CN117003967A - 一种页岩用改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液 - Google Patents

一种页岩用改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液 Download PDF

Info

Publication number
CN117003967A
CN117003967A CN202310941071.0A CN202310941071A CN117003967A CN 117003967 A CN117003967 A CN 117003967A CN 202310941071 A CN202310941071 A CN 202310941071A CN 117003967 A CN117003967 A CN 117003967A
Authority
CN
China
Prior art keywords
graphene oxide
modified graphene
drilling fluid
plugging agent
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202310941071.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117003967B (zh
Inventor
王平全
付旻皓
孙德
冉超
苏俊霖
谢刚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Petroleum University
Original Assignee
Southwest Petroleum University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Petroleum University filed Critical Southwest Petroleum University
Priority to CN202310941071.0A priority Critical patent/CN117003967B/zh
Publication of CN117003967A publication Critical patent/CN117003967A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117003967B publication Critical patent/CN117003967B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F292/00—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to inorganic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K8/00—Compositions for drilling of boreholes or wells; Compositions for treating boreholes or wells, e.g. for completion or for remedial operations
    • C09K8/02—Well-drilling compositions
    • C09K8/03—Specific additives for general use in well-drilling compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K8/00—Compositions for drilling of boreholes or wells; Compositions for treating boreholes or wells, e.g. for completion or for remedial operations
    • C09K8/02—Well-drilling compositions
    • C09K8/04—Aqueous well-drilling compositions
    • C09K8/14—Clay-containing compositions
    • C09K8/16—Clay-containing compositions characterised by the inorganic compounds other than clay
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141—Feedstock

