适合页岩气水平井的环保型水基钻井液制造技术

本发明专利技术涉及石油化工钻井领域，公开了一种适合页岩气水平井的环保型水基钻井液，该钻井液含有纳米封堵剂、仿生固壁剂、仿生页岩抑制剂和填充剂，所述纳米封堵剂为改性的二氧化硅纳米颗粒，其改性基团包括改性丙烯酸类共聚物链；所述仿生固壁剂为主链上接枝有源自多巴胺的基团的羧甲基壳聚糖：所述仿生页岩抑制剂由精氨酸的结构单元和赖氨酸的结构单元构成；所述填充剂是由重量比为1：0.55‑6：0.55‑6的1600‑2500目、1050‑1500目和500‑1000目的碳酸钙组成。本发明专利技术的钻井液能够获得较高抗温性能、较高封堵性和抑制性和环保性，特别是能够获得较高密度，适用于页岩气开采。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油化工钻井领域，具体地，涉及适合页岩气水平井的环保型水基钻井液。
技术介绍
随着能源消耗的日益增加，页岩气、页岩油等非常规能源的开发利用逐渐受到重视。我国已探明的页岩油气藏储量巨大，勘探开发价值高。目前开采页岩气主要采用长段水平井，多级分段压裂的方法，以提高单井产量，提升工业开采价值。由于页岩地层水敏性强、裂缝发育，钻井过程中容易出现垮塌、缩径等复杂情况，因此开采页岩气的钻井完井液面临的主要技术难题是长段水平井的井壁稳定问题。当前页岩层水平井主要采用油基钻井液，可以较好地解决井壁稳定问题。但页岩气单井产出量普遍较低，油基泥浆的成本较高，降低了页岩气开采的工业价值，且油基钻井液存在环保性差、回收成本高、安全性差等问题。水基钻井液具有成本较低，相对更加环保，且易于发现油气储层等优点，但常见的水基钻井液体系井壁稳定性差，润滑防卡能力不足，限制了水基钻井液在页岩油气开发中的应用。我国页岩气普遍埋藏较深，例如四川盆地下寒武统页岩气层埋深2000-3500米，地层压力大，且存在超高压油气层、盐水层和膏泥岩等复杂地层，当钻遇含气量较大且裂缝发育的页岩地层时，气体溢出量剧增可能会导致井喷、井涌等事故。提高钻井液密度可以有效平衡地层压力，提高井壁稳定性，防止复杂情况发生。目前，适合页岩气开采的水基钻井液还不够完善，主要表现在如下几个方面。(1)抗高温能力有待提高。随着井深的增加及井底温度的升高，对水基钻井液的抗温性要求也在逐渐提升。(2)密度普遍不高。常规密度的水基钻井液已不能满足高压地层对钻井液的密度要求，而提高钻井液密度又会带来诸如流变性差的问题。(3)抑制性不高。常规的水基钻井液已不能很好的抑制页岩的分散，从而会引起井壁失稳，同时增加抑制性又会带来诸如流变性和封堵性差的问题。(4)封堵性不高。常规密度的水基钻井液已不能充分封堵页岩中的纳微米孔隙。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的水基钻井液存在的密度较低、抗温性较差、封堵性和抑制性较低的缺陷，提供了一种能够获得较高密度、较高抗温性能、较高封堵性和抑制性的水基钻井液。为了实现上述目的，本专利技术提供一种水基钻井液，该钻井液含有纳米封堵剂、仿生固壁剂、仿生页岩抑制剂和填充剂，所述纳米封堵剂为改性的二氧化硅纳米颗粒，所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括丙烯酸类共聚物链，所述丙烯酸类共聚物链中的结构单元由下式(1)所示结构的单体中的一种或多种以及式(2)所示结构的单体中的一种或多种提供；其中，R1选自-OH、C1-C10的烷氧基或-N(R3)R2，R2和R3各自独立地选自H、C1-C10的烷基和被取代基取代的C1-C10的烷基，所述取代基为-COOH、-OH、卤素和-SO3H中的一种或多种；L为C0-C10的亚烷基；所述仿生固壁剂为主链上接枝有源自多巴胺的基团的羧甲基壳聚糖，所述源自多巴胺的基团如式(I-1)所示：所述仿生页岩抑制剂由式(3)所示的结构单元和式(4)所示的结构单元构成：式(3)所示的结构单元和式(4)所示的结构单元的摩尔比为0.2-6：1，且所述仿生页岩抑制剂的重均分子量为800-4000g/mol；所述填充剂是由重量比为1：0.55-6：0.55-6的1600-2500目、1050-1500目和500-1000目的碳酸钙组成。本专利技术所提供的水基钻井液能够获得较高抗温性能、较高封堵性和抑制性和环保性，特别是还能够获得较高密度，特别适用于页岩气水平井开采，是一种适合页岩气水平井的环保型水基钻井液。本专利技术的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1是纳米封堵剂制备例1所得的改性的二氧化硅纳米颗粒的SEM图。具体实施方式以下对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的
