CN116814230A - 一种稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液及其制备方法与应用。本发明的水基钻井液包括以下质量份的原料：基浆100份、增粘提切剂0.1‑0.5份、降滤失剂2‑5份、抗高温防塌剂2‑3份、封堵剂3‑4份、润滑剂1‑2份、纳米疏水材料1‑3份、超细碳酸钙1‑2份、固体润滑剂1‑2份、复合铵盐0.5‑1份、KCl 5‑7份。本发明还提供了上述水基钻井液的制备方法。本发明首先制备可提高岩石表面接触角的纳米疏水材料，从而构建疏水成膜防塌水基钻井液，通过降低岩石表面自由能和对水的吸附，来解决复杂泥页岩地层的表面水化和渗透水化问题，同时该纳米材料可兼具物理封堵的作用，并且抗温抗盐性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及一种稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液及其制备方法与应用，属于钻井液技术领域。
背景技术
油气钻井过程中，井壁稳定问题是世界范围内普遍存在的问题。井壁失稳造成的井壁垮塌、缩径、漏失、卡钻及储层污染等井下复杂情况和事故，不仅严重威胁钻井安全、延长钻井周期，而且大幅度增加钻井成本。据统计，全世界范围内每年由于井壁失稳造成的经济损失大约为7-10亿美元。近年来，由于水平井、大位移井、多分支井等复杂结构井逐年增多，井壁失稳问题更为突出，已成为制约油气钻井工程的关键技术难题。
泥页岩水化是导致井壁失稳的重要因素，原因在于钻井过程中钻井液侵入地层引起地层黏土矿物水化膨胀，导致岩石强度降低。钻井过程中所钻遇的地层75％由泥页岩组成，而90％以上的井壁失稳发生在泥页岩井段。其中，易水化泥页岩地层的井壁失稳通常更加严重。因此，复杂泥页岩地层的井壁稳定对于安全经济高效钻井具有十分重要的意义。
基于仿生学原理的纳米防水技术在建筑、木材、电子、玻璃等行业取得了巨大的成功，但是在钻井液领域鲜有报道，对于稳定井壁具有重要研究价值。荷叶“出淤泥而不染”，根本原因在于其表面的纳微米层次结构和蜡质疏水成分使其不沾水。依据此仿生学原理建立的纳米防水技术在物体表面形成的纳米级薄层，能够有效阻隔水分子，目前在建筑、木材、电子、玻璃领域应用广泛，取得了显著的成效。
钻井液中水进入近井壁，水化膨胀导致井壁岩石强度降低是造成泥页岩井壁失稳的主要原因，而岩石表面的亲水性是导致泥页岩水化的根本原因。目前稳定井壁的钻井液技术主要有泥页岩抑制技术和地层孔缝封堵技术。
页岩抑制剂是提高水基钻井液泥页岩抑制性能和降低井壁失稳的重要途径。传统的页岩抑制剂如无机盐类、有机盐类、聚合醇类、沥青等仍在广泛应用，新型胺基类抑制剂在高性能水基钻井液中应用效果较为突出，得到越来越多的研究和应用。目前大多数页岩抑制剂主要针对泥页岩渗透水化，难以起到抑制表面水化的作用。表面水化是导致井壁失稳不可忽视的重要因素，其引起的泥页岩膨胀量虽小，但是膨胀压极大。对于高活性易水化泥页岩地层，尤其是复杂结构井钻井过程中遇到的易水化泥页岩地层(例如页岩气地层)，由于现有抑制剂表面水化抑制效果较弱，钻井液抑制剂性能仍有待进一步提高，并且现有的页岩抑制剂的抗高温和高盐性能较差。例如，中国专利文献CN108165241A提供了一种双疏型复合材料的制备方法，包括步骤如下：在碱性条件下，在醇水混合溶剂中，将纳米TiO2和纳米SiO2进行第一混合，得到纳米TiO2和纳米SiO2的分散液；而后将含氟硅偶联剂引入至所述纳米TiO2和纳米SiO2的分散液中并进行第二混合。中国专利文献CN11366461A提供用于脆性地层的抗高温超疏水泥页岩抑制剂，其利用该阳离子含氟硅氧烷对二氧化硅进行改性制备得到，将岩心片在本发明制备的抗高温超疏水泥页岩抑制剂的1％水溶液中浸泡16h后，烘干测定接触角可达150°以上，疏水效果非常明显。然而，上述纳米颗粒在高温和高盐度下的分散稳定性较差，高温和盐会导致纳米颗粒聚结团聚，严重影响纳米颗粒的分散性。
对地层孔缝的封堵可以直接降低钻井液的侵入，降低深部泥页岩水化和地层孔隙压力，从而稳定井壁。目前钻井过程中最常用的钻井液封堵剂包括刚性颗粒、纤维材料、柔性颗粒以及纳米封堵剂。国内外钻井液封堵技术难以实现对地层孔缝的快速、完全封堵。针对易水化泥页岩地层，即使利用“刚性封堵剂+柔性封堵剂+纤维封堵剂+纳米封堵剂”的多元复合封堵技术，也难以解决复杂易水化地层的井壁垮塌问题。
