本發(fā)明涉及一種萬米深地油氣固壁型水基鉆井液及其制備方法與應(yīng)用，屬于鉆井液。

背景技術(shù)：

1、鉆井液被稱為“鉆井的血液”，具有穩(wěn)定井壁、攜帶巖屑、平衡地層壓力等功能，是油氣勘探開發(fā)不可或缺的核心工程技術(shù)，直接關(guān)系鉆井成敗和油氣儲層產(chǎn)量。萬米深地油氣井鉆井過程中，超高溫（>200℃）、超高壓（>140mpa）、超高鹽（地層流體礦化度>200000mg/l）、超高應(yīng)力（>160mpa）的“四超”苛刻條件致使鉆井液流變性降低甚至喪失、濾失量驟增，且由于地層條件復(fù)雜，多種巖性（泥巖、砂巖、白云巖等）并存，井壁失穩(wěn)機(jī)理復(fù)雜，現(xiàn)有的水基鉆井液難以起到穩(wěn)定井壁的作用，井壁容易發(fā)生坍塌、剝落等現(xiàn)象，鉆井風(fēng)險巨大，井塌、井漏、井噴等事故頻發(fā)，嚴(yán)重阻礙了萬米深地油氣的勘探開發(fā)，亟需研制一種能夠穩(wěn)定萬米深地油氣井井壁的強(qiáng)固壁水基鉆井液。

2、中國專利文獻(xiàn)cn117736707a和cn117946640a分別公開了一種抗230℃耐高鹽高密度水基鉆井液及其制備方法與應(yīng)用和一種抗230℃耐高礦化度環(huán)保型水基鉆井液及其制備方法與應(yīng)用，這兩種鉆井液在230℃高鹽條件下表現(xiàn)出了良好的流變和濾失性能，且兼具一定的封堵和抑制性能，但未表現(xiàn)出在更高溫度下的性能有效保持；中國專利文獻(xiàn)cn115466603a公開了一種抗240℃抗鹽封堵型水基鉆井液及制備方法與應(yīng)用，該體系通過封堵劑和防塌劑的協(xié)同作用，起到了在240℃超高溫條件下有效封堵維持井壁穩(wěn)定的作用，但該體系中的聚丙烯酰胺鉀鹽抑制劑在高溫高鹽條件下易失效，鉆探中遇到的泥頁巖地層可能會導(dǎo)致水化膨脹進(jìn)而井壁失穩(wěn)。

3、現(xiàn)有水基鉆井液普遍在萬米深地油氣井超高溫高礦化度條件下性能衰退嚴(yán)重，且無法滿足多種復(fù)雜巖性地層井壁穩(wěn)定的需求，難以滿足萬米深地油氣鉆探的需要。因此，亟需研制一種萬米深地油氣固壁型水基鉆井液，從而有效防止井塌、井漏、井噴等鉆井復(fù)雜的發(fā)生，為萬米深地油氣鉆探提供技術(shù)支撐。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，尤其是針對目前深部地層水基鉆井液固壁能力不足，難以維持萬米深地油氣井中不同巖性地層井壁穩(wěn)定的問題，本發(fā)明提供了一種萬米深地油氣固壁型水基鉆井液及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明以改性黏土提切劑、疏水締合聚合物流型調(diào)節(jié)劑、封堵劑、超支化聚合物降濾失劑和膠結(jié)封堵型固壁劑為核心組分構(gòu)建了一種萬米深地油氣固壁型水基鉆井液，該鉆井液能在240℃、飽和鹽的條件下長時間保持良好的流變、濾失、封堵和抑制性能，能有效維持萬米深地油氣井井壁穩(wěn)定，能有效防止井塌、井漏、井噴等鉆井復(fù)雜的發(fā)生，為萬米深地油氣鉆探提供技術(shù)支撐。

2、本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種萬米深地油氣固壁型水基鉆井液，包含如下重量份的原料：水100份、改性黏土提切劑1-5份、疏水締合聚合物流型調(diào)節(jié)劑2-4份、封堵劑3-8份、超支化聚合物降濾失劑2-5份、膠結(jié)封堵型固壁劑1-3份。

