全适应改性纳米石墨烯封堵型防塌钻井液制备方法和其应用

1.本发明涉及钻井液领域，具体涉及一种全适应改性纳米石墨烯封堵型防塌钻井液制备方法和其应用。

背景技术：

2.现有的水基钻井液的井壁防塌技术主要有化学抑制和物理封堵两方面。虽然通过加入抑制剂会解决部分地层水化膨胀问题，防止井壁坍塌事故的发生，但传统抑制剂通常有毒不环保，且会改变钻井液体系的密度和流变性，影响钻速。玄武岩为弱水敏性，但富含微裂缝，且岩性硬、脆，受到机械振动等外力作用下易产生结构破坏，井壁失稳机理为力学失稳，要求钻井液有较强的封堵能力，根据“应力笼”理论，提高全井筒的承压能力，从而防止钻进过程发生掉块、井塌等问题的发生。

3.目前的封堵材料平均粒径大小、形状难以与微纳米裂缝匹配，另一方面，仅凭纳米材料自身平均粒径极小的特点并不能很好封堵水分进入，传统的纳米材料的分散性和稳定性难以满足玄武岩地层的封堵需求。

4.因此，研究和开发一种防塌剂具有重要意义。

技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术存在的钻井液对玄武岩发育的微裂缝孔隙的封堵效果差的缺陷问题，提供一种全适应改性纳米石墨烯封堵型防塌钻井液制备方法和其应用，该钻井液能够对玄武岩井壁微纳米孔缝实现全面封堵。

6.为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种改性纳米石墨烯浆料防塌剂的制备方法，其中，所述的制备方法包括：

7.(1)将纳米石墨烯与混酸进行第一接触，得到混合液；

8.(2)在冰浴锅条件下，将氯酸钾滴加至所述混合液中进行改性处理，得到改性纳米石墨烯；

9.(3)将所述改性纳米石墨烯与水进行第二接触，得到改性纳米石墨烯浆料。

10.本发明第二方面提供了一种由前述所述的制备方法制备得到的改性纳米石墨烯浆料防塌剂。

11.本发明第三方面提供了一种水基钻井液，其中，所述水基钻井液含有前述所述的改性纳米石墨烯浆料防塌剂、微米封堵剂和加重剂。

12.本发明第四方面提供了一种前述所述的水基钻井液在玄武岩发育的微裂缝孔隙中的应用。

13.通过上述技术方案，本发明提供的防塌水基钻井液钻进玄武岩时与传统水基钻井液体系相比有以下优点：

14.(1)封堵能力强。各不同平均粒径颗粒充分配合，即使钻遇玄武岩微纳米裂缝发育

的地层中，也不会因钻井液体系中某种平均粒径范围粒子缺失导致封堵不全面的问题出现。

15.(2)钻井液体系低度环保，环境友好。其中封堵剂与防塌剂无毒，可酸溶，可作为储层保护剂，不影响录井工作的进行。

16.(3)钻井液悬浮稳定性强，不会出现钻井过程中停泵循环钻井液大量固相沉降堆积的现象。循环时悬浮和携带岩屑能力强。

具体实施方式

17.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。

18.本发明第一方面提供了一种改性纳米石墨烯防塌剂的制备方法，其中，所述的制备方法包括：

19.(1)将纳米石墨烯与混酸进行第一接触，得到混合液；

20.(2)在冰浴锅条件下，将氯酸钾滴加至所述混合液中进行改性处理，得到改性纳米石墨烯；

21.(3)将所述改性纳米石墨烯与水进行第二接触，得到改性纳米石墨烯浆料。

22.本发明的发明人意外发现：一方面，将纳米石墨烯与混酸接触，混酸能够提供强氧化性和酸性条件；氯酸钾作为强氧化剂，能够使石墨烯表面氧化从而获得更好的分散性；另一方面，采用滴加的方式可使反应更充分，该加入方式较为安全；另外，采用水将制备得到的改性纳米石墨烯稀释，目的是防止改性纳米石墨烯团聚，具有良好的分散性；结果通过对纳米石墨烯改性制备出改性纳米石墨烯浆料防塌剂，能够有效加强纳米石墨烯的分散性防止纳米粒子之间团聚。

23.进一步，将制备的新型纳米防塌剂配合微米封堵剂，建立一种全面封堵型钻井液体系，利用“级配”的原则对玄武岩发育的微裂缝孔隙进行全面封堵，当钻遇玄武岩地层微纳米裂缝时，大平均粒径重晶石架桥成应力网，较小平均粒径的微米封堵剂填补，随后纳米防塌剂颗粒充填，对玄武岩井壁微纳米孔缝实现全面封堵，颗粒间相互挤压，紧密结合，提高井壁承压能力。

24.更进一步，改性纳米石墨烯自身结构兼具润滑作用，可强化泥饼质量，进而降低钻具对井壁的损伤，防止钻井过程中井壁失稳坍塌掉块的事故发生。本发明的水基钻井液能够解决现有钻井液在钻遇玄武岩地层时存在井壁承压能力差、垮塌、掉块、井壁失稳的问题。