对于复杂结构井钻井过程中遇到的复杂泥页岩地层，上述技术仍难以较好解决井壁失稳问题。因次，亟需研发一种可大幅度提高岩石表面接触角的抗高温高盐的水基钻井液用纳米疏水材料，从而构建疏水成膜防塌水基钻井液，来解决复杂泥页岩地层的井壁失稳问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液及其制备方法与应用。本发明针对复杂泥页岩地层的井壁失稳问题，依据荷叶不沾水仿生学原理，研发一种可大幅度提高岩石表面接触角的水基钻井液用纳米疏水材料，从而构建疏水成膜防塌水基钻井液，通过降低岩石表面自由能和对水的吸附，来解决复杂泥页岩地层的表面水化和渗透水化问题，同时该纳米材料可兼具物理封堵的作用，并且抗温抗盐性能优异，为泥页岩地层的安全、经济、高效钻井提供理论基础与技术支撑。
本发明的技术方案如下：
一种稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，该水基钻井液包括以下质量份的原料：基浆100份、增粘提切剂0.1-0.5份、降滤失剂2-5份、抗高温防塌剂2-3份、封堵剂3-4份、润滑剂1-2份、纳米疏水材料1-3份、超细碳酸钙1-2份、固体润滑剂1-2份、复合铵盐0.5-1份、KCl 5-7份；
所述纳米疏水材料为氟硅烷偶联剂和长链硅氧烷改性的纳米二氧化硅。
根据本发明优选的，所述纳米疏水材料按照下述方法制备得到：
(1)纳米二氧化硅的预处理
将二氧化硅加入盐酸溶液中，进行第一反应；反应完成后，过滤，洗涤；将洗涤所得二氧化硅加入碱性溶液中，进行第二反应；反应完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到活性纳米二氧化硅；
(2)表面改性
将步骤(1)所得活性纳米二氧化硅、氟硅烷偶联剂和长链硅氧烷溶于溶剂中，进行表面改性反应；反应完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到纳米疏水材料。
进一步优选的，步骤(1)中所述二氧化硅的粒径为30-50纳米。
进一步优选的，步骤(1)中所述盐酸溶液的质量分数为36-38％；所述盐酸溶液的体积与二氧化硅的质量之比为5-15mL:1g。
进一步优选的，步骤(1)中所述第一反应的温度为25-30℃；所述第一反应的时间为6-10h。
进一步优选的，步骤(1)中所述碱性溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，所述碱性溶液的浓度为0.03-0.05mol/L；所述碱性溶液的体积与二氧化硅的质量之比为5-15mL:1g。
进一步优选的，步骤(1)中所述第二反应的温度为25-30℃；所述第二反应的时间为3-5h。
进一步优选的，步骤(1)中所述洗涤均为使用去离子水洗涤3-5次；所述干燥为在60-70℃下真空干燥6-10h。
进一步优选的，步骤(2)中所述氟硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷或十七氟癸基三乙氧基硅烷；所述氟硅烷偶联剂与活性纳米二氧化硅的质量比为0.25-2:1，进一步优选为0.5-1:1。
进一步优选的，步骤(2)中所述长链硅氧烷为十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷或十八烷基三甲氧基硅烷；所述长链硅氧烷与活性纳米二氧化硅的质量比为0.5-4.5:1，进一步优选为1-2:1。
进一步优选的，步骤(2)中所述溶剂为去离子水和无水乙醇的混合溶液，混合溶液中去离子水和无水乙醇的体积比为1:2-4；所述溶剂的体积与活性纳米二氧化硅的质量之比为100-300mL:1g。
进一步优选的，步骤(2)中所述表面改性反应的温度为60-80℃，表面改性反应的时间为2-4h。
进一步优选的，步骤(2)中所述洗涤为依次用去离子水和乙醇各洗涤3-5次；所述干燥为在60-70℃下干燥10-12h。