4、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述改性黏土提切劑按照下述方法制備得到：

5、（1）將鎂鋁水滑石和1:1型黏土礦物混合，加入乙醇水溶液中，得到分散液；

6、（2）向步驟（1）所得分散液中加入十六烷基三甲基溴化銨和二甲氨基丙基甲基丙烯酰胺，攪拌均勻后，在氮氣保護(hù)下升溫至反應(yīng)溫度，加入引發(fā)劑，在氮氣保護(hù)下進(jìn)行恒溫反應(yīng)；反應(yīng)完成后，經(jīng)離心、洗滌、干燥、粉碎，得到改性黏土提切劑。

7、優(yōu)選的，步驟（1）中所述鎂鋁水滑石為碳酸根型鎂鋁水滑石，更優(yōu)選的，所述鎂鋁水滑石的化學(xué)組成為mg6al2(oh)16(co3)·4h2o。

8、優(yōu)選的，步驟（1）中所述1:1型黏土礦物為兩種不同晶體片層以1:1比例組成的黏土礦物，所述晶體片層的組成包括但不限于硅氧四面體、鋁氧八面體、二八面體云母、二八面體蒙皂石；所述鎂鋁水滑石與1:1型黏土礦物的質(zhì)量比為0.1-0.3:1。

9、優(yōu)選的，步驟（1）中所述乙醇水溶液中去離子水與無水乙醇的體積比為1-3:1。

10、優(yōu)選的，步驟（1）中所述分散液中鎂鋁水滑石和1:1型黏土礦物的總質(zhì)量濃度為5-10%。

11、優(yōu)選的，步驟（2）中所述十六烷基三甲基溴化銨的質(zhì)量為分散液質(zhì)量的0.3-0.8%；所述二甲氨基丙基甲基丙烯酰胺的質(zhì)量為分散液質(zhì)量的0.5-1.5%。

12、優(yōu)選的，步驟（2）中所述引發(fā)劑為過硫酸銨或過硫酸鉀，所述引發(fā)劑的質(zhì)量為分散液質(zhì)量的0.001-0.01%。

13、優(yōu)選的，步驟（2）中所述反應(yīng)溫度為55-65℃，所述恒溫反應(yīng)的時間為6-8h。

14、優(yōu)選的，步驟（2）中所述洗滌為將離心所得固體用去離子水離心洗滌3-5次；所述干燥為在80-100℃下干燥8-12h。

15、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述疏水締合聚合物流型調(diào)節(jié)劑按照下述方法制備得到：

16、（i）將烷基取代丙烯酰胺、3-[n,n-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]銨]丙烷-1-磺酸內(nèi)鹽、長鏈烷基二甲基烯丙基氯化銨和2-甲基-1-乙烯基咪唑加入水中，攪拌至分散均勻，得到單體溶液；

17、（ii）向步驟（i）所得單體溶液中通入氮氣，升溫至第一溫度，加入苯基三乙氧基硅烷，攪拌至溶解后，升溫至第二溫度，加入偶氮二異丁基脒鹽酸鹽和亞硫酸氫鈉引發(fā)反應(yīng)，通氮氣進(jìn)行恒溫反應(yīng)；反應(yīng)完成后，經(jīng)洗滌、干燥，得到疏水締合聚合物流型調(diào)節(jié)劑。

18、優(yōu)選的，步驟（i）中所述烷基取代丙烯酰胺為n,n-二甲基丙烯酰胺、n,n-二乙基丙烯酰胺、n-異丙基丙烯酰胺、n-羥甲基丙烯酰胺中的一種或兩種以上的組合。

19、優(yōu)選的，步驟（i）中所述長鏈烷基二甲基烯丙基氯化銨，是氯化季銨鹽化合物，其中三個取代基分別為兩個甲基和烯丙基，第四個取代基為c10~c18的烷基；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述長鏈烷基二甲基烯丙基氯化銨為十六烷基二甲基烯丙基氯化銨或十八烷基二甲基烯丙基氯化銨。

20、優(yōu)選的，步驟（i）中所述烷基取代丙烯酰胺、3-[n,n-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]銨]丙烷-1-磺酸內(nèi)鹽、長鏈烷基二甲基烯丙基氯化銨和2-甲基-1-乙烯基咪唑的摩爾比為1:0.2-0.4:0.05-0.15:0.05-0.15。

21、優(yōu)選的，步驟（i）中所述單體溶液的濃度為20-40wt%；所述單體為烷基取代丙烯酰胺、3-[n,n-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]銨]丙烷-1-磺酸內(nèi)鹽、長鏈烷基二甲基烯丙基氯化銨和2-甲基-1-乙烯基咪唑。

