阅读说明：本技术 一种基于石蜡材料调控钻井液温度的方法 (Method for regulating temperature of drilling fluid based on paraffin material ) 是由 陈二丁 王成文 夏冬 袁丽 赵红香 刘均一 于 2019-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于石蜡材料调控钻井液温度的方法。其基本技术方案为：(1)合成优选适合钻井液应用的石蜡材料；(2)将石蜡材料作为钻井液处理剂,保持加量在5%-20%可以降温5-15℃；(3)可以使用微胶囊包被等手段进行材料的重复利用。该发明的优点有：在钻井液循环过程中,石蜡会发生相变,利用石蜡的相变潜热可以充分吸收热量；当钻井液循环上地面后,随着温度的降低石蜡会重新凝固放出热量不需要外加冷却介质。(The invention relates to a method for regulating and controlling the temperature of a drilling fluid based on a paraffin material. The basic technical scheme is as follows: (1) synthesizing a paraffin material preferably suitable for drilling fluid applications; (2) taking a paraffin material as a drilling fluid treating agent, keeping the adding amount at 5-20%, and cooling to 5-15 ℃; (3) the material can be recycled by means of microcapsule coating or the like. The invention has the advantages that: in the circulation process of the drilling fluid, the paraffin can generate phase change, and the latent heat of the phase change of the paraffin can be utilized to fully absorb heat; after the drilling fluid circulates to the ground, the paraffin can be solidified again along with the reduction of the temperature to release heat, and no cooling medium is needed to be added.)

一种基于石蜡材料调控钻井液温度的方法

技术领域

本发明涉及高温钻井技术领域中的一种高温钻井液降温技术，该技术可以克服之前高温钻井技术的被动性，主动的为钻井液降温，降低高温钻井的技术成本，是一种新的高温钻井技术。

背景技术

随着钻探技术的发展和新型能源的兴起，高温地层出现的越来越多。我国干热岩、地热井等部分高温井的井底温度在200℃以上，有的甚至超过300℃。

钻井液高温对钻井过程有非常严重的负面影响，对钻井液本身来说高温会使处理剂高温失效，影响流变性滤湿性等钻井液的稳定性，并且对钻井工具和测井设备也产生严重的负面影响，高温会使井下工具密封性降低严重缩短钻具的使用寿命，高温也会使随钻的设备寿命降低，提高生产的成本。水基钻井液的主要造浆材料是膨润土。如钠膨润土，用来增粘、降低滤失量、提高润滑性能。高温对造浆材料的影响主要是絮凝和分散。随着温度的升高，絮凝的严重性则随之增加；同时高温也增强了水分子渗入到粘土内部的能力和粘土表面阳离子扩散和置换的能力，在布朗运动和外加剪切力作用下，促使颗粒分散。高温环境下钻头材料往往会因为高温表现出易疲劳、强度下降等问题。随钻测井器材高温时会表现出测不准甚至器材变形损坏等问题。

高温复杂恶劣的环境对钻井液和钻井工具性能提出了如下要求：钻井液抗热能力更强，保持流变性不发生变化；钻井工具热稳定好，不会因高温缩短使用寿命。

在钻井过程中，对钻井液的冷却一般采取以下措施。(1)自然冷却，通过延长钻井液槽的循环路线，可以在一定程度上达到冷却钻井液的目的。这种方法一般应用于钻井液排量不大、返回的钻井液温度不太高的情况。这种冷却方式完全受气候条件影响，对于深井、超深井和高温高压井效果不明显，对天然气水合物井则无法达到安全钻井对循环钻井液温度的要求。(2)低温介质混合冷却，向钻井液池中投放低温固体(如冰块)或液体，通过混合热传导方式来使钻井液降温。这种方法一般用于水基钻井液的冷却、且容易得到低温水源的情况，只能作为应急方案使用。(3)冷却装置强制冷却，当返出钻井液温度过高时，需采用钻井液冷却系统强制冷却。钻井液冷却系统的工作原理以风冷、喷淋和交互式换热3种方式为主。但是外加冷却装置需要能量输入，会有巨大的能量损耗。

中国专利CN108612495A公开了一种钻井液冷却系统，包括活动池、输送泵、进出口管汇装置和冷却装置,进出口管汇装置包括钻井液进出口管汇装置、冷源进出口管汇装置和冲洗管汇装置,具体包括钻井液进、出口管和冷源进、出口管,钻井液进、出口管路与冷源进、出口管路之间设有冲洗引流管和冲洗回流管,各管路上设有开关阀；冷却装置内有钻井液通道和冷源通道。进出口管汇装置采用模块化结构设计,实现了钻井液与冷源之间同向、逆向流动换热功能,以及钻井液通道的正、反向冲洗功能,冲洗功能使用简单便捷,冷却装置与进出口管汇装置之间形成箱式一体橇装结构,具有结构紧凑、移运方便、清洗简单高效的优点。但是该方法需要一系列的过程装备，成本较高且需要外加换热介质。

