CN114381244B - 一种二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂及油基钻井液 - Google Patents

一种二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂及油基钻井液 Download PDF

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Abstract

一种二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂及油基钻井液，属于油气田钻井技术领域，所述二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂以纳米二氧化锆(20‑50nm)、含氨基的硅烷偶联剂、二烯丙基苯类化合物、含氧的双乙胺类化合物、长链金刚烷基丙烯酸脂类化合物、二乙烯基苯类交联剂为原料。本发明提供的二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂，其粒径在150‑370nm之间，封堵性能相比于同类封堵剂性能有显著提升，除了其封堵性能之外，该封堵剂还抗高温，对油基钻井液的性能参数影响较小，可应用于深井、超深井中。该封堵剂还具有原料易得，价格便宜等优点，所提供的合成方法稳定可靠，简单快捷，适用于工业化生产。

Description

一种二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂及油基钻井液
技术领域
本发明涉及油气田钻井技术领域，具体涉及一种二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂及油基钻井液。
背景技术
页岩气是一种非常规油气资源，其潜力巨大，全球页岩气预测资源量约为456×1012m3，目前在国内外钻井中，经常存在井壁不稳定问题，百口井的统计说明，所钻页岩地层占所钻总地层的70％，而90％以上的井塌发生在页岩地层。页岩具有特殊的孔缝结构，属超低孔、低渗类型，多为纳米级孔喉。针对页岩气的成藏特征，水平井钻井已成为页岩气开发的主要钻井方式。不管使用水基钻井液体系或者油基钻井液体系钻页岩地层都会出现井壁垮塌的现象，其根本原因是“水力劈裂作用”，钻井液或滤液进入裂缝，使裂缝张开，同时大大降低缝面间摩擦力，使坍塌压力大幅度上升。若不能有效封堵住裂缝阻断泥浆液相进入裂缝，则不能防塌。
目前油基钻井液常用的封堵材料多为刚性或柔性材料，刚性材料承压能力较强，但在当地层孔缝在压力的作用下开启和闭合时，其形成的封堵层容易失效，会影响封堵效果；柔性材料具有形变的功能，能够在压力的作用下发生形变进入孔缝形成封堵，当存在抽汲压力和激动压力时，其封堵层的承压能力不强，也会造成封堵层的破坏；且当今常用的油基封堵材料多为微米级材料，对于尺寸一般在纳米-微米之间的裂缝，其粒子只能在裂缝表面沉积，极易被钻井液冲刷，钻具的碰撞等作用破坏，起不到良好的封堵效果。因此，研究一种外柔内刚型油基纳米封堵材料是解决井壁不稳问题的关键。
发明内容
针对目前常规封堵剂无法有效封堵泥页岩中的纳米裂缝而导致的井壁失稳问题，本发明提供了一种二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂，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油基钻井液能够解决井壁稳定问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂及油基钻井液，其特征在于，所述二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂的原料为纳米二氧化锆(20-50nm)、含氨基的硅烷偶联剂、二烯丙基苯类化合物、含氧的双乙胺类化合物、长链金刚烷基丙烯酸脂类化合物，采用如下步骤合成：
S1、在100mL甲苯中加入0.16-0.21mol纳米二氧化锆，升温至25-30℃后超声分散1h，继续向其中加入50mL浓度为10％的含氨基的硅烷偶联剂，超声分散20min，并在80-90℃的条件下搅拌反应5h，减压蒸馏2h得到粗产品，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，得到改性二氧化锆；
S2、将S1制得的改性二氧化锆用100-120mL甲苯分散，加入0.25-0.3mol二烯丙基苯类化合物，在65-75℃的条件下反应36h，减压蒸馏2h，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，取0.25-0.3mol干燥后的产品加入到100-120mL甲苯中，搅拌至分散，保持通入氮气30-40min，缓慢加入0.25-0.3mol含氧的双乙胺类化合物，升温至10℃，反应48h后，减压蒸馏并用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，得到末端官团能为胺的化合物；