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及油气田钻井技术领域，具体涉及一种页岩用改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液。该水基钻井液所用封堵剂为改性氧化石墨烯，所述改性氧化石墨烯封堵剂合成原料包括石墨、磺酸单体，羧酸单体，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、N‑乙烯基吡咯烷酮、乙烯基三乙氧基硅烷，氢氧化钠和过硫酸氨。所述钻井液包含有本发明的改性氧化石墨烯封堵剂。本发明的改性氧化石墨烯封堵剂具有良好的分散稳定性，其粒径大致分布在20～1300nm之间，能够有效的封堵页岩地层中的纳米孔缝，从而可以有效稳定井壁、防止垮塌；本发明的封堵剂对钻井液的性能影响小，有利于降低钻井液滤失量，且本发明所使用的水基钻井液在页岩地层条件下的流变性、失水造壁性以及封堵性等方面性能良好。

Description

一种页岩用改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液
技术领域
本发明涉及油气田钻井技术领域，具体涉及一种适用于页岩改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液。该封堵剂适用于页岩封堵段中提高钻井液中的纳米颗粒封堵页岩孔隙结构，减缓滤液流入地层，维持页岩井壁稳定。
背景技术
随着世界经济的快速发展，对能源需求也越来越多。能源安全将直接影响到国家安全、可持续发展以及社会稳定。由于我国页岩气储量丰富，约占全球的20％左右，有序高效的开采能保证我国的能源安全。然而我国页岩气勘探开发还处于初级阶段，主要面临的技术难点在于页岩井段井壁失稳。据统计，国外每年因此造成超过数十亿美元的经济损失。其中影响页岩井壁稳定的主要原因有：①页岩遇水水化易破碎，岩体强度下降；②孔隙压力变化造成井壁失稳；③因滤液缓慢侵入低孔低渗页岩地层导致逐渐平衡的钻井液压力和近井壁的孔隙压力失去了有效液柱压力的支撑作用；④对于层理和微裂缝较发育、地层胶结差的水敏性页岩地层，滤液进入后会破坏泥页岩的胶结性等。因此，解决这些问题的关键在于封堵页岩的孔隙结构。
国内外研究表明，通过向钻井液中引入纳米材料，例如纳米二氧化硅、氧化石墨烯、纳米碳酸钙和纳米聚合物材料等。利用它们的小尺寸效应，使纳米颗粒在压力作用下，流入孔隙结构中进行物理封堵，同时与页岩表面处发生物理吸附，在页岩表面形成一层结构稳定的纳米保护层，抑制了水流入页岩，阻止了页岩吸水膨胀。例如公开号为CN114350331A的专利“一种基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂及水基钻井液”之中记载:一种基于纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂，以重量份计，所述水基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；所述纳米二氧化硅强吸附抗盐封堵剂特征在于，利用有机物接枝在适用硅烷偶联剂改性后的纳米二氧化硅表面，在二氧化硅表面形成带羧基的强吸附基团。
石墨稀作为一种二维片层纳米材料，片层厚度大约是1nm左右，无毒无害，绿色环保。并且石墨烯拥有巨大的表面积，可作为钻井液封堵剂，覆盖在井壁表面，形成薄而坚韧的薄膜，对微、纳米级孔隙进行有效封堵，防止滤液向地层渗漏，被认为是一种良好的封堵性降滤失剂。然而石墨烯的超疏水性和强烈的片间范德华吸引力(π-π堆积)使其在水中难以分散，同时由于颗粒细小、比表面积大、活化能高，在使用过程中易出现团聚现象，会降低封堵页岩孔隙结构的性能以及影响钻井液的理化性能。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种适用于页岩改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液。本发明提供的改性氧化石墨烯封堵剂不仅能够在水基钻井液中保持较好的分散性，同时能有效对页岩地层中的微米级孔隙、纳米级裂缝进行有效封堵，从而达到稳定井壁的目的。并且研制的一种能适用于页岩地层的新型水基钻井液不仅能够解决井壁稳定还可以防止储层污染等问题。
为了达到实现上述目标，本发明的技术方案为：一种改性氧化石墨烯封堵剂的制备，所述改性氧化石墨烯封堵剂的原料包括石墨烯，过氧化氢，2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，烯丙基磺酸，对苯乙烯磺酸，衣康酸，马来酸酐，丙烯酸，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，N-乙烯基吡咯烷酮，硝酸钾，浓硫酸，甲苯，乙烯基三乙氧基硅烷，氢氧化钠和过硫酸氨，所述改性氧化石墨烯封堵剂的制备步骤如下：
