CN110819314A - 一种新型钻井液纳米封堵剂及其制备方法及含该封堵剂的水基钻井液 - Google Patents

一种新型钻井液纳米封堵剂及其制备方法及含该封堵剂的水基钻井液 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型钻井液纳米封堵剂及其制备方法及含该封堵剂的水基钻井液，所述纳米封堵剂包括以下重量份的各组分：SiO2与SiOx微晶颗粒混合物10‑20份、磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液60‑70份、改性沥青粉末10‑20份、无定形土5‑10份，所述SiO2与SiOx微晶颗粒混合物为粒径在100‑300纳米的二氧化硅与N‑(2‑氨乙基)‑3‑氨丙基三甲氧基硅烷按照重量比20：1的比例混合后搅拌均匀后制得，SiOx中x的取值范围为0＜x＜2。本发明纳米封堵剂中的SiO2与SiOx微晶颗粒混合物能够被磺化苯乙烯和丁二烯共聚物包裹，在钻井液中能形成较好的连续分散封堵膜，采用本发明的纳米封堵剂制备得到的钻井液具有良好的封堵性能，对钻井井筒形成有效的支撑。

Description

一种新型钻井液纳米封堵剂及其制备方法及含该封堵剂的水 基钻井液
技术领域
本发明属于水基钻井液技术领域，具体涉及一种新型钻井液纳米封堵剂及其制备方法及含该封堵剂的水基钻井液。
背景技术
目前在常规及非常规油气（如页岩油（气））定向井、水平井钻探中，由于钻井过程中遇到泥页岩地层时，脆性页岩微裂缝较多，孔径非常小，传统的水基钻井液很难对其形成有效封堵，因此常引起井壁失稳掉块和坍塌、井漏、压差粘附卡钻、产油产气储层伤害等复杂和事故的发生，导致严重的井下、设备的安全事故，造成巨大的经济损失。所以为了解决这些问题，目前国内外往往选用油基泥，油基泥浆的润滑性，抑制性很好。但油基泥浆在钻进中产生的钻屑，污水，废泥浆等对环境污染严重，处理工艺复杂，成本极高。
上述问题仅通过化学方法不能完全解决，需要使用物理方法加入纳米尺寸的颗粒对裂缝形成有效封堵，阻止压力传递，可有效稳定泥岩和页岩、提高岩屑的完整性和提高机械钻井速度、降低井下钻具的扭矩和阻力，减少滑动钻进中的托压问题。与油基钻井液相比，纳米封堵剂可大幅度节省钻井总成本，并有效地解决油基钻井液与环境保护和废弃物处理问题。传统纳米封堵剂有聚合物类或刚性封堵剂，比如氧化铁、碳酸钙等，此类封堵剂或不能形成有效支撑，或不能形成连续分散膜，都具有一定的局限性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种采用刚性材料做支撑、聚合物材料做包裹的新型钻井液纳米封堵剂，在钻井液中能分散成连续分散膜而形成有效封堵。此外，本发明还要提供一种新型钻井纳米封堵剂的制备方法及包含该纳米封堵剂的水基钻井液。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种新型钻井液纳米封堵剂，包括以下重量份的各组分：SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物10-20份、磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液60-70份、改性沥青粉末10-20份、无定形土5-10份，所述SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物为粒径在100-300纳米的二氧化硅与N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷按照重量比20：1的比例混合后搅拌均匀后制得，SiOx中x的取值范围为0＜x＜2。
作为优选的技术方案，所述磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液中的磺化苯乙烯和丁二烯共聚物制备方法如下：等摩尔的苯乙烯和丁二烯在75-85摄氏度下反应2小时，再用甲醇溶剂润洗，得到白色粉末，即苯乙烯丁二烯共聚物，将反应制得的白色粉末以DMF作溶剂，加入三氧化硫吡啶溶液进行磺酸化1.5小时，固体析出后加入氢氧化钠溶液中和，过滤烘干后得到白色固体磺化苯乙烯和丁二烯共聚物。
作为优选的技术方案，所述磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液包括以下重量份的各组分：磺化苯乙烯和丁二烯共聚物60份、水40份。
作为优选的技术方案，所述改性沥青粉末为由天然沥青粉通过聚季铵盐聚合物改性得到，其粒径为50-200微米。
作为优选的技术方案，所述无定形土为具有亲油性质的粘土粉末。
本发明的第二方面，提供一种新型钻井液纳米封堵剂的制备方法，用于制备上述的新型钻井液纳米封堵剂，包括以下步骤：
S1、使用喷淋器将磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液均匀的喷洒到SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物的表面；