S3、将S2制得的末端官能团为胺的化合物用110-120mL甲苯分散，加入0.25-0.3mol长链金刚烷基丙烯酸脂类化合物和二乙烯基苯类交联剂，在75-80℃的条件下反应48h，减压蒸馏2h，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，将烘干的样品研磨，得到改性二氧化锆化合物(150-370nm)。
所述的含氨基的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH540)，3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)中的一种。
所述的封堵剂，其特征在于，所述二烯丙基苯类化合物为间二烯丙基苯，二烯丙基苯磷化氢，二烯丙基苯基膦酸酯中的一种。
所述的封堵剂，其特征在于，所述含氧的双乙胺类化合物为2,2'-氧双(乙胺)，2,2'-(乙烯二氧)双(乙胺)中的一种。
所述的封堵剂，其特征在于，所述的长链金刚烷基丙烯酸脂类化合物为1,3-金刚烷二醇单丙烯酸酯，3-羟基-1-金刚烷基甲基丙烯酸酯，2-金刚烷基丙烯酸酯，2-金刚烷基-甲基丙烯酸酯，2-甲基-2-金刚烷基甲基丙烯酸酯中的一种。
所述的封堵剂，其特征在于，所述的二乙烯基苯类交联剂为二乙烯苯，对二乙烯苯中的一种。
所述钻井液按重量份包括以下组分：80.0份的基础油，20.0份的CaCl2盐水，2.5～4.5份的主乳化剂，1.5～2.5份的辅乳化剂，2.5～3.0份的有机土，0.5～0.8份的润湿剂，2.0～3.0份的生石灰，1.5～4.0份的降滤失剂，1.5～5.0份的二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂，0.5～1.0成膜封堵剂，0～230份的重晶石组成。
所述的油基钻井液，其特征在于，基础油为3#白油，CaCl2盐水浓度为25％，主乳化剂为HW Pmul-1，辅乳化剂为HW Smul-1，有机土为HW Gel-3，润湿剂为HW Wet-1，降滤失剂为HW Trol-101；其中，HW Pmul-1、HW Smul-1、HW Gel-3、HW Trol-101和HW Wet-1来自成都西油华巍科技有限公司。
本发明有益效果如下：
1、本发明的合成方法简单，合成所需化合物价格低廉，易于生产。
2、本发明提供的页岩封堵剂性能稳定，适应性强，具有抗高温和优异的封堵性能，能满足各种复杂井况的钻井要求。
3、本发明提供的页岩封堵剂粒径为150-370nm，可以对页岩地层中的纳米孔缝进行封堵，且不易团聚，可以保持良好的分散性，封堵率性能优异。
附图说明
图1为实施例一中二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂的粒径分布图；
图2为实施例二中二氧化锆接枝金刚烷纳米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。
一、二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂的合成：
实施例1：
(1)二氧化锆的改性
在100mL甲苯中加入0.16mol纳米二氧化锆，升温至25℃后超声分散1h，继续向其中加入50mL浓度为10％的γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH540)，超声分散20min，并在80℃的条件下搅拌反应5h，减压蒸馏2h得到粗产品，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，得到改性二氧化锆。
(2)二氧化锆接枝氨基化合物的合成
将(1)制得的改性二氧化锆用100mL甲苯分散，加入0.25mol 1,4-戊二烯-3-醇，在60℃的条件下反应24h，减压蒸馏2h，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，取0.25mol干燥后的产品加入到100mL甲苯中，搅拌至分散，保持通入氮气20min，缓慢加入0.25mol 2,2'-氧双(乙胺)，升温至10℃，反应48h后，减压蒸馏并用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，得产品得到末端官团能为胺的化合物。
(3)二氧化锆接枝金刚硅烷化合物的合成
将(2)制得的末端官能团为胺的化合物用100mL甲苯分散，加入0.25mol 1,3-金刚烷二醇单丙烯酸酯和适量交联剂二乙烯基苯，在65℃的条件下反应48h，减压蒸馏2h，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，将烘干的样品研磨，得到改性二氧化锆化合物。
实施例2：
(1)二氧化锆的改性
在100mL甲苯中加入0.16mol纳米二氧化锆，升温至25℃后超声分散1h，继续向其中加入50mL浓度为10％的3-0氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)，超声分散20min，并在80℃的条件下搅拌反应5h，减压蒸馏2h得到粗产品，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，得到改性二氧化锆。
