CN110305639A - 水基钻井液及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钻井技术领域，公开了一种水基钻井液，该水基钻井液为组合物‑I或组合物‑II，其中，所述组合物‑I包含纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、甲酸钾和磺甲基酚醛树脂，所述组合物‑II包含纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、聚合醇和聚阴离子纤维素；所述防水剂为N‑全氟烷基磺酰基丙基三乙氧硅烷，所述纳米膜结构封堵剂包括蒙脱土片层、式(1)所示的结构单元和式(2)所示的结构单元。将本发明所述的水基钻井液应用于稳定页岩气地层或泥页岩地层的钻井过程中，表现出良好的性能。式(1)：式(2)：

Description

水基钻井液及其应用
技术领域
本发明涉及钻井技术领域，具体地涉及一种水基钻井液及其应用。
背景技术
我国页岩气地质资源储量为80×1012m3，技术可采资源储量为(10～25)×1012m3，具有良好的勘探开发前景，一旦成功地规模化勘探开发，能够有效地缓解我国油气供需矛盾，因此页岩气勘探和开发已成为国家重大战略。
页岩气钻井的主要难点在于页岩的水敏性强、微裂缝和裂缝发育、浸泡时间长及井斜角大等引发的井壁垮塌、漏失、托压及卡钻等问题，核心是页岩地层长水平段井眼的井壁稳定问题，井壁失稳及其由它而引发的各种井下复杂问题成为实现页岩气安全、高效开发的重大技术难题。
国内外以中长段水平井为基础，实现了页岩气的工业开发，强封堵、强抑制油基钻井液基本能够满足页岩气钻井的需要，但环境可接受性差、成本高，可替代油基钻井液的水基钻井液是未来的发展趋势。水基钻井液钻页岩气长水平井过程中井壁坍塌非常严重，已成为制约页岩气安全、高效开发的技术瓶颈。
长期以来，泥页岩地层钻井过程中井壁垮塌现象严重，井下复杂状况频发，使得钻井周期长、效率低、成本高，成为了制约油田勘探开发的主要技术瓶颈之一。泥页岩地层钻井的主要难点在于水敏性强、微裂缝和裂缝发育、浸泡时间长等引发的井壁垮塌、漏失、托压及卡钻等问题，核心是泥页岩地层水平段井眼的井壁稳定问题，井壁失稳及其由它而引发的各种井下复杂问题成为实现油气田安全、高效开发的重大技术难题。
油基钻井液在泥页岩钻井过程中能够较好的防止井壁失稳，但其环境可接受性差，成本高。目前水基钻井液防止泥页岩水化膨胀的方法主要是加入胺基抑制剂、正电胶等，中和泥页岩表面的负电荷来达到抑制目的；或者通过改性纳米颗粒等材料，形成致密泥饼，降低钻井液滤失量，封堵泥页岩孔喉，减少滤液进入地层，一定程度稳定了泥页岩井壁。由于抑制或封堵能力不足，水基钻井液钻泥页岩过程中由井壁岩石水化、岩石强度降低引发的井壁失稳仍然严重，高效稳定泥页岩井壁的水基钻井液技术是目前的研究趋势。
因此，对能够有效稳定泥页岩地层井壁或者页岩气地层井壁的水基钻井液研究具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的水基钻井液在泥页岩地层井壁以及页岩气地层井壁钻井中的上述缺陷，提供一种水基钻井液和该水基钻井液的应用。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种水基钻井液，该水基钻井液为组合物-I或组合物-II，其中，所述组合物-I包含纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、甲酸钾和磺甲基酚醛树脂，所述组合物-II包含纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、聚合醇和聚阴离子纤维素；所述防水剂为N-全氟烷基磺酰基丙基三乙氧硅烷，所述纳米膜结构封堵剂包括蒙脱土片层、式(1)所示的结构单元和式(2)所示的结构单元；
其中，R1，R2，R3，R4和R5各自独立地为氢、C1-C4的烷基或C1-C4的烷氧基，R6为C1-C6的亚烷基，R7为H或Na。
