一种利用纳米纤维素制备的环保钻井液及其制备方法

1.本发明属于油田钻井液技术领域，具体涉及一种利用纳米纤维素制备的环保钻井液及其制备方法。


背景技术：

2.随着我国石油工业的迅速发展，钻井液的使用越来越受国家环保法律政策的规范和限制。当今钻井液不仅要满足安全高效钻进的基本要求，还要满足环境友好、低毒、便于处理等需求。而常规钻井液中通常包含的重金属元素、有机烃类、盐类等有害物质会对施工人员的健康及周围的环境与生物造成巨大的危害。而且，现有的环保钻井液处理剂种类少，性能单一。
3.现有技术中，对于环保钻井液的研究有如下技术方案：
4.①
专利a1(cn104497996a一种硝酸钙环保钻井液及制备方法)：现有技术提高了一种使用硝酸钙的环保钻井液的配方及制备，包括质量百分比为3～5％的无机絮凝剂，0.3～1％的提粘剂，0.5～1.0％的降滤失剂，0.1～0.3％的碱度控制剂，0.03～0.1％的防腐剂，其余为清水，该钻井液具有低黏高切、流变性能易于调节等特点。但该技术方案中硝酸钙胺基聚合物钻井液体系对井下钻具等金属管材存在腐蚀影响。
5.②
专利a2(cn112662384a一种易降解环保型钻井液及其制备方法)：现有技术提供了一种易降解环保型钻井液及其制备方法，该钻井液包括以下重量份含量的组分：膨润土2-7份、碱度调节剂0.03-0.09份、包被剂0.15-0.66份、降滤失剂2-10份、无荧光润滑剂0.5-1.5份、聚合物pe2-7.5份和水100份。但是该技术方案所提供的环保型钻井液的岩屑回收率仅为80％，回收效果较差。
6.③
专利a3(cn200910021969.6一种纳米钻井液)：现有技术提供了一种纳米钻井液，水为900kg/m3，膨润土为40～50kg/m3，纳米乳液jdl-3为25～30kg/m3，正电胶mmh为2～3kg/m3，高分子聚合物pam为3～5kg/m3，磺化沥青ft-1为10～15kg/m3，磺化酚醛树脂smp为15～20kg/m3，降失剂ls-1为15～20kg/m3，流型调节剂ds-2为10～15kg/m3和naoh为8～10kg/m3。但是该体系制备方法复杂，并且经济成本较高。
7.④
论文b1(罗健生,蒋官澄,王国帅,董腾飞,贺垠博,李斌.一种无氯盐环保型强抑制水基钻井液体系[j].钻井液与完井液,2019,36(05):594-599.)：采用研制的包被剂、仿生固壁剂等与优选的处理剂进行复合，研发出了一套无氯盐环保型强抑制水基钻井液体系，但是该体系制备方法较为复杂。
[0008]
⑤
论文b2(董兵强.纳米乳液制备及其在水基钻井液完井液中的应用[d].中国石油大学(华东),2016.)：采用两步稀释法制备的正辛烷sdme-2纳米乳液用作页岩抑制剂。由于纳米乳液的油水界面张力低，当它吸附于页岩表面后可形成一种疏水膜，从而减少水分子与页岩表面接触，减弱页岩孔喉水化膨胀缩径效应，有助于稳定井壁，但同时也存在制备复杂，经济成本高的问题。
[0009]
由此可见，现有技术中环保钻井液的制备方法普遍存在制备复杂、有腐蚀性以及
钻井液性能较低等问题。综上，研发出一种生产成本低廉、制备方案精简、产品性能优良且环境友好的钻井液体系及处理剂，是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

[0010]
本发明的目的在于提供一种利用纳米纤维素制备的环保钻井液，所用原料均安全环保，尤其所用主要原料之一纳米纤维素，相比于常规纤维素，具有来源广泛、结晶度更高、尺寸更小等优势。尤其纳米纤维素的刚度强、表面活性好，可通过物理、化学改性形成各种性能优异的衍生物，以其与其他原料复配制备得到的钻井液既不会对井壁产生腐蚀作用，又易被生物降解，还能提高钻井液的综合性能。具有配方精简、原料安全环保，产品性能优异的有益效果。
[0011]