(1)石墨烯的氧化处理
取适量石墨、硝酸钾、质量浓度为98％的浓硫酸置于三口烧瓶中，缓慢加入适量高锰酸钾，并在温度为30-40℃条件下搅拌6～9h，然后加入第二部分高锰酸钾，搅拌反应10～12h；搅拌完成后，采用过氧化氢溶液除去剩余的高锰酸钾；依次经离心、蒸馏水反复洗涤后产物，通过超声处理得到氧化石墨烯分散体，将氧化石墨烯分散体经60-70℃真空干燥得到氧化石墨烯粉末；
(2)氧化石墨烯粉末表面引入碳碳双键
①取适量真空干燥得到的氧化石墨烯粉末转移至烧瓶中，加入甲苯、使用超声仪器超声2-4h，使氧化石墨烯均匀分散在甲苯溶液中；②将上述分散均匀的氧化石墨烯悬浊液置于带有恒压漏斗的四口烧瓶中，在400r/min下搅拌1h，并缓慢升温至预定温度；③待上述体系升温至预设温度后继续搅拌1h，称取一定量乙烯基三乙氧基硅烷溶于10-20mL甲苯中，加入恒压漏斗中缓慢滴加入上述悬浮液中，恒温持续反应8-12h；④待反应完全后，冷却至室温，以8000r/min的高速离心分离，先用无水乙醇洗涤再离心10min，重复三次，洗去未接枝的硅烷偶联剂；⑤将离心处理后的产物在80℃下恒温干燥24h后，粉碎研磨，即得VTES改性的氧化石墨烯。
(3)改性氧化石墨烯封堵剂的制备
对磺酸单体，羧酸单体，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和N-乙烯基吡咯烷酮按一定比例加入到三口烧瓶中，用氢氧化钠溶液调节溶液PH为5-6为止，然后升温至80℃，再将一定量VTES改性的氧化石墨烯加入三口烧瓶中，通20分钟氮气。再缓慢加入适量的过硫酸铵溶液，反应6-10h，将液体经冷冻干燥、破碎、研磨处理后得到白色晶体粉末，既得到改性氧化石墨烯封堵剂。
在上述步骤(1)中所述石墨与硝酸钠的质量比为2：3～2：4，所述石墨与浓硫酸的比例为1g：50～60ml，石墨与高锰酸钾的质量比为1：4～1：6，石墨与过氧化氢溶液的比例为1g：100～150ml，双氧水的质量浓度为20-35％；
在上述步骤(2)中氧化石墨烯粉末的加量为1-3g，所述氧化石墨烯与甲苯加量的比例为1g：100～104ml。所述乙烯基三乙氧基硅烷的加量为4-6g。
在上述步骤(3)中，磺酸单体和羧酸单体加量例摩尔比为7:3～8:3。甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵加量为4-7g。N-乙烯基吡咯烷酮加量为3-5g。所述磺酸单体加量为3-5mol，所述VTES改性的氧化石墨烯加量为3-6g。
所述磺酸类单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，烯丙基磺酸，对苯乙烯磺酸中的一种。
所述羧酸类单体为衣康酸，马来酸酐，丙烯酸中的一种。
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改性氧化石墨烯封堵剂。
以重量份计，所述钻井液包括以下组分：1000份水，35-45份膨润土，1.5-2.5份无水碳酸钠，12-18份提切剂，0.8-1.2份结构性降滤失剂，300-360份甲酸钾，17-23份降滤失剂，0.4-0.6份降黏剂，0.4-0.6份氧化钙，40-60份碳酸钙，17-23份润滑剂，10-50份改性氧化石墨烯封堵剂。
所述膨润土为钙基膨润土；所述提切剂为SM-1；所述结构性降滤失剂为HF-1；所述降滤失剂为JT888；所述降黏剂为XY27；所述润滑剂为RH-220。
所述水基钻井液的pH为8-9。
所述水基钻井液的密度为1.15-1.25g/cm3。
本发明有益效果如下：
本发明所制备的改性氧化石墨烯封堵剂的粒径分布在20-1300nm之间，能够有效的对页岩地层中的微纳米级裂孔缝进行有效封堵，从而达到稳定井壁的效果；此外，本发明所使用的水基甲酸钾钻井液在页岩地层条件下的流变性易于控制且封堵性能良好。
附图说明
图1为实施例1中改性氧化石墨烯封堵剂的粒径分布图；
图2为实施例2中改性氧化石墨烯封堵剂的粒径分布图；
图3为实施例3中改性氧化石墨烯封堵剂的粒径分布图；
图4为实施例1-3中改性氧化石墨烯封堵剂的TSI动力学指数图。
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。
实施例1：
1、改性氧化石墨烯封堵剂的制备
①取6g石墨、9g硝酸钾、360ml质量浓度为98％的浓硫酸置于三口烧瓶中，缓慢加入15g高锰酸钾，并在温度为30-40℃条件下搅拌7h，然后加入剩下的15g高锰酸钾，搅拌反应11h；搅拌完成后，采用900ml质量浓度为35％的过氧化氢溶液除去剩余的高锰酸钾；依次经离心、蒸馏水反复洗涤后产物，通过超声处理得到氧化石墨烯分散体，将氧化石墨烯分散体经70℃真空干燥得到氧化石墨烯粉末；