本发明中，纳米膜结构封堵剂能够有效减少钻井过程中水基钻井液侵入地层岩石，从而达到稳定泥页岩地层井壁的作用。以聚[苯乙烯-蒙脱土片层-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸]为例，这是由于：①纳米膜结构封堵剂中聚苯乙烯链段的疏水缔合作用，使得大分子基团存在较多的物理交联点，保护了体系中存在的细微粒，并限制了交联网络结构中自由水的流动，从而降低了水基钻井液体系的滤失量；②纳米膜结构封堵剂中聚苯乙烯链段因疏水缔合作用自组装成纳米级的胶束，使得亲水性聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸链段进入地层岩石孔隙，形成的纳米级胶束留在孔隙外而起堵孔作用，减少滤液进入地层。另外，其亲水性磺酸盐基团还可以吸附在地层岩石表面，同时其疏水基团则远离岩石表面伸向外侧，这样就赋予岩石表面一层疏水膜，抑制水基钻井液中自由水向地层的渗入，减弱地层岩石水化。
防水剂N-全氟烷基磺酰基丙基三乙氧硅烷，由于氟原子非常难以被极化，使氟碳链极性小，进而使氟碳链具有较强的疏水、疏油性能，而且氟碳表面活性剂分子在岩石表面定向聚集排列成分子膜，使岩石表面疏水疏油，有效减缓水进入地层深部。因此，将防水剂用于水基钻井液中对泥页岩地层进行钻井时，不仅可以防止水基钻井液的侵入，而且通过改变地层岩石表面润湿性阻止地层与外来流体间的直接接触，稳定井壁。本发明的防水剂还能够显著降低钻井液表面张力和油水界面张力、阻止地层岩石毛细管的自吸作用，有效稳定井壁。
表面水化抑制剂由于其在地层岩石孔喉和表面具有强烈吸附作用，并在岩石表面发生超分子作用，有效改变岩石孔喉和表面性能，强烈抑制由表面水化引起的地层岩石水化膨胀和分散，降低岩石膨胀率，能够防止井壁坍塌、卡钻和强化井壁稳定性并减少井下复杂事故。
根据本发明，本发明提供了两种水基钻井液的具体实施方案。
组合物-I中，所述水基钻井液包括纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、甲酸钾和磺甲基酚醛树脂。所述甲酸钾可以有效降低泥页岩地层岩石渗透水化。甲酸钾通过压缩粘土矿物表面双电层，抑制地层中粘土矿物水化膨胀；钾离子还可以嵌入到粘土矿物晶层中，抑制水进入粘土矿物晶层间，抑制粘土矿物水化。同时，甲酸钾可以降低钻井液活度，抑制水进入地层，稳定低渗透地层井壁。该水基钻井液中，通过将纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、甲酸钾结合，能够有效阻止或抑制水进入泥页岩地层，抑制地层岩石水化，减缓地层岩石抗压强度降低，有效保持泥页岩地层井壁稳定。同时，将本发明的水基钻井液应用于泥页岩地层钻井中时，能够表现出较好的抑制性能、流变性能、防塌性能。
组合物-II中，所述水基钻井液包括纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、聚合醇和聚阴离子纤维素。所述聚合醇可以通过吸附在页岩表面，抑制页岩中粘土矿物水化膨胀，同时，降低水基钻井液活度，抑制水进入页岩地层，稳定页岩井壁。该水基钻井液中，通过将纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂和聚合醇，使得本发明所述的水基钻井液能够有效阻止或抑制水进入页岩地层，抑制页岩水化，减缓页岩抗压强度降低，有效保持页岩气地层井壁稳定；而且，将该水基钻井液应用于页岩气地层钻井中时，能够表现出较好的抑制性能、流变性能、防塌性能。
本发明第二方面提供了本发明所述的水基钻井液在钻井中的应用。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1是实施例1-3、对比例1-2及清水浸泡地层岩心后抗压强度和原始页岩抗压强度的对比图；
图2是实施例5-7、对比例7-8及清水浸泡页岩岩心后抗压强度和原始页岩抗压强度的对比图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
如前所述，本发明第一方面提供了一种水基钻井液，该水基钻井液为组合物-I或组合物-II，其中，所述组合物-I包含纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、甲酸钾和磺甲基酚醛树脂，所述组合物-II包含纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、聚合醇和聚阴离子纤维素。
根据本发明，本发明提供了两种水基钻井液的具体实施方案。
所述组合物-I中，包含纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、甲酸钾和磺甲基酚醛树脂。该水基钻井液能够有效阻止或抑制水进入泥页岩地层，抑制地层岩石水化，减缓地层岩石抗压强度降低，有效保持泥页岩地层井壁稳定。