根据本发明优选的，所述基浆按照下述方法制备得到：在高速搅拌条件下，向水中加入膨润土、无水碳酸钠，低速搅拌条件下老化24h，配制成膨润土基浆；所述膨润土为钠基膨润土或钙基膨润土进行钠化改性中的一种；以100mL水为基准，所述膨润土的质量为2-4g，所述无水碳酸钠的质量为0.2-0.35g；所述高速搅拌的转速为800-1000r/min；所述低速搅拌的转速为300-500r/min。
根据本发明优选的，所述增粘提切剂为抗高温疏水缔合共聚物，其制备方法为现有技术，可参照中国专利文献CN114805680A制备。
根据本发明优选的，所述降滤失剂的制备方法为现有技术，可参照中国专利文献CN111875758A制备。
根据本发明优选的，所述抗高温防塌剂的制备方法为现有技术，可参照中国专利文献CN111138594A制备。
根据本发明优选的，所述封堵剂为交联聚合物纳米微球，其制备方法为现有技术，可参照中国专利文献CN111499790A制备。
根据本发明优选的，所述润滑剂为丙烯酸酯单体组合物聚合制备的聚合物刷润滑剂，其制备方法为现有技术，可参照中国专利文献CN114805670A制备。
根据本发明优选的，所述超细碳酸钙的粒径为1250目。
根据本发明优选的，所述固体润滑剂为石墨类润滑剂，普通市售产品。
根据本发明优选的，所述复合铵盐为水解聚丙烯腈铵盐，普通市售产品。
根据本发明优选的，所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液还包括加重剂，所述加重剂的添加量使钻井液体系加重至所需密度即可；所述加重剂为重晶石。
根据本发明，上述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液的制备方法，包括步骤如下：
向基浆中依次加入增粘提切剂、降滤失剂、抗高温防塌剂、封堵剂、润滑剂、纳米疏水材料、超细碳酸钙、固体润滑剂、复合铵盐、KCl，加入每一种药品之后，均要进行20min的高速搅拌，所述高速搅拌的速度为6000r/min，得到稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液。
根据本发明优选的，所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液的制备方法，还包括以下步骤：加入KCl后，再加入加重剂，在6000r/min的转速下搅拌20min。
根据本发明，上述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液在泥页岩地层钻探中的应用。
本发明的技术特点及有益效果如下：
1、本发明的水基钻井液中加入了纳米疏水材料，该纳米疏水材料是由特定比例的氟硅烷偶联剂和长链硅氧烷对纳米二氧化硅进行改性得到，氟硅烷偶联剂与长链硅氧烷可增强纳米颗粒的疏水性，大幅度提高岩石表面接触角，由于氟硅烷与长链硅氧烷与纳米二氧化硅之间形成的是Si-O-Si化学键，因此在高温和高盐条件下具有稳定性。
2、本发明的基于纳米疏水材料的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液可有效改变岩石润湿性，抑制其表面水化，有利于增强井壁稳定性；本发明的疏水成膜防塌水基钻井液能够抗高温，能够满足深层高温需要。
3、本发明的疏水成膜防塌水基钻井液体系是由环保性材料构建的，环保性能好，为泥页岩地层的安全、经济、高效钻井提供理论基础与技术支撑。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
同时实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中所用膨润土为钠基膨润土。
所用增粘提切剂为抗高温疏水缔合共聚物，参照中国专利文献CN114805680A实施例1制备。
所用降滤失剂参照中国专利文献CN111875758A实施例1制备。
所用抗高温防塌剂参照中国专利文献CN111138594A实施例1制备。
所用封堵剂为交联聚合物纳米微球，参照中国专利文献CN111499790A实施例1制备。
所用润滑剂为丙烯酸酯单体组合物聚合制备的聚合物刷润滑剂，参照中国专利文献CN114805670A实施例1制备。
所用超细碳酸钙的粒径为1250目，河北威臣环保科技有限公司有售。