②取2g真空干燥得到的氧化石墨烯粉末转移至烧瓶中，加入204ml甲苯、使用超声仪器超声3h，使氧化石墨烯均匀分散在甲苯溶液中，然后将上述分散均匀的氧化石墨烯悬浊液置于带有恒压漏斗的四口烧瓶中，在400r/min下搅拌1h，并缓慢升温至预定温度，待上述体系升温至预设温度后继续搅拌1h，称取5g乙烯基三乙氧基硅烷溶于15mL甲苯中，加入恒压漏斗中缓慢滴加入上述悬浮液中，恒温持续反应10h。待反应完全后，冷却至室温，以8000r/min的高速离心分离，先用无水乙醇洗涤再离心10min，重复三次，洗去未接枝的硅烷偶联剂，随后将离心处理后的产物在80℃下恒温干燥24h后，粉碎研磨，即得VTES改性的氧化石墨烯。
③将4mol 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、1.5mol衣康酸、5g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和4gN-乙烯基吡咯烷酮加入到三口烧瓶中，用氢氧化钠溶液调节溶液PH为6，然后升温至80℃，再将5gVTES改性的氧化石墨烯加入三口烧瓶中，通20分钟氮气。再缓慢加入适量的过硫酸铵溶液，反应8h，将液体经冷冻干燥、破碎、研磨处理后得到白色晶体粉末，既得到改性氧化石墨烯封堵剂。
2、水基钻井液的配置
在80℃环境下，量取100份的自来水，在低速1000r/min电动搅拌下边搅边加入4份膨润土(新疆夏子街土)，搅拌5min后加入0.2份无水碳酸钠，继续搅拌30min后静置24h后得到4％的基浆；取前述的混合物，在转速为3000r/min的高速搅拌器中搅拌10min后，每隔10min依次加入1.5份提切剂SM-1，0.1份结构性降滤失剂HF-1，33份甲酸钾，2份降滤失剂JT888，0.05份降黏剂XY27，0.05份氧化钙，5份碳酸钙，2份润滑剂RH-220，所需加量份本实施例中的改性氧化石墨烯封堵剂，制得水基钻井液，该钻井液的pH为8.5，密度为1.20g/cm3。
实施例2：
1、改性氧化石墨烯封堵剂的制备
①取6g石墨、9g硝酸钾、360ml质量浓度为98％的浓硫酸置于三口烧瓶中，缓慢加入15g高锰酸钾，并在温度为30-40℃条件下搅拌7h，然后加入剩下的15g高锰酸钾，搅拌反应11h；搅拌完成后，采用900ml质量浓度为35％的过氧化氢溶液除去剩余的高锰酸钾；依次经离心、蒸馏水反复洗涤后产物，通过超声处理得到氧化石墨烯分散体，将氧化石墨烯分散体经70℃真空干燥得到氧化石墨烯粉末；
②取2g真空干燥得到的氧化石墨烯粉末转移至烧瓶中，加入204ml甲苯、使用超声仪器超声3h，使氧化石墨烯均匀分散在甲苯溶液中，然后将上述分散均匀的氧化石墨烯悬浊液置于带有恒压漏斗的四口烧瓶中，在400r/min下搅拌1h，并缓慢升温至预定温度，待上述体系升温至预设温度后继续搅拌1h，称取5g乙烯基三乙氧基硅烷溶于15mL甲苯中，加入恒压漏斗中缓慢滴加入上述悬浮液中，恒温持续反应10h。待反应完全后，冷却至室温，以8000r/min的高速离心分离，先用无水乙醇洗涤再离心10min，重复三次，洗去未接枝的硅烷偶联剂，随后将离心处理后的产物在80℃下恒温干燥24h后，粉碎研磨，即得VTES改性的氧化石墨烯。
③将4mol烯丙基磺酸、1.5mol马来酸酐、5g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和4gN-乙烯基吡咯烷酮加入到三口烧瓶中，用氢氧化钠溶液调节溶液PH为6，然后升温至80℃，再将5gVTES改性的氧化石墨烯加入三口烧瓶中，通20分钟氮气。再缓慢加入适量的过硫酸铵溶液，反应8h，将液体经冷冻干燥、破碎、研磨处理后得到白色晶体粉末，既得到改性氧化石墨烯封堵剂。
2、水基钻井液的配置
在80℃环境下，量取100份的自来水，在低速1000r/min电动搅拌下边搅边加入4份膨润土(新疆夏子街土)，搅拌5min后加入0.2份无水碳酸钠，继续搅拌30min后静置24h后得到4％的基浆；；取前述的混合物，在转速为3000r/min的高速搅拌器中搅拌10min后，每隔10min依次加入1.5份提切剂SM-1，0.1份结构性降滤失剂HF-1，33份甲酸钾，2份降滤失剂JT888，0.05份降黏剂XY27，0.05份氧化钙，5份碳酸钙，2份润滑剂RH-220，所需加量份本实施例中的改性氧化石墨烯封堵剂，制得水基钻井液，该钻井液的pH为8.5，密度为1.20g/cm3。
实施例3：
1、改性氧化石墨烯封堵剂的制备
