纳米自锁膨润土成膜剂及其制备方法和成膜钻井液技术

本发明专利技术涉及新型功能材料技术领域，公开了一种纳米自锁膨润土成膜剂及其制备方法和成膜钻井液。所述方法包括：(1)将膨润土与酸进行化学切割；(2)将切割纳米膨润土与氯化钠水溶液、长链高分子分子材料接触；(3)将得到的低维纳米自锁膨润土、纳米膨润土和水混合，再滴加结构键合剂；(4)将三氯甲烷溶液、2,2

Nano self-locking bentonite film-forming agent, its preparation method and film-forming drilling fluid

【技术实现步骤摘要】
纳米自锁膨润土成膜剂及其制备方法和成膜钻井液


[0001]本专利技术涉及新型功能材料
，具体涉及一种纳米自锁膨润土成膜剂及其制备方法和成膜钻井液。

技术介绍

[0002]随着全球常规储层的开发殆尽，人们不得不加大对非常规页岩油气的勘探与开发。但由于沉积环境与地质构造的不同，钻遇的页岩油气储层多为泥质型水敏页岩(含膨润土层状结构)，页岩结构遇水易垮塌。这主要是因为采用水基防塌液钻进页岩油气层的过程中，未有效遏止水分与页岩储层的接触，导致页岩结构损伤而失稳。严重者甚至引发了井眼坍塌、储层垮塌、局部地震等严重的工程事故，不仅增加了钻井的成本与风险，还给周边人民的生活带来困扰，近年来页岩油气的勘探开发受到一定程度的抑制与阻碍。
[0003]目前，国内外防止页岩水化坍塌主要有降低水活度、抑制黏土水化及阻断水分传递三大技术思路，尽管目前国内外已开发多种有效的页岩防塌剂，但是仍存在大量的问题与挑战。
[0004](1)从抑制页岩水化的角度，抑制剂的目的旨在抑制膨润土的水化分散，率先与膨润土片层结合形成表面疏水性基团，即抑制表面水化。但抑制剂难以避免与井筒内膨润土颗粒接触，难以有效进入储层内部，难以有效与储层内部的黏土(膨润土层状结构)结合，尚未研发出可与所有粘土活性位点相结合的抑制剂。国内外学者虽然提出了屏蔽抑制型防塌液的制备，但其制造成本较高，需优先对防塌液内部的膨润土进行包裹，防止其与抑制剂结合。
[0005](2)从阻断水分子传递通道的角度，封堵剂可以有效地对页岩传输孔道进行填充，阻止后续水分进入页岩储层内部。但封堵颗粒的充填堆积需要一定的时间，通常在其构成有效段塞段之前，会渗入一部分水分，引起黏土水化。另一方面，封堵剂无法充填孔径小于其自身的孔隙，封堵主要依靠其自身物理性质。实际上，页岩表面及其内部存在大量的微裂纹，水分子仍可侵入，并诱导裂纹发育。
[0006](3)成膜隔离页岩孔隙是一种有效的方式。通过在页岩表面及其内部孔隙快速成膜，依靠分子间相互作用及特殊的层膜结构，在页岩界面及其内部快速形成隔离性外膜与内膜，达到彻底疏水阻水的目的，从而有效遏制页岩内部微裂纹发育，有效保证页岩的结构强度。
[0007]目前，以石墨烯为主要成膜材料的研究具备较强的成膜防塌性，这是因为石墨烯具有天然的层结构特征，是天然的成膜的“栅栏”，但石墨烯成本过于高昂。
[0008]因此，如何构建一种经济适用的层结构进行成膜，是当前成膜防塌的重要挑战。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的高温失效，高温不稳定，高温无法有效防塌等问题，提供了一种纳米自锁膨润土成膜剂及其制备方法和成膜钻井液，该成膜剂及
成膜液具有高温有效成膜，在目标岩层内外微观孔隙形成有效的隔离屏障，阻止外部水分侵入岩层内部。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术第一方面提供了一种纳米自锁膨润土成膜剂的制备方法，其中，所述的制备方法包括：
[0011](1)将纳米膨润土与酸第一接触进行化学切割，得到切割纳米膨润土；
[0012](2)将所述切割纳米膨润土先与氯化钠水溶液进行第二接触后，再和长链高分子分子材料进行第三接触，得到低维纳米自锁膨润土；
[0013](3)将所述低维纳米自锁膨润土、纳米膨润土和水混合，再逐滴滴加结构键合剂以对所述低维纳米自锁膨润土的层结构表面活化；
[0014](4)在氮气保护下，将三氯甲烷溶液、2,2
′‑
联二吡啶配合液、对二甲苯溶液引入经步骤(3)后的生成物中，再加入N,N,N',N”,N
”‑
五甲基二亚乙基三胺交联剂进行恒温自由反应，以对所述低维纳米自锁膨润土的层结构表面萌发；
[0015](5)采用三氯甲烷与甲醇混合液对经步骤(4)后的反应液进行清洗离心和干燥处理，得到纳米自锁膨润土成膜剂。
[0016]本专利技术第二方面提供了一种由前述所述的制备方法制备得到的纳米自锁膨润土成膜剂。
[0017]本专利技术第三方面提供了一种成膜钻井液，其中，所述成膜钻井液含有防塌处理剂和降滤失剂，其中，所述防塌处理剂为前述所述的纳米自锁膨润土成膜剂。
[0018]通过上述技术方案，本专利技术具有以下有益效果：