所用固体润滑剂为石墨类润滑剂，山东巨鑫达化工科技有限公司有售。
所用复合铵盐为水解聚丙烯腈铵盐(NH4-HPAN)，山东巨鑫达化工科技有限公司售；
实施例中所用二氧化硅的粒径为30-50nm。
上述处理剂也可是其他公司同类产品。
制备例1
纳米疏水材料的制备方法，包括步骤如下：
(1)纳米二氧化硅的预处理
将5g二氧化硅加入50mL的盐酸溶液(质量分数为37％)中，在25℃下反应8h，反应过程中的搅拌速度为500r/min，以增加纳米二氧化硅表面的羟基；反应完毕后，过滤，所得沉淀用去离子水清洗3次，除去表面残余的盐酸；然后将所得二氧化硅加入50mL的氢氧化钠溶液(浓度0.04mol/L)中，在25℃反应4h，反应过程中的搅拌速度为500r/min，将纳米二氧化硅表面的羟基转化为活性负电荷；反应完成后，过滤，所得沉淀用去离子水洗涤3次，在60℃下真空干燥6h，得到活性纳米二氧化硅。
(2)表面改性
将2g步骤(1)制备的活性纳米二氧化硅、1.5g十七氟癸基三乙氧基硅烷和3g十八烷基三甲氧基硅烷溶于200mL去离子水和乙醇的混合溶液中(水:乙醇＝1:3，v/v)，然后转移至500mL三颈烧瓶中，在70℃下搅拌反应3小时，反应过程中的搅拌速度为500r/min，完成表面改性；之后过滤，所得沉淀依次用去离子水和乙醇各洗涤3次，之后在60℃干燥10h，得到纳米疏水材料。
制备例2
纳米疏水材料的制备方法，包括步骤如下：
(1)纳米二氧化硅的预处理
同制备例1步骤(1)。
(2)表面改性
将2g步骤(1)制备的活性纳米二氧化硅、0.75g十七氟癸基三乙氧基硅烷和3g十八烷基三甲氧基硅烷溶于200mL去离子水和乙醇的混合溶液中(水:乙醇＝1:3，v/v)，然后转移至500mL三颈烧瓶中，在70℃下搅拌反应3小时，反应过程中的搅拌速度为500r/min，完成表面改性；之后过滤，所得沉淀依次用去离子水和乙醇各洗涤3次，之后在60℃干燥10h，得到纳米疏水材料。
制备例3
纳米疏水材料的制备方法，包括步骤如下：
(1)纳米二氧化硅的预处理
同制备例1步骤(1)。
(2)表面改性
将2g步骤(1)制备的活性纳米二氧化硅、1.5g十七氟癸基三乙氧基硅烷和1g十八烷基三甲氧基硅烷溶于200mL去离子水和乙醇的混合溶液中(水:乙醇＝1:3，v/v)，然后转移至500mL三颈烧瓶中，在70℃下搅拌反应3小时，反应过程中的搅拌速度为500r/min，完成表面改性；之后过滤，所得沉淀依次用去离子水和乙醇各洗涤3次，之后在60℃干燥10h，得到纳米疏水材料。
制备例4
纳米疏水材料的制备方法，包括步骤如下：
(1)纳米二氧化硅的预处理
同制备例1步骤(1)。
(2)表面改性
将1g步骤(1)制备的活性纳米二氧化硅、1.5g十七氟癸基三乙氧基硅烷和3g十八烷基三甲氧基硅烷溶于200mL去离子水和乙醇的混合溶液中(水:乙醇＝1:3，v/v)，然后转移至500mL三颈烧瓶中，在70℃下搅拌反应3小时，反应过程中的搅拌速度为500r/min，完成表面改性；之后过滤，所得沉淀依次用去离子水和乙醇各洗涤3次，之后在60℃干燥10h，得到纳米疏水材料。
制备对比例1
一种纳米疏水材料的制备方法如制备例1所述，所不同的是：不加入氟硅烷偶联剂。
制备对比例2
一种纳米疏水材料的制备方法如制备例1所述，所不同的是：不加长链硅氧烷。
制备对比例3
一种纳米疏水材料的制备方法如制备例1所述，所不同的是：不进行纳米二氧化硅的预处理。
制备对比例4
一种纳米疏水材料的制备方法如制备例1所述，所不同的是：步骤(2)中只使用水作溶剂。
制备对比例5
一种纳米疏水材料的制备方法如制备例1所述，所不同的是：步骤(2)中加入6g氟硅烷偶联剂。
制备对比例6
一种纳米疏水材料的制备方法如制备例1所述，所不同的是：步骤(2)中加入12g长链硅氧烷。
下述实施例或对比例中所用纳米疏水材料采用制备例1制备的纳米疏水材料。
实施例1
一种稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，包括以下质量份的原料：
基浆100份、增粘提切剂0.1份、降滤失剂2份、抗高温防塌剂2份、封堵剂3份、润滑剂1份、纳米疏水材料1份、超细碳酸钙1份、固体润滑剂1份、复合铵盐0.5份、KCl7份，使用重晶石加重至钻井液体系密度为1.5g/cm3。