25.根据本发明，在步骤(1)中，所述混酸为浓硫酸与浓硝酸的复配，所述浓硫酸与所述浓硝酸的用量的质量比为(1-2)：(2-5)；优选地，所述浓硫酸与所述浓硝酸的用量的质量比为(1-1.5)：(2-3)；更优选地，所述浓硫酸与所述浓硝酸的用量的质量比为1：(1-3)。在本发明中，采用所述浓硫酸与所述浓硝酸的复配，氧化改性效果最好。

26.根据本发明，相对于100ml的所述混酸，所述纳米石墨烯的用量为1-10g，优选为2-8g，更优选为2.5-7.5g。

27.根据本发明，所述第一接触的条件包括：时间为20-30min，优选为20-25min。

28.根据本发明，在步骤(2)中，所述滴加的条件包括：滴加速率为5-10g/5-10min，优选为6-8g/5-10min，更优选为5-8g/6-8min，更进一步优选为1g/min；在本发明中，采用“滴加”能够使反应更充分，该加入方式较为安全。

29.根据本发明，优选地，相对于100ml的所述混酸，所述氯酸钾的用量为50-100g，优选为60-80g；在本发明，采用氯酸钾作为强氧化剂，能够使石墨烯表面氧化从而获得更好的分散性。

30.根据本发明，所述冰浴锅包括冰水混合物，优选地，所述冰水混合物的固含量≥50％，优选为50-60％。

31.根据本发明，所述改性处理的条件包括：冰浴锅中的冰块自然融化后，在室温10-35℃条件下持续时间为80-110h；优选地，温度为10-30℃，时间为84-108h；更优选地，温度为18-20℃，时间为90-102h。

32.根据本发明，所述的制备方法还包括：将步骤(2)得到的所述改性纳米石墨烯进行离心洗涤至中性，并密闭超声分散剥离处理。

33.根据本发明，所述离心的条件包括：离心转数为5000r/min-20000r/min，时间20-40min。

34.根据本发明，所述密闭超声分散剥离的条件包括：温度为60-100℃，超声频率为3-4mhz，时间为40-80min；优选地，温度为80-90℃，超声频率为3.5-4mhz，时间为60-80min。

35.根据本发明，在步骤(3)中，相对于100ml的水，所述改性纳米石墨烯的用量为10-15g，优选为10-12g。

36.根据本发明的一种特别优选的具体实施方式，一种改性纳米石墨烯浆料防塌剂的制备方法包括：

37.(s1)将按比例配制浓硫酸与浓硝酸构成的混酸l1；

38.(s2)按质量份称取纳米石墨烯分散在混酸中得到混合液l2；

39.(s3)将l2转移至冰浴锅反应器中，向l2中滴加氯酸钾得到混合液l3；

40.(s4)待冰浴锅中的冰块自然融化后，在室温条件下持续反应；

41.(s5)将反应后的l3用去离子水反复离心至中性，再进行密闭超声分散剥离，得到改性纳米石墨烯l4；

42.(s6)将l4与水稀释，得到改性纳米石墨烯浆料

43.根据本发明，其中，在步骤(s1)中，所述溶剂为由浓硫酸与浓硝酸构成的混酸。优选地，浓硫酸与浓硝酸的质量比为1：(1-3)；在步骤(s2)中，相对于100ml的溶剂，所用纳米石墨烯的重量份为2.5-7.5g；在步骤(s3)中，所述改性条件为在冰浴条件下，向混合液中以一定速率滴加氯酸钾，所述滴加速率为5-8g/6-8min，相对于100重量份混酸，氯酸钾的累计加量为60-80g，并控制时间在60-80min内加完；在步骤(s4)中，所述反应条件为冰浴锅中加入冰水混合物的固含量50-60％，冰浴锅中的冰块自然融化后，在18-20℃条件下持续反应90-102h；在步骤(s5)中，所述离心转数为5000r/min-20000r/min；在步骤(s6)中，所述密闭超声剥离条件为温度为80-90℃，超声频率为3.5-4mhz，时间60-80min。

44.本发明第二方面提供了一种由前述所述的制备方法制备得到的改性纳米石墨烯浆料防塌剂。

45.根据本发明，所述改性纳米石墨烯的平均粒径为40-100nm，优选为60-100nm。

46.在本发明中，所述改性纳米石墨烯浆料为黑色液体；所述改性纳米石墨烯浆料包括改性纳米石墨烯和水，且相对于100ml的水，所述改性纳米石墨烯的用量为10-15g，优选为10-12g。

47.在本发明中，优选情况下，所述改性纳米石墨烯浆料防塌剂为固含量10-12％的改性纳米石墨烯浆液，分散剂为水，该方法制得的改性纳米石墨烯可避免粒子之间团聚，有效填充微纳米孔缝。一方面封堵自由水进入地层引起井壁不稳定，另一方面石墨烯粒子嵌入微纳米裂缝，增强井周应力，防止井壁垮塌掉块的发生。