[0019](1)本专利技术首先制备得到低维纳米自锁膨润土可在高温150℃条件下，自发地响应高温，并形成致密的自锁性纳米膜结构，有助于形成防塌性内膜，阻止后续水分侵入页岩内部。利用高温高压的压力传递实验，有效地进行了工程可行性评估，最终制备得到的纳米自锁膨润土成膜剂可减缓压力传递与渗透，是高效的页岩防塌剂。以纳米自锁膨润土成膜剂作为防塌剂则可有效延长压力传递时间至63h，传递渗透率降低至2.3
×
10
‑4mD，同时压力起动的时间也由18h增长至41h，增长幅度为128％，极大地提高了页岩的稳定性，保证了安全钻井时间。
[0020](2)热响应成膜钻井液具有强抑制性，抑制率大于80％，较强的抗盐抗温能力，抗温达150℃，能形成完全不透水的隔离膜，模拟高温高压的动滤失量增量可在较短时间内趋于零，具有很好的封堵能力，能有效阻止钻井液及滤液进入地层，有利于稳定井壁。
[0021](3)对比其他高性能防塌剂，自锁膨润土与纳米自锁膨润土成膜剂均具备优异的页岩防塌性能。高性能抑制性PEI防塌剂在高温条件下的防塌性能较差，不能形成较好的膜结构，阻止水分子与页岩进一步接触。实验结果表明实验的防塌剂的防塌效果为：纳米自锁膨润土成膜剂>纳米自锁膨润土>高性能阳离子乳化沥青复合二氧化硅>自锁膨润土>高性能阳离子乳化沥青>聚乙烯亚胺PEI。
[0022](4)通过发光菌法的生物毒性测试，热响应成膜钻井液的生物毒性达到了行业建议排放标准，其他几种处理剂及其组成的成膜钻井液均无荧光，利于现场作业。
附图说明
[0023]图1是本专利技术的低维纳米自锁膨润土的制备方法的示意图；
[0024]图2是纳米膨润土的粒径分布图；
[0025]图3是纳米膨润土的微观结构图；
[0026]图4是本专利技术的低维纳米自锁膨润土室温条件下的粒径分布图；
[0027]图5是本专利技术的低维纳米自锁膨润土热响应前的粒径分布图；
[0028]图6是本专利技术的低维纳米自锁膨润土热响应后的粒径分布图；
[0029]图7是热响应前后的自锁结构；
[0030]图8是自锁热响应膨润土防塌液对页岩压力传递的影响；
[0031]图9是不同类型防塌液对页岩压力传递的影响；
[0032]图10是压力传递后页岩的SEM图；
[0033]图11是热响应成膜钻井液体系的抑制性对比；
[0034]图12是高温高压钻井液滤失量变化曲线；
[0035]图13是在盐污染后，热响应成膜钻井液的高温滤失量的变化曲线；
[0036]图14是热响应成膜钻井液的动滤失量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米自锁膨润土成膜剂的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：(1)将纳米膨润土与酸第一接触进行化学切割，得到切割纳米膨润土；(2)将所述切割纳米膨润土先与氯化钠水溶液进行第二接触后，再和长链高分子分子材料进行第三接触，得到低维纳米自锁膨润土；(3)将所述低维纳米自锁膨润土、纳米膨润土和水混合，再逐滴滴加结构键合剂以对所述低维纳米自锁膨润土的层结构表面活化；(4)在氮气保护下，将三氯甲烷溶液、2,2
′‑
联二吡啶配合液、对二甲苯溶液引入经步骤(3)后的生成物中，再加入N,N,N',N”,N
”‑
五甲基二亚乙基三胺交联剂进行恒温自由反应，以对所述低维纳米自锁膨润土的层结构表面萌发；(5)采用三氯甲烷与甲醇混合液对经步骤(4)后的反应液进行清洗离心和干燥处理，得到纳米自锁膨润土成膜剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤(1)中，所述化学切割的条件包括：在温度为20
‑
60℃条件下分散后静置时间为6
‑
24h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤(2)中，所述长链高分子材料选自十八烷基三甲基氯化铵、阳离子聚丙烯酰胺和聚乙烯亚胺中的一种或多种；和/或，相对于100mL所述酸，所述长链高分子材料的用量为0.1
‑
4g；和/或，所述第二接触的条件包括：温度为20
‑
50℃，时间为8
‑
15h；和/或，所述第三接触的条件包括：温度为30
‑
60℃，时间为2
‑
6h。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的制备方法，其中，所述的制备方法还包括：在进步步骤(1)之前，将所述纳米膨润土进行粉碎与分散处理，得到黏土；和/或，相对于100mL所述酸，所述黏土的用量为1
‑
15g，优选为3
‑
12g。5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤(3)中，相对于200mL水，所述低维纳米自锁膨润土的用量为0.1
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：董汶鑫，蒲晓林，陈思佚，陈薇，姜德义，孙金声，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：