一种插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂及水基钻井液

1.本发明涉及油气田钻井技术领域，具体涉及一种插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂及其包含有该纳米封堵剂的水基钻井液。


背景技术：

2.目前在国内和国外钻井中，经常存在井壁不稳定问题，国内外数百口井的统计说明，所钻泥页岩地层占所钻总地层的70％，而90％以上的井塌发生在泥页岩地层。页岩具有特殊的孔缝一孔隙结构，属超低孔、低渗类型，多为纳米级孔喉。针对页岩气的成藏特征，水平井钻井已成为页岩气开发的主要钻井方式。不管使用水基钻井液体系或者油基钻井液体系钻页岩地层都会出现井壁垮塌的现象，其根本原因是“水力劈裂作用”，钻井液或滤液进入孔缝，使孔缝张开，同时大大降低缝面间摩擦力，使坍塌压力大幅度上升。若不能有效封堵住孔缝阻断泥浆液相进入孔缝，则不能防塌。
3.目前，采用封堵剂封堵裂缝是解决该问题的关键，裂缝或层理发育的页岩地层，目前已有的封堵剂在微米级别的页岩孔缝中取得了很好的封堵效果，但在封堵纳米级孔缝方面，其封堵效果亟待进一步提升。因此，针对页岩中的纳米级别的孔缝不能有效封堵而导致的井壁失稳的问题，合成一种具有纳米尺寸的封堵剂去提高水基钻井液的封堵效果将是一个很好的选择。


