改性的二氧化硅纳米颗粒及其制备方法和适合页岩气井的钻井液技术

本发明专利技术涉及石油钻井液领域，公开了一种改性的二氧化硅纳米颗粒，所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括改性聚合物链，所述改性聚合物链中的结构单元由下式(1)所示结构的单体中的一种或多种以及式(2)所示结构的单体中的一种或多种提供。本发明专利技术还提供了一种改性的二氧化硅纳米颗粒的制备方法及其制得的改性的二氧化硅纳米颗粒。本发明专利技术还提供了一种含有上述改性的二氧化硅纳米颗粒作为封堵剂的适合页岩气井的钻井液。本发明专利技术通过采用所述改性的二氧化硅纳米颗粒，能够使得所述改性的二氧化硅纳米颗粒在钻井液中作为封堵剂时，不易团聚成大颗粒，且能够获得较好的封堵效果。

【技术实现步骤摘要】
改性的二氧化硅纳米颗粒及其制备方法和适合页岩气井的钻井液
本专利技术涉及石油钻井液领域，具体地，涉及一种改性的二氧化硅纳米颗粒及其制备方法和适合页岩气井的钻井液。
技术介绍
井塌、井漏、油气层保护是制约钻井工程顺利进行的3大技术难题。对于层理、裂隙发育的地层，尤其是泥页岩地层，为防止地层井塌、漏失，减少对油气层的损害，要求钻井液具有强的封堵性，有效封堵地层层理、裂隙，阻止钻井液及其滤液进入地层，达到提高地层承压能力、稳定井壁、防止井漏、保护油气层的目的。因此对钻井液封堵剂评价方法及其影响因素进行了研讨。20世纪以来，中国开始了页岩气的勘探与开发，已钻几十口页岩气井。为了防止页岩气水平井的井壁坍塌，一般采用抑制性强的油基钻井液，但是使用油基或合成基钻井液不能很好地解决井壁失稳问题。国外针对不同页岩井壁稳定问题均有相应解决问题的核心思路：对Haynesville页岩应主要考虑解决页岩分散问题；对Fayetteville页岩主要考虑由裂缝导致的页岩解理；而对Barnett页岩主要以抑制水化为主。对于具有强抑制能力的钻井液来说，水力压力通过微裂缝传递是导致井壁失稳的主要原因之一，必须加强钻井液对微裂缝的封堵性。微裂缝的尺寸一般在纳米和微米之间，常规的封堵剂尺寸太大，起不到良好的封堵效果，因此将纳米材料进行封堵是一个很好的方法。但向钻井液中加入纳米级颗粒，势必会增加钻井液的固相含量和亚微米颗粒含量，增大细颗粒损害油气层的机会；并且由于加入材料的表面活性很大，会吸附一部分钻井液处理剂，减少处理剂的有效含量；其自身也容易发生团聚，团聚后颗粒尺寸明显变大，仅靠搅拌很难使团聚颗粒再分散到纳米尺度，失去纳米颗粒的特性。目前，虽然纳米封堵剂取得了一定突破，然而仍然存在不少问题：首先，Al－Bazali在2005年通过毛细管压力公式计算出泥页岩孔喉尺寸平均分布在10～30nm之间，根据三分之一封堵理论，封堵材料粒径应该大致等于孔隙的三分之一，这就意味着所选颗粒尺寸介于3～10nm之间才能对泥页岩形成良好封堵；而目前国内研发的纳米封堵剂其纳米粒径主要分布在50nm以上，不能进行有效的封堵。纳米封堵剂自身也容易发生团聚，团聚后颗粒尺寸明显变大，仅靠搅拌很难使团聚颗粒再分散到纳米尺度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的钻井液中采用的纳米封堵剂所具有上述缺陷，提供了一种不易团聚的且能够保持较好的封堵效果的改性的二氧化硅纳米颗粒及其制备方法和适合页岩气井的钻井液。为了实现上述目的，本专利技术提供一种改性的二氧化硅纳米颗粒，所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括改性聚合物链，所述改性聚合物链中的结构单元由下式(1)所示结构的单体中的一种或多种以及式(2)所示结构的单体中的一种或多种提供；其中，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H、-OH、卤素和C1-C10的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0-C10的亚烷基。本专利技术还提供了一种改性的二氧化硅纳米颗粒的制备方法，该方法包括：(1)在一元醇和偶联剂存在下，将式(1)所示结构的单体中的一种或多种和式(2)所示结构的单体中的一种或多种与二氧化硅纳米颗粒进行接触反应；(2)在氧化还原引发体系存在下，将所述接触反应的产物进行聚合反应；其中，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H、-OH、卤素和C1-C10的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0-C10的亚烷基。本专利技术还提供了一种由上述方法制得的改性的二氧化硅纳米颗粒。本专利技术还提供了上述改性的二氧化硅纳米颗粒作为钻井液中的封堵剂的应用。本专利技术还提供了含有上述改性的二氧化硅纳米颗粒作为封堵剂的钻井液。