CN113403047A - 一种纳米乳液封堵剂的合成及水基钻井液 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米乳液封堵剂的合成及水基钻井液。该水基钻井液所用封堵剂为纳米乳液，所述纳米乳液封堵剂合成原料包括苯乙烯、丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物；所述钻井液包含有本发明的纳米乳液。本发明的纳米乳液作为纳米封堵剂，其粒径分布在25‑60nm之间，能够有效的封堵泥页岩井壁中纳米尺寸的孔隙，从而可以有效稳定井壁、防止垮塌；本发明所使用的水基钻井液在泥页岩地层条件下的流变性、稳定性以及封堵性等方面性能良好。

Description

一种纳米乳液封堵剂的合成及水基钻井液

技术领域

本发明涉及油气田钻井技术领域，具体涉及一种纳米乳液封堵剂及其包含有该纳米封堵剂的水基钻井液。

背景技术

在页岩气水平井钻井的过程中，井壁失稳一直是困扰石油钻井的技术难题。由于页岩的水敏性强，地层裂缝发育，如何通过钻井液技术抑制泥页岩黏土水化膨胀、封堵页岩微细、微纳米孔缝，防止钻井液或者滤液进入地层，降低因水化或毛细管力对页岩地层造成的影响，防止页岩井壁坍塌从根本上解决页岩钻井中的井壁稳定问题。因此，有效的封堵裂缝便成了目前页岩水基钻井液研究的难点。

泥页岩地层孔隙尺寸小，渗透率低。钻井过程中，对近井壁的纳米裂缝进行有效封堵是避免井壁失稳的有效手段之一。泥页岩地层的孔隙尺寸属于纳米级尺度，要实现对纳米级孔隙的有效封堵就必须采用纳米级尺寸的封堵材料。而目前国内外钻井工程常用的是沥青类和乳化石蜡封堵剂，这类材料颗粒粒度都较大，对于裂缝缝隙尺寸较大的地层封堵效果较好，但是与纳米裂缝之间不能形成尺寸匹配，不能形成良好的内泥饼，所以不能实现对纳米裂缝地层的有效封堵。

发明内容

针对目前常规封堵剂无法有效封堵泥页岩中的裂缝而导致的井壁失稳问题，本发明提供了一种纳米乳液封堵剂，其粒径为纳米级，能够有效对泥页岩地层中的纳米级裂缝进行封堵，从而达到稳定井壁的目的。且研制了一种能适用于页岩地层的新型纳米封堵水基钻井液替代油基钻井液能够解决井壁稳定、储层污染等问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种纳米乳液封堵剂及其水基钻井液。所述纳米乳液封堵剂的原料包括为苯乙烯、丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物、偶氮类引发剂、复合乳化剂，所述纳米乳液封堵剂的制备步骤如下：

首先，称取乳化剂于反应器中，并加入去离子水使之溶解，通氮气20-30min后，再称取苯乙烯、丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物于反应器中，并用20-25％的NaOH水溶液将体系pH值调节到6.5-7.5之间，接着将反应器升温至50-60℃，再加入引发剂反应4-5h，得到纳米乳液封堵剂。

所述乳化剂为复配乳化剂吐温80和司班80；

所述丙烯酸酯类化合物为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯中的一种；

所述丙烯酰胺类化合物为丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-苄基丙烯酰胺、N-叔丁基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基甲基丙烯酰胺、2-甲基丙烯酰胺中的一种；

所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异戊腈、偶氮二异庚腈中的一种。

所述复配乳化剂吐温80和司班80的质量比为1:2-2.2；

所述丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物、苯乙烯的质量比为1:2-2.2:3-3.2；

所述乳化剂的加量为丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物以及苯乙烯三种单体总重量的1-2％；

所述引发剂的加量为丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物以及苯乙烯三种单体总重量的1-3％。