所述基浆按照下述方法制备得到：在转速为1000r/min的搅拌条件下，向500mL水中加入20g膨润土、1.5g无水碳酸钠，在转速为300r/min的搅拌条件下老化24h，配制成膨润土基浆。
上述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液的制备方法，包括步骤如下：
向基浆中依次加入增粘提切剂、降滤失剂、抗高温防塌剂、封堵剂、润滑剂、纳米疏水材料、超细碳酸钙、固体润滑剂、复合铵盐、KCl，重晶石，加入每一种药品之后，均要在6000r/min的转速下搅拌20min，制得稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液。
实施例2
一种稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，包括以下质量份的原料：
基浆100份、增粘提切剂0.1份、降滤失剂2份、抗高温防塌剂2份、封堵剂3份、润滑剂1份、纳米疏水材料2份、超细碳酸钙1份、固体润滑剂1份、复合铵盐0.5份、KCl7份，使用重晶石加重至钻井液体系密度为1.5g/cm3。
所述基浆的制备方法如实施例1所述。
上述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液的制备方法如实施例1所述。
实施例3
一种稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，包括以下质量份的原料：
基浆100份、增粘提切剂0.1份、降滤失剂2份、抗高温防塌剂2份、封堵剂3份、润滑剂1份、纳米疏水材料3份、超细碳酸钙1份、固体润滑剂1份、复合铵盐0.5份、KCl7份，使用重晶石加重至钻井液体系密度为1.5g/cm3。
所述基浆的制备方法如实施例1所述。
上述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液的制备方法如实施例1所述。
对比例1
一种水基钻井液如实施例1所述，所不同的是：不加入纳米疏水材料。
对比例2
一种水基钻井液如实施例1所述，所不同的是：使用聚丙烯酰胺钾盐代替纳米疏水材料。
对比例3
一种水基钻井液如实施例1所述，所不同的是：使用二氧化硅来代替纳米疏水材料。
试验例1纳米疏水材料性能测试
1、纳米疏水材料抑制剂性能评价
抑制剂溶液配制：将2％(8g)制备例与制备对比例制备的纳米疏水材料分别加入到400mL水中，在转速为4000r/min条件下搅拌20min，制得抑制剂溶液。
抑制性能评价：称取20g干燥的6～10目大小的易水化岩石，加入到配制好的抑制剂溶液中，之后在200℃下滚动老化16小时，通过40目的筛子进行过滤，并使用清水充分冲洗，将筛余的岩石在105℃的烘箱中烘干4h后，称量岩石的质量M(单位g)，计算页岩的滚动回收率，计算方式如下：
滚动回收率＝M/20×100％
线性膨胀实验：根据中华人民共和国石油天然气行业标准《钻井液用页岩抑制剂评价方法》(SY/T 6335-1997)测试膨润土的16h线性膨胀量。实验结果见表1。
表1纳米疏水材料的抑制性能
结果表明，制备例中所制备的纳米疏水材料均具有较好的抑制效果，回收率达到80％以上，线性膨胀量在4mm以下。其中，制备例1因各单体的比例最优，抑制效果最佳；制备例2中氟硅烷偶联剂比例较小，制备例3中长链硅氧烷比例较小，氟硅烷偶联剂与长链硅氧烷均可增强纳米颗粒的疏水性，其占比减小，影响改性效果，所得纳米疏水材料的抑制性能较差。制备例4中，纳米颗粒比例偏小，对页岩的封堵作用相对变弱。制备对比例1、2不加入氟硅烷偶联剂或长链硅氧烷，均大大降低疏水抑制剂的疏水性，因而抑制效果较差；制备对比例3未进行纳米颗粒预处理，因此纳米颗粒表面羟基数较少，与硅烷偶联剂形成Si-O-Si键的能力较弱，改性效果较差，因此其抑制性能较差；对比例4只用水作溶剂，改性效果较差。对比例5和对比例6因加入过量的氟硅烷偶联剂或长链硅氧烷，导致纳米粒子之间搭桥絮凝，使稳定性变差，因此抑制效果较差。
2、纳米疏水材料改变岩石润湿性能评价