S2、将S1制备得到的SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物在40-50摄氏度下低温干燥；
S3、再次使用喷淋装置将磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液均匀喷淋到S2得到的SiO2与SiOx微晶颗粒混合物的表面；
S4、将S3制备得到的SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物在40-50摄氏度下低温干燥；
S5、将S4制备得到的SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物与改性沥青粉末、无定形土按照比例混合均匀。
本发明的第三方面，提供一种包含上述纳米封堵剂的水基钻井液，包括以下重量的各组分：上述的纳米封堵剂20-30份、膨润土30份、流型调节剂4-6份、降滤失剂10-15份、封堵剂25-30份、加重剂10-50份、 pH调节剂0.1-0.4份。
作为优选的技术方案，所述米封堵剂为25-30份。
作为优选的技术方案，所述膨润土为钠基膨润土，所述流型调节剂为黄原胶，所述降滤失剂为聚阴离子纤维素，所述加重剂为重晶石，所述pH调节剂为氢氧化钠。
作为优选的技术方案，所述水基钻井液的pH为9.5-10.5，密度为1.25-1.45克/立方厘米。
作为优选的技术方案，所述水基钻井液的制备方法如下：
(1)将膨润土预水化处理；
(2)向步骤(1)预水化处理得到的膨润土溶液中依次加入流型调节剂、降滤失剂、封堵剂、加重剂、和pH调节剂。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明纳米封堵剂中的SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物能够被磺化苯乙烯和丁二烯共聚物包裹，在钻井液中能形成较好的连续分散封堵膜，采用本发明的纳米封堵剂制备得到的钻井液具有良好的封堵性能，对钻井井筒形成有效的支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1纳米封堵剂的电镜扫描照片。
图2为本发明实施例2纳米封堵剂的电镜扫描照片。
图3为本发明实施例3纳米封堵剂的电镜扫描照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种新型钻井液纳米封堵剂，包括以下重量份的各组分：SiO2与SiOx微晶颗粒混合物10-20份、磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液60-70份、改性沥青粉末10-20份、无定形土5-10份，SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物为粒径在100-300纳米的二氧化硅与N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷按照重量比20：1的比例混合后搅拌均匀后制得，SiOx中x的取值范围为0＜x＜2。
其中，磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液中的磺化苯乙烯和丁二烯共聚物制备方法如下：等摩尔的苯乙烯和丁二烯在75-85摄氏度下反应2小时，再用甲醇溶剂润洗，得到白色粉末，即苯乙烯丁二烯共聚物，将反应制得的白色粉末以DMF作溶剂，加入三氧化硫吡啶溶液进行磺酸化1.5小时，固体析出后加入氢氧化钠溶液中和，过滤烘干后得到白色固体磺化苯乙烯和丁二烯共聚物。
其中，磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液包括以下重量份的各组分：磺化苯乙烯和丁二烯共聚物60份、水40份。
其中，改性沥青粉末为由天然沥青粉通过聚季铵盐聚合物改性得到，其粒径为50-200微米。
其中，无定形土为具有亲油性质的粘土粉末。
其制备方法如下：
S1、使用喷淋器将磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液均匀的喷洒到SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物的表面；
S2、将S1制备得到的SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物在40-50摄氏度下低温干燥；
S3、再次使用喷淋装置将磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液均匀喷淋到S2得到的SiO2与SiOx微晶颗粒混合物的表面；
S4、将S3制备得到的SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物在40-50摄氏度下低温干燥；
S5、将S4制备得到的SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物与改性沥青粉末、无定形土按照比例混合均匀。
实施例1