具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。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。本专利技术中，式(1)所示结构的单体可以是丙烯酰胺类单体，以及式(2)所示结构的单体也可以是丙烯酰胺类单体，在这种情况下，所述丙烯酸类共聚物链的结构单元则可以是由式(1)所示结构的丙烯酰胺类单体以及式(2)所示结构的丙烯酰胺类单体提供，这样情况也应当理解为所述丙烯酸类共聚物链。本专利技术提供一种水基钻井液，该钻井液含有纳米封堵剂、仿生固壁剂、仿生页岩抑制剂和填充剂，所述纳米封堵剂为改性的二氧化硅纳米颗粒，所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括丙烯酸类共聚物链，所述丙烯酸类共聚物链中的结构单元由下式(1)所示结构的单体中的一种或多种以及式(2)所示结构的单体中的一种或多种提供；其中，R1选自-OH、C1-C10的烷氧基或-N(R3)R2，R2和R3各自独立地选自H、C1-C10的烷基和被取代基取代的C1-C10的烷基，所述取代基为-COOH、-OH、卤素和-SO3H中的一种或多种；L为C0-C10的亚烷基；所述仿生固壁剂为主链上接枝有源自多巴胺的基团的羧甲基壳聚糖，所述源自多巴胺的基团如式(I-1)所示：所述仿生页岩抑制剂由式(3)所示的结构单元和式(4)所示的结构单元构成：式(3)所示的结构单元和式(4)所示的结构单元的摩尔比为0.2-6：1，且所述仿生页岩抑制剂的重均分子量为800-4000g/mol；所述填充剂是由重量比为1：0.55-6：0.55-6的1600-2500目、1050-1500目和500-1000目的碳酸钙组成。根据本专利技术，尽管所述纳米封堵剂、所述仿生固壁剂和所述仿生页岩抑制剂可以按照任意比例配合使用，并获得能够促进钻井液提高密度、抗温性能、封堵性和抑制性，但是，为了能够使得所述纳米封堵剂、所述仿生固壁剂和所述仿生页岩抑制剂能够更好地配合，优选情况下，所述纳米封堵剂、所述仿生固壁剂和所述仿生页岩抑制剂的重量比为100：20-500：20-500，优选为100：30-300：30-300，更优选为100：50-200：50-200，例如为100：50-100：50-100。根据本专利技术，当所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括丙烯酸类共聚物链后，相当于在纳米二氧化硅上接枝上所述丙烯酸类共聚物链，从而能够通过亲疏水集团、氢键等非共价键形成空间网状结构及酰胺基的吸附作用，使得所述改性的二氧化硅纳米颗粒在用于钻井液中作为封堵剂时，不易发生团聚，或者说不会团聚形成大颗粒的团聚体，保持较好的分散性，从而在用于注入页岩中时，能够较好地封堵页岩的缝隙等，与所述钻井液中的其他组分，特别是与所述钻井液中的仿生固壁剂和仿生页岩抑制剂配合地达到提高地层承压能力、稳定井壁、防止井漏、保护油气层的目的。为了能够更好地实现上述目的，优选情况下，R1选自-OH、C1-C6的烷氧基或-N(R3)R2，R2和R3各自独立地选自H、C1-C6的烷基和被取代基取代的C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水基钻井液，其特征在于，该钻井液含有纳米封堵剂、仿生固壁剂、仿生页岩抑制剂和填充剂，所述纳米封堵剂为改性的二氧化硅纳米颗粒，所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括丙烯酸类共聚物链，所述丙烯酸类共聚物链中的结构单元由下式(1)所示结构的单体中的一种或多种以及式(2)所示结构的单体中的一种或多种提供；其中，R1选自‑OH、C1‑C10的烷氧基或‑N(R3)R2，R2和R3各自独立地选自H、C1‑C10的烷基和被取代基取代的C1‑C10的烷基，所述取代基为‑COOH、‑OH、卤素和‑SO3H中的一种或多种；L为C0‑C10的亚烷基；所述仿生固壁剂为主链上接枝有源自多巴胺的基团的羧甲基壳聚糖，所述源自多巴胺的基团如式(I‑1)所示：所述仿生页岩抑制剂由式(3)所示的结构单元和式(4)所示的结构单元构成：式(3)所示的结构单元和式(4)所示的结构单元的摩尔比为0.2‑6：1，且所述仿生页岩抑制剂的重均分子量为800‑4000g/mol；所述填充剂是由重量比为1：0.55‑6：0.55‑6的1600‑2500目、1050‑1500目和500‑1000目的碳酸钙组成。