取直径约2.5cm的页岩片放入老化罐内，分别加入制备例与制备对比例的抑制剂溶液(制备方法如抑制剂性能评价所述)，于滚子炉中滚动加热16h，加热温度为200℃。冷却后将岩片冲洗干净，烘干后使用接触角测量仪，测定岩片润湿性，结果如表2所示。
表2纳米疏水材料改变岩石润湿性能
如表2所示，清水中岩片接触角仅为18°，表明岩石强烈亲水。制备例中接触角均远大于90°，表明岩石表面已由强亲水性转变为疏水。由于纳米疏水材料分子中有多个吸附基团，强吸附于岩石表面后，纳米颗粒在岩石表面形成微纳米结构，改变岩石表面润湿性，达到疏水效果。制备对比例中纳米颗粒疏水改性程度较差，因此对岩石润湿性的改变程度较差。
3、纳米疏水材料抗温及抗盐性能评价
溶液配制：将2％(8g)制备例1与制备对比例制备的纳米疏水材料分别加入到400mL水中，在转速为4000r/min条件下搅拌20min，然后加入5％(20g)的NaCl，以相同方式再次搅拌，制得溶液。
性能评价：将上述制备的溶液加入老化罐中，在200℃下老化16h，使用ZetasizerNano ZS纳米粒度仪测量上述溶液中纳米疏水材料的平均粒径Y2，同时测试25℃下不加入NaCl的抑制剂溶液中纳米疏水材料的粒径Y1，并计算其粒径变化率，其结果如表3所示。
粒径变化率按照下述公式计算得到：变化率＝(Y2-Y1)/Y1*100％。
表3纳米疏水材料在高温和盐影响下的粒度
结果表明，与常温和不加盐下相比，在200℃老化后，尽管有盐的加入，制备例中制备的纳米疏水材料的平均粒径变化较小；而制备对比例中纳米疏水材料的平均粒径显著增大，表明其在高温和盐的影响下发生了团聚，纳米颗粒的团聚会影响钻井液的流变滤失性能。
试验例2钻井液性能测试
1、钻井液流变滤失性能评价
将实施例与对比例制备的水基钻井液在200℃下热滚老化16h。根据美国石油协会(API)标准(API RP 13B-1,2009)测试所配制的钻井液老化前后的流变参数(表观粘度AV、塑性粘度PV、动切力YP)、钻井液API滤失量(FLAPI)、和高温高压滤失量HTHP，实验结果见表4。
表4钻井液流变滤失性能
从表4结果可知，所制备的稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液的粘度、切力适宜，流变性能良好，老化前后流失参数相差不大，体系性能稳定。此外，所制备的钻井液常温常压滤失量小于5mL，高温高压滤失量小于20mL，表明此钻井液体系具有良好的滤失性，可有效封堵岩石内部微孔，减少钻井液滤液侵入地层，抑制岩石水化，有利于增强井壁稳定性。对比例1未加纳米疏水材料，缺少纳米颗粒的封堵作用，因此滤失量较高；对比例2加入的是聚丙烯酰胺钾盐，同样不具有纳米颗粒的封堵效应，会导致滤失量有所增加；对比例3使用未改性纳米二氧化硅，与改性纳米疏水材料相比，分散性较差，封堵性较差，滤失较高。
2、钻井液性抑制和封堵性能性能评价。
称取20g干燥的6～10目大小的易水化岩石，加入到配制好的钻井液体系中。将钻井液在200℃下滚动老化16小时，钻井液通过40目的筛子进行过滤，并使用清水充分冲洗，将筛余的岩石在105℃的烘箱中烘干4h后，称量岩石的质量，计算得到钻井液体系对易水化泥页岩的滚动回收率。
利用高温高压砂盘封堵装置对钻井液体系的封堵性能进行测试，实验温度为200℃×3.5MPa，陶瓷砂盘的孔径为10μm。实验结果见表5。
表5钻井液性抑制性能、封堵性能
由实验结果看出，老化后实施例中稳定井壁的纳米涂层强疏水水基钻井液页岩滚动回收率大于94％，砂盘滤失量相对较小，表明所制备的钻井液有优异的抑制性与封堵性。纳米疏水材料表面有多个吸附基团，可与岩石发生强吸附，在岩石表面形成疏水膜结构，改变岩石润湿性，阻止水侵入岩石，具有良好的封堵抑制性。对比例1中，由于未加纳米疏水材料，因此润湿改变和封堵性较差，回收率和砂盘滤失量均相对较高。对比例2中纳米疏水材料替换为常用的聚胺类抑制剂，由于纳米疏水材料可有效抑制岩石表面水化，抑制性能更佳，而替换为常用聚胺类抑制剂，其抑制性能降低，因此页岩回收率较低；对比例3中未改性纳米二氧化硅具有少量封堵作用，但效果不佳。
3、钻井液的润滑性评价
使用极压润滑仪测试实施例与对比例制备的水基钻井液的摩阻系数，结果如表6所示。
表6钻井液润滑性评价结果
| 体系 | 密度/g/cm3 | 摩阻系数 |
| 实施例1 | 1.5 | 0.14 |