本实施例提供一种新型钻井液纳米封堵剂，按照重量比包括：15份SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物、60份磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液、15份改性沥青粉末、10份无定形土。将15份SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物、60份磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液按照S1、S2 、S3的方法混合均匀后，与5份改性沥青粉末、10份无定形土混合均匀，制得纳米封堵剂。
实施例2
本实施例提供一种新型钻井液纳米封堵剂，按照重量比包括：15份SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物、70份磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液、10份改性沥青粉末、5份无定形土。将15份SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物、70份磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液按照S1、S2 、S3的方法混合均匀后，与10份改性沥青粉末、5份无定形土混合均匀，制得纳米封堵剂。
实施例3
本实施例提供一种新型钻井液纳米封堵剂，按照重量比包括：20份SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物、65份磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液、10份改性沥青粉末、5份无定形土。将20份SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物、65份磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液按照S1、S2 、S3的方法混合均匀后，与10份改性沥青粉末、5份无定形土混合均匀，制得纳米封堵剂。
采用上述的纳米封堵剂制备水基钻井液，水基钻井液按照重量份计，包括纳米封堵剂20-30份、膨润土30份、流型调节剂4-6份、降滤失剂10-15份、封堵剂25-30份、加重剂10-50份、 pH调节剂0.1-0.4份。膨润土为钠基膨润土，流型调节剂为黄原胶，降滤失剂为聚阴离子纤维素，加重剂为重晶石，pH调节剂为氢氧化钠。制备得到的水基钻井液的pH为9.5-10.5，密度为1.25-1.45克/立方厘米。
其制备方法如下：
(1)将膨润土预水化处理；
(2)向步骤(1)预水化处理得到的膨润土溶液中依次加入流型调节剂、降滤失剂、封堵剂、加重剂、和pH调节剂。
对实施例1、实施例2、实施例3制备得到的纳米封堵剂进行封堵性能评价
封堵评价1
按照30份搬土浆+5份黄原胶+15份聚阴离子纤维素+20份实施例1、2、3制得纳米封堵剂+0.5份氢氧化钠配方，按照如下步骤测试封堵性能。
a) 称取80目-100目石英砂300克±5克，置于FA-BX型便携式无渗透钻井液滤失仪的可视筒内，并在硬质桌面或地面上竖立敲击至砂顶平面于200 毫升刻度线处；
b) 取实验浆350毫升，沿着倾斜的可视筒内壁缓慢注入至450毫升刻度线处；
c) 安装好可视筒，保持可视筒下部关闭，调节表压至0.69兆帕；
d) 可视筒加压至0.69兆帕，并稳定5-10秒，打开可视筒下部出液开关，同时开始计时；
e) 实验过程中维持压力在0.69兆帕；
f) 记录30 分钟出液量。
表1 封堵效果评价表
钻井液 滤失量，mL
基浆 全失
实施例1 15
实施例2 0
实施例3 20
由表1渗透性漏失评价结果可知：实施例2采用制备例的纳米封堵剂按照实验方法滤失量为0，封堵效果最好。实施例1和3采用制备例制备的纳米封堵剂较制备例2有一定的滤失量，可以得到实施例2中磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液、SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物的比例最佳，磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液对SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物形成了有效的包裹。
封堵评价2
为了对比评价本纳米封堵剂跟其他封堵材料性能，按照3 0份搬土浆+5份黄原胶+15份聚阴离子纤维素+20份实施例1、2、3制得纳米封堵剂+0.5份氢氧化钠配方，测试封堵性能。与空白浆液、超细磺化沥青颗粒的封堵性能进行对比，结构如表2所示。
表2 封堵效果评价表
钻井液 滤失量，mL
基浆 全失
空白浆 全失
实施例1 15
实施例2 0
实施例3 20
超细磺化沥青颗粒 35
