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CN111087984B - 纳米封堵水基钻井液及其制备方法和应用 - Google Patents

纳米封堵水基钻井液及其制备方法和应用 Download PDF

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CN111087984B CN201911222408.2A CN201911222408A CN111087984B CN 111087984 B CN111087984 B CN 111087984B CN 201911222408 A CN201911222408 A CN 201911222408A CN 111087984 B CN111087984 B CN 111087984B
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Abstract

本发明涉及钻井液领域，公开了一种纳米封堵水基钻井液及其制备方法和应用。该钻井液含有水、膨润土、防塌剂、纳米封堵剂和加重剂；防塌剂为磺化沥青；纳米封堵剂为平均粒径为10‑80nm的表面改性SiO2粉末；加重剂为石灰石；以100重量份的水为基准，膨润土为1‑5重量份，防塌剂为2‑16重量份，纳米封堵剂为0.1‑6重量份，加重剂为20‑60重量份。该钻井液在应用于页岩地层水平大位移井、页岩易碎地层和深层大斜度井中的一种或多种时，能够实现地层有效防塌，保持地层稳定。

Description

纳米封堵水基钻井液及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及钻井液领域，具体涉及一种纳米封堵水基钻井液及其制备方法和应用。
背景技术
泥页岩一般由晶质的黏土矿物、非晶体黏土矿物和非黏土矿物组成。分析硬脆性泥页岩的扫描电镜图像可知，泥页岩中黏土矿物的定向性较好，层理和微裂缝发育。
页岩属硬脆性地层，微孔缝发育水敏性强，在深层大位移水平井、在水平井钻井过程中，极易发生井塌、缩径等井壁不稳定事故。虽然油基钻井液有利于保持井壁稳定，且最大限度地保护储层，被广泛应用于页岩气水平井钻井，但是其导致钻屑污染严重、处理难度大及成本高昂，且与其相配套的施工工具、堵漏材料等技术尚不成熟，严重限制了其大规模应用。而使用传统的水基钻井液，对页岩地层非均质微纳米孔缝的封堵能力不够，难以满足安全高效钻井的施工要求。
传统的封堵材料粒径较大且形状与裂缝不相匹配，难以进入页岩地层微纳米孔缝，封堵效果较差。纳米材料凭借其粒径极小、分散性和稳定性较好的特点，能够进入纳米级孔缝中，配合微米级封堵材料，协同作用，实现有效封堵，增大地层承压能力，保持井壁稳定。但是，传统的纳米封堵材料种类较少，且极易出现团聚现象，导致颗粒尺寸增大，影响钻井液整体性能。
页岩气资源前景广阔、开发潜力和经济社会价值巨大，大规模开发有利于保障国家能源安全。
因此，制备一种新型纳米封堵水基钻井液具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的常规封堵材料粒径较大且极易产生团聚问题，提供一种纳米封堵水基钻井液及其制备方法和应用，该该钻井液在应用于页岩地层水平大位移井、页岩易碎地层和深层大斜度井中的一种或多种时，能够实现地层有效防塌，保持地层稳定。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种纳米封堵水基钻井液，其中，所述钻井液含有水、膨润土、防塌剂、纳米封堵剂和加重剂；其中，所述防塌剂为磺化沥青；所述纳米封堵剂为平均粒径为10-80nm的表面改性SiO2粉末；所述加重剂为石灰石；以100重量份的水为基准，所述膨润土为1-5重量份，所述防塌剂为2-16重量份，所述纳米封堵剂为0.1-6重量份，所述加重剂为20-60重量份。
本发明第二方面提供了一种前述所述的钻井液的制备方法，其中，该方法包括：
(S1)将所述膨润土进行预水化处理制得基浆；
(S2)将所述基浆依次与所述防塌剂、所述纳米封堵剂和所述加重剂混合。
本发明第三方面提供了一种前述所述的钻井液在页岩地层水平大位移井、页岩易碎地层和深层大斜度井中的一种或多种中的应用。
通过上述技术方案，本发明的钻井液与现有技术中所使用的页岩水基钻井液体系相比有如下优点:
(1)纳米封堵剂水稳定性良好，粒径分布均匀；防塌剂磺化沥青(柔性材料)中的不溶大颗粒与纳米封堵剂纳米SiO2(刚性材料)小颗粒相互挤压，增强了钻井液的封堵能力。