为了进一步提高该水基钻井液应用于泥页岩地层钻井中的抑制性能、流变性能和防塌性能，优选地，相对于100重量份的水，所述纳米膜结构封堵剂的含量为0.5-5重量份、所述防水剂的含量为0.05-0.5重量份、所述表面水化抑制剂的含量为0.5-5重量份、所述磺化褐煤树脂的含量为0.5-5重量份、所述膨润土的含量为0.5-5重量份、所述甲酸钾的含量为0.5-5重量份、所述磺甲基酚醛树脂的含量为0.5-5重量份。
进一步优选地，相对于100重量份的水，所述纳米膜结构封堵剂的含量为2-3重量份、所述防水剂的含量为0.1-0.5重量份、所述表面水化抑制剂的含量为2-5重量份、所述磺化褐煤树脂的含量为2-3重量份、所述膨润土的含量为1-3重量份、所述甲酸钾的含量为2-4重量份、所述磺甲基酚醛树脂的含量为2-3重量份。
所述组合物-II中，所述水基钻井液包括纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、聚合醇和聚阴离子纤维素。该水基钻井液能够有效阻止或抑制水进入页岩地层，抑制页岩水化，减缓页岩抗压强度降低，有效保持页岩气地层井壁稳定。
为了进一步提高该水基钻井液应用于页岩气地层钻井的抑制性能、流变性能、防塌性能，优选地，相对于100重量份的水，所述纳米膜结构封堵剂的含量为0.5-5重量份、所述防水剂的含量为0.05-0.5重量份、所述表面水化抑制剂的含量为0.5-5重量份、所述磺化褐煤树脂的含量为0.5-5重量份、所述膨润土的含量为0.5-5重量份、所述聚合醇的含量为0.5-5重量份，所述聚阴离子纤维素的含量为0.05-1重量份。
进一步优选地，相对于100重量份的水，所述纳米膜结构封堵剂的含量为2-3重量份、所述防水剂的含量为0.1-0.5重量份、所述表面水化抑制剂的含量为2-5重量份、所述磺化褐煤树脂的含量为2-3重量份、所述膨润土的含量为1-3重量份、所述聚合醇的含量为2-4重量份、所述聚阴离子纤维素的含量为0.1-0.5重量份。
本发明所述水基钻井液中，所述纳米膜结构封堵剂包括蒙脱土片层、式(1)所示的结构单元和式(2)所示的结构单元，
其中，R1，R2，R3，R4和R5各自独立地为氢、C1-C4的烷基或C1-C4的烷氧基，R6为C1-C6的亚烷基，R7为H或Na。
在优选情况下，为了进一步提高水基钻井液的性能，R1，R2，R3，R4和R5各自独立地为氢、C1-C3的烷基或C1-C3的烷氧基，进一步优选各自独立地为氢、甲基、乙基、甲氧基或乙氧基，更进一步优选各自独立地为氢、甲基或乙基；R6为C1-C4的亚烷基，例如亚甲基、亚乙基、亚丙基或亚丁基，进一步优选为亚丁基，即-C(CH3)2-CH2-。
在本发明中，所述纳米膜结构封堵剂是通过将特定结构的单体插入到有机蒙脱土层间并进行原位聚合反应，得到的蒙脱土片层以纳米级分散在两亲性嵌段聚合物基体中的纳米复合材料。所述纳米膜结构封堵剂的制备方法可以参考专利申请CN106554757A。所述纳米膜结构封堵剂也可以为市售产品，例如购自成都春峰石油科技有限公司。
优选地，在所述纳米膜结构封堵剂中，式(1)所示的结构单元与蒙脱土片层的质量比为1：(0.02-0.1)，进一步优选为1：(0.03-0.05)；式(1)所示的结构单元与式(2)所示的结构单元的摩尔比为1：(1-5)，进一步优选为1：(2-4)。
在本发明所述的水基钻井液中，所述防水剂为N-全氟烷基磺酰基丙基三乙氧硅烷。在优选情况下，为了进一步改善所述水基钻井液的综合性能，所述防水剂为N-全氟辛基磺酰基丙基三乙氧硅烷，其结构式为C8F17SO2NHCH2CH2CH2Si(OCH2CH3)3。作为防水剂的N-全氟辛基磺酰基丙基三乙氧硅烷可以为市售产品，例如购自成都春峰石油科技有限公司。
在本发明所述的水基钻井液中，所述表面水化抑制剂可以为本领域的常规选择。在优选情况下，为了进一步提高所述水基钻井液的综合性能，所述表面水化抑制剂为含有十二酸山梨醇酯和聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯的混合物，其可以为市售产品，例如购自成都春峰石油科技有限公司。
在本发明所述的水基钻井液中，所述聚合醇可以为本领域的常规选择，在具体的实施方式中，所述聚合醇可以选用由中国石油集团钻井工程技术研究院提供的聚合醇，牌号为PEG-600，分子式为HO(CH2CH2O)nH。
