一种提高钻井液重晶石高温沉降稳定性的方法

本发明涉及一种提高钻井液重晶石高温沉降稳定性的方法，属于油气田勘探开发钻井液。

背景技术：

1、随着石油资源的不断开采，石油的勘探开发逐渐向深部发展。由于地层的温度和压力会随着井深的增加而增加，为了防止井底突发的高温和高压，需要使用抗高温高密度钻井液。钻井液中最常用的加重剂是重晶石，还包括一些高密度加重材料例如赤铁矿、铅盐、铬酸盐、钙碳酸盐、云母和钠溴化物等。使用这些加重剂会在井中形成足够的静液柱压力来平衡地层高压，从而防止发生井壁坍塌、井喷等复杂事故。但是，在超高温地层中，这些加重剂会快速团聚和沉降，这可能会引起钻井磨阻增大，堵塞钻井设备，甚至会导致地层压力失衡，进而引发井喷。

2、根据斯托克斯定律，球形粒子在粘滞层流中的沉降速度与颗粒和分散介质的密度差值以及分散介质的粘滞系数有关。在高温条件下重晶石分子运动速率加快，加重颗粒接触碰撞的概率增大，易导致钻井液中的重晶石沉降。现有技术提出了一些关于通过降低重晶石粒径来提高其悬浮稳定性的方法，例如：中国专利文献cn116422431a提供了关于重晶石精细加工的方法，设计了一种精细重晶石粉末的加工设备来降低重晶石的粒径，但是精细加工后重晶石的悬浮稳定性需要进行提升；中国专利文献cn105273697a提供了一种微米化加重钻井液，既进行了重晶石粉末的活化，使其具有不同粒径级别，减小了原重晶石粉末因粒径级别相近而形成的体积，同时加入聚阴离子纤维素盐、复合金属离子聚合物、聚丙烯腈铵盐、磺化酚醛树脂等高分子添加剂改善钻井液的悬浮能力。但是，该专利只评价了微米化加重钻井液在常温状态下的悬浮性能，其高温环境下的悬浮性能还需进一步提升。中国专利文献cn111909668a提供一种超高温水基钻井液用改性硫酸钡加重剂，所述改性硫酸钡加重剂包括硫酸钡以及负载在所述硫酸钡上的无定形碳，且以所述改性硫酸钡加重剂的总重量为基准，所述无定形碳以碳元素计的含量为2-20wt％，且并未考虑加入改性硫酸钡作为加重剂对于地层的影响，并未做到绿色环保。中国专利文献cn107955589a提供一种纤维素纳米纤维及含有该组分的无粘土相水基钻井液，其特征是：包括纤维素纳米纤维、降滤失剂、页岩抑制剂、润滑剂、高温稳定剂、水和加重材料；以1l水的体积为基准，所述纤维素纳米纤维的含量为1～30g；所述降滤失剂的含量为20～40g；所述页岩抑制剂的含量为10～30g；所述高温稳定剂的含量为1～10g；所述润滑剂的含量为20～30g；所述加重材料在每升无粘土相水基钻井液中的含量为100～2000g；所述纤维素纳米纤维的微观形态为纤丝状，其平均直径为2～50nm，长径比为100～1000；所述纤维素纳米纤维能够较好地分散在水溶液中，有效地提高水溶液的粘度与切力，该专利可以提高钻井液携岩效率，但是该专利并未评价纤维素纳米纤维对重晶石的悬浮稳定性能。此外，该专利未考虑纤维素纳米纤维的微观形貌以及木质素的存在对体系耐温性以及悬浮稳定性能的影响。

3、因此，研发一种提高钻井液重晶石高温沉降稳定性的方法具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，尤其是针对高温高压地层中钻井液重晶石悬浮稳定性差且对地层污染等问题，本发明提供了一种提高钻井液重晶石高温沉降稳定性的方法。本发明一方面通过湿法研磨法减小重晶石的粒径，另一方面通过添加纤维素纳米材料提升钻井液黏度和悬浮特性，达到了双重延缓重晶石沉降速度的效果。本发明的方法有效解决高温地层钻探中可能出现的井壁坍塌、井喷等问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种提高钻井液重晶石高温沉降稳定性的方法，包括以下步骤：

4、(1)将重晶石粉末采用湿法研磨，得到超细重晶石粉末；

5、(2)将所得超细重晶石粉末加入耐高温钻井液基液中，之后加入纤维素纳米材料，搅拌均匀后调节体系ph为8～10，得到耐高温钻井液；所述纤维素纳米材料为含有木质素的纤维素纳米纤丝、纤维素纳米纤丝或纤维素纳米晶体。

