CN114350331B

CN114350331B - 一种基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂及水基钻井液

Info

Publication number: CN114350331B
Application number: CN202210082547.5A
Authority: CN
Inventors: 谢刚; 雷震; 邓明毅; 白杨; 范莉; 罗玉婧; 陈宇; 王平全
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2042-01-24
Also published as: CN114350331A

Abstract

本发明公开了一种基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂及水基钻井液，属于油气田钻井技术领域。所述基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂的原料为纳米二氧化硅、含氨基的硅烷偶联剂、D‑丙氨酸甲酯盐酸盐、含双键的氯代物和含磺酸官能团的胺类化合物，通过分步法制备得来，含有季铵官能团和磺酸官能团，具有较强的吸附性能和抗温抗盐性能。其中，封堵剂的合成原料易得，合成方法简单可靠。合成的基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂粒径分布在146‑843nm之间，能够对泥页岩井壁中的纳米级孔缝进行有效封堵。该封堵剂可直接加入水基钻井液中，其配伍性能良好，能够有效阻止钻井液向地层内部渗透，进而稳定井壁、防止坍塌，具有良好的封堵降滤失效果。

Description

一种基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂及水基钻井液

技术领域

本发明涉及油气田钻井技术领域，具体涉及基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂及包含有该封堵剂的水基钻井液。

背景技术

页岩气的开采一直是石油与天然气行业研究的重点。在钻井作业过程中，面对地层微裂缝发育的硬脆性和破碎性地层，钻井液封堵性能至关重要。在正压差驱动下，钻井液容易侵入这些微裂隙而产生水力尖劈作用，使裂缝不断扩展变大并连通。常规的封堵剂对微米级别的孔缝能够起到较好的封堵效果，但针对纳米级别的孔缝，没有与之相对应的封堵材料进行有效封堵，导致井壁失稳现象在复杂地层频发。研究表明，钻井液滤失量过大时，滤液易侵入深部地层，地层岩石强度降低显著，容易导致井壁失稳，出现井漏、遇阻、掉块等井下复杂情况。现有的水基钻井液封堵材料多为微米封堵材料，无法这针对纳米孔缝进行有效封堵，使得钻井液滤失量无法进一步降低。因此，研究了适用于水基钻井液的封堵材料-基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂。

纳米二氧化硅是一种强度较高且性价比好的纳米材料，在各个领域得到了广泛运用。对纳米二氧化硅进行改性使其能够均匀分散在钻井液中。纳米二氧化硅本身具有耐高温的性能，在其基础上接枝磺酸官能团可以增加其抗盐能力，在高盐环境中也能保持良好的封堵效果；季铵官能团能够加强封堵剂对地层的吸附能力，在激动压力或抽汲压力下更容易保持形成的封堵层的稳定性。纳米二氧化硅为纳米级材料，不仅可以进入纳米级的孔缝实现有效封堵，还可以进入微米孔缝参与架桥填充，起到良好的封堵效果，对维持井壁稳定，加快钻进周期，降低钻井成本有着重要的意义。

发明内容

针对目前常规封堵剂无法有效封堵页岩中的纳米孔缝而导致的井壁失稳问题，本发明提供了一种基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂，其粒径为纳米级，能够有效对页岩地层中的纳米级孔缝进行封堵，从而达到稳定井壁的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂，其特征在于，所述基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂其制备步骤如下：

S1、称取0.5～1摩尔的纳米二氧化硅在100～150mL无水乙醇中，超声分散30～45min，加入盐酸溶液调节pH值至4～5，再加入2～3摩尔的含氨基的硅烷偶联剂得到混合液，将混合液在50～70℃条件下搅拌3～4h，反应结束后放入离心机中，以5000rpm的转速离心5min，然后过滤，之后用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到改性纳米二氧化硅；

S2、将120-150ml的乙酸甲酯引入250mL圆底三颈瓶中，加入0.5～1摩尔的改性纳米二氧化硅，并超声分散30-40min，再分别加入1～3摩尔D-丙氨酸甲酯盐酸盐，随后加入0.5～1摩尔的O-(7-氮杂苯并三唑-1-基)-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸季铵盐，在50～70℃下冷却回流5～7小时，之后用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到改性纳米二氧化硅接枝聚合物；