在本发明所述的水基钻井液中，所述膨润土可以为本领域的常规选择，例如可以选用购自新疆中非夏子街膨润土有限公司的膨润土产品。
在本发明所述的水基钻井液中，所述聚阴离子纤维素可以为本领域的常规选择，保定华瑞化工有限公司，牌号为(PAC)聚阴离子纤维素。
在本发明所述的水基钻井液中，所述磺化褐煤树脂可以为本领域的常规选择，例如可以选用由中国石油集团工程技术研究院提供的，牌号为SPNH的磺化褐煤树脂产品。
本发明还提供了本发明所述组合物-I的制备方法，该方法包括将纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、甲酸钾和磺甲基酚醛树脂混合。
根据一种具体的优选实施方式，所述组合物-I的制备方法包括：
向水中加入膨润土，搅拌20-28h，加入磺甲基酚醛树脂，搅拌20-40min，加入纳米膜结构封堵剂，搅拌混合20-40min，加入磺化褐煤树脂，搅拌10-30min，加入防水剂，搅拌15-25min，加入表面水化抑制剂，搅拌混合15-40min，加入甲酸钾，搅拌混合15-25min。更具体地，所述混合过程包括先在高搅杯中加入水100重量份，低速下加入膨润土2重量份，搅拌24h，加入磺甲基酚醛树脂2-3重量份，搅拌30min，加入纳米膜结构封堵剂2-3重量份，搅拌30min，加入磺化褐煤树脂2-3重量份，搅拌20min，加入防水剂0.1-0.5重量份，搅拌20min，加入表面水化抑制剂2-5重量份，搅拌20min，加入甲酸钾2-4重量份，搅拌20min，制得稳定泥页岩地层井壁的水基钻井液。
本发明还提供了本发明所述组合物-II的制备方法，该方法包括将纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、聚合醇和聚阴离子纤维素混合。
根据一种具体的优选实施方式，所述组合物-II的制备方法包括：
向水中加入膨润土，搅拌混合20-28h；加入聚阴离子纤维素，搅拌混合20-40min；加入纳米膜结构封堵剂，搅拌混合20-40min；加入磺化褐煤树脂，搅拌混合10-30min；加入防水剂，搅拌混合15-25min；加入表面水化抑制剂，搅拌混合15-40min；然后加入聚合醇，搅拌混合15-25min。更具体地，所述混合的过程包括：先在高搅杯中加入水100重量份，低速下加入膨润土2重量份，搅拌24小时，加入聚阴离子纤维素0.1-0.5重量份，搅拌30分钟，加入纳米膜结构封堵剂2-3重量份，搅拌30分钟，加入磺化褐煤树脂2-3重量份，搅拌20分钟，加入防水剂0.1-0.5重量份，搅拌20分钟，加入表面水化抑制剂2-5重量份，搅拌20分钟，加入聚合醇2-4重量份，搅拌20分钟，制得保护页岩气井壁稳定的水基钻井液。
本发明第二方面提供了本发明所述的水基钻井液在钻井中的应用。
根据本发明，将所述组合物-I用于泥页岩地层钻井时，能够抑制地层岩石水化，减缓地层岩石抗压强度降低，有效保持泥页岩地层井壁稳定。
根据本发明，将所述组合物-II用于页岩气地层钻井中时，能够表现出较好的抑制性能、流变性能、防塌性能。
实施例
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但并不因此限制本发明。以下制备例、实施例和对比例中，如无特别说明，所用材料均可商购获得，所用的方法均为本领域的常规方法。
防水剂的结构式为C8F17SO2NHCH2CH2CH2Si(OCH2CH3)3，商品购自成都春峰石油科技有限公司；
表面水化抑制剂为含有十二酸山梨醇酯和聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯的混合物，其购自成都春峰石油科技有限公司；
甲酸钾由中国石油集团钻井工程技术研究院提供；
磺甲基酚醛树脂由成都春峰石油科技有限公司提供；
聚合醇和磺化褐煤树脂由中国石油集团工程技术研究院提供；
膨润土由新疆中非夏子街膨润土有限公司提供；
纳米膜结构封堵剂按照以下制备例1-4制备得到；
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸购自成都格雷西亚化学技术有限公司；
二硫代苯甲酸苄酯、α-二硫代萘甲酸异丁腈酯、二硫代苯甲酸枯酯和二硫代苯甲酸异丙苯酯购自南京恰风和医药科技有限公司；
苯乙烯、对甲基苯乙烯、对甲氧基苯乙烯、正丁基苯乙烯购自成都格雷西亚化学技术有限公司；
十六烷基三甲基氯化铵购自上海抚生实业有限公司；