6、根据本发明优选的，步骤(1)中，研磨前，重晶石粉末的粒径为10-100μm。

7、根据本发明优选的，步骤(1)中所述湿法研磨的剪切速率为1500-2000rpm，进一步优选为1500rpm；研磨次数为30-35次，进一步优选为30次，每次研磨的时间为25-35min；所述湿法研磨的溶剂为水，所述溶剂与重晶石粉末的质量比为1:1-1.5。

8、根据本发明优选的，步骤(1)中所述超细重晶石粉末的粒径为0.1-3μm。

9、根据本发明优选的，步骤(2)中所述耐高温钻井液基液为本领域常用钻井液基液即可；优选的，所述耐高温钻井液基液包括以下质量份的组分：水60-70份、基础油30-40份、主乳化剂3-4份、辅乳化剂1-3份、抗高温增粘剂1-3份、抗高温降滤失剂2-3份；

10、进一步优选的，所述基础油为白油或合成油，所述白油优选为68#白油；

11、进一步优选的，所述主乳化剂为苯磺酸钠或聚丙烯酸，更优选为苯磺酸钠；

12、进一步优选的，所述辅乳化剂为单油酸甘油酯、正辛醇硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠，更优选为单油酸甘油酯；

13、进一步优选的，所述抗高温增粘剂为高粘羧甲基纤维素钠，所述高粘羧甲基纤维素钠的质量分数为2％的水溶液的粘度为0.6～0.8pa·s；

14、进一步优选的，所述抗高温降滤失剂为driscal d、dsp-1或dsp-2。

15、根据本发明优选的，步骤(2)中所述搅拌的时间为1-4h，进一步优选为3h。

16、根据本发明优选的，步骤(2)中所述超细重晶石粉末的加入质量为耐高温钻井液质量的50-70wt％。

17、根据本发明优选的，步骤(2)中所述纤维素纳米材料的质量为超细重晶石粉末质量的1-2.5％。

18、根据本发明优选的，步骤(2)中使用naoh、nahco3或na2co3调节体系ph至8～10。

19、根据本发明，步骤(2)中所述耐温钻井液的密度为1.6～2.6g/cm3。

20、根据本发明优选的，步骤(2)中所述含有木质素的纤维素纳米纤丝的直径为5～32nm，长径比为30-110；所述纤维素纳米纤丝的直径为1～50nm，长径比为20-210；纤维素纳米晶体的直径为10～20nm，长径比为50-150。

21、根据本发明优选的，步骤(2)中所述含有木质素的纤维素纳米纤丝按照下述方法制备得到：使用高压均质机将生物质原料水分散液进行高压均质处理，之后过滤，干燥，得到含有木质素的纤维素纳米纤丝；所述生物质原料为秸秆粉末、纸浆或木粉，进一步优选为秸秆粉末，所述生物质原料的粒径为50-100目，所述生物质原料水分散液的浓度为0.02-0.04g/ml；所述高压均质处理的压力为20000-25000psi，进一步优选为20000psi，高压均质处理的次数为10-15次，进一步优选为10次；所述干燥为在70-80℃下干燥至恒重。

22、根据本发明优选的，步骤(2)中所述纤维素纳米纤丝或纤维素纳米晶体按照下述方法制备得到：

23、(a)将生物质原料进行脱木质素处理，得到脱木质素的生物质原料；

24、(b)使用高压均质机将脱木质素的生物质原料进行高压均质处理，得到纤维素纳米纤丝；或使用浓硫酸水解结合高压均质处理的方法对脱木质素的生物质原料进行处理，得到纤维素纳米晶体。

25、优选的，步骤(a)中所述生物质原料为秸秆粉末、纸浆或木粉，进一步优选为秸秆粉末，所述生物质原料的粒径为50-100目；脱木质素的方法为本领域现有技术，进一步优选为naclo2法、naoh/na2so3法以及低共熔溶剂法，更优选为naclo2法；

26、进一步优选的，所述naclo2法的具体步骤为：将生物质原料加入水中，得到浓度为1-2wt％的分散液，向所得分散液中加入naclo2固体，搅拌均匀，使体系的ph为2-3，之后在60-80℃下反应3-5h；反应完成后，过滤，所得固体用水洗涤至滤液为中性，之后在60-80℃下干燥至恒重，得到脱木质素的生物质原料；

27、进一步优选的，所述naoh/na2so3法的具体步骤为：将生物质原料加入水中，得到浓度为1-2wt％的分散液，之后加入naoh固体调节体系ph为14，在75-80℃下反应1-2h；之后继续加入na2so3，在150-170℃下反应4-6h，na2so3的摩尔数与生物质原料的质量之比为1-6mmol:1g；反应完成后，冷却，过滤、所得固体用水洗涤至滤液为中性，之后在60-80℃下干燥至恒重，得到脱木质素的生物质原料；