①取6g石墨、9g硝酸钾、360ml质量浓度为98％的浓硫酸置于三口烧瓶中，缓慢加入15g高锰酸钾，并在温度为30-40℃条件下搅拌7h，然后加入剩下的15g高锰酸钾，搅拌反应11h；搅拌完成后，采用900ml质量浓度为35％的过氧化氢溶液除去剩余的高锰酸钾；依次经离心、蒸馏水反复洗涤后产物，通过超声处理得到氧化石墨烯分散体，将氧化石墨烯分散体经70℃真空干燥得到氧化石墨烯粉末；
②取2g真空干燥得到的氧化石墨烯粉末转移至烧瓶中，加入204ml甲苯、使用超声仪器超声3h，使氧化石墨烯均匀分散在甲苯溶液中，然后将上述分散均匀的氧化石墨烯悬浊液置于带有恒压漏斗的四口烧瓶中，在400r/min下搅拌1h，并缓慢升温至预定温度，待上述体系升温至预设温度后继续搅拌1h，称取5g乙烯基三乙氧基硅烷溶于15mL甲苯中，加入恒压漏斗中缓慢滴加入上述悬浮液中，恒温持续反应10h。待反应完全后，冷却至室温，以8000r/min的高速离心分离，先用无水乙醇洗涤再离心10min，重复三次，洗去未接枝的硅烷偶联剂，随后将离心处理后的产物在80℃下恒温干燥24h后，粉碎研磨，即得VTES改性的氧化石墨烯。
③将4mol对苯乙烯磺酸、1.5mol丙烯酸、5g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和4gN-乙烯基吡咯烷酮加入到三口烧瓶中，用氢氧化钠溶液调节溶液PH为6，然后升温至80℃，再将5gVTES改性的氧化石墨烯加入三口烧瓶中，通20分钟氮气。再缓慢加入适量的过硫酸铵溶液，反应8h，将液体经冷冻干燥、破碎、研磨处理后得到白色晶体粉末，既得到改性氧化石墨烯封堵剂。
2、水基钻井液的配置
在80℃环境下，量取100份的自来水，在低速1000r/min电动搅拌下边搅边加入4份膨润土(新疆夏子街土)，搅拌5min后加入0.2份无水碳酸钠，继续搅拌30min后静置24h后得到4％的基浆；；取前述的混合物，在转速为3000r/min的高速搅拌器中搅拌10min后，每隔10min依次加入1.5份提切剂SM-1，0.1份结构性降滤失剂HF-1，33份甲酸钾，2份降滤失剂JT888，0.05份降黏剂XY27，0.05份氧化钙，5份碳酸钙，2份润滑剂RH-220，所需加量份本实施例中的改性氧化石墨烯封堵剂，制得水基钻井液，该钻井液的pH为8.5，密度为1.20g/cm3。
为了进一步说明本发明改性氧化石墨烯封堵剂以及其水基钻井液的效果，对实施例1-3制备的改性氧化石墨烯封堵剂以及水基钻井液进行性能测试。
1、改性氧化石墨烯封堵剂粒径测试
利用丹东百特仪器有限公司生产的Bettersize2600LD型激光粒度分布仪对改性氧化石墨烯封堵剂进行粒径测试，实施例1-3中制备的改性氧化石墨烯封堵剂粒径测试结果分别如图1、图2、图3所示。
2、改性氧化石墨烯封堵剂TSI动力学稳定性测试
利用法国Formulaction公司生产的TurbiscanTower型稳定分析仪测试了实施例1-3中制备的改性氧化石墨烯封堵剂动力学稳定性。利用Turbiscan软件计算体系的稳定性动力学指数(TSI)来表征其动力学稳定性，TSI的计算公式如式(1-1)：
式中：i——测试样品次数；
h——第i次扫描高度，mm；
H——测量过程中最大高度，mm。
TSI代表光强度变化值的累加，反映的是测量时间内悬浮液中颗粒体积浓度和粒径的综合变化，TSI值越小，则体系分散稳定性越好。实施例1-3中制备的改性氧化石墨烯封堵剂TSI值随时间变化曲线如图4所示，在16d内，实施例1-3中制备的改性氧化石墨烯封堵剂TSI值均低至0.47以内，证实本发明所合成的一种改性氧化石墨烯封堵剂具有良好的动力学分散稳定性。
3、改性氧化石墨烯封堵剂封堵性能测试
取1000g自来水，在低速1000r/min电动搅拌下边搅边加入80克膨润土(新疆夏子街土)，搅拌5min后加入4克无水碳酸钠，继续搅拌30min后静置24h后得到8％的基浆；取300克8％基浆在高速3000r/min下电动搅拌10分钟；加入3克提切剂SM-1搅拌10min；加入3克降黏剂XY27搅拌10分钟；然后加入3克降滤失剂JT888搅拌10分钟；再加入1.5克结构型降滤失剂HF-1搅拌30分钟，；最后加入540克API重晶石搅拌30分钟至无“鱼眼”，结束后105℃条件下热滚16h。
取热滚后得到的标准浆均匀搅拌10min后，取100mL标准浆转移到高温高压失水仪中，将温度设置为105℃、压力设置为3.5MPa，在该条件下失水30min，制得泥饼，然后再根据公式(1-2)计算出泥饼的渗透率。
式中，Q——单位时间内通过泥饼的滤失量，cm3/s；
K——泥饼渗透率，10-1μm2；
μ——水在105℃的黏度，mPa·s；
△P——作用在泥饼上、下的压力差，MPa；
A——泥饼横截面积，cm2；
H——泥饼厚度，cm。
其中，水在105℃的黏度μ取值0.2650mPa·s，滤饼的面积A＝23.80cm2；滤失压差△P＝3.5MPa。
再根据公式(1-3)计算出不同加量下改性氧化石墨烯封堵剂的渗透率降低率。