钠蒙脱土购自新疆中非夏子街膨润土有限公司；
偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化二苯甲酰、偶氮二环己基甲腈购自成都格雷西亚化学技术有限公司。
制备例1
1、有机蒙脱土的制备
将5g钠蒙脱土、3g十六烷基三甲基氯化铵和100ml蒸馏水置于250ml烧瓶中，在80℃水浴中120rpm搅拌4h，静置过夜，除去上层溶液，过滤，用去离子水洗至无Cl-(用浓度为0.01mol/L AgNO3的溶液检验)，真空烘箱70℃烘干，碾碎过300目筛子，得到有机蒙脱土(O-MMT)。
2、纳米膜结构封堵剂的制备
(1)在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，按摩尔比400：1：0.4的比例加入苯乙烯、二硫代苯甲酸苄酯和偶氮二异丁腈，并加入占苯乙烯重量5％的有机蒙脱土，将反应装置密封后，经冷冻抽真空除去体系中的空气，充入氮气，循环3次，氮气保护下充分搅拌，于120℃的油浴中进行反应。反应4h后用冰水浴冷却反应体系，将产物在甲醇中沉淀，过滤后真空70℃干燥，得到聚苯乙烯/蒙脱土(PSt/O-MMT)纳米复合型大分子链转移剂。
(2)在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，加入步骤(1)得到的PSt/O-MMT纳米复合型大分子链转移剂，并加入相当于步骤(1)中苯乙烯摩尔数3倍的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，以及占2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸重量4％的偶氮二异丁腈，以有机溶剂四氢呋喃作为反应介质，将反应装置密封后，经冷冻抽真空除去体系中的空气，充入氮气，循环3次，氮气保护下充分搅拌，于70℃的水浴中进行反应。反应10h后用冰水浴冷却反应体系，将产物在甲醇中沉淀，过滤，将沉淀物在抽提器中用甲苯抽提，除去均聚物聚苯乙烯，真空70℃干燥，粉碎，得到纳米膜结构封堵剂A1。
制备例2
按照制备例1的方法制备有机蒙脱土，且纳米膜结构封堵剂的制备方法如下：
(1)在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，按摩尔比200：1：0.3的比例加入对甲基苯乙烯、二硫代苯甲酸异丙苯酯和偶氮二异庚腈，并加入占对甲基苯乙烯重量3％的有机蒙脱土，将反应装置密封后，经冷冻抽真空除去体系中的空气，充入氮气，循环3次，氮气保护下充分搅拌，于130℃的油浴中进行反应。反应2.5h后用冰水浴冷却反应体系，将产物在甲醇中沉淀，过滤后真空70℃干燥，得到聚对甲基苯乙烯/蒙脱土纳米复合型大分子链转移剂。
(2)在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，加入步骤(1)得到的聚对甲基苯乙烯/蒙脱土纳米复合型大分子链转移剂，并加入相当于步骤(1)中对甲基苯乙烯摩尔数2倍的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，以及占2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸重量3％的偶氮二异庚腈，以有机溶剂四氢呋喃作为反应介质，将反应装置密封后，经冷冻抽真空除去体系中的空气，充入氮气，循环3次，氮气保护下充分搅拌，于60℃的水浴中进行反应。反应12h后用冰水浴冷却反应体系，将产物在甲醇中沉淀，过滤，将沉淀物在抽提器中用甲苯抽提，除去均聚物聚对甲基苯乙烯，真空70℃干燥，粉碎，得到纳米膜结构封堵剂A2。
制备例3
按照制备例1的方法制备有机蒙脱土，且纳米膜结构封堵剂的制备方法如下：
(1)在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，按摩尔比300：1：0.35的比例加入对甲氧基苯乙烯、二硫代苯甲酸枯酯和过氧化二苯甲酰，并加入占对甲氧基苯乙烯重量4％的有机蒙脱土，将反应装置密封后，经冷冻抽真空除去体系中的空气，充入氮气，循环3次，氮气保护下充分搅拌，于110℃的油浴中进行反应。反应5h后用冰水浴冷却反应体系，将产物在甲醇中沉淀，过滤后真空70℃干燥，得到聚对甲氧基苯乙烯/蒙脱土纳米复合型大分子链转移剂。