28、进一步优选的，所述低共熔溶剂法的具体步骤为：将有机酸、多元醇与氯化胆碱混合，在0-5℃冰水浴中搅拌均匀得到低共熔溶剂，所述有机酸为丙氨酸，所述多元醇为乙二醇，所述有机酸或多元醇与氯化胆碱的摩尔比为1:1-6；室温下，将生物质原料加入低共熔溶剂中，搅拌均匀，得到生物质原料浓度为1-2wt％的混合液，之后在50-80℃下反应1-3h；反应完成后，过滤，所得固体用水洗涤3-5次，之后在60-80℃下干燥至恒重，得到脱木质素的生物质原料。

29、优选的，步骤(b)中所述纤维素纳米纤丝的制备中，高压均质处理的步骤为：将脱木质素的生物质原料加入水中，得到浓度为0.02-0.04g/ml的分散液，之后使用高压均质机对分散液进行高压均质处理，高压均质处理的压力为20000-25000psi，进一步优选为20000psi，高压均质处理的次数为10-15次，进一步优选为10次；高压均质处理后过滤，所得固体在70-80℃下干燥至恒重，得到纤维素纳米纤丝。

30、优选的，步骤(b)中所述纤维素纳米晶体的制备中，浓硫酸水解步骤为：将脱木质素的生物质原料加入浓硫酸溶液中，在40-60℃下水解1-4h，之后过滤，所得固体用水洗涤至滤液为中性，之后在60-80℃下干燥至恒重，得到水解产物；所述浓硫酸溶液的浓度为40-64wt％，所述浓硫酸溶液的质量与脱木质素的生物质原料的质量比为50-100:1。

31、优选的，步骤(b)中所述纤维素纳米晶体的制备中，高压均质处理的步骤为：将水解产物加入水中，得到浓度为0.02-0.04g/ml的分散液，之后使用高压均质机对分散液进行高压均质处理，高压均质处理的压力为20000-25000psi，进一步优选为20000psi，高压均质处理的次数为10-15次，进一步优选为10次；高压均质处理后过滤，所得固体在70-80℃下干燥至恒重，得到纤维素纳米晶体。

32、本发明还提供了一种具有高温沉降稳定性的耐高温钻井液，所述耐高温钻井液包括耐高温钻井液基液、超细重晶石粉末和纤维素纳米材料；所述超细重晶石粉末的粒径为0.1-3μm，超细重晶石粉末的质量为耐高温钻井液质量的50-70％；所述纤维素纳米材料为含有木质素的纤维素纳米纤丝、纤维素纳米纤丝或纤维素纳米晶体，所述纤维素纳米材料的质量为超细重晶石粉末的质量的1-2.5％。

33、根据本发明，所述耐高温钻井液基液中各组分的种类，超细重晶石粉末的制备和纤维素纳米材料的制备如上所述。

34、本发明的技术特点及有益效果如下：

35、1、本发明采用湿法研磨的方法从常规重晶石粉末中制备得到粒径可控的超细重晶石，与常用的干法研磨法相比，湿法研磨法制得超细重晶石的粒径更细，粒度分布更广、比表面积大、活度高，不易发生沉降，从而提高重晶石的高温沉降稳定性。此外，湿法研磨还具有安全、高效、能耗低、防止材料发生高温氧化等优势。

36、2、本发明在钻井液中加入了纤维素纳米材料，相比于传统的聚丙烯酰胺、辛基酚聚氧乙烯醚和亚磷酸盐等沉降抑制剂，本发明所采用的纳米纤维素具有广泛的原料来源、易生物降解、可再生、无毒性等特点，有利于我国绿色油田的建设。含有木质素的纤维素纳米纤丝的木质素含量高，有利于提高纤维素纳米纤丝的耐温性能。此外，含有木质素的纤维素纳米纤丝以及纤维素纳米纤丝具有超高的长径比，易形成“蜘蛛网”状的微观结构，可高效悬浮超细重晶石；纤维素纳米晶体稳定超细重晶石的原理是通过形成空间位阻和复杂网络结构，提升了钻井液的黏度，因此对重晶石的沉降有一定的延滞作用，从而提升了钻井液中重晶石的悬浮性能。

37、3、本发明的提高钻井液重晶石高温沉降稳定性方法通过降低重晶石粒径和加入绿色可再生的纳米纤维素材料的双效策略，减少钻井液长时间静置后井底重晶石的沉降，有效防止沉沙卡钻、井壁失稳、下套管困难和封隔器坐封失败等问题。