一种抗超高温水基钻井液纳米封堵剂及其制备方法与流程

本发明涉及油田化学领域，具体涉及一种抗超高温水基钻井液纳米封堵剂及其制备方法。

背景技术：

1、近些年，油气资源勘探开发正逐渐向深井、超深井发展。随着地层深度的增加，地层温度也在逐步升高，对钻井液井下工作性能要求愈发苛刻。在钻井工程中，一般认为地层温度在200℃以上即为超高温地层。在高地层温度下，钻井液稳定性面临着巨大挑战，很容易发生井壁失稳和卡钻等复杂情况。其中井壁失稳问题又多发生在泥页岩地层，超90％的井壁失稳问题由泥页岩水化引起，严重影响井身质量，造成了巨大的经济损失。

2、使用抗高温水基钻井液是解决高温地层井下安全问题的关键。其中纳米封堵剂又是解决泥页岩井壁失稳问题的核心处理剂。目前针对抗高温性能的纳米封堵剂主要发展方向是合成有机聚合物/无机纳米材料复合纳米封堵剂。有机聚合物具备一定的形变能力和成膜性，更容易的进入地层孔隙形成有效封堵，但容易在高温环境下降解失去作用；无机纳米材料强度更高，具备更好的抗温性能，在高温条件下依然能保证封堵作用，但进入微孔隙裂缝能力不足。

3、目前抗高温有机/无机纳米封堵剂使用的有机纳米聚合物主要是烯基单体的共聚物，这些单体包括丙烯酸、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)、丙烯酸酯类等等。使用的无机纳米封堵剂材料主要以纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、氧化铁类纳米材料和钙基/铁基类纳米材料。

4、有机/无机纳米封堵剂将两种材料的性能优势进行融合，以有机聚合物为外壳，对无机纳米粒子进行表面修饰，保证无机材料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性不受影响的同时，使复合的纳米封堵剂具备良好的分散性、抗温性能、形变能力以及成膜性能。

5、cn113292973a公开了“一种抗高温二氧化硅接枝叔胺纳米封堵剂及水基钻井液”。采用二氧化硅接枝叔胺纳米封堵剂，该纳米封堵剂在150℃高温下性能良好，但不能满足超高温地层(＞200℃)应用条件。cn108300433a公开了“一种钻进页岩水平井用纳米复合封堵剂及其制备方法”，其封堵剂粒径保持在500nm以内，具备刚性和柔性变形特点，但在制备中d50大于100nm，只有少部分封堵剂可以进入泥页岩地层，不能充分满足泥页岩地层封堵需求。

6、现有水基钻井液纳米封堵剂存在以下缺点：(1)抗高温能力不足，超高温条件下溶液降解失效，不能满足深部地层钻探需求；(2)页岩地层封堵效果差，常规封堵剂粒径较大，不能满足微纳米尺度泥页岩地层封堵的钻井要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种抗超高温水基钻井液纳米封堵剂及其制备方法。本发明使用亲水单体和抗温型单体进行聚合，对无机纳米材料氮化铝表面进行接枝处理，形成一种核壳结构式的纳米封堵剂，具备刚性和柔性变形特点，能够满足超高温泥页岩地层封堵的需求。

2、为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明一方面提供一种抗超高温水基钻井液纳米封堵剂，该纳米封堵剂为核壳结构，以纳米氮化铝为核，以有机聚合物为壳，纳米氮化铝具备高比表面积，且可提升表面接枝聚合物抗水解能力；

4、所述有机聚合物的聚合单体包括亲水单体和抗温单体；所述亲水单体选自n,n-二甲基丙烯酰胺、马来酸酐和丙烯磺酸钠中的至少一种；所述抗温单体选自n-丙烯酰吗啉、n-乙烯基邻苯二甲酰亚胺和n-烯丙基-2-吡咯烷酮中的至少一种。

5、本发明使用抗高温单体聚合形成有机聚合物外壳，对刚性无机纳米材料进行包裹，二者协同作用提升了封堵剂高温稳定性，在抵抗地层超高温方面具备很大的优势。本发明所采用的单体间存在着协同作用，亲水单体可与黏土颗粒间产生吸附作用，使得聚合物更好的与黏土颗粒相联结，形成的滤饼致密程度上升，而抗温单体以其自身刚性结构难以降解特点，在基浆中易受到水的作用力的影响，使聚合物具备更好的变形能力，便于在裂缝孔隙中填充。

6、根据本发明的纳米封堵剂，优选地，所述纳米封堵剂的粒径为30～160nm。

7、本发明核壳式纳米封堵剂平均粒径在40～150nm，粒径较小且同时具备可变型性和内部刚性结构，对地层微孔隙裂缝有良好的封堵作用。

8、根据本发明的纳米封堵剂，优选地，所述纳米封堵剂具有良好的水溶性，在水中分散性呈球状，球形粒子边界清晰，纳米封堵剂球状内核清晰，表面覆盖一层较厚灰黑色聚合物外壳。