(2)在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，加入步骤(1)得到的聚对甲氧基苯乙烯/蒙脱土纳米复合型大分子链转移剂，并加入相当于步骤(1)中对甲氧基苯乙烯摩尔数4倍的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，以及占2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸重量5％的过氧化二苯甲酰，以有机溶剂四氢呋喃作为反应介质，将反应装置密封后，经冷冻抽真空除去体系中的空气，充入氮气，循环3次，氮气保护下充分搅拌，于70℃的水浴中进行反应。反应8h后用冰水浴冷却反应体系，将产物在甲醇中沉淀，过滤，将沉淀物在抽提器中用甲苯抽提，除去均聚物聚对甲氧基苯乙烯，真空70℃干燥，粉碎，得到纳米膜结构封堵剂A3。
制备例4
按照制备例1的方法制备有机蒙脱土，且纳米膜结构封堵剂的制备方法如下：
(1)在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，按摩尔比500：1：0.5的比例加入对正丁基苯乙烯、α-二硫代萘甲酸异丁腈酯和偶氮二环己基甲腈，并加入占对正丁基苯乙烯重量8％的有机蒙脱土，将反应装置密封后，经冷冻抽真空除去体系中的空气，充入氮气，循环3次，氮气保护下充分搅拌，于130℃的油浴中进行反应。反应4h后用冰水浴冷却反应体系，将产物在甲醇中沉淀，过滤后真空70℃干燥，得到聚对正丁基苯乙烯/蒙脱土纳米复合型大分子链转移剂。
(2)在装有温度计、机械搅拌器的三口烧瓶中，加入步骤(1)得到的聚对正丁基苯乙烯/蒙脱土纳米复合型大分子链转移剂，并加入相当于步骤(1)中对正丁基苯乙烯摩尔数5倍的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，以及占2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸重量8％的偶氮二环己基甲腈，以有机溶剂四氢呋喃作为反应介质，将反应装置密封后，经冷冻抽真空除去体系中的空气，充入氮气，循环3次，氮气保护下充分搅拌，于70℃的水浴中进行反应。反应12h后用冰水浴冷却反应体系，将产物在甲醇中沉淀，过滤，将沉淀物在抽提器中用甲苯抽提，除去均聚物聚对正丁基苯乙烯，真空70℃干燥，粉碎，得到纳米膜结构封堵剂A4。
实施例1
按照以下配方配制水基钻井液F1：水100重量份、纳米膜结构封堵剂(制备例1制备的纳米膜结构封堵剂A1)3重量份、防水剂0.5重量份、表面水化抑制剂5重量份、磺化褐煤树脂3重量份、膨润土2重量份、磺甲基酚醛树脂3重量份、甲酸钾4重量份。
实施例2
按照以下配方配制钻井液F2：水100重量份、纳米膜结构封堵剂(制备例2制备的纳米膜结构封堵剂A2)2.5重量份、防水剂0.3重量份、表面水化抑制剂4重量份、磺化褐煤树脂2.5重量份、膨润土2重量份、磺甲基酚醛树脂2.5重量份、甲酸钾3重量份。
实施例3
按照以下配方配制钻井液F3：水100重量份、纳米膜结构封堵剂(制备例3制备的纳米膜结构封堵剂A3)2重量份、防水剂0.1重量份、表面水化抑制剂2重量份、磺化褐煤树脂2重量份、膨润土2重量份、磺甲基酚醛树脂2重量份、甲酸钾2重量份。
实施例4
按照实施例1的方法配制水基钻井液F4，所不同的是，所用的纳米膜结构封堵剂为制备例4制备的纳米膜结构封堵剂A4。
实施例5
按照以下配方配制水基钻井液F5：水100重量份、纳米膜结构封堵剂(制备例1制备的纳米膜结构封堵剂A1)3重量份、防水剂0.5重量份、表面水化抑制剂5重量份、磺化褐煤树脂3重量份、膨润土2重量份、聚合醇4重量份、聚阴离子纤维素0.5重量份。
实施例6
按照以下配方配制水基钻井液F6：水100重量份、纳米膜结构封堵剂(制备例2制备的纳米膜结构封堵剂A2)2.5重量份、防水剂0.3重量份、表面水化抑制剂4重量份、磺化褐煤树脂2.5重量份、膨润土2重量份、聚合醇3重量份、聚阴离子纤维素0.35重量份。
实施例7
按照以下配方配制水基钻井液F7：水100重量份、纳米膜结构封堵剂(制备例3制备的纳米膜结构封堵剂A3)2重量份、防水剂0.1重量份、表面水化抑制剂2重量份、聚合醇2重量份、膨润土2重量份、聚阴离子纤维素0.1重量份、磺化褐煤树脂2重量份。
实施例8
按照实施例5的方法配制水基钻井液F8，所不同的是，所用的纳米膜结构封堵剂为制备例4制备的纳米膜结构封堵剂A4。