22、優(yōu)選的，步驟（ii）中所述第一溫度為40-50℃；所述苯基三乙氧基硅烷的質(zhì)量為單體總質(zhì)量的0.05-0.15%。

23、優(yōu)選的，步驟（ii）中所述偶氮二異丁基脒鹽酸鹽的質(zhì)量為單體總質(zhì)量的0.1-1%；所述亞硫酸氫鈉的質(zhì)量為單體總質(zhì)量的0.05-0.15%。

24、根據(jù)本發(fā)明，步驟（ii）中，單體總質(zhì)量指的是烷基取代丙烯酰胺、3-[n,n-二甲基-[2-(2-甲基丙-2-烯酰氧基)乙基]銨]丙烷-1-磺酸內(nèi)鹽、長鏈烷基二甲基烯丙基氯化銨和2-甲基-1-乙烯基咪唑的總質(zhì)量。

25、優(yōu)選的，步驟（ii）中所述第二溫度為70-80℃；所述恒溫反應(yīng)的時間為4-6h。

26、優(yōu)選的，步驟（ii）中所述洗滌為將反應(yīng)所得產(chǎn)物用丙酮洗滌3-5次，所述干燥為在80-100℃下干燥8-12h。

27、根據(jù)本發(fā)明，所述封堵劑是按照中國專利文獻(xiàn)cn115160513a的方法制備得到。

28、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述超支化聚合物降濾失劑按照下述方法制備得到：

29、（i）在氮氣保護(hù)下，將三羥甲基丙烷加熱熔化；之后加入甲醇鉀的甲醇溶液，進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)完成后，除去多余甲醇，升溫至90-100℃，加入縮水甘油，進(jìn)行恒溫反應(yīng)，得到超支化縮水甘油；

30、（ii）將n,n-二甲基丙烯酰胺、（3-丙烯酰胺丙基）三甲基氯化銨、甲基烯丙醇聚氧乙烯醚和步驟（ii）所得超支化縮水甘油加入水中，在氮氣保護(hù)，40-45℃下攪拌至完全溶解，再加入硝酸鈰銨水溶液，進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)完成后，向反應(yīng)液中加入乙醇進(jìn)行沉淀，離心，所得下層產(chǎn)物經(jīng)提純后，得到超支化聚合物降濾失劑。

31、優(yōu)選的，步驟（i）中所述加熱為加熱至70-80℃。

32、優(yōu)選的，步驟（i）中所述甲醇鉀的甲醇溶液是將甲醇鉀溶于甲醇中得到，所述甲醇鉀與甲醇的質(zhì)量比為0.5-0.7:1；所述甲醇鉀與三羥甲基丙烷的質(zhì)量比為0.1-0.2:1。

33、優(yōu)選的，步驟（i）中，加入甲醇鉀的甲醇溶液進(jìn)行反應(yīng)的溫度為70-80℃，反應(yīng)的時間為20-40min；反應(yīng)完成后，通過抽真空除去反應(yīng)體系中多余的甲醇。

34、優(yōu)選的，步驟（i）中所述縮水甘油與三羥甲基丙烷的質(zhì)量比為20-30:1；所述縮水甘油的加入速率為0.1-0.2ml/min。

35、優(yōu)選的，步驟（i）中，加入縮水甘油進(jìn)行恒溫反應(yīng)的時間為4-6h。

36、優(yōu)選的，步驟（ii）中所述n,n-二甲基丙烯酰胺、（3-丙烯酰胺丙基）三甲基氯化銨、甲基烯丙醇聚氧乙烯醚和超支化縮水甘油的質(zhì)量比為10:4-6:1-3:0.05-0.15；所述n,n-二甲基丙烯酰胺與水的質(zhì)量比為1:10-20；所述甲基烯丙醇聚氧乙烯醚的結(jié)構(gòu)式如下所示，所述甲基烯丙醇聚氧乙烯醚的平均分子量為1000-4000。

37、

38、甲基烯丙醇聚氧乙烯醚

39、優(yōu)選的，步驟（ii）中所述硝酸鈰銨水溶液的濃度為0.1-0.3wt%，所述硝酸鈰銨水溶液與n,n-二甲基丙烯酰胺的質(zhì)量比為4-6:10。