S3、将0.5～1摩尔改性纳米二氧化硅接枝聚合物分散于100～150mL的蒸馏水中，加入1～5mL浓度为36％的浓盐酸，1～3摩尔的含双键的氯代物，冷凝回流5～8小时，将得到的产物用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到季铵化改性纳米二氧化硅；

S4、将0.5～1摩尔的季铵化改性纳米二氧化硅分散在100～150mL的去离子水中，在20～30℃的条件下缓慢加入1.5～3.5摩尔的含磺酸官能团的胺类化合物，搅拌反应30～40min后移至油浴锅中，在50～70℃条件下搅拌10～12h；反应结束后，减压蒸馏除去溶剂，将得到的产物用去离子水洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂。

所述步骤S1中含氨基的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种。

所述步骤S3中的含双键的氯代物为氯丙烯、3-氯-2-甲基丙烯、1-氯-2-丁烯、3-氯-1-丁烯、4-氯-1-丁烯、1-氯-3-甲基-2-丁烯、5-氯-1-戊烯、2-氯-3-丁烯-1-醇、反-4-氯巴豆醇、6-氯-1-己烯、3-(2-氯乙氧基)-丙烯、氯乙酸乙烯酯、丙烯酸氯乙酯和氯乙酸丙烯酯中的一种。

所述步骤S3中含磺酸官能团的胺类化合物为N-(2-乙酰胺基)-2-氨基乙磺酸、脒基牛磺酸、牛磺酸、3-氨基-1-丙磺酸、3-双(2-羟乙基)氨基-2-羟基丙磺酸、三羟甲基甲胺基丙磺酸和3-三羟甲基甲胺-2-羟基丙磺酸中的一种。

一种水基钻井液，其特征在于，所述钻井液中含有权利要求1-4所述的基于纳米二氧化硅强吸附封堵剂，以重量份计，所述钻井液包括以下组分：100份的淡水，1-10份膨润土，0.5-1份流型调节剂，2-5份降滤失剂，10-20份抑制剂，2-5份润滑剂，3-6份天然沥青，0-210份加重剂，2.5-5份pH调节剂，1-5份基于纳米二氧化硅强吸附封堵剂。

水基钻井液中，所述降滤失剂为STARFLO和EnPOLY中的一种，所述抑制剂为JH-MULF；所述润滑剂为石墨粉；所述加重剂为重晶石；所述pH调节剂为NaOH和KOH中的一种；其中，VIS-B、STARFLO、EnPOLY和JH-MULF来自荆州嘉华科技有限公司。

所述水基钻井液的pH为8.5-10。

所述水基钻井液在不加基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂时的密度为1.05-2.10g/cm³。

本发明有益效果如下：

本发明所制备的基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂的粒径分布在146-843nm之间，能够有效的对页岩地层中的纳米级别孔缝进行封堵，从而达到稳定井壁的效果；其结构中官能团使得封堵剂对地层的吸附性能大大加强，能够很好的吸附在地层表面，进而增强了封堵剂的封堵性能；磺酸官能团能够提高封堵剂的抗盐性能，在高盐地层中也能保持封堵的稳定性。本发明所使用的水基钻井液在页岩地层条件下的流变性以及封堵性等方面性能良好。

附图说明

图1为实施例一中基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂的粒径分布图；

图2为实施例二中基于纳米二氧化硅强吸附抗盐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。

1、基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂的合成

实施例1：

S1、称取1摩尔的纳米二氧化硅在120mL无水乙醇中，超声分散30min，加入盐酸溶液调节pH值至5，再加入2.5摩尔的γ-氨丙基三乙氧基硅烷得到混合液，将混合液在60℃条件下搅拌3.5h，反应结束后放入离心机中，以5000rpm的转速离心5min，然后过滤，之后用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到改性纳米二氧化硅；