(2)钻井液体系流变性能良好，改善了井眼净化能力；
(3)钻井液体系使用磺化沥青，减小荧光对录井工作的干扰。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供了一种纳米封堵水基钻井液，其中，所述钻井液含有水、膨润土、防塌剂、纳米封堵剂和加重剂；其中，所述防塌剂为磺化沥青；所述纳米封堵剂为平均粒径为10-80nm的表面改性SiO2粉末；所述加重剂为石灰石；以100重量份的水为基准，所述膨润土为1-5重量份，所述防塌剂为2-16重量份，所述纳米封堵剂为0.1-6重量份，所述加重剂为20-60重量份。
根据本发明，所述磺化沥青的基本原料是石油沥青，外观为棕褐色易碎薄片或流动性粉末，磺化沥青一部分溶于水形成水化膜，另一不溶于水的部分可以用于填充，其中，不溶于水部分的颗粒平均粒径为0.2-10μm，密度0.98g/cm3，由于磺化沥青含有磺酸基，水化作用很强，当吸附在页岩界面上时，可阻止页岩颗粒的水化分散起到防塌作用。同时，不溶于水的部分又能填充孔喉和裂缝起到封堵作用，并可覆盖在页岩界面，改善泥饼质量。
在本发明中，使用所述防塌剂磺化沥青，一方面利用微粒封堵、成膜作用，封堵泥页岩孔喉、裂缝或裂隙，从而降低滤失量，但其微粒是温度作用下产生的“胶束”粒子。当浆液温度高于溶液相中磺化沥青的“浊点”时，溶液相发生相分离，形成水微乳液封堵井壁微孔，阻止浆液滤液向地层渗透；另一方面，相分离作用使醚类大分子形成胶束，通过氢键粘附在页岩的表面，形成保护层，防止滤液向岩石内部侵入。
根据本发明，所述加重剂为石灰石，密度为4.2g/cm3，平均粒径为2-10μm，主要成分CaCO3含量为90％。
根据本发明，优选情况下，以100重量份的水为基准，所述膨润土为2-4重量份，所述防塌剂为4-12重量份，所述纳米封堵剂为0.3-4重量份，所述加重剂为20-45重量份。
更优选地，以100重量份的水为基准，所述膨润土为2-3重量份，所述防塌剂为4-8重量份，所述纳米封堵剂为0.8-2重量份，所述加重剂为30-40重量份。
在本发明中，通过严格控制组份(水、膨润土、防塌剂、纳米封堵剂和加重剂)以及组分含量，使得各个组分之间得以相互作用使得所制备的钻井液在钻井过程中能够发挥出最佳的功效，进而使所制得的钻井液能够对微纳米裂缝有效封堵，防止井壁坍塌掉块失稳，保持井壁稳定，应用效果好。
根据本发明，所述钻井液还含有页岩抑制剂，所述页岩抑制剂为有机酸酯LYG-2；在本发明中，以100重量份的水为基准，所述页岩抑制剂为0.5-2重量份，优选为0.8-1.8重量份，更优选为1-1.5重量份。
在本发明中，所述有机酸酯LYG-2是一种高级有机酸酯，是一种新型粘土稳定剂。本发明的发明人意外发现：采用机酸酯LYG-2能够稳定粘土的主要机理是通过尺寸分布较宽的粒子通过吸附、扩散等途径结合到粘土晶层端部，堵塞粘土层片之间的缝隙，抑制粘土的水化，从而稳定粘土；在某些条件下，例如高温、长时间接触下，抑制剂与粘土进行化学反应产生无定形的、胶结力很大的物质，使粘土等矿物质颗粒凝结成牢固的整体。有机酸酯LYG-2高效页岩抑制剂可与地层多价离子反应，在井壁表面形成分子膜。该剂能与普通的聚合物处理剂配伍。其钻井液具有良好的抗高温流变性和抗钻屑污染能力，甚至在密度高于2.0g/cm3时钻井液具有良好的流变性。
根据本发明，在钻遇微纳米级孔隙时，使用所述页岩抑制剂有机酸酯LYG-2能够与地层多价离子反应，在井壁表面形成分子膜，高效抑制粘土水化膨胀，提高钻井液的封堵能力，降低钻井过程中坍塌掉块的可能性。
根据本发明，所述钻井液还含有降滤失剂，所述降滤失剂为聚阴离子纤维素PAC-LV；在本发明中，以100重量份的水为基准，所述降滤失剂为2-12重量份，优选为3-10重量份，更优选为3-6重量份。
在本发明中，所述聚阴离子纤维素PAC-LV是一种水溶性高的有机高分子聚合物，呈白色粉末状态；采用该降滤失剂生成的滤饼更加薄且致密，不易造成卡钻等事故。在本发明中，所述聚阴离子纤维素PAC-LV的取代度为0.8-1.4，水溶液在80℃以下性能稳定；温度高达接近150℃仍可显示一定粘度；pH值在3-11范围内性能稳定，可应用于各类极性恶劣环境中。另外，需要说明的是，纤维素醚是纤维素分子链上的羟基为醚基取代的产物，平均每个失水葡萄糖单元上被反应试剂取代的羟基数目，称为取代度。
根据本发明，所述钻井液还含有润滑剂，所述润滑剂为石墨；在本发明中，以100重量份的水为基准，所述润滑剂为0.2-4重量份，优选为1.5-3.5重量份，更优选为2-3重量份。