【技术特征摘要】
1.一种水基钻井液，其特征在于，该钻井液含有纳米封堵剂、仿生固壁剂、仿生页岩抑制剂和填充剂，所述纳米封堵剂为改性的二氧化硅纳米颗粒，所述改性的二氧化硅纳米颗粒上的改性基团包括丙烯酸类共聚物链，所述丙烯酸类共聚物链中的结构单元由下式(1)所示结构的单体中的一种或多种以及式(2)所示结构的单体中的一种或多种提供；其中，R1选自-OH、C1-C10的烷氧基或-N(R3)R2，R2和R3各自独立地选自H、C1-C10的烷基和被取代基取代的C1-C10的烷基，所述取代基为-COOH、-OH、卤素和-SO3H中的一种或多种；L为C0-C10的亚烷基；所述仿生固壁剂为主链上接枝有源自多巴胺的基团的羧甲基壳聚糖，所述源自多巴胺的基团如式(I-1)所示：所述仿生页岩抑制剂由式(3)所示的结构单元和式(4)所示的结构单元构成：式(3)所示的结构单元和式(4)所示的结构单元的摩尔比为0.2-6：1，且
\t所述仿生页岩抑制剂的重均分子量为800-4000g/mol；所述填充剂是由重量比为1：0.55-6：0.55-6的1600-2500目、1050-1500目和500-1000目的碳酸钙组成。2.根据权利要求1所述的钻井液，其中，所述纳米封堵剂、所述仿生固壁剂和所述仿生页岩抑制剂的重量比为100：20-500：20-500，优选为100：30-300：30-300，更优选为100：50-200：50-200。3.根据权利要求1或2所述的钻井液，其中，所述丙烯酸类共聚物链中的结构单元由下式(1-a)所示结构的结构单元中的一种或多种以及式(2-a)所示结构的结构单元中的一种或多种构成：4.根据权利要求1-3中任意一项所述的钻井液，其中，R1选自-OH、C1-C6的烷氧基或-N(R3)R2，R2和R3各自独立地选自H、C1-C6的烷基和被取代基取代的C1-C6的烷基，所述取代基为-COOH、-OH和-SO3H中的一种或多种；L为C1-C6的亚烷基；优选地，R1选自-OH、C1-C4的烷氧基或-N(R3)R2，R2和R3各自独立地选自H、C1-C4的烷基和被取代基取代的C1-C4的烷基，所述取代基为-COOH、-OH和-SO3H中的一种或多种；L为C1-C4的亚烷基；更优选地，R1选自-OH、甲氧基、乙氧基、丙氧基或-N(R3)R2，R2和R3各自独立地选自H、甲基、乙基、丙基、异丙基、异丁基、叔丁基、被取代基取代的
\t甲基、被取代基取代的乙基、被取代基取代的丙基、被取代基取代的异丙基、被取代基取代的异丁基和被取代基取代的叔丁基，所述取代的C1-C4的烷基中的取代基为-COOH和/或-SO3H；L为-CH2-、-CH2-CH2-、-CH2-CH2-CH2-、-CH(CH3)-CH2-、-C(CH3)2-CH2-、-CH2-C(CH3)2-或-CH2-CHCH3-CH2-。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的钻井液，其中，所述丙烯酸类共聚物链中，所述式(1)所示结构的单体提供的结构单元和式(2)所示结构的单体提供的结构单元的摩尔比为1：0.5-5，优选为1：1-2；优选地，所述丙烯酸类共聚物链的重均分子量为100000-1500000g/mol，更优选为120000-1400000g/mol；优选地，以所述改性的二氧化硅纳米颗粒的总重量为基准，所述丙烯酸类共聚物链的含量为60重量％以上，更优选为80重量％以上；优选地，所述改性的二氧化硅纳米颗粒的粒径为3-30nm。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的钻井液，其中，所述改性的二氧化硅纳米颗粒的制备方法包括：(1)在一元醇和偶联剂存在下，将式(1)所示结构的单体中的一种或多种和式(2)所示结构的单体中的一种或多种与二氧化硅纳米颗粒进行接触反应；(2)在氧化还原引发体系存在下，将所述接触反应的产物进行聚合反应；优...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋官澄，张县民，贺银博，高德利，伍贤柱，杨丽丽，马光长，屈刚，赵利，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11