S2、将120ml的乙酸甲酯引入250mL圆底三颈瓶中，加入1摩尔的改性纳米二氧化硅，并超声分散30min，再分别加入2.5摩尔D-丙氨酸甲酯盐酸盐，随后加入1摩尔的O-(7-氮杂苯并三唑-1-基)-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸季铵盐，在60℃下冷却回流6小时，之后用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到改性纳米二氧化硅接枝聚合物；

S3、将1摩尔改性纳米二氧化硅接枝聚合物分散于120mL的蒸馏水中，加入4mL浓度为36％的浓盐酸，2.5摩尔的4-氯-1-丁烯，冷凝回流6小时，将得到的产物用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到季铵化改性纳米二氧化硅；

S4、将1摩尔的季铵化改性纳米二氧化硅分散在120mL的去离子水中，在25℃的条件下缓慢加入3摩尔的3-氨基-1-丙磺酸，搅拌反应30min后移至油浴锅中，在60℃条件下搅拌12h；反应结束后，减压蒸馏除去溶剂，将得到的产物用去离子水洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂。

实施例2：

S1、称取0.5摩尔的纳米二氧化硅在100mL无水乙醇中，超声分散30min，加入盐酸溶液调节pH值至5，再加入1.5摩尔的N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷得到混合液，将混合液在60℃条件下搅拌3.5h，反应结束后放入离心机中，以5000rpm的转速离心5min，然后过滤，之后用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到改性纳米二氧化硅；

S2、将120ml的乙酸甲酯引入250mL圆底三颈瓶中，加入0.5摩尔的改性纳米二氧化硅，并超声分散30min，再分别加入1.5摩尔D-丙氨酸甲酯盐酸盐，随后加入0.5摩尔的O-(7-氮杂苯并三唑-1-基)-N,N,N',N'-四甲基脲四氟硼酸季铵盐，在60℃下冷却回流6小时，之后用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到改性纳米二氧化硅接枝聚合物；

S3、将0.5摩尔改性纳米二氧化硅接枝聚合物分散于100mL的蒸馏水中，加入2mL浓度为36％的浓盐酸，1.5摩尔的1-氯-2-丁烯，冷凝回流6小时，将得到的产物用去离子水和无水乙醇洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到季铵化改性纳米二氧化硅；

S4、将0.5摩尔的季铵化改性纳米二氧化硅分散在100mL的去离子水中，在25℃的条件下缓慢加入1.5摩尔的牛磺酸，搅拌反应30min后移至油浴锅中，在60℃条件下搅拌12h；反应结束后，减压蒸馏除去溶剂，将得到的产物用去离子水洗涤固体物质3次，最后，将固体置于60℃烘箱中真空干燥24h，得到基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂。

2、水基钻井液的配制：

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+5重量份膨润土+0.5重量份VIS-B+4重量份STARFLO+12重量份JH-MULF+3重量份石墨粉+3重量份天然沥青+2.5重量份NaOH+60重量份重晶石。

1)膨润土浆的预水化

在室温下，将5重量份的膨润土在搅拌的情况下均匀的加入100重量份的淡水中，再加入0.025重量份的纯碱，在转速为2000rpm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2500rpm的搅拌器下搅拌5min后，依次加入0.5重量份VIS-B，4重量份STARFLO，3重量份石墨粉，2.5重量份NaOH，12重量份JH-MULF，3重量份天然沥青，60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。

为了进一步说明本发明基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂以及水基钻井液的效果，对实施例1和实施例2中的基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂以及水基钻井液进行性能测试。

1、基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂粒径测试

利用美国布鲁克海文仪器公司生产的BI-200SM型激光散射仪对基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂进行粒径测试，实施例1制得的基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂的粒径见图1，实施例2制得的基于纳米二氧化硅强吸附封堵剂的粒径见图2，从图1和图2可以看出，本发明基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂分布在146-843nm之间。

2、基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂与水基钻井液的配伍性

配制好的水基钻井液(基浆)中加入实施例1和实施例2中合成的不同加量(以钻井液体积为基数)的基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂，在160℃下老化16h,测定流变性能，结果见表1。