本发明的另一种目的是提供一种水基钻井液，所述钻井液添加有本发明所述的纳米乳液封堵剂。

以重量份计，所述钻井液的组成如下：根据权利要求5所述的水基钻井液，其特征在于，所述钻井液包括以下组分：100重量份的水，2-5重量份膨润土+0.1-0.3重量份NaOH+0.01-0.03重量份KPAM+0.3-0.8重量份PAC-LV+4-6重量份RSTF+5-6重量份SMP-1+3-5重量份FRH+1-2重量份PPL+4-5重量份FK-10+0.3-0.5重量份SP-80+1-5重量份纳米乳液封堵剂+1-1.5重量份除硫剂+0.3-0.5重量份CaO+5-20重量份重晶石。

本发明有益效果如下：

本发明所制备的纳米乳液封堵剂的粒径分布在25-60nm之间，能够有效的对泥页岩地层中的纳米级别裂缝进行封堵，从而达到稳定井壁的效果；本发明所使用的水基钻井液在泥页岩地层条件下的流变性、稳定性以及封堵性等方面性能良好。

附图说明

图1为实施例一中纳米乳液封堵剂的粒径分布图；

图2为实施例二中纳米乳液封堵剂的粒径分布图；

图3为实施例三中纳米乳液封堵剂的粒径分布图；

图4为实施例四中纳米乳液封堵剂的粒径分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明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做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。

本实施例中，若无特殊说明，所述的份数均为重量份数。

1、纳米乳液的合成：

实施例1：

称取0.03g吐温80和0.06g司班80于反应器中，并加入50ml去离子水使之溶解，通氮气25min后，再分别称取3.0g苯乙烯、1.0g丙烯酸甲酯、2.0g丙烯酰胺于反应器中，并用20％的NaOH水溶液将体系pH值调节到6.8，接着将反应器升温至50℃，再加入0.12g偶氮二异丁腈反应4h，得到1号纳米乳液封堵剂。

实施例2：

首先，称取0.044g吐温80和0.088g司班80于反应器中，并加入55ml去离子水使之溶解，接着通入氮气28min，再分别称取3.72g苯乙烯、1.2g丙烯酸乙酯、2.4gN-异丙基丙烯酰胺于反应器中，并用22％的NaOH水溶液将体系pH值调节到7.0，然后将反应器升温至55℃，再加入0.18g偶氮二异戊腈反应4h，得到2号纳米乳液封堵剂。

实施例3：

称取0.06g吐温80和0.12g司班80于反应器中，并加入65ml去离子水使之溶解，通氮气25min后，再分别称取4.8g苯乙烯、1.5g丙烯酸丁酯、3.3gN-叔丁基丙烯酰胺于反应器中，并用21％的NaOH水溶液将体系pH值调节到7.1，接着将反应器升温至54℃，再加入0.29g偶氮二异庚腈反应4h，得到3号纳米乳液封堵剂。

实施例4：

首先，称取0.05g吐温80和0.1g司班80于反应器中，并加入60ml去离子水使之溶解，通氮气25min后，再分别称取4.2g苯乙烯、1.4g甲基丙烯酸丁酯、2.94gN,N-二甲基丙烯酰胺于反应器中，并用25％的NaOH水溶液将体系pH值调节到7.0，接着将反应器升温至60℃，再加入0.22g偶氮二异丁腈反应4h，得到4号纳米乳液封堵剂。

2、水基钻井液的配置：

以100重量份淡水为基准，本实施例通过以下方法对水基钻井液配方进行说明，具体水基钻井液配方如下∶100重量份水+3重量份膨润土+0.3重量份NaOH+0.03重量份KPAM+0.6重量份PAC-LV+6重量份RSTF+6重量份SMP-1+4重量份FRH+1.5重量份PPL+4.5重量份FK-10+0.5重量份SP-80+1.5重量份除硫剂+0.5重量份CaO+12重量份重晶石。