40、優(yōu)選的，步驟（ii）中所述反應(yīng)的溫度為60-70℃，所述反應(yīng)的時間為1-3h。

41、優(yōu)選的，步驟（ii）中所述提純步驟為：將離心所得下層產(chǎn)物用水溶解后，加入乙醇進(jìn)行沉淀，然后離心，重復(fù)上述步驟2-3次后，經(jīng)冷凍干燥、粉碎，得到超支化聚合物降濾失劑；進(jìn)行沉淀的乙醇的量以及進(jìn)行溶解的水的量沒有具體要求，能夠完成沉淀和溶解過程即可，為本領(lǐng)域常用提純聚合物的方法。

42、根據(jù)本發(fā)明，所述膠結(jié)封堵型固壁劑按照中國專利文獻(xiàn)cn114716984a的方法制備得到。

43、根據(jù)本發(fā)明，上述萬米深地油氣固壁型水基鉆井液的制備方法，包括步驟如下：

44、將改性黏土提切劑加入水中，攪拌24h以上，而后加入疏水締合聚合物流型調(diào)節(jié)劑、封堵劑、超支化聚合物降濾失劑和膠結(jié)封堵型固壁劑，攪拌均勻，即得萬米深地油氣固壁型水基鉆井液。

45、根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，具體制備方法包括步驟如下：

46、將水加入到高速攪拌杯中，低速攪拌下加入改性黏土提切劑，低速攪拌24h以上；加入疏水締合聚合物流型調(diào)節(jié)劑，高速攪拌20min；加入封堵劑，高速攪拌20min；加入超支化聚合物降濾失劑，高速攪拌20min；加入膠結(jié)封堵型固壁劑，高速攪拌20min，制得萬米深地油氣固壁型水基鉆井液；所述低速攪拌的轉(zhuǎn)速為1000-3000r/min，高速攪拌的轉(zhuǎn)速為8000-10000r/min。

47、根據(jù)本發(fā)明，上述萬米深地油氣固壁型水基鉆井液在深層超深層油氣地層的鉆井過程中的應(yīng)用，用以維持油氣井井壁穩(wěn)定，阻止井塌、井噴、卡鉆等鉆井復(fù)雜的發(fā)生，保障深層超深層油氣鉆井順利進(jìn)行；所述深層超深層油氣地層包括但不限于萬米深地地層。

48、本發(fā)明中所述“份”如無特殊說明，均為重量份。

49、本發(fā)明的技術(shù)特點及有益效果如下：

50、1、本發(fā)明的固壁型水基鉆井液中加入了特定的改性黏土提切劑，本發(fā)明的改性黏土提切劑是一種將聚合物和黏土相結(jié)合的復(fù)合材料，本發(fā)明優(yōu)選的1:1型間層黏土礦物（如累托石），相較常用的2:1型黏土礦物（如膨潤土），且更易做到插層改性，形成強(qiáng)缺電子和強(qiáng)電性結(jié)構(gòu)，具有較好的分散性、觸變性、懸浮性和高溫穩(wěn)定性，有效保證了超高溫飽和鹽條件下鉆井液對加重材料和鉆屑的懸浮。

51、2、本發(fā)明的固壁型水基鉆井液中加入了疏水締合聚合物流型調(diào)節(jié)劑，本發(fā)明的疏水締合聚合物流型調(diào)節(jié)劑是具備疏水締合結(jié)構(gòu)的兩性離子共聚物，兼具調(diào)節(jié)鉆井液流變性能和降濾失的作用。烷基取代丙烯酰胺提供了高鍵能的c-c主鏈，提升了聚合物整體的耐溫上限；五元咪唑雜環(huán)提升了分子鏈的剛性，大幅提升超高溫高鹽條件下分子鏈耐水解的能力；甜菜堿單體的兩性結(jié)構(gòu)能使聚合物能與改性黏土提切劑中的水滑石和黏土緊密吸附，提升作用效率，磺酸基帶來較厚的水化膜，在超高溫超高壓飽和鹽條件下性能穩(wěn)定，有效降低濾失量；長鏈烷基二甲基烯丙基氯化銨的疏水長鏈能使聚合物形成分子內(nèi)締合，增強(qiáng)聚合物的增粘作用，同時作為陽離子單體能使聚合物具備鹽響應(yīng)性，在高鹽條件下也能保持流變性能穩(wěn)定。