(2)二氧化锆接枝氨基化合物的合成
将(1)制得的改性二氧化锆用100mL甲苯分散，加入0.25mol 1,5-己二烯-3,4-二醇，在60℃的条件下反应24h，减压蒸馏2h，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，取0.25mol干燥后的产品加入到100mL甲苯中，搅拌至分散，保持通入氮气20min，缓慢加入0.25mol 2,2'-(乙烯二氧)双(乙胺)，升温至10℃，反应48h后，减压蒸馏并用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，得产品得到末端官团能为胺的化合物。
(3)二氧化锆接枝金刚硅烷化合物的合成
将(2)制得的末端官能团为胺的化合物用100mL甲苯分散，加入0.25mol 3-羟基-1-金刚烷基甲基丙烯酸酯和适量交联剂对二乙烯苯，在65℃的条件下反应48h，减压蒸馏2h，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，将烘干的样品研磨，得到改性二氧化锆化合物。
二、性能测试
1、二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂粒径测试
利用美国布鲁克海文仪器公司生产的BI-200SM型激光散射仪对二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂进行粒径测试，两个实施例中制备的二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂粒径测试结果分别如图1和图2所示。本发明一种二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂的粒径范围在150-370nm之间，可用于纳米封堵。
2、钻井液流变性能和失水造壁性能测试
油基钻井液的具体配制过程如下∶
将10.0g的主乳化剂HW Pmul-1、10.0g辅乳HW Smul-1、3.2g润湿剂HW Wet-1直接称取在高搅杯中；量取320mL 3#白油导入高搅杯中，将高搅杯置于高搅机上，以11000rpm高速搅拌，搅拌10min；用玻璃纸称取12.0g有机土HW Gel-3，在高搅状态下，将有机土HW Gel-3缓慢加入到高搅杯中，防止飞溅，高搅10min；在高搅状态下，量取80mL浓度为25％的CaCl2水溶液加入到高搅杯中，防止飞溅，高搅10min；在高搅状态下，将10.0g生石灰缓慢加入到高搅杯中，高搅10min；在高搅杯状态下，将14.0g的滤失剂YJ-101缓慢加入到高搅杯中，搅拌10min；在高搅状态下，将420.0g重晶石缓慢加入到高搅杯中，继续搅拌30min，制得基浆配置好的油基钻井液中加入不同加量(按体积分数计算)的实施例1、实施例2，在150℃下老化16h，测定油基钻井液的性能参数，结果见表1。
由表1所示的结果可以看出，与不加实施例1和实施例2的钻井液相比，当实施例1和实施例2在钻井液中加量为1％-4％时，钻井液性能未受到明显的影响，表明该钻井液封堵剂具有良好的配伍性能。随着实施例1和实施例2加量的增加，在同一实验条件下钻井液的表观黏度、塑性黏度有轻微上升，对切力的影响较小。在150℃下老化16h后的钻井液，随着实施例1和实施例2加量的增加，高温高压滤失量均逐渐减小，且均在加量为4％时高温高压滤失量最小，说明二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂具有良好的流变性能和失水造壁性能，且能有效降低钻井液高温高压滤失量，即使在高温环境下也能提供较好的封堵性能，有效阻止滤液进入地层，提高井壁稳定性。
表1钻井液性能记录表
Figure BDA0003486035390000051
注∶AV—表观黏度，单位为mPa·s；PV—塑性黏度，单位为mPa·s；YP—动切力，单位为Pa；API—常温中压滤失量，单位为mL；HTHP—高温高压滤失量，单位为mL。
3、钻井液封堵性能测试
选取渗透率为10-3mD级别的人造岩心，使用纳米CT扫描成像获取岩心图片，利用avizo可视化软件建立数字岩心模型，3D打印技术构建岩心，运用3D打印岩心模拟地层纳微米裂缝地层，将300mL未加封堵剂的钻井液为钻井液基浆，将分别加入1％、2％、3％、4％的300mL实施例1和实施例2封堵剂的钻井液，使用上述不同浓度的钻井液进行高温高压滤失实验，通过测量钻井液体系在3D打印岩心中的平均流量，通过达西公式，计算加入不同质量分数实施例1和实施例2封堵钻井液体系和不加任何封堵剂钻井液体系前后，测得3D打印岩心的渗透率从而计算得到实施例1和实施例2封堵剂对3D打印岩心的封堵率，从而评价其封堵性能。表2所示为实施例1和实施例2封堵剂对3D打印岩心封堵效果记录表。封堵率为(初始渗透率-封堵后渗透率)/初始渗透率×100％。
