一种超低粘纤维素基钻井液降滤失剂及其制备方法与流程

本发明涉及油田钻井液化学剂，尤其涉及一种超低粘纤维素基钻井液降滤失剂及其制备方法。

背景技术：

1、纤维素类降滤失剂是水基钻井液体系中使用最广泛的处理剂之一，其中羧甲基纤维素（cmc）因其来源广泛、成本低廉、生物可降解性好而被大量应用。然而，传统高粘cmc在使用过程中存在一个根本性矛盾：要获得良好的滤失控制效果，往往需要较高的加量（通常30-50kg/m³），但这会导致钻井液粘度急剧升高，严重影响钻速和井眼清洁效率。近年来发展的超低粘cmc（粘度≤15mpa·s）虽然在一定程度上缓解了粘度问题，但其在高温（≥150℃）高盐（≥100000mg/lnacl）条件下的滤失控制能力出现严重衰减。

2、这种性能退化的根本原因在于：超低粘cmc的分子量较低，分子链较短，在高温下容易发生热降解和构象塌陷。当温度升高至150℃以上时，纤维素分子链上的糖苷键开始断裂，导致原本就有限的分子链进一步缩短，其在井壁泥饼上形成致密滤饼的能力大幅下降。同时，在高盐环境中，盐离子会压缩纤维素分子链周围的双电层，导致分子链卷曲收缩，有效流体力学半径减小，进一步削弱了其架桥堵漏功能。

3、此外，传统纤维素降滤失剂与蒙脱土等粘土矿物的兼容性较差。蒙脱土片层在水中容易发生过度水化膨胀，与纤维素分子链之间缺乏有效的界面结合力，导致二者在钻井液中分散不均。在高温循环条件下，蒙脱土片层从纤维素骨架上剥离，不仅使滤失控制能力进一步下降，还会导致钻井液流变性能发生不可预测的波动。

4、目前的通用做法是通过化学交联来提高cmc的耐温性，但交联反应往往会使体系粘度大幅上升，违背了"超低粘"的设计初衷。也有研究者尝试将纳米材料与cmc复合，但由于纳米粒子在cmc溶液中极易团聚，且与纤维素基体之间缺乏化学键合，实际效果远低于预期。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超低粘纤维素基钻井液降滤失剂及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了超低粘纤维素基钻井液降滤失剂的制备方法，包括以下步骤：

3、s1.将超低粘羧甲基纤维素溶于去离子水中，在碱性条件下搅拌至完全溶解，获得纤维素基液；所述的超低粘羧甲基纤维素是指按gb/t 12005.1-1989标准、在1%水溶液、25℃条件下测定的粘度为≤15mpa·s的羧甲基纤维素；

4、s2.向所述纤维素基液中加入纳米改性蒙脱土插层复合物，在4000r/min-6000r/min的高速剪切作用下分散15min-25min，使蒙脱土片层在纤维素分子链间充分插层；

5、s3.将混合体系温度调整至65℃-75℃，加入交联微球前驱体，同时启动超声辅助搅拌，超声功率为400w-600w，使微球前驱体均匀分散于体系中；

6、s4.将所述分散体系经双流体喷嘴喷雾干燥造粒，进风温度180℃-200℃，出风温度80℃-90℃，获得降滤失剂颗粒成品；

7、s5.颗粒成品经在线气流输送至表面改性区，喷涂疏水改性剂溶液进行疏水处理，获得最终产品；

8、所述超低粘纤维素基钻井液降滤失剂按重量百分比计，包括超低粘羧甲基纤维素：60.0%-70.0%；纳米改性蒙脱土插层复合物：12.0%-18.0%；交联微球前驱体：8.0%-12.0%；疏水改性剂：1.5%-3.0%；余量为水及不可避免的杂质；

9、所述纳米改性蒙脱土插层复合物是指含有原位聚合生成的聚丙烯酰胺-蒙脱土纳米插层结构的复合粉体，其蒙脱土层间距为2.5nm-3.0nm；

10、所述交联微球前驱体是指含有纳米二氧化硅核壳结构的功能单体预聚体，由n-异丙基丙烯酰胺和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺在纳米二氧化硅表面经引发剂引发预聚形成。