加入实施例2制得纳米封堵剂滤失量为0，而加入超细磺化沥青颗粒的滤失量为35mL，说明实施例2制得纳米封堵剂的封堵性能最佳。配方中搬土为市售钻井液配浆用评价土，符合石油行业标准SY 5490-1993钻井液试验用钠膨润土标准。
封堵评价3
为了考察上述三种实施例在微观的分布状态，对上述三种实施例做扫描电镜（SEM）实验，对比磺化苯乙烯和丁二烯共聚物对SiO2或SiOn微晶颗粒的包裹状态，电镜扫描照片如图1、图2、图3所示。通过实验电镜扫描照片可以看出，在实施例1和3中，SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物部分被磺化苯乙烯和丁二烯共聚物包裹，在实施例2中，大部分SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物被很好包裹，在钻井液中能形成较好的连续分散封堵膜，验证了实施例1、实施例2、实施例3均有较好的封堵效果，其中，实施例2的封堵效果最佳。
尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (10)

1.一种新型钻井液纳米封堵剂，其特征在于，包括以下重量份的各组分：SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物10-20份、磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液60-70份、改性沥青粉末10-20份、无定形土5-10份，所述SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物为粒径在100-300纳米的二氧化硅与N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三甲氧基硅烷按照重量比20：1的比例混合后搅拌均匀后制得，SiOx中x的取值范围为0＜x＜2。
2.如权利要求1所述的一种新型钻井液纳米封堵剂，其特征在于，所述磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液中的磺化苯乙烯和丁二烯共聚物制备方法如下：等摩尔的苯乙烯和丁二烯在75-85摄氏度下反应2小时，再用甲醇溶剂润洗，得到白色粉末，即苯乙烯丁二烯共聚物，将反应制得的白色粉末以DMF作溶剂，加入三氧化硫吡啶溶液进行磺酸化1.5小时，固体析出后加入氢氧化钠溶液中和，过滤烘干后得到白色固体磺化苯乙烯和丁二烯共聚物。
3.如权利要求2所述的一种新型钻井液纳米封堵剂，其特征在于，所述磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液包括以下重量份的各组分：磺化苯乙烯和丁二烯共聚物60份、水40份。
4.如权利要求1所述的一种新型钻井液纳米封堵剂，其特征在于，所述改性沥青粉末为由天然沥青粉通过聚季铵盐聚合物改性得到，其粒径为50-200微米。
5.如权利要求1所述的一种新型钻井液纳米封堵剂，其特征在于，所述无定形土为具有亲油性质的粘土粉末。
6.一种新型钻井液纳米封堵剂的制备方法，用于制备权利要求1-5任一项所述的新型钻井液纳米封堵剂，其特征在于，包括以下步骤：
S1、使用喷淋器将磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液均匀的喷洒到SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物的表面；
S2、将S1制备得到的SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物在40-50摄氏度下低温干燥；
S3、再次使用喷淋装置将磺化苯乙烯和丁二烯共聚物乳液均匀喷淋到S2得到的SiO2与SiOx微晶颗粒混合物的表面；
S4、将S3制备得到的SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物在40-50摄氏度下低温干燥；
S5、将S4制备得到的SiO2与 SiOx微晶颗粒混合物与改性沥青粉末、无定形土按照比例混合均匀。
7.一种含权利要求1-5任一项所述的新型钻井液纳米封堵剂的水基钻井液，其特征在于，包括以下重量份的各组分：权利要求1-5任一项所述的新型钻井液纳米封堵剂20-30份、膨润土30份、流型调节剂4-6份、降滤失剂10-15份、封堵剂25-30份、加重剂10-50份、 pH调节剂0.1-0.4份。
8.如权利要求7所述的一种水基钻井液，其特征在于，所述米封堵剂为25-30份。
9.如权利要求7所述的一种水基钻井液，其特征在于，所述膨润土为钠基膨润土，所述流型调节剂为黄原胶，所述降滤失剂为聚阴离子纤维素，所述加重剂为重晶石，所述pH调节剂为氢氧化钠。
10.如权利要求7所述的一种水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液的pH为9.5-10.5，密度为1.25-1.45克/立方厘米。
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