对比例1
按照实施例1的方法，不同的是，钻井液中不加入纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂及甲酸钾，即按照以下配方配制钻井液DFl：水100重量份、膨润土2重量份、磺甲基酚醛树脂3重量份、磺化褐煤树脂3重量份。
对比例2
按照以下配方配制钻井液DF2：水100重量份、膨润土2重量份、磺甲基酚醛树脂3重量份、磺化褐煤树脂3重量份、纳米二氧化硅3重量份、氯化钠5重量份。
对比例3
按照实施例1的方法，不同的是，钻井液中不加入纳米膜结构封堵剂，制得水基钻井液DF3。
对比例4
按照实施例1的方法，不同的是，钻井液中不加入防水剂，制得水基钻井液DF4。
对比例5
按照实施例1的方法，不同的是，钻井液中不加入表面水化抑制剂，制得水基钻井液DF5。
对比例6
按照实施例1的方法，不同的是，钻井液中不加入甲酸钾，制得水基钻井液DF6。
对比例7
按照实施例5的方法，不同的是，钻井液中不加入纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂及聚合醇，即按照以下配方配制钻井液DF7：水100重量份、膨润土2重量份、聚阴离子纤维素0.5重量份、磺化褐煤树脂3重量份。
对比例8
按照以下配方配制钻井液DF8：水100重量份、膨润土2重量份、聚阴离子纤维素0.5重量份、磺化褐煤树脂3重量份、纳米二氧化硅3重量份、氯化钠5重量份。
对比例9
按照实施例5的方法，不同的是，钻井液中不加入纳米膜结构封堵剂，制得水基钻井液DF9。
对比例10
按照实施例5的方法，不同的是，钻井液中不加入防水剂，制得水基钻井液DF10。
对比例11
按照实施例5的方法，不同的是，钻井液中不加入表面水化抑制剂，制得水基钻井液DF11。
对比例12
按照实施例5的方法，不同的是，钻井液中不加入聚合醇，制得水基钻井液DF12。
测试例1
组合物-I：流变性能测试：分别取400mL上述钻井液Fl-F4和DF1-DF6，在5000rpm下搅拌20min后，装入老化罐，放入滚子炉中，在150℃下，恒温滚动16h后，取出冷却至室温，再在5000rpm下搅拌20min，然后按照GB/T16783.1-2006分别测定上述钻井液的表观粘度(AV，mPa.s)、塑性粘度(PV，mPa.s)、动切力(YP，Pa)、10s和10min静切力、中压API失水(FL，mL)和高温高压失水(FLHTHP，mL，150℃)，结果见表1。
组合物-II：流变性能测试：分别取400mL上述钻井液F5-F8和DF7-DF12，在5000rpm下搅拌20min后，装入老化罐，放入滚子炉中，在100℃下，恒温滚动16h后，取出冷却至室温，再在5000rpm下搅拌20min，然后按照GB/T16783.1-2006分别测定上述钻井液的表观粘度(AV，mPa.s)、塑性粘度(PV，mPa.s)、动切力(YP，Pa)、10s和10min静切力、中压API失水(FL，mL)和高温高压失水(FLHTHP，mL，100℃)，结果见表2。
表1
表2
通过表1的数据可以看出，当水基钻井为组合物-I时，API滤失量和HTHP滤失量低，可以有效减少滤液进入地层，起到稳定泥页岩地层井壁的目的。
通过表2的数据可以看出，当水基钻井为组合物-II时，API滤失量和HTHP滤失量低，可以有效减少滤液进入地层，起到稳定页岩气地层井壁的目的。
测试例2
(1)水基钻井液组合物-I：分别对实施例1-4的水基钻井液和对比例1-6及清水进行泥页岩地层岩石膨胀率测定实验，膨胀率的结果如表3所示。其中，膨胀率测定实验仪器为NP-02型高温动态膨胀量测定仪，结果见表3。
(2)水基钻井液组合物-II：分别对实施例5-8的水基钻井液和对比例7-12及清水进行页岩膨胀率测定实验，页岩膨胀率的结果如表4所示。其中，页岩膨胀率测定实验仪器为NP-02型高温动态膨胀量测定仪。结果见表4。
表3
表4
将表3中实施例1-4与对比例1-6的结果比较可知，当水基钻井液为组合物-I时，该水基钻井液能够显著降低页岩膨胀率，抑制泥页岩地层的水化膨胀。
将表4中实施例5-8与对比例7-12的结果比较可知，当水基钻井液为组合物-II，该水基钻井液能够显著降低页岩膨胀率，抑制页岩气地层的水化膨胀。
测试例3
(1)水基钻井液组合物-I：分别用6块地层岩心(25cm×50cm)在实施例1-3和对比例1-2及清水中浸泡24h后进行岩石抗压强度测定实验，同时用一块岩心测定岩心原始抗压强度，结果如图1所示。