通过表1可知，实施例1与实施例2以基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂配制的水基钻井液，其YP/PV值均属于0.40-0.50的范围，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。加入基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂后，AV与PV值随着加量的增加而增加，整体变化率低于20％，说明该封堵剂与水基钻井液具有良好的配伍性。

表1加入不同加量封堵剂的水基钻井液性能参数

注：HTHP的温度为160℃，压力为3.5MPa。

3、基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂的封堵性能测试

使用前述预水化膨润土浆，根据钻井液配方配制基浆。各取100mL的基浆加入不同加量的基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂，160℃老化16h后，在160℃，3.5MPa的条件下，进行使用高温高压失水仪进行高温高压滤失实验，记录30min内浆体的滤失量。测试结束后，取出泥饼吹干，用针入度仪在泥饼表面随机选取8～10个点，计算平均值，即为泥饼的厚度。最后根据渗透率K＝Qμl/(AΔP)计算泥饼的渗透率，渗透率降低率为(基浆的泥饼渗透率-添加封堵剂后的泥饼渗透率)/基浆的泥饼渗透率×100％，其渗透率降低率的结果见表2.

由表2可知，基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂加入水基钻井液中，可有效降低渗透率，随着封堵剂加量的增加，泥饼的渗透逐渐降低，当基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂加量超过3％时，渗透率降低不明显，说明最佳加量为3％；在基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂加入量为3％时，实施例1和实施例2的渗透率分别下降85.30％和86.32％，结果表明基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂对降低渗透率具有较好的效果。

表2.不同加量的基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂的渗透率降低率

类型	泥饼渗透率(10<sup>-3</sup>mD)	渗透率降低率(％)
			基浆	6.87	—
基浆+1％实施例1	2.84	58.66
			基浆+1％实施例2	2.76	59.83
基浆+2％实施例1	1.68	75.55
			基浆+2％实施例2	1.71	75.11
基浆+3％实施例1	1.01	85.30
			基浆+3％实施例2	0.94	86.32
基浆+4％实施例1	0.99	85.59
			基浆+4％实施例2	0.91	86.75
基浆+5％实施例1	1.03	85.01
			基浆+5％实施例2	0.95	86.17

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

1.一种基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂，其特征在于，所述基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂其制备步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中含氨基的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的含双键的氯代物为氯丙烯、3-氯-2-甲基丙烯、1-氯-2-丁烯、3-氯-1-丁烯、4-氯-1-丁烯、1-氯-3-甲基-2-丁烯、5-氯-1-戊烯、2-氯-3-丁烯-1-醇、反-4-氯巴豆醇、6-氯-1-己烯、3-(2-氯乙氧基)-丙烯、氯乙酸乙烯酯、丙烯酸氯乙酯和氯乙酸丙烯酯中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中含磺酸官能团的胺类化合物为N-(2-乙酰胺基)-2-氨基乙磺酸、脒基牛磺酸、牛磺酸、3-氨基-1-丙磺酸、3-双(2-羟乙基)氨基-2-羟基丙磺酸、三羟甲基甲胺基丙磺酸和3-三羟甲基甲胺-2-羟基丙磺酸中的一种。

5.一种水基钻井液，其特征在于，所述钻井液中含有权利要求1-4所述的基于纳米二氧化硅强吸附封堵剂，以重量份计，所述钻井液包括以下组分：100份的淡水，1-10份膨润土，0.5-1份流型调节剂，2-5份降滤失剂，10-20份抑制剂，2-5份润滑剂，3-6份天然沥青，0-210份加重剂，2.5-5份pH调节剂，1-5份基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂。

6.根据权利要求5所述的水基钻井液，其特征在于，所述流型调节剂为VIS-B，所述降滤失剂为STARFLO和EnPOLY中的一种，所述抑制剂为JH-MULF；所述润滑剂为石墨粉；所述加重剂为重晶石；所述pH调节剂为NaOH和KOH中的一种；其中，VIS-B、STARFLO、EnPOLY和JH-MULF来自荆州嘉华科技有限公司。

7.根据权利要求5所述的水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液的pH为8.5-10。

8.根据权利要求5所述的水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液在不加基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂时的密度为1.05-2.10g/cm³。