48.本发明第三方面提供了一种水基钻井液，其中，所述水基钻井液含有前述所述的改性纳米石墨烯浆料防塌剂、微米封堵剂和加重剂。

49.根据本发明，所述微米封堵剂的平均粒径分布为1-25μm，优选为2-5μm；所述加重剂的平均粒径为2-20μm，优选为12-20μm。

50.在本发明中，当钻遇玄武岩地层微纳米裂缝时，大平均粒径重晶石架桥成应力网，较小平均粒径的微米封堵剂填补，随后改性纳米石墨烯防塌剂颗粒充填，对玄武岩井壁微纳米孔缝实现全面封堵，颗粒间相互挤压，紧密结合，提高井壁承压能力。石墨烯自身结构兼具润滑作用，可强化泥饼质量，进而降低钻具对井壁的损伤，防止钻井过程中井壁失稳坍塌掉块的事故发生。

51.根据本发明，相对于100重量份的水，所述改性纳米石墨烯浆料防塌剂的含量为1-10重量份，所述微米封堵剂的含量为1-10重量份，所述加重剂的含量为100-150重量份；优选地，相对于100重量份的水，所述改性纳米石墨烯浆料防塌剂的含量为1-5重量份，所述微米封堵剂的含量为1-5重量份，所述加重剂的含量为120-150重量份。在本发明中，将各个组分的含量限定为前述范围之内，能够满足钻井液有较好的流变性，不同含量的理综通过合理复配和粒径级配，紧密结合，提高钻井液组合物的封堵防塌能力，降低钻井过程中井壁坍塌的可能性。

52.根据本发明，所述微米封堵剂为超细碳酸钙粉末xnzd，其中，所述超细碳酸钙粉末xnzd的主要成分为超细碳酸粉末，特点是纯度高，完全酸溶，起到封堵和加重的作用，可用于钻井液、储层专用完井液以及修井也中

53.根据本发明，所述加重剂为重晶石，其中，所述重晶石是用于提高钻井液密度的超细硫酸钡粉末，它被广泛用于所有钻井液体系，同时符合国际api13a的标准，其为惰性材料，不会和其他产品发生反应，不影响钻井液体系的化学特性，可将水基或油基钻井液密度提高至22ppg。

54.根据本发明，所述水基钻井液还含有膨润土、氯化钾、碱性调节剂、降失水剂和包被剂中的一种或多种；优选地，所述水基钻井液还含有膨润土、氯化钾、碱性调节剂、降失水剂和包被剂。

55.根据本发明，相对于100重量份的水，所述膨润土的含量为2-6重量份，所述氯化钾的含量为0.1-10重量份，所述碱性调节剂的含量为0.1-1重量份，所述降失水剂的含量为1-10重量份，所述包被剂的含量为0.1-5重量份；优选地，相对于100重量份的水，所述膨润土的含量为3-5重量份，所述氯化钾的含量为0.1-10重量份，所述碱性调节剂的含量为0.1-1重量份，所述降失水剂的含量为4-6重量份，所述包被剂的含量为0.1-1重量份。

56.根据本发明，所述碱性调节剂选自na2co3、naoh和koh中的一种或多种，优选为na2co3和/或naoh。

57.根据本发明，所述降失水剂可以为改性酚醛树脂jd-6和/或改性白沥青wzd-1，其中，改性酚醛树脂jd-6可商购获得，是将苯酚、甲醛、磺酸盐在一定的条件下经多次聚合和磺化得到的胶体产品，分子结构含有苯环、亚甲基桥和c-s键，热稳定性强，是一种抗高温降失水剂。

58.其中，所述改性白沥青wzd-1具有沥青及其改性产品的优点，又消除了沥青类产品毒性大、荧光级别高等缺陷。白沥青是脂肪醇树脂经水溶性加工后的一种产品，能与水、粘土发生乳化作用，在不同温度下能形成韧性粒子，堵塞地层微裂缝和渗透性地层的孔隙,起到降滤失、防止地层坍塌和保护油气层的作用。

59.根据本发明，所述包被剂选自低粘聚阴离子纤维素pac-lv、两性离子聚合物fa367、低粘羧甲基纤维素cmc-lv中的一种或多种，优选为pac-lv。

60.根据本发明，pac-lv是由天然纤维素经化学改性而制得的水溶性纤维素醚类衍生物，是一种重要的水溶性纤维素醚，可使泥浆具有良好的包被抑制性，较高的耐温性，能在高盐介质中抑制黏土和页岩的膨胀，从而使井壁污染得到控制。

61.根据本发明，两性离子聚合物fa367将阴、阳、非离子基团引在同一个分子链上，与阴离子型多元共聚物相比，由于分子中含有阳离子基团，具有良好的防塌和抑制粘土水化分散能力。该产品用于钻井液主要起抑制岩屑分散和增加钻井液粘度的作用，其包被抑制能力相当强，有利于提高机械钻速和保护产层。