52、3、本發(fā)明的固壁型水基鉆井液中加入了超支化聚合物降濾失劑，本發(fā)明的超支化聚合物降濾失劑呈三維樹枝狀，支化點多，分子鏈不易纏結(jié)，分子鏈吸附能力好，且剛性強(qiáng)、空間位阻大，既保證了聚合物超高溫條件下長時間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，又有效抵抗住了鹽離子對分子鏈的強(qiáng)雙電層壓縮作用，使聚合物能夠在超高溫飽和鹽條件下高效保持分子鏈的空間伸展?fàn)顟B(tài)，進(jìn)而帶來較厚的水化膜，在超高溫超高壓飽和鹽條件下性能穩(wěn)定，有效降低濾失量。且豐富的末端陽離子基團(tuán)能夠與地層中的粘土礦礦物形成多點鏈接，在井壁上形成一張聚合物網(wǎng)，同時可以有效防止泥頁巖膨脹，維持井壁穩(wěn)定。且超支化聚合物的黏度不隨分子量的增加而改變，使本發(fā)明的超支化聚合物降濾失劑相較傳統(tǒng)的線性大分子降濾失劑黏度效應(yīng)更低，便于鉆井液的配置和流變性能的調(diào)控。

53、4、本發(fā)明的固壁型水基鉆井液中加入了特定的封堵劑，其外部為柔性聚合物膜，具有大量雜環(huán)和苯環(huán)結(jié)構(gòu)，分子鏈剛性強(qiáng)、空間位阻大，在超高溫飽和鹽條件下保持較高的彈性和韌性，能自適應(yīng)泥餅和地層中孔縫的尺寸和形狀，實現(xiàn)高效致密填充。內(nèi)部剛性納米二氧化硅作為支撐骨架，使封堵劑封堵后的強(qiáng)度大幅增大，進(jìn)而實現(xiàn)超高溫飽和鹽條件下有效降低鉆井液濾失量、阻止壓力傳遞，維持井壁穩(wěn)定。

54、5、本發(fā)明的固壁型水基鉆井液中加入了膠結(jié)封堵型固壁劑，其為一種有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料。一方面能夠有效的在水中粘附在井壁孔縫上，通過剛性二氧化硅部分在地層孔縫中架橋封堵，并膠結(jié)固化；第二方面，該固壁劑在井壁表面膠結(jié)固化，能夠有效抑制頁巖水化分散；第三方面，該固壁劑能夠在鉆井液濾失形成泥餅的過程中膠結(jié)固化，提高泥餅的致密性，有效降低鉆井液的濾失量，進(jìn)而有利于維持甚至增強(qiáng)巖石強(qiáng)度，起到穩(wěn)定破碎性地層井壁的作用。

55、6、本發(fā)明的固壁型水基鉆井液中改性黏土提切劑、疏水締合聚合物流型調(diào)節(jié)劑和超支化聚合物降濾失劑協(xié)同在鉆井液中形成抗超高溫高礦化度的牢固網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在超高溫高礦化度高密度條件下長時間發(fā)揮良好的降濾失、維持良好流變、懸浮加重材料和鉆屑的作用；封堵劑和膠結(jié)封堵型固壁劑封堵泥餅和地層中的孔隙和裂縫，降低濾失量，強(qiáng)化破碎地層井壁，阻止壓力傳遞，使井壁更為牢固；同時超支化聚合物降濾失劑在井壁上形成一層聚合物膜，抑制地層粘土礦物水化膨脹，進(jìn)一步確保井壁穩(wěn)定。在各處理劑協(xié)同作用下，使鉆井液能在240℃、飽和鹽的條件下長時間保持良好的流變、濾失、封堵和抑制性能，起到強(qiáng)固壁效果，能有效維持萬米深地油氣井井壁穩(wěn)定，能有效防止井塌、井漏、井噴等鉆井復(fù)雜的發(fā)生，可以用于萬米深井鉆探中。

56、7、本發(fā)明的固壁型水基鉆井液體系不包含磺化材料，配置過程簡單，且在高溫高礦化度條件下不會釋放出毒性惡臭氣體，環(huán)保性能好，能在環(huán)保要求嚴(yán)格的地區(qū)推廣使用，可為保持我國萬米深地油氣鉆探戰(zhàn)略任務(wù)提供技術(shù)支撐。