技术实现要素：

4.针对目前常规封堵剂无法有效封堵泥页岩中的纳米孔缝而导致的井壁失稳问题，本发明提供了一种插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂，其粒径为纳米级，能够有效对泥页岩地层中的纳米级孔缝进行封堵，从而达到稳定井壁的目的。且研制了一种能适用于页岩地层的新型纳米封堵水基钻井液替代油基钻井液能够解决井壁稳定、储层污染等问题。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂及其水基钻井液。所述插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂的原料包括为纳米碳化钛(50nm)，乙烯基磺酸，羟基丙烯酸酯类化合物，氨基烯醇类化合物，插层剂，交联剂，引发剂；所述插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂的制备步骤如下：
6.将纳米碳化钛置于60-70℃条件下真空干燥，取干燥后的纳米碳化钛加入到去离子水的分散液中进行超声分散，然后边搅拌边滴加插层剂，然后置于在40-50℃反应，冷却至室温，离心分离，再超声分散，抽滤，洗涤，得到插层改性纳米碳化钛，然后，将得到的插层改性纳米碳化钛用去离子水进行超声分散，分散液置于反应器中，通氮气20-30min后，加入乙烯基磺酸，羟基丙烯酸酯类化合物，氨基烯醇类化合物于反应器中，并用20％-25％的naoh水溶液将体系ph值调节到6.5-7.5之间，接着将反应器升温至60-70℃，再加入交联剂及引发剂反应4-5h，反应完毕后，将反应体系降至20-25℃，制备得的样品用蒸馏水洗涤至中性，接着置于50-60℃条件下真空干燥，将烘干的样品进行研磨，得到插层改性纳米碳化
钛复合水凝胶封堵剂。
7.所述插层剂为四甲基氢氧化铵(tmaoh)、二甲基亚砜(dmso)中的一种；
8.所述羟基丙烯酸酯类化合物为2，3-二羟基丙烯酸丙酯、2-甲基-2-丙烯酸-2，3-二羟基丙酯中的一种；
9.所述氨基烯醇类化合物为1-氨基-3-丁烯-2-醇、(2s)-2-氨基-3-丁烯-1-醇中的一种；
10.所述交联剂为n，n-亚甲基双丙烯酰胺(mba)、双环戊二烯丙烯酸酯(dcpa)中的一种；
11.所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的一种；
12.所述插层改性纳米碳化钛，乙烯基磺酸，羟基丙烯酸酯类化合物，氨基烯醇类化合物的质量比为2:3:2:3；
13.所述交联剂的加量为插层改性纳米碳化钛，乙烯基磺酸，羟基丙烯酸酯类化合物，氨基烯醇类化合物四种单体总重量的1％-3％；
14.所述引发剂的加量为插层改性纳米碳化钛，乙烯基磺酸，羟基丙烯酸酯类化合物，氨基烯醇类化合物四种单体总重量的1％-3％。
15.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一种插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂。
16.以重量份计，所述钻井液的组成如下：100重量份的水 2-4重量份的膨润土 0.1-0.3重量份的naoh 0.01-0.03重量份的kpam 5-6重量份的smp-1 3-5重量份的frh 4-5重量份的fk-10 0.3-0.5重量份的cao 1-4重量份的插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂 1-2重量份的nh-1 1-1.5重量的ght-95 0-210重量份的重晶石，密度为1.05-2.20g/cm3。
17.本发明有益效果如下：
18.本发明所制备的插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂的粒径分布在90-220nm之间，能够有效的对泥页岩地层中的纳米级别孔缝进行封堵，从而达到稳定井壁的效果；本发明所使用的水基钻井液在泥页岩地层条件下的流变性、稳定性以及封堵性等方面性能良好。
附图说明
19.图1为实施例一中插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂的粒径分布图；
20.图2为实施例二中插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂的粒径分布图。
具体实施方式
21.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。
22.本实施例中，若无特殊说明，所述的份数均为重量份数。
23.一、插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂的合成：
24.实施例1：
25.将0.6g纳米碳化钛置于65℃条件下真空干燥，取干燥后的纳米碳化钛加入到50ml去离子水的分散液中进行超声分散30min，然后边搅拌边滴加10％的二甲基亚砜30ml，然后置于在45℃反应，冷却至室温，离心分离，再超声分散，抽滤，洗涤，得到插层改性纳米碳化钛，然后，将得到的插层改性纳米碳化钛用60ml去离子水进行超声分散，分散液置于反应器中，通氮气20-30min后，加入1.62g乙烯基磺酸，1.46g2，3-二羟基丙烯酸丙酯，1.31g1-氨基-3-丁烯-2-醇于反应器中，并用22％的naoh水溶液将体系ph值调节到6.5，升温至60℃，再加入0.10gn，n-亚甲基双丙烯酰胺以及0.10g过硫酸钾反应4h，反应完毕后，将反应体系降至20℃，制备得的样品用蒸馏水洗涤至中性，然后置于50℃条件下真空干燥，将烘干的样品进行研磨，得到插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂。
26.实施例2：
27.将将0.9g纳米碳化钛置于65℃条件下真空干燥，取干燥后的纳米碳化钛加入到50ml去离子水的分散液中进行超声分散30min，然后边搅拌边滴加10％的二甲基亚砜45ml，然后置于在45℃反应，冷却至室温，离心分离，再超声分散，抽滤，洗涤，得到插层改性纳米碳化钛，然后，将得到的插层改性纳米碳化钛用90ml去离子水进行超声分散，分散液置于反应器中，通氮气20-30min后，加入2.43g乙烯基磺酸，2.40g2-甲基-2-丙烯酸-2，3-二羟基丙酯，1.96g(2s)-2-氨基-3-丁烯-1-醇于反应器中，并用22％的naoh水溶液将体系ph值调节到7，升温至60℃，再加入0.15gn，n-亚甲基双丙烯酰胺及0.15g过硫酸钾反应5h，反应完毕后，将反应体系降至20℃，制备得的样品用蒸馏水洗涤至中性，然后置于50℃条件下真空干燥，将烘干的样品进行研磨，得到插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂。