62.根据本发明，低粘羧甲基纤维素cmc-lv为羧甲基纤维素钠产品，可作为包被剂用于大多数水基钻井液体系中，包括淡水、海水泥浆中，抗温能力大121℃。它的作用为可有效控制淡水活海水泥浆滤液失水，几乎不增粘，加量较少时可起到反絮凝作用。

63.根据本发明，通过严格控制各个组分的含量，使得各个组分之间得以相互作用使得所制备的钻井液组合物在钻井过程中能够发挥出最佳的功效，进而使所制成的钻井液在钻遇玄武岩时既有较好的封堵能力，优化泥饼质量，阻止滤液进入地层，提高井壁的承压能力，保护储层，流变性易调控的特点。

64.根据本发明，所述水基钻井液的制备方法包括：

65.(z1)将所需量的膨润土进行水化处理，加入60-80℃以上的淡化水或自来水得到混合液1；

66.(z2)将步骤(z1)得到的混合液1中加入所需量的碳酸钠搅拌，用naoh调整体系ph值为9-10，预水化24-36h；优选地，ph值至10，预水化24h得到混合液2；

67.(z3)在搅拌状态下将步骤(z2)得到的混合液2中依次加入所需量的包被剂、降失水剂、封堵剂、防塌剂、氯化钾、加重剂混合均匀后得到全面封堵型水基防塌钻井液。

68.根据本发明，所述膨润土为钙基膨润土，在配制钻井液之前需进行预水化处理。具体方法是将一定量的淡化水或自来水加热至80℃以上，加入水量4％的膨润土充分搅拌至膨润土充分分散无结块时，加入膨润土量5％的na2co3，使用naoh调节ph至10，搅拌2h，搅拌速度200r/min-600r/min，静置24h以上。这样做的目的是提高钙基膨润土的造浆能力，使钻井液有更好的流型。

69.本发明第四方面提供了一种前述所述的水基钻井液在玄武岩发育的微裂缝孔隙

中的应用。

70.根据本发明，所述玄武岩发育的微裂缝孔隙的尺寸介于20-80μm之间。

71.以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

72.以下实施例和对比例中：

73.电子天平，精度0.0001g，购自上海天平仪器厂；

74.膨润土购自新疆中非夏子街膨润土有限责任公司的新疆夏子街膨润土；

75.碱性调节剂na2co3、naoh购自成都科龙化学试剂厂；

76.降失水剂改性酚醛树脂购自成都西油华巍科技有限公司，型号jd-6；

77.包被剂低粘度聚阴离子纤维素购自河北燕兴化工有限公司，型号pac-lv；

78.微米封堵剂超细碳酸钙粉末购自四川西南石大金牛石油科技有限公司，型号xnzd；

79.纳米石墨烯可以为购自北京德科岛金科技有限公司，型号为cnt900；

80.浓硫酸、浓硝酸购自国药集团化学试剂有限公司；

81.氯酸钾购自北京伊诺凯科技有限公司；

82.加重剂重晶石购自河北灵寿县煜成矿产品加工有限公司，货号012。

83.制备例1

84.本制备例在于说明本发明的改性纳米石墨烯防塌剂的制备。

85.(1)取2.5g纳米石墨烯在100ml浓硫酸与浓硝酸复配的混酸中，其中，浓硫酸与浓硝酸的体积比为1：1，在冰浴锅中混合搅拌20min；

86.(2)取60g氯酸钾以6g/6min的滴加速度向混酸中滴加，在20℃室温条件下待冰浴锅中的冰块自然融化后持续反应96h；将混合液用去离子水反复离心至中性，离心转数为12000r/min，离心时间为30min；密闭超声剥离60min，温度为80℃，超声频率为3.5mhz，得到的改性纳米石墨烯；

87.(3)制备得到的改性纳米石墨烯，测得平均粒径为60.4nm，加水稀释为固含量10％的浆料，得到黑色液体为改性纳米石墨烯浆料，标记为z1。

88.制备例2

89.本制备例在于说明本发明的改性纳米石墨烯防塌剂的制备。

90.(1)取5g纳米石墨烯在100ml浓硫酸与浓硝酸复配的混酸中，其中，浓硫酸与浓硝酸的体积比为1：2，在冰浴锅中混合搅拌20min；

91.(2)取70g氯酸钾以7g/7min的滴加速度向混酸中滴加；在20℃室温条件下待冰浴锅中的冰块自然融化后持续反应96h；将混合液用去离子水反复离心至中性，离心转数为12000r/min，离心时间为30min；密闭超声剥离60min，温度为80℃，超声频率为3.5mhz，得到的改性纳米石墨烯；

92.(3)制备得到的改性纳米石墨烯，测得平均粒径为66.8nm，加水稀释为固含量10％的浆料，得到黑色液体为改性纳米石墨烯浆料，标记为z2。

93.制备例3

94.本制备例在于说明本发明的改性纳米石墨烯防塌剂的制备。

95.(1)取7.5g纳米石墨烯在100ml浓硫酸与浓硝酸复配的混酸中，其中，浓硫酸与浓硝酸的体积比为1：3，在冰浴锅中混合搅拌20min；

96.(2)取80g氯酸钾以8g/8min的滴加速度向混酸中滴加。在20℃室温条件下待冰浴锅中的冰块自然融化后持续反应96h；将混合液用去离子水反复离心至中性，离心转数为12000r/min，离心时间为30min；密闭超声剥离60min，温度为80℃，超声频率为3.5mhz，得到的改性纳米石墨烯；

97.(3)制备得到的改性纳米石墨烯，测得平均粒径为100.2nm加水稀释为固含量10％的浆料，得到黑色液体为改性纳米石墨烯浆料，标记为z3。

98.实施例1

99.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

100.(s1)取100重量份自来水升温至80℃，600r/min电动搅拌下，均匀加入3重量份膨润土至膨润土充分分散无结块，得到混合液1；

101.(s2)将步骤(s1)得到的混合液1中加入0.15质量分na2co3，使用naoh调节ph至10，搅拌2h，静置24h，得到混合液2；

102.(s3)在600r/min电动搅拌下，将步骤(s2)得到的混合液2中依次加入0.2重量份包被剂pac-lv搅拌10min，加入4重量份降失水剂改性酚醛树脂jd-6搅拌10min，加入2.0重量份平均粒径为6.5μm的微米封堵剂超细碳酸钙xnzd搅拌10min，加入制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料2重量份，加入2重量份氯化钾，使用高速搅拌器搅拌10min，转速6000r/min，加入平均粒径为12μm的加重剂重晶石120重量份搅拌10min即可得水基钻井液。

103.该水基钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

104.实施例2

105.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

106.(s1)取100重量份自来水升温至80℃，600r/min电动搅拌下，均匀加入4重量份膨润土至膨润土充分分散无结块，得到混合液1；

107.(s2)将步骤(s1)得到的混合液1中加入0.20质量分na2co3，使用naoh调节ph至10，搅拌2h，静置24h，得到混合液2；

108.(s3)在600r/min电动搅拌下，将步骤(s2)得到的混合液2中依次加入0.3重量份包被剂pac-lv搅拌10min，加入5重量份降失水剂改性酚醛树脂jd-6搅拌10min，加入2.0重量份平均粒径为6.5μm的微米封堵剂超细碳酸钙xnzd搅拌10min，加入制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料2.5重量份，加入2.0重量份氯化钾，使用高速搅拌器搅拌10min，转速6000r/min，加入平均粒径为12μm的加重剂重晶石120重量份搅拌10min即可得水基钻井液。

109.该水基钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

110.实施例3

111.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

112.(s1)取100重量份自来水升温至80℃，600r/min电动搅拌下，均匀加入4重量份膨润土至膨润土充分分散无结块，得到混合液1；

113.(s2)将步骤(s1)得到的混合液1中加入0.20重量分na2co3，使用naoh调节ph至10，搅拌2h，静置24h，得到混合液2；

114.(s3)在600r/min电动搅拌下，将步骤(s2)得到的混合液2中依次加入0.4重量份包

被剂pac-lv搅拌10min，加入5重量份降失水剂改性酚醛树脂jd-6搅拌10min，加入2.5重量份平均粒径为6.5μm的微米封堵剂超细碳酸钙xnzd搅拌10min，加入制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料3.0重量份，加入2.0重量份氯化钾，使用高速搅拌器搅拌10min，转速6000r/min，加入平均粒径为12μm的加重剂重晶石130重量份搅拌10min即可得水钻井液。

115.该水基钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

116.实施例4

117.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

118.(s1)取100重量份自来水升温至80℃，600r/min电动搅拌下，均匀加入4重量份膨润土至膨润土充分分散无结块，得到混合液1；

119.(s2)将步骤(s1)得到的混合液1中加入0.20质量分na2co3，使用naoh调节ph至10，搅拌2h，静置24h标记为z1的防塌剂

120.(s3)在600r/min电动搅拌下，将步骤(s2)得到的混合液2中依次加入0.4重量份包被剂pac-lv搅拌10min，加入6重量份降失水剂改性酚醛树脂jd-6搅拌10min，加入2.5重量份微米封堵剂超细碳酸钙xnzd搅拌10min，加入制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料3.5重量份，加入2.0重量份氯化钾，使用高速搅拌器搅拌10min，转速6000r/min，加入加重剂重晶石130重量份搅拌10min即可得水基钻井液。

121.该水基钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

122.实施例5

123.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

124.(s1)取100重量份自来水升温至80℃，600r/min电动搅拌下，均匀加入4重量份膨润土至膨润土充分分散无结块，得到混合液1；

125.(s2)将步骤(s1)得到的混合液1中加入0.20质量分na2co3，使用naoh调节ph至10，搅拌2h，静置24h，得到混合液2；

126.(s3)在600r/min电动搅拌下，将步骤(s2)得到的混合液2中依次加入0.5重量份包被剂pac-lv搅拌10min，加入6重量份降失水剂改性酚醛树脂jd-6搅拌10min，加入3.0重量份微米封堵剂超细碳酸钙xnzd搅拌10min，加入制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料4.0重量份，加入2.0重量份氯化钾，使用高速搅拌器搅拌10min，转速6000r/min，加入加重剂重晶石130重量份搅拌10min即可得水基钻井液。

127.该水基钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

128.实施例6

129.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

130.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“制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”替换为“制备例2制备的标记为z2的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”。

131.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

132.实施例7

133.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

134.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“制备

例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”替换为“制备例2制备的标记为z2的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”。

135.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

136.实施例8

137.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

138.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“制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”替换为“制备例2制备的标记为z2的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”。

139.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

140.实施例9

141.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

142.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“制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”替换为“制备例2制备的标记为z2的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”。

143.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

144.实施例10

145.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

146.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“制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”替换为“制备例2制备的标记为z2的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”。

147.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

148.实施例11

149.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

150.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“制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”替换为“制备例3制备的标记为z3的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”。

151.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

152.实施例12

153.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

154.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“制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”替换为“制备例3制备的标记为z3的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”。

155.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

156.实施例13

157.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

158.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“制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”替换为“制备例3制备的标记为z3的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”。

159.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

160.实施例14

161.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

162.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“制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”替换为“制备例3制备的标记为z3的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”。

163.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

164.实施例15

165.本实施例在于说明本发明的水基钻井液的制备。

166.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“制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”替换为“制备例3制备的标记为z3的防塌剂改性纳米石墨烯浆料”。

167.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

168.对比例1

169.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将“制备例1制备的平均粒径为60.4nm的改性纳米石墨烯”修改为“平均粒径为330nm的改性纳米石墨烯”。

170.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

171.对比例2

172.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将“制备例1制备的平均粒径为60.4nm的改性纳米石墨烯”修改为“没加改性纳米石墨烯”。

173.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

174.对比例3

175.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将“制备例1制备的改性纳米石墨烯浆料防塌剂2重量份”修改为“0.5重量份”。

176.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

177.对比例4

178.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将“平均粒径为6.5μm的微米封堵剂超细碳酸钙xnzd”修改为“平均粒径为19μm的微米封堵剂超细碳酸钙xnzd”。

179.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

180.对比例5

181.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：将“平均粒径为12μm的加重剂重晶石”修改为“所使用的加重剂重晶石粉末平均粒径为45μm”。

182.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

183.对比例6

184.按照与实施例1相同的方法制备钻井液，不同之处在于：在步骤(s3)中，在600r/min电动搅拌下，将步骤(s2)得到的混合液2中依次加入2重量份降失水剂改性酚醛树脂jd-6搅拌10min，加入1.5重量份平均粒径为6.5μm的微米封堵剂超细碳酸钙xnzd搅拌10min，加入0.05重量份包被剂pac-lv搅拌10min，加入制备例1制备的标记为z1的防塌剂改性纳米石墨烯浆料0.5重量份，使用高速搅拌器搅拌10min，转速6000r/min，加入平均粒径为12μm的加重剂重晶石50重量份搅拌10min即可得水基钻井液。

185.该水基钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

186.对比例7

187.按照与实施例5相同的方法制备钻井液，不同之处在于：所用制备例2制备的改性纳米石墨烯浆料，但是，该改性纳米石墨烯浆料的固含量为20％(固含量20％的意思为，以水为分散剂，固相改性纳米石墨烯质量占总质量的20％)的浆料，平均粒径129nm。

188.该水基钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

189.对比例8

190.按照与实施例5相同的方法制备钻井液，不同之处在于：所用制备例3制备的改性纳米石墨烯防塌剂，但是，该改性纳米石墨烯浆料的固含量20％的浆料，平均粒径201nm。

191.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

192.对比例9

193.按照与实施例5相同的方法制备钻井液，不同之处在于：加入制备例1制备的改性纳米石墨烯浆料0.4重量份，但是，该改性纳米石墨烯浆料为改性纳米石墨烯干料，干料的意思为，改性纳米石墨烯为固体粉末状态，未分散到水中形成浆料。

194.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

195.对比例10

196.按照与实施例5相同的方法制备钻井液，不同之处在于：加入制备例2制备的改性纳米石墨烯浆料0.4重量份，但是，该改性纳米石墨烯浆料为纳米氧化石墨烯干料。

197.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

198.对比例11

199.按照与实施例5相同的方法制备钻井液，不同之处在于：加入制备例3制备的改性纳米石墨烯浆料0.4重量份，但是，该改性纳米石墨烯浆料为纳米氧化石墨烯干料。

200.该钻井液的高温高压(hthp)滤失量测试结果如表1所示。

201.测试例1

202.分别取适量实施例1-15和对比例1-11中制备的钻井液，高温高压滤失仪测试其高温高压失水量，测量泥饼厚度，进而反应钻井液失水量的大小和泥饼质量。

203.表1

[0204][0205][0206]

本实验原理符合达西公式k＝q

·

l

·

μ/(a

·

δp)的运用条件。

[0207]

式中，k为孔隙介质的渗透率，介质中的孔隙被封堵的越全面，流体通过的能力越差，反应为渗透率k值越低，本实验中的介质即泥饼；

[0208]

q为压差作用下，通过介质的流量，本实验中的流量即为失水量；

[0209]

l为介质长度，本实验中介质长度即为泥饼的厚度；

[0210]

u为通过介质流体的粘度，本实验中流体指该发明中所述钻井液；

[0211]

a流体为流动方向上介质的截面积，本实验中截面积为泥饼的正圆表面积；

[0212]

δp指流体通过介质前后的压力差，本实验中指高温高压失水的测试压差。

[0213]

根据本实验原理可知，式中的u、a、δp均为定值，可作为常数项，可反映封堵程度的泥饼渗透率值k只随失水量q与泥饼厚度l变化。

[0214]

根据表1数据可知：

[0215]

实施例1-15钻井液高温高压滤失量介于9.0-13.6ml之间，泥饼厚度介于2.9-4.6mm之间，说明钻遇玄武岩地层微纳米裂缝时，较大平均粒径粒子先架桥，减小孔缝大小，

随后较小的微米封堵剂xnzd填充减小玄武岩孔缝大小，直至最后一级纳米防塌剂填充结束，进而对井壁各类微纳米孔缝实现全面封堵，以及在合适的组分及含量限定范围内配制的钻井液均具有优异的滤失造壁性，可在井壁上形成薄而致密的泥饼，减少钻井液固相、液相侵入地层及损害油气层。

[0216]

初失水的量可反映为钻井液在正压差的作用下瞬间形成致密泥饼的能力，初失水量越小说明瞬间形成的泥饼越薄越致密，质量越好。总失水越小，说明泥饼渗透率越小，进而能体现钻井液的封堵能力越强。实施例10中，初失水只有1.4ml，总失水只有9.0ml，在所有实施例中，封堵效果最好。这个实验中初失水、总失水的值越低，泥饼厚度越小，体现封堵效果越好。

[0217]

对比例1中加入平均粒径为330nm的改性纳米石墨烯，失水量14ml，泥饼厚度4.4mm，对钻井液的封堵效果影响很大。

[0218]

对比例2中没加改性纳米石墨烯，失水量15.4ml，泥饼厚度达到4.6mm，，对钻井液的封堵效果影响很大。

[0219]

对比例3中改性纳米石墨烯浆料防塌剂的加量为0.5重量份，实验可以得出0.5重量份的加量对钻井液的封堵防塌效果不利。

[0220]

对比例4中微米封堵剂的平均粒径为19μm，封堵效果较平均粒径6.5μm封堵剂差。

[0221]

对比例5中加重剂替换为平均粒径45μm重晶石，失水量14ml，泥饼厚度达到4.8mm。说明过大平均粒径的重晶石颗粒与本发明钻井液平均粒径分布配合性较差，对封堵性能影响较大。

[0222]

相较于实施例1-15钻井液性能，对比例6-8中纳米防塌剂的浓度升至20％，失水量与泥饼厚度也随之增加，说明高浓度的纳米防塌剂会对钻井液封堵防塌性能造成不利影响，同时说明在含量限定范围内配制的钻井液性能较好。

[0223]

相较于实施例1-15钻井液性能，对比例9-11中纳米防塌剂为干料加入钻井液中的效果远不如按10％浓度分散到水中的浆料，说明提高纳米防塌剂的浓度不利于石墨烯的分散效果，从而影响体系平均粒径分布，对钻井液封堵防塌性能带来不利影响。

[0224]

综上所述，本发明的一种适用于玄武岩地层全面封堵的水基钻井液通过不同平均粒径的封堵防塌材料协同作用，具备良好的的滤失造壁性，可形成薄而致密的泥饼，有效封堵玄武岩微纳米裂缝，阻止钻井液滤液对渗透性孔缝的渗透作用。增强井周应力，防止玄武岩地层钻进时井壁垮塌卡钻，节约工程成本。

[0225]

测试例2

[0226]

分别取500ml实施例1-15和对比例1-11中制备的钻井液备用，使用可视砂床滤失仪，取100cm3的75目石英砂、100cm3的225目石英砂、100cm3的375目石英砂和800目石英砂搅拌均匀，倒入筒状可透视的钻井液杯中模拟页岩非均质孔隙性地层，再倒入500cm3制备好的钻井液，上紧杯盖，接通气源将压力调至0.69mpa，打开放气阀，气源进入钻井液杯中，进而模拟钻井液在井下被挤压渗入井壁的状态，同时通过杯体观察并记录钻井液侵入深度。测试结果如表2所示。