式中，Kr——渗透率降低率，％；
K1——封堵前泥饼渗透率，mD；
K2——封堵后泥饼渗透率，mD。
按照前文所述方法制备滤饼，选取渗透率大致相同的滤饼；量取1000克的自来水，在低速1000r/min电动搅拌下边搅边加入30克膨润土(新疆夏子街土)，搅拌5min后加入1.5克无水碳酸钠，继续搅拌30min后静置24h后得到3％的基浆；取实施例1、实施例2和实施例3中的改性氧化石墨烯封堵剂，将其加入到3％基浆中各配制100mL，超声分散10min，转入装有滤饼的高温高压失水仪中，在105℃、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，吹风机吹干后测量厚度，计算出不同加量的改性氧化石墨烯封堵剂的渗透率；为进一步体现本发明所提供的改性氧化石墨烯封堵剂的封堵效果，采用实施例1-3中制备的氧化石墨烯做对比例1，按照实施例1-3中改性氧化石墨烯封堵剂的渗透率测试方法配置相应加量进行对比，结果见表1。
表1泥饼的测试数据
根据上表可知，改性氧化石墨烯封堵剂作为可以稳定分散的纳米封堵剂，可有效降低泥饼渗透率，在改性氧化石墨烯封堵剂的加入量为0.5％时，实施例1-3中渗透率降低率分别为71.25％、72.14％、70.83％，随着改性氧化石墨烯封堵剂加量的增加，其封堵效果更佳，当其加入量为3％时，泥饼渗透率降低率高达93％左右，封堵效果最佳，而当其加入量超过3％后，泥饼渗透率下降几乎不明显；此外，将不同加量实施例1-3的改性氧化石墨烯封堵剂与对比例1的氧化石墨烯封堵效果相比，其泥饼渗透率降低率更高，说明本发明的改性氧化石墨烯封堵剂对页岩地层具有更好的封堵效果，并且本发明的封堵剂最佳添加量为3％。
4、水基钻井液性能测试
为了测试不同加量的改性氧化石墨烯封堵剂对钻井液流变性能的影响，水基钻井液主体采用实施例2中的配方，并在其中添加了不同量的改性氧化石墨烯封堵剂，将其置于105℃的条件下热滚16h，测得水基钻井液的流变性和滤失量，结果见表2。
表2水基钻井液性能参数
通过上表可知，YP/PV的最大值为0.43，最小值为0.40，均在0.36-0.48范围内，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，该钻井液在105℃下热滚16h后，其高温高压失水量都比较小，可以满足该温度下一般地层的钻井需要，因此本发明所合成的一种改性氧化石墨烯封堵剂所配置的钻井液性能较为优异。
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)

1.一种页岩用改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液，其特征在于，所述改性氧化石墨烯封堵剂的原料为石墨、磺酸单体，羧酸单体，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、N-乙烯基吡咯烷酮、乙烯基三乙氧基硅烷，氢氧化钠和过硫酸氨，采用步骤如下制备而成：
(1)石墨烯的氧化处理
取适量石墨、硝酸钾、质量浓度为98％的浓硫酸置于三口烧瓶中，缓慢加入适量高锰酸钾，并在温度为30-40℃条件下搅拌6-9h，然后加入第二部分高锰酸钾，搅拌反应10-12h；搅拌完成后，采用过氧化氢溶液除去剩余的高锰酸钾；依次经离心、蒸馏水反复洗涤后产物，通过超声处理得到氧化石墨烯分散体，将氧化石墨烯分散体经60-70℃真空干燥得到氧化石墨烯粉末；
(2)氧化石墨烯粉末表面引入碳碳双键
首先取适量真空干燥得到的氧化石墨烯粉末转移至烧瓶中，加入甲苯、使用超声仪器超声2-4h，使氧化石墨烯均匀分散在甲苯溶液中；然后将上述分散均匀的氧化石墨烯悬浊液置于带有恒压漏斗的四口烧瓶中，在400r/min下搅拌1h，并缓慢升温至预定温度；接着待上述体系升温至预设温度后继续搅拌1h，称取一定量乙烯基三乙氧基硅烷溶于10-20mL甲苯中，加入恒压漏斗中缓慢滴加入上述悬浮液中，恒温持续反应8-12h；最后待反应完全后，冷却至室温，以8000r/min的高速离心分离，先用无水乙醇洗涤再离心10min，重复三次，洗去未接枝的硅烷偶联剂；⑤将离心处理后的产物在80℃下恒温干燥24h后，粉碎研磨，即得VTES改性的氧化石墨烯；
(3)改性氧化石墨烯封堵剂的制备
对磺酸单体，羧酸单体，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和N-乙烯基吡咯烷酮按一定比例加入到三口烧瓶中，用氢氧化钠溶液调节溶液PH为5-6为止，然后升温至80℃，再将一定量VTES改性的氧化石墨烯加入三口烧瓶中，通20分钟氮气，再缓慢加入适量的过硫酸铵溶液，反应6-10h，将液体经冷冻干燥、破碎、研磨处理后得到白色晶体粉末，既得到改性氧化石墨烯封堵剂；