28.为了进一步说明本发明插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂以及水基钻井液的效果，对实施例1、实施例2制备的插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂以及水基钻井液进行性能测试。
29.二、性能测试
30.1、插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂粒径测试
31.利用美国布鲁克海文仪器公司生产的bi-200sm型激光散射仪对插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂进行粒径测试，两个实施例中制备的插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂粒径测试结果分别如图1、图2所示。本发明插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂的粒径分布在90-220nm之间，说明本发明合成的封堵剂是纳米尺寸的，且该封堵剂分布范围宽，能有效封堵不同纳米尺寸的纳米孔缝。
32.2.钻井液流变性能和失水造壁性能测试
33.本发明主要以以下具体配方对插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂的应用方式进行说明。以100质量份的水为基准，具体配方为：100重量份的水 3重量份的膨润土 0.2重量份的无水碳酸钠 0.3重量份的氢氧化钠 0.02重量份的kpam 5.5重量份的smp-1 4重量份的frh 4.5重量份的fk-10 0.4重量份的cao 1.5重量份的nh-1 1.0重量份的ght-95 10重量份的重晶石。
34.具体配制过程如下∶
35.(1)、预水化膨润土浆
36.在3000重量份温度为70℃的自来水中加入90重量份的膨润土，在室温下搅拌均匀后加入6.0重量份的无水碳酸钠，充分搅拌30min后，密封静置水化24h。
37.(2)、钻井液的配制
38.分别取300ml预水化土膨润土浆9份，分别加入0.3重量份的氢氧化钠，0.06重量份的kpam，16.5重量份的smp-1，12重量份的frh，13.5重量份的fk-10，1.2重量份的cao，4.5重量份的nh-1，3.0重量的ght-95，30重量份的重晶石，配制成密度为1.18g/cm3的钻井液，每加入一种物质，需搅拌15min，得到9份基浆。
39.搅拌均匀后，分别向4份基浆中加入3g、6g、9g、12g上述方式制备的插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂，制得含插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂添加量1％-4％的四种水基钻井液，依据国家标准gb/t16783.1-2014《石油天然气工业钻井液现场测试第1部分∶水基钻井液》，分别对步骤配制好的钻井液进行老化后钻井液流变性和失水造壁性进行测试，结果记录在表1中，由表1所示的结果可以看出，与不加插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂的钻井液相比，当插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂在钻井液中加量为1％、2％、3％、4％时，钻井液性能未受到明显的影响，表明该钻井液封堵剂具有良好的配伍性能。随着插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂加量的增加，在同一实验条件下钻井液的表观黏度、塑性黏度逐渐增大，对切力的影响较小。在150℃下老化16h后的钻井液，随着插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂加量的增加，高温高压滤失量逐渐减小，且在加量为4％时高温高压滤失量最小，说明插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂具有良好的流变性能和失水造壁性能，且能有效降低钻井液高温高压滤失量，即使在高温环境下也能提供较好的封堵性能，有效阻止滤液进入地层，提高井壁稳定性。
40.表1钻井液流变性能及滤失性能记录表
[0041][0042]
注∶av—表观黏度，单位为mpa
·
s；pv—塑性黏度，单位为mpa
·
s；yp—动切力，单位为pa；api—常温中压滤失量，单位为ml；hthp—高温高压滤失量，单位为ml。
[0043]
3、钻井液封堵性能测试
[0044]
使用优选出的人造岩心进行ct扫描成像，利用avizo可视化软件建立数字岩心模型，3d打印技术构建3d打印岩心，运用3d打印岩心模拟地层纳微米裂缝地层，通过测量钻井液体系在3d打印岩心中的平均流量，通过达西公式，计算加入不同质量分数插层改性纳米
碳化钛复合水凝胶封堵剂钻井液体系和不加任何封堵剂钻井液体系前后，测得3d打印岩心的渗透率从而计算得到插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂对3d打印岩心的封堵率，从而评价其封堵性能。表2所示为插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂对3d打印岩心封堵效果记录表。封堵率为(初始渗透率-封堵后渗透率)/初始渗透率
×
100％，不同插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂加量下的封堵效果见表2，由表2所表示的结果可知，随着插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂加量的增加，对岩心的封堵率增加了，且当加入插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂为1％-4％时，对岩心的平均封堵率达到88.5％、89.6％、90.8％、91.5％，这表明插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂可以对纳米孔缝实现有效的封堵，进而阻止钻井液进入岩心，同时，插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂最佳添加量为1％。
[0045]
表2不同插层改性纳米碳化钛复合水凝胶封堵剂加量下的封堵效果评价
[0046]
名称3d打印岩心渗透率/10-3md封堵后渗透率/10-3
md封堵率％基浆 1％实施例17.530.8688.6基浆 1％实施例27.520.8788.4基浆 2％实施例17.480.7789.7基浆 2％实施例27.530.7989.5基浆 3％实施例17.600.6991.0基浆 3％实施例27.520.7190.6基浆 4％实施例17.580.6491.6基浆 4％实施例27.550.6591.4
[0047]
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。