9、根据本发明的纳米封堵剂，优选地，所述纳米封堵剂满足220℃超高温地层应用条件。

10、本发明另一方面提供一种以上核壳结构抗超高温水基钻井液纳米封堵剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

11、使用硅烷偶联剂对纳米氮化铝进行表面改性，得到改性纳米氮化铝；

12、将乳化剂加入白油或柴油中，并加入所述改性纳米氮化铝，得到油相乳液；

13、将亲水单体和抗温单体加入去离子水中，混合均匀后，调节ph为7～8，混合20～30min，得到均匀水相溶液；

14、在搅拌条件下，将所述油相乳液缓慢滴加到所述水相溶液中；在保护气氛围下，向其中加入引发剂引发聚合反应；反应完成后分离出固体，用乙醇洗涤固体并过滤烘干，粉碎后即得所述纳米封堵剂；

15、其中，所述亲水单体选自n,n-二甲基丙烯酰胺、马来酸酐和丙烯磺酸钠中的至少一种；所述抗温单体选自n-丙烯酰吗啉、n-乙烯基邻苯二甲酰亚胺和n-烯丙基-2-吡咯烷酮中的至少一种。

16、在油相乳液和水相溶液在制备过程中，油和水的用量本领域技术人员可根据经验确定。

17、根据本发明的制备方法，优选地，使用naoh溶液调节ph为7～8。

18、根据本发明的制备方法，优选地，所述混合20～30min可采用搅拌、超声分散等方式。

19、根据本发明的制备方法，优选地，所述分离出固体可采用离心沉淀或过滤等方式。

20、根据本发明的制备方法，优选地，所述乳化剂选自失水山梨醇单油酸酯、失水山梨醇三油酸酯和失水山梨醇单硬脂酸酯中的至少一种。

21、根据本发明的制备方法，优选地，所述引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钾和亚硫酸氢钠中的至少一种。

22、根据本发明的制备方法，优选地，所述乳化剂与所述改性纳米氮化铝的质量比为(6～14)：(10～15)。

23、根据本发明的制备方法，优选地，所述亲水单体、所述抗温单体和所述改性纳米氮化铝的质量比为(15～20)：(2～4)：(10～15)。

24、根据本发明的制备方法，优选地，所述引发剂与所述改性纳米氮化铝的质量比为(0.02～0.1)：(10～15)。

25、根据本发明的制备方法，优选地，所述聚合反应的温度为60～80℃，时间为4h～5h。更优选地，所述聚合反应在搅拌速度为300r/min的条件下进行。

26、根据本发明的制备方法，优选地，使用硅烷偶联剂对纳米氮化铝进行表面改性的过程包括：

27、将所述纳米氮化铝分散于无水乙醇中，升温至50～60℃后搅拌并通入氮气10～20min，升温至70℃边搅拌边加入所述硅烷偶联剂，反应结束后除去溶剂得到粗产品；所述粗产品用无水乙醇洗涤、过滤，除去未反应的单体，真空干燥得到所述改性纳米氮化铝。优选地，反应5h，真空干燥2h。

28、根据本发明的制备方法，优选地，所述纳米氮化铝与所述硅烷偶联剂的质量比为(50～70)：(2～4)。

29、根据本发明的制备方法，优选地，所述硅烷偶联剂选自3-氨基丙基三乙氧基硅烷(kh550)、3-氨丙基三甲氧基硅烷(kh540)和γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(kh560)中的至少一种。

30、根据本发明的制备方法，优选地，所述纳米氮化铝在进行表面改性之前，在50℃真空干燥4h。

31、根据本发明的制备方法，优选地，使用剪切乳化机在3000～4000r/min搅拌条件下，将所述油相乳液缓慢滴加到所述水相溶液中。

32、根据本发明的制备方法，优选地，所述保护气为氮气。

33、本发明的有益效果包括：

34、本发明所提供的核壳结构抗超高温水基钻井液纳米封堵剂能够抗220℃超高温，有机聚合物包裹无机纳米粒子增加了封堵剂的抗温性能，主要原因分为两方面：1)选用抗高温能力较强单体进行聚合接枝，引入含氮杂环，提高了聚合物的抗温性和抗水解能力；2)纳米颗粒的加入有利于提高聚合物的抗温性。此外，本发明的纳米封堵剂能够有效封堵泥页岩地层。封堵剂粒径处于微纳米级别且具备刚性和柔性变形特点，能够挤压变形进入泥页岩地层，进行有效封堵。因此，本发明的封堵剂不仅适用于深层超高温油气钻探，而且适用于地热井、环境敏感区域或泥页岩地层的钻探。