为实现上述目的，本发明提供一种利用纳米纤维素制备的环保钻井液，按重量份数计，包括以下组分：膨润土基浆4％-6％、纳米纤维素1％-2％、抑制剂0.5％-1.5％、增粘剂0.1％-0.5％、包被剂0.2％-0.4％、降滤失剂0.8％-1.4％、润滑剂2％-3％、封堵防塌剂2％-3％、碱度调节剂0.1％-0.3％，其余为水。
[0012]
在一优选的实施方式中，所述纳米纤维素按以下方法制备得到：
[0013]
s1将质量浓度为98％的浓硫酸用水稀释，得到稀释硫酸；
[0014]
s2将脱脂棉剪碎，倒入稀释硫酸，先常温搅拌，再加热至一定温度时高速搅拌，反应结束后加入去离子水稀释冷却；
[0015]
s3将上一步骤所得产物离心，保留下层沉淀重新溶于去离子水中；
[0016]
s4重复步骤s3直至离心后的上清液出现浑浊，收集浑浊液体放入透析袋内，将透析袋浸泡于去离子水中并间隔一段时间换水，直至透析袋内液体与去离子水ph值相同，收集透析袋内液体即为纳米纤维素悬浮液。
[0017]
在一优选的实施方式中，步骤s1中，所述稀释硫酸的质量浓度为50-60％，优选的，稀释硫酸的质量浓度为55％。
[0018]
在一优选的实施方式中，步骤s2中，所述脱脂棉与稀释硫酸的质量体积比为1g：(40-80)ml，优选的，所述脱脂棉与稀释硫酸的质量体积比为1g：60ml。
[0019]
在一优选的实施方式中，步骤s2中，所述常温搅拌转速为600-900rpm，搅拌时间20-30min。
[0020]
在一优选的实施方式中，步骤s2中，所述加热至一定温度为50-60℃。
[0021]
在一优选的实施方式中，步骤s2中，所述高速搅拌转速为8000-12000rpm，搅拌时间80-90min。
[0022]
在一优选的实施方式中，步骤s2中，所述去离子水与稀释硫酸的体积比为(9-11)：1，优选的，所述去离子水与稀释硫酸的体积比为10：1。
[0023]
在一优选的实施方式中，步骤s3中，所述离心条件为7000-9000rpm离心5-10min，优选的，所述离心条件为8000rpm离心10min。
[0024]
在一优选的实施方式中，步骤s4中，所述间隔时间为6-12h，即每6-12h换水一次。
[0025]
本发明中，通过稀释硫酸水解脱脂棉的方法制备得到纳米纤维素，整体制备方法简单、安全，反应温度低、无需高能耗处理，且制备时间较短。制备得到的纳米纤维素是功能性高分子材料，表面富有羟基，易进行表面修饰。以此为原料制备钻井液时，纳米纤维素晶
体在钻井液中可形成一种空间网络结构，这种结构在剪切作用下会被破坏，并且重构速度也非常快，从而改善钻井液流变性能。另外，在高温条件下，受其柔性的三维结构影响，纳米纤维可以在井壁处聚形成一个密封性较好的滤饼，进而减少滤失。进一步的，纳米纤维素结构中的纤维素聚合链是以高度结晶方式组合，热力学性能稳定，使得钻井液具有良好的耐高温性能。
[0026]
在一优选的实施方式中，所述膨润土基浆按以下方法制备得到：在搅拌状态下，向水中加入钠基膨润土，搅拌10-20min后，加入无水碳酸钠，继续搅拌5-10min，静置水化24h即得。
[0027]
在一优选的实施方式中，在制备所述膨润土基浆时，所述钠基膨润土、水和无水碳酸钠的质量比为(3-5)：100：(0.1-0.3)，优选的，所述钠基膨润土、水和无水碳酸钠的质量比为2：50：0.1。
[0028]
在一优选的实施方式中，在制备所述膨润土基浆时，所述搅拌转速均为500-700rpm，优选的，所述搅拌转速均为600rpm。
[0029]
在一优选的实施方式中，所述抑制剂包括胺基抑制剂、氯化钾、醇类抑制剂中的一种或多种；
[0030]
所述增粘剂包括黄原胶、纤维素类增粘剂中的一种或两种；
[0031]
所述包被剂包括天然高分子包被剂、两性离子聚合物中的一种或两种；
[0032]
所述润滑剂包括水基润滑剂、聚合醇润滑剂中的一种或两种；
[0033]