在本发明中，所述石墨它是以天然结晶形碳化合物和不饱和脂肪酸及阳离子表面活性剂经合成反应制成的一种固体润滑剂。在本发明中，所述润滑剂石墨外观为黑色粉末，pH为6-8，润滑系数降低率≥50％。
根据本发明，所述纳米封堵剂的制备方法包括：
(1)将含有表面活性剂的水溶液与SiO2进行接触得到共混液；
(2)将所述共混液进行超声分散处理得到产物A；
(3)将所述产物A进行超声粉碎处理后再进行烘干处理，得到表面改性SiO2粉末。
根据本发明，在步骤(1)中，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠(LAS)和/或十二烷基硫酸钠(SDS)，优选为十二烷基硫酸钠(SDS)。
其中，所述表面活性剂的浓度为1-5mg/mL，优选为2-3mg/mL。
其中，SiO2的浓度为0.1-0.6mg/mL，优选为0.2-0.5mg/mL。
优选地，所述接触的条件包括：温度为10-40℃，时间为20-40min。
根据本发明，在步骤(2)中，所述超声分散的条件包括：温度为10-40℃，优选为15-35℃，时间为1-10min，优选为4-6min，超声频率为15-30KHz，超声功率为100-220W；另外，所述超声分散在超声波清洗仪中进行，其中，所述超声波清洗仪购自上海生析超声仪器有限公司，型号为DS-8510DT。
根据本发明，在步骤(3)中，所述超声粉碎的条件包括：在冰浴条件下，优选在-15℃至0℃温度条件下，在超声频率为40-65KHz，超声功率为200-300W，优选为230-300W的条件下，超声粉碎10-30min，优选为15-25min，更优选为22-24min。另外，所述超声粉碎在超声波细胞粉碎仪中进行，其中，所述超声波细胞粉碎仪购自上海沪析实业有限公司，型号为JY96-2N。另外，在本发明中，需要说明的是，冰浴条件指的是在在冷却容器中持续加入冰块让实验温度在-15℃至0℃之间，通过冰块降低反应温度，达到降温的目的。
根据本发明，在步骤(3)中，所述烘干处理的条件包括：温度为120-180℃，优选为120-150℃，更优选为130-145℃；时间为4-10h，优选为6-9h。
根据本发明，所述纳米封堵剂的平均粒径为10-80nm，优选为40-70nm,更优选为45-65nm，进一步优选为45.3-52.3nm；所述纳米封堵剂为无定形白色粉末，无毒、无味、无污染，微结构为球形，呈絮状和网状的准颗粒结构，能够填充纳米级孔隙，有效封堵钻井液滤液进入地层，防止井壁坍塌。
在本发明中，所述纳米封堵剂能够防止纳米粒子之间团聚，另外，纳米封堵剂和防塌剂以及石灰石合理复配和粒径级配，颗粒间相互挤压、紧密结合，在微观尺度接触界面产生“力链网络”，提高钻井液组合物的封堵能力，防止井壁坍塌。
本发明第二方面提供了一种前述所述的钻井液的制备方法，其中，该方法包括：
(S1)将所述膨润土进行预水化处理制得基浆；
(S2)将所述基浆依次与防塌剂、纳米封堵剂和加重剂混合。
根据本发明，在步骤(S1)中，膨润土是钙膨润土。所述膨润土预水化的方法是取100重量份水，加入2-3重量份膨润土，在温度为45-55℃条件下再加入0.05-0.5重量份，优选为0.15-0.25重量份Na2CO3，在搅拌速率为450-550r/min的条件下搅拌30min，静置24h，通过离子交换和沉淀作用使钙膨润土转换成钠膨润土，有效提高造浆率，即采用碳酸钠进行预水化处理。
根据本发明，在步骤(S2)中，所述搅拌条件包括：在搅拌速率为750-850r/min的搅拌状态下搅拌，其中，依次加入所述防塌剂、所述纳米封堵剂和所述加重剂进行混合，混合的时间为10-20min。
本发明第三方面提供了一种前述所述的钻井液在钻遇页岩地层水平大位移井、页岩易碎地层和深层大斜度井中的一种或多种中的应用。
在本发明中，所述页岩地层水平大位移井为井的位移与井的垂深之比等于或大于2的定向井，优选地，所述定向井的测量深度大于3000m，或者，所述定向井的水平位移大于3000m。
在本发明中，所述页岩易碎地层指的是地层层理、微裂缝发育明显，非均质性强的硬脆性页岩地层，钻井过程中易引发井下复杂情况和事故。
在本发明中，所述深层大斜度井指的是最大井斜角在60°至86°的定向井。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例和对比例中：
所述电子天平，精度0.001g，购自上海天平仪器厂；
该膨润土购自新疆中非夏子街膨润土有限责任公司新疆夏子街膨润土；
所述Na2CO3购自成都科龙化学试剂厂的碳酸钠；
所述有机酸酯LYG-2购自山东聚鑫化工有限公司；
所述聚阴离子纤维素PAC-LV购自石家庄鹰特化工有限公司；