| 实施例2 | 1.5 | 0.13 |
| 实施例3 | 1.5 | 0.15 |
| 对比例1 | 1.5 | 0.24 |
| 对比例2 | 1.5 | 0.22 |
| 对比例3 | 1.5 | 0.20 |
钻井液的润滑性对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、快速钻进起至关重要的作用。由结果可知，实施例所制备的钻井液摩阻系数均在0.15以下，表明钻井液具有良好的润滑性能。这是因为，本发明的纳米疏水材料是球形颗粒，可以填充在摩擦面的孔隙之内，且起到“滚珠”作用，变滑动摩擦为滚动摩擦，从而减小摩擦力。对比例1未加入纳米疏水材料，润滑性相对较差；对比例2所加入的聚丙烯胺钾盐不具备润滑性能；对比例3所加入的未改性纳米二氧化硅具有少量润滑效果。
4、钻井液的环保性评价
钻井液生物毒性一般采用GB/T15440-1995发光细菌法进行评价，生物毒性等级划分标准见表7。对实施例与对比例制备的水基钻井液滤液进行生物毒性评价，结果见表8。
表7生物毒性等级划分标准
表8钻井液生物毒性评价结果
| 体系 | 密度/g/cm3 | EC50/(mg/L) | 毒性等级 |
| 实施例1 | 1.5 | 31612 | 无毒 |
| 实施例2 | 1.5 | 32045 | 无毒 |
| 实施例3 | 1.5 | 31862 | 无毒 |
| 对比例1 | 1.5 | 31154 | 无毒 |
| 对比例2 | 1.5 | 30046 | 无毒 |
| 对比例3 | 1.5 | 31146 | 无毒 |
随之环保法规日益严格，对钻井液的环保性能提出了严格的要求。因此，抗高温环保钻井液成为重要的发展方向。由表8可知，实施例所配置的钻井液EC50均在30000以上，表明其无毒且达到排放要求。
Claims (10)
1.一种稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，其特征在于，该水基钻井液包括以下质量份的原料：基浆100份、增粘提切剂0.1-0.5份、降滤失剂2-5份、抗高温防塌剂2-3份、封堵剂3-4份、润滑剂1-2份、纳米疏水材料1-3份、超细碳酸钙1-2份、固体润滑剂1-2份、复合铵盐0.5-1份、KCl 5-7份；
所述纳米疏水材料为氟硅烷偶联剂和长链硅氧烷改性的纳米二氧化硅。
2.根据权利要求1所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，其特征在于，所述纳米疏水材料按照下述方法制备得到：
(1)纳米二氧化硅的预处理
将二氧化硅加入盐酸溶液中，进行第一反应；反应完成后，过滤，洗涤；将洗涤所得二氧化硅加入碱性溶液中，进行第二反应；反应完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到活性纳米二氧化硅；
(2)表面改性
将步骤(1)所得活性纳米二氧化硅、氟硅烷偶联剂和长链硅氧烷溶于溶剂中，进行表面改性反应；反应完成后，经过滤、洗涤、干燥，得到纳米疏水材料。
3.根据权利要求2所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，其特征在于，步骤(1)中所述二氧化硅的粒径为30-50纳米；
所述盐酸溶液的质量分数为36-38％；所述盐酸溶液的体积与二氧化硅的质量之比为5-15mL:1g；所述第一反应的温度为25-30℃；所述第一反应的时间为6-10h；
优选的，步骤(1)中所述碱性溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，所述碱性溶液的浓度为0.03-0.05mol/L；所述碱性溶液的体积与二氧化硅的质量之比为5-15mL:1g；所述第二反应的温度为25-30℃；所述第二反应的时间为3-5h；
步骤(1)中所述洗涤均为使用去离子水洗涤3-5次；所述干燥为在60-70℃下真空干燥6-10h。