中国专利CN108276975A公开了一种通过加入不同高温稳定剂对钻井液性能进行提高的技术，通过加入高温稳定剂，使钻井液可以耐受240℃高温环境，但是该方法只考虑了钻井液的高温环境下的状态，并没有考虑钻进工具和随钻设备耐高温的成本和高温下的测量偏差，依然面临高成本的钻进工具问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的问题，提供一种既具有降低钻井液温度性能，还充分满足钻井液重复利用，降低钻井成本、保证后续的钻井作业快速进行的基于石蜡材料调控钻井液温度的方法。

本发明根据储能相变材料相变恒温且相变潜热大的原理，测试储能相变石蜡对钻井液温度的影响，比较不同相变石蜡对降温贡献的效果，探讨储能相变石蜡对钻井液降温的影响规律及作用机理，并系统分析相变石蜡对温度的影响特性，构建一套钻井液降温的新方法，达到井下温度适宜施工和测量目的，实现降低钻井成本提高钻井效率的目标，形成一项储能相变材料给钻井液降温的方法。

一种基于石蜡材料调控钻井液温度的方法，包括以下步骤：

(1)合成适用于钻井液降温的相变石蜡，相变温度接近井底温度，相变潜热应大于140J/g；

(2)在钻井液中用相变石蜡作为添加剂，向钻井液中加入占钻井液质量比在5％-20％之间的相变石蜡；加入相变石蜡的钻井液在温度升高到相变石蜡的相变温度时，石蜡熔化吸热，将钻井液温度控制在相变温度附近形成一个恒定温度段，热量被石蜡吸收储存在熔化的石蜡中；当钻井液温度降低，熔化的石蜡对外放热逐渐凝固，对钻井液进行冷却，此过程相变石蜡经历吸热放热两个阶段，钻井液循环一周出现一个温度平台；

(3)钻井液循环一周后，通过分离手段对相变石蜡进行分离回收，实现相变石蜡的重复利用。

上述方案进一步包括：

所述相变石蜡是相变储能蜡，相变温度处于60℃-180℃之间，相变潜热处于140-200J/g，粒径位于0.2-0.3mm。

在合成的石蜡中加入高导热的金属网状物或金属粉末。

所述的钻井液是水基钻井液，密度处于1.1-1.6g/cm³。

所述钻井液用水是淡水、海水或矿化度水中的一种。

本发明首先通过实验测试相变石蜡的相变温度、相变潜热等相变材料的热物性，分析相变材料的粒径规律，并根据实验结果调整相变材料加入体系的质量分数，使体系降低温度达到10℃，并且兼顾考虑到不同相变石蜡对钻井液流变性能、滤失量的影响，探讨不同相变材料对钻井液性能的影响规律，得到相变储能材料的最佳加量。

本发明的相变储能石蜡体系是适用于高温钻井的钻井液降温技术体系。石蜡是一种常用的相变材料，其主要由直链烷烃混合而成。石蜡有很理想的熔解热,但和许多有机相变材料一样，导热性较差，这可通过一些方式改善，如在石蜡中埋入高导热的金属网状物或金属粉末。石蜡一般不过冷，因此通常不需要加成核剂，它的结晶速率很高，凝固速率则由于传热而受到限制。石蜡作为相变材料的优点是无过冷及析出现象，性能稳定，无毒，无腐蚀性，价格便宜；本发明采用相变温度为60℃-180℃的相变材料，相变潜热为140-200J/g，密度 920Kg/m³左右。

本发明适用的钻井液体系的密度为1.2～1.6g/cm³范围内可调，该相变储能材料体系具有以下优点：(1)本发明通过在钻井液中有针对性地加入一定粒径范围内的相变石蜡，这些材料通过微胶囊等方法包裹分散在钻井液中，石蜡具有无过冷度，无析出现象，性能稳定，无毒等优点；(2)相变石蜡材料相变潜热较高，重复多次相变过程相变潜热损失小，使钻井液体系具有高温降温的特点； (3)本方法通过相变石蜡材料自身性质对钻井液降温，且循环过后能自发将热量传递出去，是一种不用外加能量的降温手段；(4)本发明的相变材料钻井液体系原材料易得、成本低，并且与常规钻井液外加剂配伍性好，现场施工方便。

总之，石蜡资源丰富、成本低、生产和施工工艺简单、性能稳定、使用方便，是一种经济、高效的钻井液降温剂。本发明使用石蜡在相变过程大量吸热又没有明显温度变化的特性来为高温钻井液降温，加入质量分数5％-10％的相变石蜡，可以达到降温10℃的效果，可用于各种钻井液体系，不影响钻井液原有性能，达到保护储层，降低钻井成本、提高钻井效率和质量的目的。

附图说明

图1为60℃石蜡相变材料的温度时间降温及二次实验曲线(A第一次调温点、B第一次降温起点、C第一次降温终点、D第二次调温点、E第二次降温起点、F第二次降温终点)；

图2为60℃石蜡相变材料的温度时间升温曲线；

图3为相变石蜡相变温度为140℃时井筒温度场；

图4为140℃石蜡相变材料的温度时间降温及二次实验曲线(A第一次调温点、B第一次降温起点、C第一次降温终点、D第二次调温点、E第二次降温起点、F第二次降温终点)；

图5为140℃石蜡相变材料的温度时间升温曲线(A调温点、B降温起点、 C降温终点)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

(1)合成适用于钻井液降温的相变石蜡，相变温度应该接近井底温度，相变潜热应大于140J/g。

(2)在钻井液中用石蜡作为添加剂，向钻井液中加入质量分数在5％-20％之间的相变石蜡使钻井液降温5-15℃，可以根据钻井液的循环量或者井筒的温度来调节石蜡相变材料的加入量；加入相变石蜡的钻井液在井下循环时温度升高，当温度升高到相变石蜡的相变温度时，石蜡熔化吸热，将温度控制在相变温度附近形成一个恒定温度段，热量被石蜡吸收储存在熔化的石蜡中，当钻井液循环上返时温度降低，熔化的石蜡对外放热逐渐凝固，不必再需要外加冷源对钻井液进行冷却，此过程相变石蜡经历吸热放热两个阶段，钻井液循环一周出现一个温度平台；钻井液上返至地面上，通过振动筛等分离手段对相变石蜡进行分离回收，实现相变石蜡的重复利用，回收率不小于75％。

实验设备：本实验装置是一个模拟钻井液流动测温控制装置，流体经过真空泵打入模拟井筒中，由环空排出循环流动。由温度传感器指示控制模拟井筒温度，井筒环空出口有压力控制阀，可以由压力表读出压力，压力控制阀可以调控压力达到一定大小才可以将钻井液流出从而控制压力。

实验方法：将钻井液打入设备进行循环，通过三个传感器控制加热套，使井底温度达到180℃，此时调节加热套使井底温度保持在180℃恒温，此时手动调节加热套，将加热功率保持在加热套温度恒定的位置，关闭温度传感器的自控程序，向钻井液体系中加入相变材料，由温度传感器测得井底温度，由温度指示器读取温度，测试降温性能。

实施例1：向高温钻井液中加入60℃相变石蜡降温性能。

将钻井液加热到80℃保持恒温，加入相变石蜡，等相变石蜡熔化完全后降低钻井液温度低于相变石蜡相变温度此时相变石蜡会凝固，此时将相变石蜡取出，然后继续加热至80℃，然后重新加入相变石蜡。由图1可以看出，在纯钻井液中加入相变石蜡后，钻井液温度会降低，待相变石蜡熔化完后，重复实验，相变石蜡的降温性能没有受到影响。

将相变石蜡与钻井液一同升温，得到曲线如图2所示，通过纯钻井液与加入60℃相变石蜡的升温曲线对比可以看出，加入相变石蜡可以形成一个恒温平台，温度为相变石蜡的相变温度，平台的宽度跟相变石蜡的相变潜热有关。

实施例2：140℃相变石蜡加入对钻井液温度和性能的影响。

将钻井液加热到180℃保持恒温，加入相变石蜡，等相变石蜡熔化完全后降低钻井液温度低于相变石蜡相变温度此时相变石蜡会凝固，此时将相变石蜡取出，然后继续加热至180℃，然后重新加入相变石蜡。由图4可以看出，在纯钻井液中加入相变石蜡后，钻井液温度会降低，待相变石蜡熔化完后，重复实验，相变石蜡的降温性能没有受到影响。

将相变石蜡与钻井液一同升温，得到曲线如图5所示，通过纯钻井液与加入60℃相变石蜡的升温曲线对比可以看出，加入相变石蜡可以形成一个恒温平台，温度为相变石蜡的相变温度，平台的宽度跟相变石蜡的相变潜热有关。

通过失水仪比较加入相变石蜡前后钻井液的性能变化，然后将相变石蜡分成5％、8％、10％、12％、15％，不同的含量加入钻井液内，测得钻井液不同加量相变石蜡的滤失性质。通过流变仪测得水基钻井液在600转、300转、200转、 100转、6转、3转转速下，加入相变材料前后和加入不同相变石蜡的流变性能变化。

表1加入相变石蜡对钻井液流变性能的影响

在钻井液基浆中加入不同量的相变材料，测试其滤失量，结果如表2所示。由表2可以看出，当加入相变石蜡时，对钻井液的滤失能力整体上没有太大影响。

表2加入相变石蜡对钻井液滤失量的影响