(2)水基钻井液组合物-II：分别用6块页岩岩心(25cm×50cm)在实施例5-7和对比例7-8及清水中浸泡24h后进行页岩抗压强度测定实验，同时用一块岩心测定页岩原始抗压强度，结果如图2所示。
由图1可知，当当水基钻井液为组合物-I时，该水基钻井液能够有效减缓地层岩石抗压强度降低，进而防止井壁坍塌、卡钻等，从而强化井壁并减少井下复杂情况。
由图2可知，当水基钻井液为组合物-II时，该水基钻井液能够有效减缓页岩抗压强度降低，进而防止井壁坍塌、卡钻等，从而强化井壁并减少井下复杂情况。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种水基钻井液，该水基钻井液为组合物-I或组合物-II，其中，所述组合物-I包含纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、甲酸钾和磺甲基酚醛树脂，所述组合物-II包含纳米膜结构封堵剂、防水剂、表面水化抑制剂、磺化褐煤树脂、膨润土、水、聚合醇和聚阴离子纤维素；所述防水剂为N-全氟烷基磺酰基丙基三乙氧硅烷，所述纳米膜结构封堵剂包括蒙脱土片层、式(1)所示的结构单元和式(2)所示的结构单元；
式(1)：式(2)：
其中，R1，R2，R3，R4和R5各自独立地为氢、C1-C4的烷基或C1-C4的烷氧基，R6为C1-C6的亚烷基，R7为H或Na。
2.根据权利要求1所述的水基钻井液，其中，相对于100重量份的水，所述组合物-I中，所述纳米膜结构封堵剂的含量为0.5-5重量份、所述防水剂的含量为0.05-0.5重量份、所述表面水化抑制剂的含量为0.5-5重量份、所述磺化褐煤树脂的含量为0.5-5重量份、所述膨润土的含量为0.5-5重量份、所述甲酸钾的含量为0.5-5重量份、所述磺甲基酚醛树脂的含量为0.5-5重量份。
3.根据权利要求2所述的水基钻井液，其中，相对于100重量份的水，所述组合物-I中，所述纳米膜结构封堵剂的含量为2-3重量份、所述防水剂的含量为0.1-0.5重量份、所述表面水化抑制剂的含量为2-5重量份、所述磺化褐煤树脂的含量为2-3重量份、所述膨润土的含量为1-3重量份、所述甲酸钾的含量为2-4重量份、所述磺甲基酚醛树脂的含量为2-3重量份。
4.根据权利要求1所述的水基钻井液，其中，相对于100重量份的水，所述组合物-II中，所述纳米膜结构封堵剂的含量为0.5-5重量份、所述防水剂的含量为0.05-0.5重量份、所述表面水化抑制剂的含量为0.5-5重量份、所述磺化褐煤树脂的含量为0.5-5重量份、所述膨润土的含量为0.5-5重量份、所述聚合醇的含量为0.5-5重量份，所述聚阴离子纤维素的含量为0.05-1重量份。
5.根据权利要求4所述的水基钻井液，其中，相对于100重量份的水，所述组合物-II中，所述纳米膜结构封堵剂的含量为2-3重量份、所述防水剂的含量为0.1-0.5重量份、所述表面水化抑制剂的含量为2-5重量份、所述磺化褐煤树脂的含量为2-3重量份、所述膨润土的含量为1-3重量份、所述聚合醇的含量为2-4重量份、所述聚阴离子纤维素的含量为0.1-0.5重量份。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的水基钻井液，其中，R1，R2，R3，R4和R5各自独立地为氢、C1-C3的烷基或C1-C3的烷氧基；R6为亚甲基、亚乙基、亚丙基或亚丁基。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的水基钻井液，其中，式(1)所示的结构单元与蒙脱土片层的质量比为1：(0.02-0.1)；式(1)所示的结构单元与式(2)所示的结构单元的摩尔比为1：(1-5)。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的水基钻井液，其中，所述表面水化抑制剂含有十二酸山梨醇酯和聚氧乙烯失水山梨醇硬脂酸酯的混合物。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的水基钻井液，其中，所述防水剂的结构式为C8F17SO2NHCH2CH2CH2Si(OCH2CH3)3。
10.权利要求1-9中任意一项所述的水基钻井液在钻井中的应用。
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