基于纳米粒子的剪切增稠材料制造技术

描述了包含纳米材料的含水胶态分散体的组合物及其制备和使用方法。所述纳米材料包括设置在该纳米材料表面上的第一偶联剂和第二偶联剂，所述第一偶联剂包含硅烷和包括氨基酸的官能团，所述第二偶联剂包含硅烷和分子量为1,000至20,000的聚合物。

Shear thickening materials based on nanoparticles

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于纳米粒子的剪切增稠材料优先权要求本申请要求于2016年11月15日提交的美国专利申请号62/422,250的优先权，将其整体内容通过引用结合于此。
本说明书涉及用于油田应用，例如用于帮助从地下区域(subterraneanzone)的烃类抽提的剪切增稠材料。背景非牛顿流体可以具有液体和固体的性质。与牛顿流体不同，非牛顿流体的粘度可以随剪切速率而变化。剪切速率是横跨流体流动通道如管道或环空的直径上测得的速度梯度。胀流型流体是表现出剪切增稠行为的非牛顿流体。换言之，胀流型流体的粘度随着剪切速率增大而增大。非牛顿流体是复杂的并且可以用于油田应用。将非牛顿流体力学与储层(油藏，reservior)特性结合可以改善在生产储层的使用期的多个阶段中的烃类采收。概述本公开内容描述了与纳米材料的含水胶态分散体(aqueouscolloidaldispersion)相关的技术。此处描述的主题的某些方面可以作为包含纳米材料的含水胶态分散体的组合物实施。纳米材料包括设置(布置或安排，dispose)在该纳米材料的表面上的第一偶联剂和第二偶联剂，所述第一偶联剂包含硅烷和官能团(functionalgroup)，所述官能团包括氨基酸，所述第二偶联剂包含硅烷和分子量为1,000至20,000的聚合物。这个方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。氨基酸可以是极性氨基酸。聚合物可以是聚乙二醇或聚环氧乙烷(聚氧化乙烯，polyethyleneoxide)。含水胶态分散体可以是剪切增稠材料。<br>含水胶态分散体的酸碱度(potentialofhydrogen)(pH)可以在9至10的范围内。将含水胶态分散体加热至高于90摄氏度(℃)的温度可以引起该含水胶态分散体的粘度可逆地增大1.5至15倍。对含水胶态分散体施加剪切(shear)可以引起该含水胶态分散体的粘度可逆地增大1.1至3倍。设置在纳米材料的表面上的第一偶联剂与第二偶联剂的比率可以为1:1至20:1。纳米材料可以包括平均粒度等于或小于约1微米(μm)的二氧化硅纳米粒子。二氧化硅纳米粒子的平均粒度可以在60纳米(nm)至1,000nm的范围内。此处描述的主题的某些方面可以作为方法实施。形成纳米材料，其中该纳米材料的平均粒度等于或小于约1μm。形成纳米材料包括在二氧化硅纳米粒子的表面上设置第一偶联剂和在该二氧化硅纳米粒子的表面上设置第二偶联剂，所述第一偶联剂包含硅烷和官能团，所述官能团包括氨基酸，所述第二偶联剂包含硅烷和分子量为1,000至20,000的聚合物。将纳米材料分散在包含水的流体中以形成含水胶态分散体。这个方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。氨基酸可以是极性氨基酸。聚合物可以是聚乙二醇或聚环氧乙烷。含水胶态分散体可以是剪切增稠材料。设置在二氧化硅纳米粒子的表面上的第一偶联剂与第二偶联剂的比率可以为1:1至20:1。此处描述的主题的某些方面可以作为包括将含水胶态分散体引入至地下区域的方法实施。含水胶态分散体包含纳米材料，纳米材料包括设置在该纳米材料的表面上的第一偶联剂和第二偶联剂，所述第一偶联剂包含硅烷和官能团，所述官能团包括氨基酸，所述第二偶联剂包含硅烷和分子量为1,000至20,000的聚合物。这个方面和其他方面可以包括以下特征中的一个或多个。设置在纳米材料的表面上的第一偶联剂与第二偶联剂的比率可以为1:1至20:1。在将含水胶态分散体引入至地下地层之前，可以将含水胶态分散体与水泥混合。含水胶态分散体可以是剪切增稠材料，并且对含水胶态分散体施加剪切可以引起该含水胶态分散体的粘度可逆地增大1.1至3倍。将含水胶态分散体加热至高于90℃可以引起该含水胶态分散体的粘度可逆地增大1.5至15倍。本说明书的主题的一种或多种实施方式的细节在所附附图和描述中提出。所述主题的其他特征、方面和优点根据说明书、附图和权利要求书将变得明显。附图说明图1是井的一个示例。图2是一种用于形成纳米材料的含水胶态分散体的示例性方法的流程图。图3A和3B是纳米材料的示意图。图4A和4B是纳米材料的含水胶态分散体的图像。图5是纳米材料的多种含水胶态分散体在施加不同剪切速率的情况下的粘度的曲线图。图6是纳米材料的含水胶态分散体在不同温度在施加不同剪切速率的情况下的粘度的曲线图。详述剪切增稠材料(也称为胀流型材料)是其中粘度随着增大剪切应变速率或施加的剪切应力而增大的材料。由于剪切所致的粘度的任何增大都是可逆的，使得当减少或停止剪切时粘度减小。剪切凝胶化材料是当施加剪切应力时可以形成凝胶的材料。类似地，由于剪切而形成的任何凝胶都是可逆的，使得当减少或停止剪切时凝胶消失或被破坏。这样的材料可以可用于油田应用，如钻井、井或储层处理、水力压裂、完井以及增强烃类采收。本公开内容描述了纳米材料如二氧化硅(SiO2)纳米粒子的含水胶态分散体(也称为胶体)，其在剪切下可以稠化(增粘，viscosify)或在剪切下可以产生或形成凝胶。二氧化硅纳米粒子可以用表现出剪切凝胶化和剪切增稠性质的聚合物进行接枝。存在多种可以影响这样的流体(即纳米材料的含水胶态分散体)的粘度的因素。例如，纳米材料的浓度增大或接枝到纳米材料上的聚合物的分子量增大可以增大胶态分散体的粘度。一种改善这样的胶体的剪切增稠能力的方式是沿着接枝到纳米材料上的聚合物的主链引入带电(即具有正或负电荷)部分。聚合物主链的带电特性可以导致在沿着该主链的部分之间的分子内静电排斥以及在接枝在同一个二氧化硅纳米粒子或相邻二氧化硅纳米粒子上的聚合物之间的分子间静电排斥，由此增大聚合物卷曲(螺旋，coil)的流体力学体积，这可以增大胶体的粘度。本说明书中描述的主题可以以特别的实施方式实施，以实现以下优点中的一个或多个。本公开内容中描述的组合物可以用作剪切增稠材料。在钻井期间，可以使用剪切增稠材料来防止不期望的流动，如当钻井泥浆流入到地层中而不返回到地表时的循环漏失。剪切增稠材料的使用可以确保安全操作并且防止或者减少可能导致在生产和修理中的巨大经济损失的烦扰(upset)的概率。例如，剪切增稠材料可以用作放喷器(井喷防治剂，blowoutpreventer)以处理任何极端的不稳定压力或不受控流动，如在钻井期间到达气顶时。剪切增稠材料可以用作水泥添加剂以延迟水泥的硬化。在强化采油期间，可以使用剪切增稠材料来增大注入流体的粘度，由此防止或减少可能导致过早水突破的指进的潜力。图1示出了包括井12的烃类抽提系统10的一个示例。井12可以处于在地下区域14中形成的井眼20中。地下区域14可以包括例如在可以实施采收操作以从其中采收圈闭烃类的含烃储层中的地层、地层的一部分或多个地层。在一些实施方式中，地下区域14包括含有烃类(例如，油、气或两者)的天然裂隙岩石的地下地层。例如，地下区域14可以包括裂隙页岩。在一些实施方式中，井12可以横穿其他合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种组合物，所述组合物包含纳米材料的含水胶态分散体，所述纳米材料包括设置在其表面上的以下各项：/n第一偶联剂，所述第一偶联剂包含硅烷和官能团，所述官能团包括氨基酸，和/n第二偶联剂，所述第二偶联剂包含硅烷和分子量为1,000至20,000的聚合物。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20161115 US 62/422,2501.一种组合物，所述组合物包含纳米材料的含水胶态分散体，所述纳米材料包括设置在其表面上的以下各项：
第一偶联剂，所述第一偶联剂包含硅烷和官能团，所述官能团包括氨基酸，和
第二偶联剂，所述第二偶联剂包含硅烷和分子量为1,000至20,000的聚合物。