[0227]

表2

[0228][0229][0230]

根据表2数据同样可以证实测试例1中结论，实施例1-15中，钻井液30min侵入深度为15.5-25.0ml之间，其中实施例10中侵入量只有15.5ml，而对比例1-11中钻井液侵入深度全部高于25ml，说明本发明中钻井液具有良好的封堵性能。

[0231]

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。技术特征：

1.一种改性纳米石墨烯浆料防塌剂的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：(1)将纳米石墨烯与混酸进行第一接触，得到混合液；(2)在冰浴锅条件下，将氯酸钾滴加至所述混合液中进行改性处理，得到改性纳米石墨烯；(3)将所述改性纳米石墨烯与水进行第二接触，得到改性纳米石墨烯浆料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤(1)中，所述混酸为浓硫酸与浓硝酸的复配，优选地，所述浓硫酸与所述浓硝酸的用量的质量比为(1-2)：(2-5)；和/或，相对于100ml的所述混酸，所述纳米石墨烯的用量为1-10g；和/或，所述第一接触的条件包括：时间为20-30min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤(2)中，所述滴加的条件包括：滴加速率为5-10g/5-10min；和/或，相对于100ml的所述混酸，所述氯酸钾的用量为50-100g；和/或，所述改性处理的条件包括：温度为10-35℃，时间为80-110h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在步骤(3)中，相对于100ml的水，所述改性纳米石墨烯的用量为10-15g。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的制备方法，其中，所述的制备方法还包括：将步骤(2)得到的所述改性纳米石墨烯进行离心洗涤至中性，并密闭超声分散剥离处理；优选地，所述离心的条件包括：离心转数5000r/min-20000r/min，时间20-40min；优选地，所述密闭超声分散剥离的条件包括：温度为60-100℃，超声频率为3-4mhz，超声时间40-80min。6.一种由权利要求1-5中任意一项所述的制备方法制备得到的改性纳米石墨烯浆料防塌剂。7.根据权利要求6所述的改性纳米石墨烯浆料防塌剂，其中，所述改性纳米石墨烯浆料为黑色液体；和/或，所述改性纳米石墨烯浆料包括改性纳米石墨烯和水，且相对于100ml的水，所述改性纳米石墨烯的用量为10-15g；和/或，所述改性纳米石墨烯的平均粒径为40-100nm，优选为60-100nm。8.一种水基钻井液，其特征在于，所述水基钻井液含有权利要求6或7所述的改性纳米石墨烯浆料防塌剂、微米封堵剂和加重剂。9.根据权利要求8所述的水基钻井液，其中，相对于100重量份的水，所述改性纳米石墨烯浆料防塌剂的含量为1-10重量份，所述微米封堵剂的含量为1-10重量份，所述加重剂的含量为100-150重量份；和/或，所述微米封堵剂的平均粒径分布为1-25μm，优选为2-5μm；所述加重剂的平均粒径为2-20μm，优选为12-20μm；和/或，所述微米封堵剂为超细碳酸钙粉末xnzd，所述加重剂为重晶石。10.根据权利要求8或9所述的水基钻井液，其中，所述水基钻井液还含有膨润土、氯化钾、碱性调节剂、降失水剂和包被剂中的一种或多种；和/或，相对于100重量份的水，所述膨润土的含量为2-6重量份，所述氯化钾的含量为0.1-10重量份，所述碱性调节剂的含量为0.1-1重量份，所述降失水剂的含量为1-10重量

份，所述包被剂的含量为0.1-5重量份；和/或，所述碱性调节剂选自na2co3、naoh和koh中的一种或多种，所述降失水剂为改性酚醛树脂jd-6和/或改性白沥青wzd-1，所述包被剂选自低粘聚阴离子纤维素pac-lv、两性离子聚合物fa367、低粘羧甲基纤维素cmc-lv中的一种或多种。11.一种权利要求8-10中任意一项所述的水基钻井液在玄武岩发育的微裂缝孔隙中的应用。12.根据权利要求11所述的应用，其中，所述玄武岩发育的微裂缝孔隙的尺寸介于20-80μm之间。

技术总结

本发明涉及钻井液领域，公开了一种全适应改性纳米石墨烯封堵型防塌钻井液制备方法和其应用。所述的制备方法包括：(1)将纳米石墨烯与混酸进行第一接触，得到混合液；(2)在冰浴锅条件下，将氯酸钾滴加至所述混合液中进行改性处理，得到改性纳米石墨烯；(3)将所述改性纳米石墨烯与水进行第二接触，得到改性纳米石墨烯浆料。该钻井液能够对玄武岩井壁微纳米孔缝实现全面封堵。现全面封堵。

技术研发人员：白杨 刘德秩 张靖 罗平亚 谢刚 代锋 李文哲

受保护的技术使用者：西南石油大学

技术研发日：2021.12.09

技术公布日：2022/2/8