1)膨润土浆的预水化

在室温下，将3重量份的膨润土在搅拌的情况下均匀的加入100重量份的自来水中，再加入0.3重量份的纯碱，在转速为2000r/min的情况下搅拌30min后，密封静置24h，即得预水化膨润土浆。

2)在步骤1)制备的预水化膨润土浆中，于2500r/min的搅拌器下搅拌5min后，依次加入0.03重量份KPAM，0.6重量份PAC-LV，6重量份RSTF，6重量份SMP-1，4重量份FRH，1.5重量份PPL，4.5重量份FK-10，0.5重量份SP-80，1.5重量份除硫剂，0.5重量份CaO，12重量份重晶石。每加入一种物质后，需搅拌10～15min再加入另一种物质，制得基浆。

3)分别取4份相同量的步骤2)中制备的基浆于4个搪瓷量杯中，在2500r/min的转速下分别加入0、1、2、3重量份实施例1中合成的1号纳米乳液封堵剂，搅拌30min，即得仅封堵剂加量不同的钻井液1-4。

4)采用同样的方法加入实施例2中合成的纳米乳液封堵剂，即得到仅封堵剂加量不同的钻井液5-8。采用同样的方法加入实施例3中合成的纳米乳液封堵剂，即得到仅封堵剂加量不同的钻井液9-12。

为了进一步说明本发明纳米乳液封堵剂以及水基钻井液的效果，对实施例1、实施例2、实施例3与实施例4制备的纳米乳液封堵剂以及水基钻井液进行性能测试。

1、纳米乳液封堵剂粒径测试

利用美国布鲁克海文仪器公司生产的BI-200SM型激光散射仪对纳米乳液封堵剂进行粒径测试，四个实施例中制备的纳米乳液封堵剂粒径测试结果分别如图1、图2、图3、图4所示。本发明纳米乳液封堵剂的粒径均为纳米尺寸，且大致分布在25-60nm之间，与泥页岩中纳米级别的孔喉尺寸匹配度较高，可以对其进行有效封堵。

2、纳米乳液封堵剂的封堵性能测试

量取前述预水化膨润土浆1000g，在高速8000r/min下电动搅拌30分钟；再依次加入50gSMP-1，50gSMC，1.5gHF-1，100g6000目重晶石，每加入一种物质后，需搅拌15min再加入另一种物质。然后将基浆置于150℃下热滚16h。

将上述混合物均匀搅拌10min后，取100mL转移到高温高压失水仪中，将温度设置为150℃、压力设置为3.5MPa，在该条件下失水30min，制得泥饼，然后再根据K＝Qμl/(AΔP)公式计算泥饼的渗透率，在计算泥饼渗透率时，水基钻井液的粘度按1×10^-3Pa·S计。封堵率为(泥饼渗透率-钻井液渗透率)/泥饼渗透率×100％。

按照前文所述方法制备滤饼，选取渗透率大致相同的滤饼，将不同加量的纳米乳液封堵剂各配制100mL，超声分散10min，转入装有滤饼的高温高压失水仪中，在150℃、3.5MPa的相同条件下依次测试，每5min记录读数，测量30min，取出泥饼，吹风机吹干后根据利用公式计算得到不同加量的纳米乳液封堵剂的渗透率，结果见表1。

表1对泥饼的封堵性能测试数据

根据表1可知，纳米乳液作为纳米封堵剂，可有效降低泥饼渗透率，在纳米乳液封堵剂的加入量为1％时，实施例1-4中泥饼的渗透率分别下降87.2％、87.4％、86.9％、87.2％，随着纳米乳液加量的增加，其封堵效果更佳，而当加量超过2％后，泥饼渗透率仍在下降，但下降几乎不明显。说明本发明的纳米乳液封堵剂对低渗透率的具有较好的效果，并且本发明的纳米乳液的最佳添加量为2％。