2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述氨基酸是极性氨基酸。


3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述聚合物是聚乙二醇或聚环氧乙烷。


4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述含水胶态分散体是剪切增稠材料。


5.根据权利要求1所述的组合物，其中所述含水胶态分散体的酸碱度(pH)在9至10的范围内。


6.根据权利要求1所述的组合物，其中将所述含水胶态分散体加热至高于90摄氏度(℃)的温度引起所述含水胶态分散体的粘度可逆地增大1.5至15倍。


7.根据权利要求1所述的组合物，其中对所述含水胶态分散体施加剪切引起所述含水胶态分散体的粘度可逆地增大1.1至3倍。


8.根据权利要求1所述的组合物，其中设置在所述纳米材料的表面上的所述第一偶联剂与所述第二偶联剂之间的比率为1:1至20:1。


9.根据权利要求1所述的组合物，其中所述纳米材料包括平均粒度等于或小于约1微米(μm)的二氧化硅纳米粒子。


10.根据权利要求9所述的组合物，其中所述二氧化硅纳米粒子的平均粒度在60纳米(nm)至1,000nm的范围内。


11.一种方法，所述方法包括：
形成纳米材料，其中所述纳米材料的平均粒度等于或小于约1μm，所述形成包括：
在二氧化硅纳米粒子的表面上设置第一偶联...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿希尔·穆罕默德·萨利赫·阿尔奥拉亚安，阿尔弗雷多·亚历山大卡茨，杰森·R·考克斯，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA