(fēng)機(jī)風(fēng)量，使從噴嘴噴出的有機(jī)溶劑能夠完全氣化揮發(fā)，然后將溶劑切 換為空心玻璃微球/有機(jī)聚合物懸浮液，開始噴霧干燥。
[0020] 所述溶劑選自二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸乙酯、丙酮、苯、甲苯、N，N-二甲基甲酰胺 和N，N-二甲基乙酰胺中的一種或者幾種?，F(xiàn)將本發(fā)明的鉆井液減輕劑及其制備方法具體 說明如下：
[0021] 本發(fā)明所述的鉆井液減輕劑的一個(gè)優(yōu)選形式為具有核-殼結(jié)構(gòu)的空心玻璃微球 /有機(jī)聚合物球形復(fù)合材料，即有機(jī)聚合物包覆在空心玻璃微球表面。所述空心玻璃微球 為現(xiàn)有商品化產(chǎn)品，其主要性能參數(shù)為：粒徑< 90iim，密度< 0. 5g/cm3,耐溫> 90°C，耐壓 28MPa。所述有機(jī)聚合物選自密度低、韌性好、硬度和拉伸強(qiáng)度較高的聚合物材料，如：聚苯 乙烯及其共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯及其共聚物、聚丙烯腈及其共聚物、聚氯乙烯及其共聚 物、聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯和苯乙烯-丙烯腈-丁二烯共聚物中的一種或者它 們的組合物。在所述具有核-殼結(jié)構(gòu)的空心玻璃微球/有機(jī)聚合物球形復(fù)合材料中，空心 玻璃微球所占重量百分比為20-70 %，優(yōu)選為25-65 %，更優(yōu)選為30-60% ;有機(jī)聚合物所占 重量百分?jǐn)?shù)為30-80 %，優(yōu)選為35-75 %，更優(yōu)選為40-70 %。所述的核-殼結(jié)構(gòu)球體材料粒 徑彡100ym，密度0. 3-0. 65g/cm3,耐溫> 90°C，耐壓> 40MPa，加入減輕劑配制而成的鉆井 液在90°C下研磨16小時(shí)，研磨前、后密度差值< 0. 05。
[0022] 本發(fā)明所述的鉆井液減輕劑是通過噴霧干燥的技術(shù)方法得到的，本發(fā)明所述的鉆 井液減輕劑的制備方法包括以下動(dòng)作：
[0023] (1)向配料罐中加入所需重量的有機(jī)聚合物和有機(jī)溶劑，攪拌至聚合物全部溶解 (必要時(shí)一邊攪拌一邊加熱），得到均相聚合物溶液，溶液中有機(jī)聚合物重量百分濃度為 5-40 %，優(yōu)選為8-35 %，更優(yōu)選為10-30 %。
[0024] (2)向聚合物溶液中加入所需重量的空心玻璃微球，空心玻璃微球所占有機(jī)聚合 物和空心玻璃微球總重量的20-70 %，優(yōu)選為25-65 %，更優(yōu)選為30-60 %。攪拌至空心玻璃 微球分散均勻，得到空心玻璃微球/有機(jī)聚合物懸浮液。
[0025] (3)啟動(dòng)閉式循環(huán)噴霧干燥機(jī)，設(shè)定噴霧干燥機(jī)進(jìn)料口溫度，使進(jìn)料口溫度高于溶 劑沸點(diǎn)5-KKTC，優(yōu)選為20-80°C，更優(yōu)選為30-60°C。
[0026] (4)當(dāng)進(jìn)口溫度穩(wěn)定后，啟動(dòng)進(jìn)料泵，向噴霧干燥機(jī)輸送有機(jī)溶劑并調(diào)整進(jìn)料泵流 量、進(jìn)風(fēng)量、引風(fēng)機(jī)風(fēng)量等參數(shù)，使從噴嘴噴出的有機(jī)溶劑能夠完全氣化揮發(fā)，然后將溶劑 切換為空心玻璃微球/有機(jī)聚合物懸浮液，開始噴霧干燥過程，生產(chǎn)本發(fā)明所述的鉆井液 減輕劑。
[0027] (5)從噴霧干燥器卸料閥收集產(chǎn)品，將回收到的有機(jī)溶劑用于配制新的聚合物溶 液，作為下一輪產(chǎn)品生產(chǎn)的原料。
[0028] 本發(fā)明的有益效果：
[0029] (I)本發(fā)明所述的鉆井液減輕劑的制備方法技術(shù)