由表2所表示的结果可知，与不加实施例1和实施例2封堵剂的钻井液相比，加入不同比例实施例1和实施例2封堵剂后，对岩心的封堵率增加了，且当加入实施例1封堵剂为4％时，对岩心的封堵率最高可达到94.21％，加入实施例2封堵剂为4％时，对岩心的封堵率最高可达到94.83％，这表明实施例1和实施例2封堵剂可以对纳米裂缝实现有效的封堵，进而阻止钻井液进入岩心。
表2不同实施例1和实施例2加量下的封堵效果评价
名称 3D打印岩心渗透率/10<sup>-3</sup>mD 封堵后渗透率/10<sup>-3</sup>mD 封堵率/％
基浆 7.11 1.64 76.93
基浆+1％实施例1 7.82 0.93 88.11
基浆+1％实施例2 7.53 0.91 87.92
基浆+2％实施例1 7.36 0.75 89.80
基浆+2％实施例2 7.47 0.73 90.23
基浆+3％实施例1 7.98 0.54 93.23
基浆+3％实施例2 7.32 0.52 92.90
基浆+4％实施例1 7.25 0.42 94.21
基浆+4％实施例2 7.74 0.40 94.83
综上所述，本发明二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂的制备方法稳定可靠、合成产品价格低廉、制成的化合物封堵剂封堵性、流变性等方面性能优异，较同类产品有很大的提升，稳定井壁效果极佳。本封堵剂仅需少量就可以达到优异的封堵效果，是解决井壁稳定的有效途径。
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做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 (3)

1.一种二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂，其特征在于，所述二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂的原料为粒径为20-50nm的纳米二氧化锆、含氨基的硅烷偶联剂、二烯丙基苯类化合物、含氧的双乙胺类化合物、长链金刚烷基丙烯酸酯类化合物，采用如下步骤合成：
S1、在100mL甲苯中加入0.16-0.21mol纳米二氧化锆，升温至25-30℃后超声分散1h，继续向其中加入50mL浓度为10％的含氨基的硅烷偶联剂，超声分散20min，并在80-90℃的条件下搅拌反应5h，减压蒸馏2h得到粗产品，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，得到改性二氧化锆；
S2、将S1制得的改性二氧化锆用100-120mL甲苯分散，加入0.25-0.3mol二烯丙基苯类化合物，在65-75℃的条件下反应36h，减压蒸馏2h，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，取0.25-0.3mol干燥后的产品加入到100-120mL甲苯中，搅拌至分散，保持通入氮气30-40min，缓慢加入0.25-0.3mol含氧的双乙胺类化合物，升温至10℃，反应48h后，减压蒸馏并用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，得到末端官团能为胺的化合物；
S3、将S2制得的末端官能团为胺的化合物用110-120mL甲苯分散，加入0.25-0.3mol长链金刚烷基丙烯酸酯类化合物和二乙烯基苯类交联剂，在75-80℃的条件下反应48h，减压蒸馏2h，用甲苯洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥2h，将烘干的样品研磨，得到粒径为150-370nm的改性二氧化锆化合物；
上述步骤中，所述的含氨基的硅烷偶联剂为γ-氨丙基三甲氧基硅烷(KH540)，3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)中的一种；所述二烯丙基苯类化合物为间二烯丙基苯；所述含氧的双乙胺类化合物为2,2'-氧双(乙胺)，2,2'-(乙烯二氧)双(乙胺)中的一种；所述的长链金刚烷基丙烯酸酯类化合物为1,3-金刚烷二醇单丙烯酸酯，3-羟基-1-金刚烷基甲基丙烯酸酯中的一种；所述的二乙烯基苯类交联剂为二乙烯苯，对二乙烯苯中的一种。
2.一种油基钻井液，其特征在于，所述钻井液按重量份包括以下组分：80.0份的基础油，20.0份的CaCl2盐水，2.5～4.5份的主乳化剂，1.5～2.5份的辅乳化剂，2.5～3.0份的有机土，0.5～0.8份的润湿剂，2.0～3.0份的生石灰，1.5～4.0份的降滤失剂，权利要求1所述1.5～5.0份的二氧化锆接枝金刚烷纳米封堵剂，0.5～1.0成膜封堵剂，0～230份的重晶石组成。
3.根据权利要2所述的油基钻井液，其特征在于，基础油为3#白油，CaCl2盐水浓度为25％，主乳化剂为HW Pmul-1，辅乳化剂为HW Smul-1，有机土为HW Gel-3，润湿剂为HW Wet-1，降滤失剂为HW Trol-101；其中，HW Pmul-1、HW Smul-1、HW Gel-3、HW Trol-101和HWWet-1来自成都西油华巍科技有限公司。
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