本专利技术通过采用所述改性的二氧化硅纳米颗粒，能够使得所述改性的二氧化硅纳米颗粒在钻井液中作为封堵剂时，不易团聚，或者说不会团聚为特别大的颗粒，所得钻井液能够获得较好的封堵效果，是一种适合页岩气井的钻井液。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是实施例1所得的改性的二氧化硅纳米颗粒的SEM图谱。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。本专利技术提供一种改性的二氧化硅纳米颗粒，所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括改性聚合物链，所述改性聚合物链中的结构单元由下式(1)所示结构的单体中的一种或多种以及式(2)所示结构的单体中的一种或多种提供；其中，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H、-OH、卤素和C1-C10的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0-C10的亚烷基。根据本专利技术，当所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括所述改性聚合物链后，相当于在纳米二氧化硅上接枝上所述改性聚合物链，从而能够通过亲疏水集团、氢键等非共价键形成空间网状结构及酰胺基的吸附作用，使得所述改性的二氧化硅纳米颗粒在用于钻井液中作为封堵剂时，不易发生团聚，或者说不会团聚形成大颗粒的团聚体，保持较好的分散性，从而在用于注入页岩中时，能够较好地封堵页岩的缝隙等，以达到提高地层承压能力、稳定井壁、防止井漏、保护油气层的目的。为了能够更好地实现上述目的，优选情况下，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H和C1-C6的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0-C6的亚烷基。更优选地，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H和C1-C4的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0-C4的亚烷基。更进一步优选地，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H、甲基、乙基、丙基和丁基；L'和L”各自独立地选自C0亚烷基、-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-、-CH(CH3)-CH2-、-C(CH3)2-CH2-、-CH2-C(CH3)2-和；-CH2-CHCH3-CH2-；L为-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-、-CH(CH3)-CH2-、-C(CH3)2-CH2-、-CH2-C(CH3)2-或-CH2-CHCH3-CH2-。C0亚烷基指的是L、L'或L”两端连接的基团直接连接，也可以理解为L、L'或L”不存在或为连接键。最优选地，R3为-L”-SO3H。其中，-L”-SO3H的具体实例例如可以为：-SO3H、-CH2-SO3H、-CH2-CH2-SO3H、-CH2-CH2-CH2-SO3H、-CH(CH3)-CH2-SO3H、-C(CH3)2-CH2-SO3H、-CH2-C(CH3)2-SO3H或-CH2-CHCH3-CH2-SO3H。其中，C1-C10的烷基的具体实例例如可以为：甲本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改性的二氧化硅纳米颗粒，其特征在于，所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括改性聚合物链，所述改性聚合物链中的结构单元由下式(1)所示结构的单体中的一种或多种以及式(2)所示结构的单体中的一种或多种提供；式(1)式(2)其中，R1‑R5中的一个为‑L”‑SO3H且其余的各自独立地选自H、‑OH、卤素和C1‑C10的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0‑C10的亚烷基。

【技术特征摘要】