在上述步骤(1)中所述石墨与硝酸钠的质量比为2：3～2：4，所述石墨与浓硫酸的比例为1g：50～60ml，石墨与高锰酸钾的质量比为1：4～1：6，石墨与过氧化氢溶液的比例为1g：100～150ml，双氧水的质量浓度为20-35％；
在上述步骤(2)中氧化石墨烯粉末的加量为1-3g，所述氧化石墨烯与甲苯加量的比例为1g：100～104ml，所述乙烯基三乙氧基硅烷的加量为4-6g；
在上述步骤(3)中，磺酸单体和羧酸单体加量例摩尔比为7:3～8:3，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵加量为4-7g，N-乙烯基吡咯烷酮加量为3-5g，所述磺酸单体加量为3-5mol，所述VTES改性的氧化石墨烯加量为3-6g。
2.根据权利要求1所述的改性氧化石墨烯封堵剂，其特征在于，所述磺酸类单体为2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，烯丙基磺酸，对苯乙烯磺酸中的一种，所述羧酸类单体为衣康酸，马来酸酐，丙烯酸中的一种。
3.一种水基钻井液，其特征在于，所述钻井液中添加有权利要求1所述的改性氧化石墨烯封堵剂。
4.根据权利要求3所述的水基钻井液，其特征在于，所述钻井液包括以下组分：膨润土，无水碳酸钠，提切剂，结构性降滤失剂，甲酸钾，降滤失剂，降黏剂，氧化钙，碳酸钙，润滑剂，改性氧化石墨烯封堵剂。
5.根据权利要求3所述的水基钻井液，其特征在于，所述膨润土为钙基膨润土；所述提切剂为SM-1；所述结构性降滤失剂为HF-1；所述降滤失剂为JT888；所述降黏剂为XY27；所述润滑剂为RH-220。
6.根据权利要求3所述的水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液的pH为8-9，密度为1.15-1.25g/cm3。
CN202310941071.0A 2023-07-28 2023-07-28 一种页岩用改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液 Active CN117003967B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310941071.0A CN117003967B (zh) 2023-07-28 2023-07-28 一种页岩用改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310941071.0A CN117003967B (zh) 2023-07-28 2023-07-28 一种页岩用改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117003967A true CN117003967A (zh) 2023-11-07
CN117003967B CN117003967B (zh) 2024-05-17

Family

ID=88570400

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310941071.0A Active CN117003967B (zh) 2023-07-28 2023-07-28 一种页岩用改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117003967B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210269698A1 (en) * 2020-03-02 2021-09-02 Saudi Arabian Oil Company Modified graphene shale inhibitors
CN114605675A (zh) * 2022-04-22 2022-06-10 西南石油大学 一种氧化石墨烯纳米水凝胶封堵剂的合成及水基钻井液
CN115651615A (zh) * 2022-11-01 2023-01-31 中国石油大学(华东) 一种抗超高温高盐强吸附封堵剂及其制备方法与应用
CN115991977A (zh) * 2021-10-18 2023-04-21 中石化石油工程技术服务有限公司 一种原料组合物、钻井液用降滤失剂及其制备方法和应用
US20230220265A1 (en) * 2022-01-07 2023-07-13 Aramco Services Company Synthesis and use of grafted graphene in oil based drilling fluids as low shear rate viscosity enhancer