3、水基钻井液性能测试

根据前文水基钻井液的配制，将实施例1-4中制备的纳米乳液封堵剂替换为常用的封堵材料MB-1(一种以硫酸钡为主的刚性封堵材料)以配置四种水基钻井液进行对比，再将四个对比例置于相同的条件下进行钻井液性能测试。

表2水基钻井液性能参数

注：HTHP的温度为150℃，压力为3.5MPa。

通过上表可知，由实施例1、实施例2、实施例3及实施例4制备的纳米乳液作为纳米封堵剂配制的水基钻井液，其YP/PV值分别为0.42、0.43、0.43、0.50，此时钻井液在环空的流动类型属于平板型层流，其特点为在较低的粘度下具有较高的携岩能力，同时，对井壁的冲刷作用较小，因此该水基钻井液具有良好的流变性。此外，将所有实施例的水基钻井液性能与刚性封堵材料MB-1作为封堵剂的水基钻井液性能相比，其API高温高压滤失量更低，因此本发明所合成的一种纳米乳液封堵剂所配置的钻井液性能更好。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种纳米乳液封堵剂的合成及水基钻井液，其特征在于，所述纳米乳液的原料为苯乙烯、丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物，采用如下步骤制备而成：

首先，称取乳化剂于反应器中，并加入去离子水使之溶解，通氮气20-30min后，再称取苯乙烯、丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物于反应器中，并用20-25％的NaOH水溶液将体系pH值调节到6.5-7.5之间，接着将反应器升温至50-60℃，再加入引发剂反应4-5h，得到纳米乳液封堵剂。

2.根据权利要求1所述的纳米乳液封堵剂，其特征在于，所述乳化剂为复配乳化剂吐温80和司班80；所述丙烯酸酯类化合物为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯中的一种；所述丙烯酰胺类化合物为丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、N-羟乙基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、N-苄基丙烯酰胺、N-叔丁基丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N,N-二甲基甲基丙烯酰胺、2-甲基丙烯酰胺中的一种；所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异戊腈、偶氮二异庚腈中的一种。

3.根据权利要求1和2所述的纳米乳液封堵剂，其特征在于，所述复配乳化剂吐温80和司班80的质量比为1:2-2.2；所述丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物、苯乙烯的质量比为1:2-2.2:3-3.2；所述乳化剂的加量为丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物以及苯乙烯三种单体总重量的1-2％；所述引发剂的加量为丙烯酸酯类化合物、丙烯酰胺类化合物以及苯乙烯三种单体总重量的1-3％。

4.一种水基钻井液，其特征在于，所述钻井液中添加有权利要求1-4任一所述的纳米乳液封堵剂。

5.根据权利要求4所述的水基钻井液，其特征在于，所述钻井液包括以下组分：水，膨润土，NaOH，聚丙烯酰胺钾盐(KPAM)，聚阴离子纤维素(PAC-LV)，腐植酸丙磺酸酰胺多元共聚物(RSTF)，磺化酚醛树脂(SMP-1)，酰胺基胺(FRH)，防卡降滤失剂(PPL)，防卡润滑剂(FK-10)，乳化剂(SP-80)，纳米乳液封堵剂，除硫剂，CaO，重晶石。

6.根据权利要求4和5所述的水基钻井液，其特征在于，以100重量份的水为基准，所述，膨润土的加量为2-5重量份，所述NaOH的加量为0.1-0.3重量份，所述KPAM的加量为0.01-0.03重量份，所述PAC-LV的加量为0.3-0.8重量份，所述RSTF的加量为4-6重量份，所述SMP-1的加量为5-6重量份，所述FRH的加量为3-5重量份，所述PPL的加量为1-2重量份，所述FK-10的加量为4-5重量份，所述SP-80的加量为0.3-0.5重量份，所述纳米乳液封堵剂的加量为1-5重量份，所述除硫剂的加量为1-1.5重量份，所述CaO的加量为0.3-0.5重量份，所述重晶石的加量为5-20重量份。

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