1.一种改性的二氧化硅纳米颗粒，其特征在于，所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括改性聚合物链，所述改性聚合物链中的结构单元由下式(1)所示结构的单体中的一种或多种以及式(2)所示结构的单体中的一种或多种提供；式(1)式(2)其中，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H、-OH、卤素和C1-C10的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0-C10的亚烷基；C0亚烷基指的是L、L'或L”两端连接的基团直接连接；所述改性聚合物链中，所述式(1)所示结构的单体提供的结构单元和式(2)所示结构的单体提供的结构单元的摩尔比为1：0.5-5；所述改性聚合物链的重均分子量为100000-2500000g/mol；以所述改性的二氧化硅纳米颗粒的总重量为基准，所述改性聚合物链的含量为60重量％以上。2.根据权利要求1所述的改性的二氧化硅纳米颗粒，其中，所述改性聚合物链中的结构单元由下式(1-a)所示结构的结构单元中的一种或多种以及式(2-a)所示结构的结构单元中的一种或多种构成：式(1-a)式(2-a)3.根据权利要求1或2所述的改性的二氧化硅纳米颗粒，其中，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H和C1-C6的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0-C6的亚烷基。4.根据权利要求3所述的改性的二氧化硅纳米颗粒，其中，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H和C1-C4的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0-C4的亚烷基。5.根据权利要求4所述的改性的二氧化硅纳米颗粒，其中，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H、甲基、乙基、丙基和丁基；L'和L”各自独立地选自C0亚烷基、-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-、-CH(CH3)-CH2-、-C(CH3)2-CH2-、-CH2-C(CH3)2-和-CH2-CHCH3-CH2-；L为-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-、-CH(CH3)-CH2-、-C(CH3)2-CH2-、-CH2-C(CH3)2-或-CH2-CHCH3-CH2-。6.根据权利要求1所述的改性的二氧化硅纳米颗粒，其中，所述改性聚合物链中，所述式(1)所示结构的单体提供的结构单元和式(2)所示结构的单体提供的结构单元的摩尔比为1：1-2。7.根据权利要求6所述的改性的二氧化硅纳米颗粒，其中，所述改性聚合物链的重均分子量为300000-1800000g/mol。8.根据权利要求1所述的改性的二氧化硅纳米颗粒，其中，以所述改性的二氧化硅纳米颗粒的总重量为基准，所述改性聚合物链的含量为85重量％以上。9.根据权利要求1-2、4-5和6-8中任意一项所述的改性的二氧化硅纳米颗粒，其中，所述改性的二氧化硅纳米颗粒的粒径为3-30nm。10.根据权利要求9所述的改性的二氧化硅纳米颗粒，其中，所述改性的二氧化硅纳米颗粒的粒径为10-30nm。11.一种改性的二氧化硅纳米颗粒的制备方法，其特征在于，该方法包括：(1)在一元醇和偶联剂存在下，将式(1)所示结构的单体中的一种或多种和式(2)所示结构的单体中的一种或多种与二氧化硅纳米颗粒进行接触反应；(2)在氧化还原引发体系存在下，将所述接触反应的产物进行聚合反应；式(1)式(2)其中，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H、-OH、卤素和C1-C10的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0-C10的亚烷基；C0亚烷基指的是L、L'或L”两端连接的基团直接连接；式(1)所示结构的单体和式(2)所示结构的单体的用量的摩尔比为1：0.5-5；以所述二氧化硅纳米颗粒、式(1)所示结构的单体和式(2)所示结构的单体的总用量为基准，所述式(1)所示结构的单体和式(2)所示结构的单体的总用量为60重量％以上；该方法使得所得的改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性聚合物链的重均分子量为100000-2500000g/mol。12.根据权利要求11所述的方法，其中，R1-R5中的一个为-L”-SO3H且其余的各自独立地选自H和C1-C6的烷基；L、L'和L”各自独立地选自C0-C6的亚烷基。13.根据权利要求12所述的方法，其中，R1-R5中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋官澄，祁由荣，葛庆颖，张领宇，安玉秀，杨丽丽，贺垠博，史赫，史亚伟，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11