4.根据权利要求2所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，其特征在于，步骤(2)中所述氟硅烷偶联剂为十三氟辛基三甲氧基硅烷、十七氟癸基三甲氧基硅烷或十七氟癸基三乙氧基硅烷；所述氟硅烷偶联剂与活性纳米二氧化硅的质量比为0.25-2:1，优选为0.5-1:1；所述长链硅氧烷为十二烷基三甲氧基硅烷、十六烷基三甲氧基硅烷或十八烷基三甲氧基硅烷；所述长链硅氧烷与活性纳米二氧化硅的质量比为0.5-4.5:1，优选为1-2:1。
5.根据权利要求2所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，其特征在于，步骤(2)中所述溶剂为去离子水和无水乙醇的混合溶液，混合溶液中去离子水和无水乙醇的体积比为1:2-4；所述溶剂的体积与活性纳米二氧化硅的质量之比为100-300mL:1g；
优选的，步骤(2)中所述表面改性反应的温度为60-80℃，表面改性反应的时间为2-4h；所述洗涤为依次用去离子水和乙醇各洗涤3-5次；所述干燥为在60-70℃下干燥10-12h。
6.根据权利要求1所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，其特征在于，所述基浆按照下述方法制备得到：在高速搅拌条件下，向水中加入膨润土、无水碳酸钠，低速搅拌条件下老化24h，配制成膨润土基浆；所述膨润土为钠基膨润土或钙基膨润土进行钠化改性中的一种；以100mL水为基准，所述膨润土的质量为2-4g，所述无水碳酸钠的质量为0.2-0.35g；所述高速搅拌的转速为800-1000r/min；所述低速搅拌的转速为300-500r/min。
7.根据权利要求1所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液，其特征在于，所述超细碳酸钙的粒径为1250目；所述固体润滑剂为石墨类润滑剂；所述复合铵盐为水解聚丙烯腈铵盐；
优选的，所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液还包括加重剂，所述加重剂的添加量使钻井液体系加重至所需密度；所述加重剂为重晶石。
8.权利要求1所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液的制备方法，包括步骤如下：
向基浆中依次加入增粘提切剂、降滤失剂、抗高温防塌剂、封堵剂、润滑剂、纳米疏水材料、超细碳酸钙、固体润滑剂、复合铵盐、KCl，加入每一种药品之后，均要进行20min的高速搅拌，所述高速搅拌的速度为6000r/min，得到稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液。
9.根据权利要求8所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：加入KCl后，再加入加重剂，在6000r/min的转速下搅拌20min。
10.权利要求1所述稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液在泥页岩地层钻探中的应用。
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| CN202310575709.3A CN116814230A (zh) | 2023-05-22 | 2023-05-22 | 一种稳定井壁的纳米有机硅疏水成膜防塌水基钻井液及其制备方法与应用 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117210208A (zh) * | 2023-11-08 | 2023-12-12 | 中石化西南石油工程有限公司 | 一种多重双效防塌环保高性能钻井液及其制备方法 |
| CN117447975A (zh) * | 2023-12-26 | 2024-01-26 | 中国石油大学(华东) | 疏水纳米棒防塌剂及其制备方法与应用 |
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2023
- 2023-05-22 CN CN202310575709.3A patent/CN116814230A/zh active Pending
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