所述磺化沥青购自任丘市金嘉化工产品有限公司；
所述十二烷基硫酸钠购自无锡市亚太联合化工有限公司；
所述加重剂石灰石购自灵寿亿鑫矿产品加工厂。
制备例1
本制备例在于说明本发明的纳来封堵剂的制备方法。
称取2mg纳米SiO2，加水20ml，加入0.06g表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(LAS)共混，在常温25℃条件下，先通过超声波清洗仪超声分散6min，冰浴条件下采用超声波细胞粉碎仪超声20min；所述超声波清洗仪超声功率为150W；所述超声波细胞粉碎仪超声的超声频率为45KHz，超声功率为230W。最后把纳米SiO2分散液在130℃下干燥6h，最后得到表面分散的纳米SiO2颗粒。
按照上述步骤制得纳米封堵剂纳米SiO2为白色粉末状，平均粒径为45.3nm，微结构为球形，呈絮状不溶于水，可以有效封页岩地层纳米级孔隙。
制备例2
本制备例在于说明本发明的纳米封堵剂的制备方法。
称取3mg纳米SiO2，加水20ml，加入0.08g表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(LAS)共混，在常温25℃条件下，先通过超声波清洗仪超声分散8min，冰浴条件下采用超声波细胞粉碎仪超声25min；所述超声波清洗仪超声功率为180W，所述超声波细胞粉碎仪超声的超声频率为50KHz，超声功率为240W。最后把纳米SiO2分散液在140℃下干燥7h，最后得到表面分散的纳米SiO2颗粒。
按照上述步骤制得纳米封堵剂纳米SiO2为白色粉末状，平均粒径为49.5nm，微结构为球形，呈絮状不溶于水，可以有效封页岩地层纳米级孔隙。
制备例3
本制备例在于说明本发明的纳米封堵剂的制备方法。
称取4mg纳米SiO2，加水20ml，加入0.1g表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(LAS)共混，在常温25℃条件下，先通过超声波清洗仪超声分散10min，冰浴条件下采用超声波细胞粉碎仪超声30min；所述超声波清洗仪超声功率为220W，所述超声波细胞粉碎仪超声的超声频率为60KHz，超声功率为260W。最后把纳米SiO2分散液在145℃下干燥8h，最后得到表面分散的纳米SiO2颗粒。
按照上述步骤制得纳米封堵剂纳米SiO2为白色粉末状，平均粒径为52.3nm，微结构为球形，呈絮状不溶于水，可以有效封页岩地层纳米级孔隙。
实施例1
本实施例在于说明采用本发明的方法制备的纳米封堵水基钻井液。
(1)量取100重量份水，将水加热至70℃，低速电动搅拌机600r/min的条件下，加入2重量份膨润土，持续搅拌20min后加入0.05重量份Na2CO3，再搅拌30min，室温条件下静置24h进行预水化处理；
(2)在预水化膨润土浆的基础上，低速电动搅拌机600r/min的条件下加入0.5重量份上述抑制剂改有机酸酯LYG-2搅拌20min，加入2重量份降滤失剂聚阴离子纤维素PAC-LV搅拌15min，加入2重量份防塌剂磺化沥青搅拌15min，该磺化沥青中不溶于水部分的颗粒的平均粒径为8μm，然后，加入上述制备例1中所制纳米封堵剂0.1重量份搅拌15min，加入润滑剂石墨0.2重量份搅拌15min，在低速电动搅拌机700r/min加入平均粒径为2μm的加重剂石灰石20重量份搅拌20min即得所述钻井液。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例2
本实施例在于说明采用本发明的方法制备的纳米封堵水基钻井液。
(1)量取100重量份水，将水加热至70℃，低速电动搅拌机600r/min的条件下，加入2重量份膨润土，持续搅拌20min后加入0.5重量份Na2CO3，再搅拌30min，室温条件下静置24h进行预水化处理；
(2)在预水化膨润土浆的基础上，低速电动搅拌机600r/min的条件下加入0.5重量份上述抑制剂改有机酸酯LYG-2搅拌20min，加入4重量份降滤失剂聚阴离子纤维素PAC-LV搅拌15min，加入5重量份防塌剂磺化沥青搅拌15min，该磺化沥青中不溶于水部分的颗粒的平均粒径为1μm，然后，加入上述制备例1中所制纳米封堵剂2重量份搅拌15min，加入润滑剂石墨1.4重量份搅拌15min，在低速电动搅拌机700r/min加入平均粒径为10μm的加重剂石灰石30重量份搅拌20min即得所述钻井液。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例3
本实施例在于说明采用本发明的方法制备的纳米封堵水基钻井液。
(1)量取100重量份水，将水加热至70℃，低速电动搅拌机600r/min的条件下，加入2重量份膨润土，持续搅拌20min后加入1.05重量份Na2CO3，再搅拌30min，室温条件下静置24h进行预水化处理；
(2)在预水化膨润土浆的基础上，低速电动搅拌机600r/min的条件下加入1.5重量份上述抑制剂改有机酸酯LYG-2搅拌20min，加入7重量份降滤失剂聚阴离子纤维素PAC-LV搅拌15min，加入9重量份防塌剂磺化沥青搅拌15min，该磺化沥青中不溶于水部分的颗粒的平均粒径为10μm，然后，加入上述制备例1中所制纳米封堵剂3.0重量份搅拌15min，加入润滑剂石墨2.2重量份搅拌15min，在低速电动搅拌机700r/min加入平均粒径为4μm的加重剂石灰石40重量份搅拌20min即得所述钻井液。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例4
本实施例在于说明采用本发明的方法制备的纳米封堵水基钻井液。
(1)量取100重量份水，将水加热至70℃，低速电动搅拌机600r/min的条件下，加入2重量份膨润土，持续搅拌20min后加入1.5重量份Na2CO3，再搅拌30min，室温条件下静置24h进行预水化处理；
(2)在预水化膨润土浆的基础上，低速电动搅拌机600r/min的条件下加入1.5重量份上述抑制剂改有机酸酯LYG-2搅拌20min，加入9重量份降滤失剂聚阴离子纤维素PAC-LV搅拌15min，加入12重量份防塌剂磺化沥青搅拌15min，该磺化沥青中不溶于水部分的颗粒的平均粒径为0.2μm，然后，加入上述制备例1中所制纳米封堵剂4重量份搅拌15min，加入润滑剂石墨3重量份搅拌15min，在低速电动搅拌机700r/min加入平均粒径为6μm的加重剂石灰石50重量份搅拌20min即得所述钻井液。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例5
本实施例在于说明采用本发明的方法制备的纳米封堵水基钻井液。
(1)量取100重量份水，将水加热至70℃，低速电动搅拌机600r/min的条件下，加入2重量份膨润土，持续搅拌20min后加入2重量份Na2CO3，再搅拌30min，室温条件下静置24h进行预水化处理；
(2)在预水化膨润土浆的基础上，低速电动搅拌机600r/min的条件下加入2重量份上述抑制剂改有机酸酯LYG-2搅拌20min，加入12重量份降滤失剂聚阴离子纤维素PAC-LV搅拌15min，加入16重量份防塌剂磺化沥青搅拌15min，该磺化沥青中不溶于水部分的颗粒的平均粒径为2μm，然后，加入上述制备例1中所制纳米封堵剂6重量份搅拌15min，加入润滑剂石墨4重量份搅拌15min，在低速电动搅拌机700r/min加入平均粒径为8μm的加重剂石灰石60重量份搅拌20min即得所述钻井液。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例6
按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例1中使用的纳米封堵剂替换为制备例2中所制纳米封堵剂0.5重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例7
按照与实施例2相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例2中使用的纳米封堵剂替换为制备例2中所制纳米封堵剂1重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例8
按照与实施例3相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例3中使用的纳米封堵剂替换为制备例2中所制纳米封堵剂1.6重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例9
按照与实施例4相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例4中使用的纳米封堵剂替换为制备例2中所制纳米封堵剂0.4重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例10
按照与实施例5相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例5中使用的纳米封堵剂替换为制备例2中所制纳米封堵剂3重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例11
按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例1中使用的纳米封堵剂替换为制备例3中所制纳米封堵剂0.5重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例12
按照与实施例2相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例2中使用的纳米封堵剂替换为制备例3中所制纳米封堵剂1重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例13
按照与实施例3相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例3中使用的纳米封堵剂替换为制备例3中所制纳米封堵剂1.6重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例14
按照与实施例4相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例4中使用的纳米封堵剂替换为制备例3中所制纳米封堵剂0.4重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
实施例15
按照与实施例5相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将实施例5中使用的纳米封堵剂替换为制备例3中所制纳米封堵剂3重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
对比例1
按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：纳米封堵剂的用量为0重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
对比例2
按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：没有添加抑制剂有机酸酯LYG-2和防塌剂磺化沥青。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
对比例3
按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：没有添加纳米封堵剂和防塌剂磺化沥青。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
对比例4
按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：抑制剂有机酸酯LYG-2的用量为1重量份，防塌剂磺化沥青的用量为1重量份，纳米封堵剂的用量为7重量份，以及石灰石的用量为10重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
对比例5
按照与实施例6相同的方法制备钻井液，不同之处在于：抑制剂有机酸酯LYG-2的用量为1重量份，纳米封堵剂的用量为0.05重量份，磺化沥青的用量为20重量份，以及石灰石的用量为70重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
对比例6
按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：抑制剂的替换为4重量份KCl。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
对比例7
按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：没有添加防塌剂磺化沥青。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
对比例8
按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：采用的纳米封堵剂的平均粒径为95nm，以及石灰石的粒度为12μm。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
对比例9
按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：抑制剂有机酸酯LYG-2的用量为0.05重量份，防塌剂磺化沥青的用量为1.5重量份，制备例1中所制纳米封堵剂的用量为7重量份，降滤失剂聚阴离子纤维素PAC-LV的用量为15重量份。
该钻井液的线性膨胀率和滚动回收率测试结果如表1所示，页岩微裂缝封堵性能测试结果如表2所示。
测试例1
测定实施例1-15和对比例1-9制备的纳米封堵水基钻井液的线性膨胀率和滚动回收率，来评价钻井液的抑制性，结果如表1所示。
(1)滚动回收率的测定方法
将岩心研磨成6-10目的颗粒50g，取钻井液350ml，将钻井液装进陈化釜，加入岩心颗粒搅拌。在高温高压滚子炉里面老化16h，老化温度150℃，16h后冷器。把老化后的泥浆在40目的筛子里面清洗，把剩余的颗粒放在干燥箱里面烘干(110℃、6h)。将烘干后的岩屑称取其质量。滚动回收率越高表示钻井液抑制粘土矿物水化膨胀能力强。
Figure BDA0002301210370000171
(2)线性膨胀率的测定方法
首先将岩心研磨成100目的颗粒，每次实验使用8g。用中亚滤失仪压制钻井液的滤液200ml。将NP-O1型线性膨胀仪的内筒取出，量取内筒的深度L1。放上滤网、加滤纸。然后称8g100目的岩屑加入内筒在压力机下压制(压力机压力10Mpa、压制时间5min)量取加入岩屑后的内筒深度L2。再把内筒安装在线性膨胀仪器外筒中，安装百分表。从杯盖的小孔中加入滤液直至淹没压制的岩心。根据需要的时间来测定膨胀量。
Figure BDA0002301210370000172
线性膨胀率越低表明钻井液抑制粘土水化膨胀的能力以及钻井液的封堵能力强。钻井液在井筒循环渗滤作用下形成渗透率趋于零的致密、坚韧且极薄的泥饼，阻止钻井液滤液进入井壁孔缝产生应力释放裂缝，防止钻井过程中井壁坍塌掉块导致卡钻，高效封堵防塌。
表1
编号 密度g/cm<sup>3</sup> 滚动回收率％ 4h线性膨胀率％ 16h线性膨胀率％
清水1 1.00 83.2 16.38 32.85
清水2 1.00 83.3 16.35 33.20
实施例1 1.25 95.3 9.55 15.56
实施例2 1.32 95.2 9.56 15.57
实施例3 1.40 95.4 9.58 15.53
实施例4 1.45 94.2 9.72 15.64
实施例5 1.50 94.5 9.69 15.63
实施例6 1.24 93.4 9.75 16.68
实施例7 1.31 93.5 9.76 16.62
实施例8 1.38 93.3 9.67 16.64
实施例9 1.46 93.4 9.62 16.67
实施例10 1.49 92.4 9.87 16.54
实施例11 1.25 91.7 9.79 16.35
实施例12 1.32 92.6 9.84 16.37
实施例13 1.41 92.4 9.83 16.36
实施例14 1.45 92.7 9.85 16.56
实施例15 1.48 92.6 9.86 16.64
对比例1 1.19 88.4 13.88 28.65
对比例2 1.18 85.5 17.25 29.25
对比例3 1.20 84.3 16.88 27.23
对比例4 1.18 88.3 15.12 26.35
对比例5 1.19 89.5 14.23 25.89
对比例6 1.20 91.2 12.24 26.98
对比例7 1.21 89.2 17.56 26.36
对比例8 1.21 89.4 15.78 27.75
对比例9 1.22 88.7 14.23 29.42
根据表1数据可知：实施例1-15钻井液滚动回收率介于92.4-95.4％，对比清水时的滚动回收率有明显提高。另外，实施例1-15在4h的线性膨胀率为9.55-9.87％，在16h的线性膨胀率为15.53-16.68％；而对比例1-9滚动回收率为84.3-91.2％，对比清水时的滚动回收率略有提高。另外，对比例1-9在4h的线性膨胀率为12.24-17.56％，在16h的线性膨胀率为25.89-29.42％。说明本发明的纳米封堵水基钻井液能够适用于深井大位移水平段页岩地层微纳米裂缝，能够实现有效封堵，有效抑制页岩黏土水化膨胀，实现井壁稳定，保持地层稳定，有利于安全钻进。
测试例2
测定实施例1-15和对比例1-9制备的纳米封堵水基钻井液的封堵性能测试结果如表2所示。