CN116444743A (zh) * 2023-03-16 2023-07-18 西南石油大学 一种抗温抗盐两性离子型纳米封堵剂及其制备与应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210269698A1 (en) * 2020-03-02 2021-09-02 Saudi Arabian Oil Company Modified graphene shale inhibitors
CN115991977A (zh) * 2021-10-18 2023-04-21 中石化石油工程技术服务有限公司 一种原料组合物、钻井液用降滤失剂及其制备方法和应用
US20230220265A1 (en) * 2022-01-07 2023-07-13 Aramco Services Company Synthesis and use of grafted graphene in oil based drilling fluids as low shear rate viscosity enhancer
CN114605675A (zh) * 2022-04-22 2022-06-10 西南石油大学 一种氧化石墨烯纳米水凝胶封堵剂的合成及水基钻井液
CN115651615A (zh) * 2022-11-01 2023-01-31 中国石油大学(华东) 一种抗超高温高盐强吸附封堵剂及其制备方法与应用
CN116444743A (zh) * 2023-03-16 2023-07-18 西南石油大学 一种抗温抗盐两性离子型纳米封堵剂及其制备与应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
曲建峰: "钻井液用氧化石墨烯/聚合物成膜降滤失剂的研制", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》, no. 7, pages 019 - 200 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN117003967B (zh) 2024-05-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111303355B (zh) 抗高温二氧化硅Janus胶体颗粒封堵剂及其制备方法和应用
WO2022268087A1 (zh) 一种抗高温二氧化硅接枝叔胺纳米封堵剂及水基钻井液
CN111333792B (zh) 改性的纳米锂皂石防塌剂及降滤失剂与其制备方法和应用
CN113337261B (zh) 一种有机-无机纳米复合凝胶及油基钻井液
CN111333767B (zh) 一种聚离子液体纳米水凝胶封堵剂及水基钻井液
CN111808581B (zh) 一种壳聚糖氧化石墨烯纳米水凝胶封堵剂及水基钻井液
CN113416528A (zh) 一种有机/无机纳米复合凝胶封堵剂及油基钻井液
CN114605675A (zh) 一种氧化石墨烯纳米水凝胶封堵剂的合成及水基钻井液
CN111334265A (zh) 一种粘土矿物纳米水凝胶封堵剂及水基钻井液
CN114214046B (zh) 一种抗高温改性二氧化锰纳米封堵剂及油基钻井液
CN113416527B (zh) 一种温度和pH双重刺激响应纳米凝胶的合成及油基钻井液
CN116396731B (zh) 一种页岩地层用疏水缔合高性能水基钻井液及其制备方法与应用
CN113372486A (zh) 一种温度和pH双重刺激响应纳米水凝胶的合成及水基钻井液
CN110387016A (zh) 一种钻井液用纳米聚合物封堵剂及其制备方法
CN111363525A (zh) 两性氧化石墨烯及其制备方法和应用
CN113355064A (zh) 一种基于弹性石墨的强吸附耐盐型封堵剂及水基钻井液
CN111349248B (zh) 一种支化氨基磺酸纳米封堵剂及水基钻井液
CN114656945A (zh) 一种新型功能化氧化石墨烯封堵剂及油基钻井液
CN114752365A (zh) 一种聚丙烯酸酯接枝氧化石墨烯封堵剂及油基钻井液
CN117003967B (zh) 一种页岩用改性氧化石墨烯封堵剂的制备及水基钻井液
CN113913166A (zh) 一种防塌和抗温纳米水凝胶的合成及水基钻井液
CN113355063A (zh) 一种弹性石墨强吸附耐盐型封堵剂及油基钻井液
CN114958316B (zh) 一种油基钻井液用有机土及其制备方法
CN115466603A (zh) 一种抗240℃抗盐封堵型水基钻井液及制备方法与应用
CN114350329B (zh) 一种抗高温插层改性纳米碳化钛复合封堵剂及油基钻井液

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant