CN101818050B - 一种抑制泥页岩膨胀的改性纳米钻井液处理剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于石油及天然气钻井中的抑制泥页岩膨胀的改性纳米钻井液处理剂。它能在井下孔道口形成致密泥饼，有效保护井壁。其技术方案是：该处理剂所用原料的质量以克为单位及部分性能为，纳米SiO2 5-10g，密度2.33、比表面积150m2/g、粒径20-40nm；丙烯酰胺8g、分子量71.08；硅烷偶联剂KH-550 0.8g；过硫酸铵0.2g；甲苯300g；蒸馏水500g。本发明是用硅烷偶联剂接枝在纳米SiO2上，并接枝聚合丙烯酰胺，形成长链的接枝纳米SiO2，称为改性纳米SiO2，将该纳米SiO2颗粒均匀、稳定的分散在钻井液中形成改性纳米钻井液。本处理剂使泥饼质量更好，泥饼更薄，韧性好，能显著降低滤失量，防治泥页岩膨胀效果明显，用于钻井领域作处理剂。
Description
技术领域：
本发明涉及一种用于石油及天然气钻井领域中的抑制泥页岩膨胀的改性纳米钻井液处理剂。
背景技术：
在石油天然气钻井过程中，常钻遇泥页岩层，泥页岩易水化膨胀，水基钻井液会加大泥页岩的水化膨胀程度，而其它类型的钻井液如油基钻井液、聚合物钻井液等大多能防止泥页岩的水化膨胀。目前水基钻井液防止泥页岩膨胀的方法主要是加入甲酸盐、使用正电胶等，都是通过钻井液中的正电荷中和泥页岩表面的负电荷来达到抑制目的。这些钻井液一旦要求抑制效果好，则成本必然升高，油田上希望找到一种效果优良，且能很好的控制成本的泥页岩膨胀抑制处理剂。而通过改性纳米材料，使纳米颗粒进入微小的井壁岩石孔隙中，并吸附在孔道中，在孔道口附近形成桥架，在孔道口外形成致密的泥饼，封堵钻井液中的水等使井壁不稳定的因素，因而能起到减少钻井液对油气层长时间浸泡产生的岩壁不稳定性。在复杂地层、极端环境和超深井钻探中，纳米材料应使工作液满足极端条件如高温、高盐等，获得多功能性和适应性，这种方式达到抑制泥页岩膨胀鲜见报道。本发明针对纳米颗粒，通过一系列实验手段改性纳米颗粒，形成纳米处理剂，发挥纳米处理剂在抑制泥页岩水化膨胀方面的优势。
发明内容
本发明的目的在于：用分散剂降低纳米SiO2的表面能，使其能够分散在钻井液中而不发生聚集，利用改性后的纳米SiO2作为钻井液处理剂添加到钻井液中，使纳米颗粒进入微小的井壁岩石孔隙中，并吸附在孔道中，在孔道口附近形成桥架，在孔道口外形成致密的泥饼，封堵钻井液中的水等使井壁不稳定的因素，因而能起到有效保护井壁、减少钻井液对油气层长时间浸泡产生的岩壁不稳定性，特提供一种抑制泥页岩膨胀的改性纳米钻井液处理剂。
为了达到上述目的，本发明采用硅烷偶联剂接枝在纳米SiO2上，并接枝聚合丙烯酰胺，形成长链的接枝纳米SiO2，称为改性纳米SiO2。这些大分子量聚合物形成的空间电位排斥效应，使纳米SiO2颗粒均匀、稳定的分散在钻井液中形成改性纳米钻井液。
本发明采用以下技术方案：一种抑制泥页岩膨胀的改性纳米钻井液处理剂，其特征是：该钻井液处理剂由纳米SiO2、丙烯酰胺、硅烷偶联剂KH-550、过硫酸铵、甲苯、蒸馏水构成，各原料的质量以克为单位及部分性能为：纳米SiO25-10g，密度2.33、比表面积150m2/g、粒径20-40nm(粉体粒径小于100nm的属于纳米颗粒)；丙烯酰胺8g， 分子量71.08；硅烷偶联剂KH-5500.8g；过硫酸铵引发剂0.2g；甲苯300ml；蒸馏水500g。
其制备方法是：先称取5-10g纳米SiO2粉体装入烧杯中，加入300g甲苯、0.8g硅烷偶联剂KH-550，高速搅拌10min，放入超声波震荡清洗仪中分散30min；再将上述经超声波震荡的混合液倒入三口瓶中，放入恒温水浴锅内，搅拌升温至60℃，反应1h；再将上面反应后制得的混合物，用真空泵抽滤，依次用蒸馏水、无水乙醇清洗沉淀3-5次，将沉淀烘干研细；后在三口瓶中加入500g蒸馏水，将上面烘干研细的沉淀加入到盛水三口瓶中，再加入丙烯酰胺8g，用NaOH调节pH值为8-8.5，在三口瓶中持续通入氮气30min，放入恒温水浴锅搅拌，水浴温度为15-20℃；最后加入0.2g过硫酸铵作引发剂、恒温反应3h后，抽滤，得到白色固体，干燥研细，即为本钻井液处理剂产品。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：(1)该改性纳米处理剂分散性、与地层配伍性良好；(2)加入纳米处理剂使泥饼质量更好，泥饼更薄，韧性好，表面光滑平整，能显著降低滤失量；(3)加入纳米处理剂后，原来成本较高的泥页岩抑制剂有了新的改进办法，不在单一的采用中和泥页岩表面负电荷的方法，结合孔隙堵塞的技术，防止泥页岩膨胀效果更明显，成本更低。
具体实施方式
实例1：抑制泥页岩膨胀的改性纳米钻井液处理剂及其制备方法
(1)实验配方及条件：
该抑制泥页岩膨胀改性纳米钻井液处理剂由纳米SiO2、丙烯酰胺、硅烷偶联剂KH-550、过硫酸铵、甲苯、蒸馏水制备而成，各原料的质量以克为单位及部分性能为：纳米SiO2 5-10g，密度2.33、 比表面积150m2/g、粒径20-40nm(粉体粒径小于100nm的属于纳米颗粒)；丙烯酰胺8g，分子量71.08；硅烷偶联剂KH-550 0.8g；过硫酸铵引发剂0.2g；甲苯300g；蒸馏水500g；氮气气氛30min，pH值调至8～8.5，水浴锅控制温度15～20℃。
(2)抑制泥页岩膨胀改性纳米处理剂的制备方法：
先称取5-10g纳米SiO2粉体装入烧杯中，加入300g甲苯、0.8g硅烷偶联剂KH-550，高速搅拌10min，放入超声波震荡清洗仪中分散30min；再将上述经超声波震荡的混合液倒入三口瓶中，放入恒温水浴锅内，搅拌升温至60℃，反应1h；再将上面反应后制得的混合物，用真空泵抽滤，依次用蒸馏水、无水乙醇清洗沉淀3-5次，将沉淀烘干研 细；后在三口瓶中加入500g蒸馏水，将上面烘干研细的沉淀加入到盛水三口瓶中，再加入丙烯酰胺8g，用NaOH调节pH值为8-8.5，在三口瓶中持续通入氮气30min，放入恒温水浴锅搅拌，水浴温度为15-20℃；最后加入0.2g过硫酸铵作引发剂、恒温反应3h后，抽滤，得到白色固体，干燥研细，即为本钻井液处理剂。
实例2：防止泥页岩膨胀测试
配置KCl-PAM钻井液，室内用高温高压页岩膨胀仪对该配方的钻井液体系对页岩的抑制性进行评价。称取10g岩屑粉，在压片机上用4MPa压力维持5min制得样品片，再用所配350mL溶液浸泡，并在页岩膨胀仪上测定浸泡过程中的线性膨胀高度。用膨胀率计算公式(1-1)计算线性膨胀率，实验结果见表1-1。
VH＝Rt/H×100％ (1-1)
Rt--时间t时的线性膨胀量，mm；H-岩芯的原始高度，mm。
表1-1不同介质中页岩滚动分散的结果
注：1-KC1-PAM钻井液；2-丙烯酰胺接枝聚合改性纳米SiO2-KC1-PAM钻井液；
由表1-1可以看出，接枝聚合的处理剂能明显抑制泥页岩水化膨胀，2小时的线性膨胀率为4％，比清水和KC1-PAM钻井液分别降低了42.8％和20％，16小时的线性膨胀率为16％，较清水和KCl-PAM钻井液分别降低了60％和11.1％。可见加入纳米处理剂后的钻井液能显著降低泥页岩水化膨胀量，也能防止因泥页岩水化膨胀造成的井壁不稳定。
Claims (2)
1.一种抑制泥页岩膨胀的改性纳米钻井液处理剂，其特征是：该钻井液处理剂由纳米SiO2、丙烯酰胺、硅烷偶联剂KH-550、过硫酸铵、甲苯、蒸馏水构成，各原料的质量以克为单位及部分性能为：纳米SiO2 5-10g，密度2.33、比表面积150m2/g、粒径20-40nm；丙烯酰胺8g，分子量71.08；硅烷偶联剂KH-550，0.8g；过硫酸铵引发剂0.2g；甲苯300g；蒸馏水500g。
2.根据权利要求1所述的钻井液处理剂，其特征是：该钻井液处理剂的制备方法：先称取5-10g纳米SiO2粉体装入烧杯中，加入300g甲苯、0.8g硅烷偶联剂KH-550，高速搅拌10min，放入超声波震荡清洗仪中分散30min；再将上述经超声波震荡的混合液倒入三口瓶中，放入恒温水浴锅内，搅拌升温到60℃，反应1h；再将上面反应后制得的混合物，用真空泵抽滤，依次用蒸馏水、无水乙醇清洗沉淀3-5次，将沉淀烘干研细；后在三口瓶中加入500g蒸馏水，将上面烘干研细的沉淀加入到盛水三口瓶中，再加入丙烯酰胺8g，用NaOH调节pH值为8-8.5，在三口瓶中持续通入氮气30min，放入恒温水浴锅搅拌，水浴温度为15-20℃；最后加入0.2g过硫酸铵作引发剂、恒温反应3h后，抽滤，得到白色固体，干燥研细，即为本钻井液处理剂产品。
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