分别取适量实施例1-10和对比例1-9中制备的钻井液备用，使用可视砂床滤失仪，取250cm3的80目石英砂和120cm3的200目石英砂混合搅拌均匀，将其缓缓加入透明筒状的钻井液杯中，模拟碳酸盐岩非均质孔缝型易碎地层，再分别缓缓加入500cm3制备的备用钻井液，关闭杯盖，接通氮气气源调节气压至0.69MPa，确认无误后，打开放气阀，压力传递至钻井液杯中，借此模拟钻井液在井筒循环过程中地层高压作用下的渗滤作用，同时观察透明杯体中钻井液的渗滤过程并记录7.5min和30min时钻井液的侵入深度。实验测试结果如表2所示。
侵入深度越小说明，高效封堵防塌钻井液通过刚性材料和弹性材料按照合理的粒径级配，在井内高温作用下充分实现多元协同封堵的目的减少钻井液漏水，避免造成页岩地层水化膨胀以及井壁坍塌。
表2
Figure BDA0002301210370000191
Figure BDA0002301210370000201
如表2可知，相较于实施例1-15钻井液性能，实施例1-15钻井液7.5min时的侵入深度均低于3.8cm，30min时的侵入深度均低于5.,5cm；对比例1-9钻井液7.5min时的侵入深度均高于4.5cm，30min时的侵入深度均高于6.3cm，说明本发明的纳米封堵水基钻井液实现地层有效防塌，保持地层稳定。
综上所述，本发明的微纳米强封堵防塌钻井液通过刚性材料和弹性材料按照合理的粒径级配在井内高温作用下充分实现多元协同封堵，配合最优加量，钻井液粒径在微纳米级别分布充分且均匀，阻止钻井液滤液进入井壁孔缝产生应力释放裂缝，防止钻井过程中井壁坍塌掉块导致卡钻，高效地封堵防塌。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种纳米封堵水基钻井液，其特征在于，所述钻井液含有水、膨润土、防塌剂、纳米封堵剂、加重剂和页岩抑制剂有机酸酯；所述防塌剂为磺化沥青，所述磺化沥青一部分溶于水形成水化膜，另一不溶于水的部分用于填充，其中，所述不溶于水部分的颗粒平均粒径为0.2-10μm；所述纳米封堵剂为平均粒径为10-80nm的表面改性SiO2粉末；所述加重剂为平均粒径为2-10μm的石灰石；所述页岩抑制剂有机酸酯为LYG-2；
其中，所述纳米封堵剂的制备方法包括：
（1）将含有表面活性剂的水溶液与SiO2进行接触得到共混液；所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠和/或十二烷基硫酸钠；
（2）将所述共混液进行超声分散处理得到产物A；
（3）将所述产物A进行超声粉碎处理后再进行烘干处理，得到表面改性SiO2粉末；
其中，以100重量份的水为基准，所述膨润土为1-5重量份，所述防塌剂为2-16重量份，所述纳米封堵剂为0.1-6重量份，所述加重剂为20-60重量份，所述页岩抑制剂为0.5-2重量份。
2.根据权利要求1所述的钻井液，其中，以100重量份的水为基准，所述膨润土为2-4重量份，所述防塌剂为4-12重量份，所述纳米封堵剂为0.3-4重量份，所述加重剂为25-45重量份，所述页岩抑制剂为0.8-1.8重量份。
3.根据权利要求1所述的钻井液，其中，所述钻井液还含有降滤失剂，所述降滤失剂为聚阴离子纤维素。
4.根据权利要求3所述的钻井液，其中，以100重量份的水为基准，所述降滤失剂为2-12重量份。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的钻井液，其中，所述钻井液还含有润滑剂，所述润滑剂为石墨。
6.根据权利要求5所述的钻井液，其中，以100重量份的水为基准，所述润滑剂为0.2-4重量份。
7.根据权利要求1所述的钻井液，其中，在步骤（1）中，所述表面活性剂的浓度为1-5mg/mL；SiO2的浓度为0.1-0.6mg/mL。
8.根据权利要求1所述的钻井液，其中，所述接触的条件包括：温度为10-40℃，时间为20-40min。
9.根据权利要求1所述的钻井液，其中，在步骤（2）中，所述超声分散的条件包括：温度为10-40℃，时间为1-10min，超声频率为15-30KHz，超声功率为100-220W。
10.根据权利要求1所述的钻井液，其中，在步骤（3）中，所述超声粉碎的条件包括：在冰浴条件下，在超声频率为40-65KHz，超声功率为200-300W的条件下，超声粉碎10-30min。
11.根据权利要求1所述的钻井液，其中，在步骤（3）中，所述烘干处理的条件包括：温度为120-180℃，时间为4-10h。
12.一种权利要求1-11中任意一项所述的钻井液在页岩地层水平大位移井、页岩易碎地层和深层大斜度井中的一种或多种中的应用。
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