11、优选地，所述纳米改性蒙脱土插层复合物为含有原位聚合生成的聚丙烯酰胺-蒙脱土纳米插层结构的复合粉体，所述纳米改性蒙脱土插层复合物的制备方法包括以下步骤：

12、p1.将钠基蒙脱土、ctab和去离子水按比例混合后置于高速剪切分散机中，在氮气保护下进行插层预处理，获得有机化蒙脱土浆料；

13、p2.向所述浆料中加入丙烯酰胺单体和过硫酸铵引发剂，在60℃-80℃条件下进行原位自由基插层聚合反应3h-5h，获得聚丙烯酰胺-蒙脱土纳米插层复合物；

14、p3.将所述复合物在80℃-100℃下真空干燥，研磨过200目筛，获得纳米改性蒙脱土插层复合物粉体；

15、所述纳米改性蒙脱土插层复合物的原料组成按重量百分比包括：

16、钠基蒙脱土：75.0%-80.0%；ctab：8.0%-12.0%；丙烯酰胺单体：10.0%-15.0%；过硫酸铵：1.0%-2.0%；去离子水：余量。

17、优选地，所述纳米改性蒙脱土插层复合物的原料组成中还包括乙烯基三甲氧基硅烷，所述乙烯基三甲氧基硅烷的加入量为1.0%-2.0%，且在步骤p1中与ctab一同加入蒙脱土浆料中进行插层预处理。

18、优选地，所述交联微球前驱体为含有纳米二氧化硅核壳结构的功能单体预聚体，所述交联微球前驱体的制备方法包括以下步骤：

19、q1.将纳米二氧化硅、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和无水乙醇按比例混合，在超声波辅助下进行表面硅烷化改性，获得改性纳米二氧化硅；

20、q2.向所述改性纳米二氧化硅中加入n-异丙基丙烯酰胺、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺交联剂、过硫酸铵引发剂，所述过硫酸铵引发剂的加入量为nipam和mbaa总重量的0.5%-1.0%，在氮气保护下进行预聚反应，获得交联微球前驱体。

21、优选地，所述交联微球前驱体中纳米二氧化硅的含量为40.0%-50.0%，nipam的含量为45.0%-55.0%，mbaa的含量为3.0%-5.0%，过硫酸铵引发剂的含量为0.3%-0.5%。

22、优选地，步骤s3中所述超声辅助搅拌的频率为20khz-30khz，搅拌时间为10min-15min。

23、优选地，步骤s5中所述疏水改性剂为十八烷基三氯硅烷与正己烷按1:5质量比配制的溶液，喷涂量为降滤失剂颗粒重量的1.5%-3.0%。

24、优选地，步骤s4中所述喷雾干燥的雾化压力为0.3mpa-0.5mpa，造粒后颗粒粒径控制在40目-80目。

25、优选地，步骤s1中所述碱性条件为ph值9.0-10.0，由碳酸钠调节。

26、本发明还提供了一种超低粘纤维素基钻井液降滤失剂的制备方法制备得到的超低粘纤维素基钻井液降滤失剂。

27、相比现有技术，本发明的有益效果为：

28、1、通过将丙烯酰胺单体在有机化蒙脱土片层间进行原位自由基插层聚合，利用ctab预先扩大蒙脱土层间距，使丙烯酰胺单体能够渗入层间并在引发剂作用下原位生成聚丙烯酰胺链段，由此制得一种具有"分子刷"结构的纳米改性蒙脱土插层复合物。将该复合物与超低粘cmc在高速剪切下共混后，聚丙烯酰胺链段如同"分子拉链"一样与cmc分子链上的羧甲基和羟基形成大量氢键，同时蒙脱土片层被限制在cmc分子链之间形成纳米级"隔板"结构。这种多重协同的界面结合机制使得降滤失剂在高温高盐钻井液中，即使cmc分子链发生部分热降解，蒙脱土片层和聚丙烯酰胺链段仍能维持滤饼骨架的完整性。将其加入180℃、120000mg/lnacl的钻井液体系中，api滤失量仅为2.8ml，较未添加该复合物的对照组降低了62%，且钻井液粘度始终维持在11mpa·s以下，解决了传统降滤失剂"降滤失必增粘"的技术矛盾。

29、2、在制备交联微球前驱体时，利用kh-570对纳米二氧化硅进行硅烷化改性，使其表面接枝有可聚合的乙烯基和甲基丙烯酰氧基官能团，配合nipam的温敏特性，使得微球在常温下呈溶胀状态，分子链舒展；当温度升高至相转变温度以上时，nipam链段发生相变收缩，收缩后的微球体积减小30%-50%，密度增大，在钻井液压差作用下随滤液迁移至滤饼孔隙深部，在孔隙中堆积、压实，并与蒙脱土片层和纤维素骨架协同形成致密的物理封堵层。这种"温敏封堵"特性在钻井液循环过程中发挥双重作用：常温配浆时微球溶胀，不影响体系的低粘度特性，同时均匀分散于钻井液中；当井底温度升高至150℃以上时，nipam链段塌缩使微球体积减小，得以深入滤饼内部孔隙并在其中堆积封堵。同时，纳米二氧化硅核作为刚性支撑点，确保微球在反复温度循环中不发生不可逆团聚。由此制得的降滤失剂在经历50次150℃-25℃热循环后，滤失量增幅不超过15%，而传统cmc降滤失剂的增幅超过80%。将其用于深井高温地层的钻井作业中，能有效控制井壁失水，预防井壁坍塌和卡钻事故，显著提升了复杂地层的钻井安全系数。