所述降滤失剂包括改性淀粉yc-1、羧甲基纤维素钠盐cmc、聚丙烯酰胺钾盐中的一种或多种；
[0034]
所述封堵防塌剂包括无荧光沥青nfa-25、井壁稳定剂pf-gra中的一种或两种；
[0035]
所述碱度调节剂包括氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或两种。
[0036]
更优选的，所述抑制剂为胺基抑制剂；所述增粘剂为黄原胶；所述包被剂为两性离子聚合物；所述润滑剂为聚合醇润滑剂；所述降滤失剂为改性淀粉yc-1；所述封堵防塌剂包括无荧光沥青nfa-25；所述碱度调节剂为氢氧化钠。
[0037]
本发明的另一目的在于提供一种利用纳米纤维素制备环保钻井液的方法，本发明方法简单、高效，对生产设备和反应条件无具体限定，尤其适合大规模工业化生产以及在复杂环境下生产制备钻井液。
[0038]
为实现上述目的，本发明提供一种利用纳米纤维素制备环保钻井液的方法，包括以下步骤：
[0039]
(1)按照配比分别称量各组分；
[0040]
(2)加热搅拌膨润土基浆，再分别加入抑制剂、包被剂、降滤失剂和增粘剂，搅拌均匀，得混合溶液；
[0041]
(3)在混合溶液中加入润滑剂和封堵防塌剂，充分搅拌，继续加入纳米纤维素，充分搅拌；最后加入碱度调节剂，调节体系ph为7-8.5，即得环保钻井液。
[0042]
在一优选的实施方式中，步骤(3)中，所述加热搅拌条件为：在50-60℃温度下，以1200-1600rmp搅拌1.5-2h。
[0043]
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：
[0044]
本发明通过方案设计，使得所提供的纳米纤维素产品与其他原料具有较好的配伍
性，既可作为钻井液提切剂，同时也兼有降滤失的作用。且，所用原料均安全环保，使得制备钻井液既不会对井壁产生腐蚀作用，又易被生物降解。
[0045]
利用本发明方案制备得到的含纳米纤维素的钻井液，相较于传统的油基钻井液，切力更高，抑制性也较强。经实验验证，以本发明方案提供的钻井液具有以下性能：
[0046]
(1)热滚前后流变性能变化稳定，抗温性能可达120℃，降滤失效果好，岩屑回收率高达86％以上。
[0047]
(2)体系可抗10％氯化钠污染，1.2％氯化钙污染，抗污染能力强。
[0048]
(3)纳米纤维素能够形成更加稳定的空间网架结构，表现出较好的剪切稀释性。
[0049]
(4)具有较好的环保性能，bod5/cod值均符合环保标准，容易被生物降解，环保性能好，达到可排放标准。
具体实施方式
[0050]
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0051]
下面通过具体实施例详细说明本技术的技术方案：
[0052]
若未特别指明，本发明中所用技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，本发明中所用的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。本发明所用试剂如无特殊说明均为分析纯。
[0053]
本发明实施例中，所用抑制剂选自沈阳科拓化工有限公司的胺基抑制剂(多元醇胺)；所用增粘剂选自任丘市正昊化工产品有限公司的石油级钻井液增粘剂黄原胶xc；所用包被剂选自新疆淮东石油技术股份有限公司的钻井液用两性离子聚合物稀释剂sx；所用润滑剂选自南京长江江宇能源科技有限公司的新型钻井液用液体润滑剂聚合醇；所用降滤失剂选自宁津县嘉和节能材料有限公司的改性淀粉yc-1；封堵防塌剂选自文安县中德化工有限公司的钻井液用无荧光沥青nfa-25；碱度调节剂选自上海麦克林生化科技有限公司的氢氧化钠。
[0054]
在本发明中，其中钻井液粘度、切力、滤失量测试参考标准：《石油天然气工业钻井液实验室测试》，标准号：gb/t 29170-2012；环保性评价参考标准:《水溶性油田化学剂环境保护技术评价方法》，标准号:sy/t 6788－2010和《水溶性油田化学剂环境保护技术要求》，标准号:sy/t 6787－2010。
[0055]
在本发明中所述常温为25
±
1℃。
[0056]
在本发明实施例中，所述纳米纤维素的制备方法为：
[0057]
s1将质量浓度为98％的浓硫酸用去离子水稀释，得到质量浓度为55％的稀释硫酸。
[0058]
s2将脱脂棉剪碎，倒入稀释硫酸，先常温条件下，以600-900rpm的转速搅拌30min；再加热至55℃，以10000rpm高速搅拌90min，反应结束后加入去离子水稀释冷却；其中，脱脂棉与稀释硫酸的质量体积比为1g：60ml，去离子水与稀释硫酸的体积比为10：1。
[0059]
s3将上一步骤所得产物以8000rpm离心10min，保留下层沉淀重新溶于去离子水中；
[0060]
s4重复步骤s3直至离心后的上清液出现浑浊，收集浑浊液体放入透析袋内，将透
析袋浸泡于去离子水中并间隔12h换一次水，直至透析袋内液体与去离子水ph值相同，收集透析袋内液体即为纳米纤维素悬浮液。
[0061]
在本发明实施例中，所述膨润土基浆的制备方法为：
[0062]
在搅拌状态下，向水中加入钠基膨润土，搅拌20min后，加入无水碳酸钠，继续搅拌10min，静置水化24h，即得，其中，钠基膨润土、水和无水碳酸钠的质量比为2：50：0.1，搅拌转速均为600rpm。
[0063]
实施例1
[0064]
原料配方：4％膨润土基浆、0.5％抑制剂、0.15％增粘剂、1％降滤失剂、0.3％包被剂、2％润滑剂、2％封堵防塌剂、1.5％纳米纤维素、0.2％碱度调节剂，余量为水。
[0065]
制备方法：
[0066]
(1)按照配比分别称量各组分；
[0067]
(2)将膨润土基浆在50℃条件下，以1300rpm搅拌1.5h，再分别加入抑制剂、包被剂、降滤失剂和增粘剂，搅拌均匀，得混合溶液；
[0068]
(3)在混合溶液中加入润滑剂和封堵防塌剂，充分搅拌，继续加入纳米纤维素，充分搅拌；最后加入碱度调节剂，调节体系ph为7，即得环保钻井液。
[0069]
实施例2
[0070]
原料配方：6％膨润土基浆、1.5％抑制剂、0.5％增粘剂、1.2％降滤失剂、0.4％包被剂、3％润滑剂、3％封堵防塌剂、2％纳米纤维素、0.3％碱度调节剂，余量为水。
[0071]
制备方法与实施例1完全一致。
[0072]
实施例3
[0073]
原料配方：5％膨润土基浆、1％抑制剂、0.25％增粘剂、1％降滤失剂、0.3％包被剂、2％润滑剂、2％封堵防塌剂、1.5％纳米纤维素、0.3％碱度调节剂，余量为水。
[0074]
制备方法与实施例1完全一致。
[0075]
对比例1
[0076]
现有技术中的常规油基钻井液，具体配方为：3％有机土、5％主乳化剂、0.5％辅助乳化剂、1％润湿剂、23％氯化钙溶液、3％降滤失剂，余量为白油。
[0077]
其制备方法为：
[0078]
s1、将白油加入搅拌器中，以8000rpm高速搅拌15min；
[0079]
s2、将主乳化剂及辅乳化剂按比例混合均匀，以8000rpm高速搅拌15min，得到复合乳化剂；
[0080]
s3、在搅拌的条件下，依次将步骤s1及s2制备得到的基础油和复合乳化剂，所述的有机土、润湿剂、降滤失剂、氯化钙溶液混合均匀，以12000rpm搅拌30min，得到所述油基钻井液。
[0081]
对比例2
[0082]
原料配方为：4％膨润土基浆、0.5％抑制剂、0.15％增粘剂、1％降滤失剂、0.3％包被剂、2％润滑剂、2％封堵防塌剂、1.5％羧甲基纤维素钠cmc、0.2％碱度调节剂，余量为水。
[0083]
制备方法与实施例1完全一致。
[0084]
对比例3
[0085]
原料配方为：4％膨润土基浆、0.5％抑制剂、0.15％增粘剂、1％降滤失剂、0.3％包
被剂、2％润滑剂、2％封堵防塌剂、0.2％碱度调节剂，余量为水。
[0086]
制备方法与实施例1完全一致。
[0087]
效果例1
[0088]
原料配方为：4％膨润土基浆、0.5％抑制剂、0.15％增粘剂、1％降滤失剂、0.3％包被剂、2％润滑剂、2％封堵防塌剂、1.5％纳米纤维素、0.2％碱度调节剂、10％ nacl，余量为水。
[0089]
制备方法与实施例1完全一致。
[0090]
效果例2
[0091]
原料配方为：4％膨润土基浆、0.5％抑制剂、0.15％增粘剂、1％降滤失剂、0.3％包被剂、2％润滑剂、2％封堵防塌剂、1.5％纳米纤维素、0.2％碱度调节剂、1.2％ cacl2，余量为水。
[0092]
制备方法与实施例1完全一致。
[0093]
将实施例、对比例和效果例制备得到的钻井液进行性能测试，其结果如表1所示：
[0094]
表1实施例1-3及对比例1-4所制备得到的钻井液的性能结果
[0095][0096][0097]
由表1中可以看出，实施例1-3及效果例1-2制备得到的钻井液在表观粘度、塑性粘度及降滤失效果方面，均有良好性能，其中岩屑回收率可达86％以上。尤其效果例1-2中，通过在钻井液中加入10％氯化钠和1.2％氯化钙，模拟在氯化钠污染和氯化钙污染的环境中，验证钻井液指标性能，可以看出其性能与实施例钻井液的性能相近，说明本发明利用纳米纤维素制备的环保钻井液体系整体可抗10％氯化钠污染，可抗1.2％氯化钙污染，且bod5/cod值均符合环保标准，容易被生物降解，具有较好的环保性能。
[0098]
另外，对比例2以常规纤维素产品替代本发明所制备的纳米纤维素，其提升动切力
和动塑比的能力较弱。对比例3不加纤维素物质，制备的钻井液技术性能表现均与实施例有显著差异。进一步说明了本发明制备得到的纳米纤维素具有更加稳定的空间结构，从而表现出较好的剪切稀释性，而且，纳米纤维素与其他原料有良好的配伍性，进而可以提升钻井液的性能。
[0099]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

技术特征：
1.一种利用纳米纤维素制备的环保钻井液，其特征在于，按质量百分比计，包括以下组分：膨润土基浆4％-6％、纳米纤维素1％-2％、抑制剂0.5％-1.5％、增粘剂0.1％-0.5％、包被剂0.2％-0.4％、降滤失剂0.8％-1.4％、润滑剂2％-3％、封堵防塌剂2％-3％、碱度调节剂0.1％-0.3％，其余为水。2.如权利要求1所述的利用纳米纤维素制备的环保钻井液，其特征在于，所述纳米纤维素按以下方法制备得到：s1将质量浓度为98％的浓硫酸用水稀释，得到稀释硫酸；s2将脱脂棉剪碎，倒入稀释硫酸，先常温搅拌，再加热至一定温度时高速搅拌，反应结束后加入去离子水稀释冷却；s3将上一步骤所得产物离心，保留下层沉淀重新溶于去离子水中；s4重复步骤s3直至离心后的上清液出现浑浊，收集浑浊液体放入透析袋内，将透析袋浸泡于去离子水中并间隔一段时间换水，直至透析袋内液体与去离子水ph值相同，收集透析袋内液体即为纳米纤维素悬浮液。3.如权利要求2所述的利用纳米纤维素制备的环保钻井液，其特征在于，步骤s1中，所述稀释硫酸的质量浓度为50-60％。4.如权利要求2所述的利用纳米纤维素制备的环保钻井液，其特征在于，步骤s2中，所述脱脂棉与稀释硫酸的质量体积比为1g：(40-80)ml；所述加热至一定温度为50-60℃；所述去离子水与稀释硫酸的体积比为(9-11)：1。5.如权利要求1所述的利用纳米纤维素制备的环保钻井液，其特征在于，所述膨润土基浆按以下方法制备得到：在搅拌状态下，向水中加入钠基膨润土，搅拌10-20min后，加入无水碳酸钠，继续搅拌5-10min，静置水化24h即得。6.如权利要求5所述的利用纳米纤维素制备的环保钻井液，其特征在于，所述钠基膨润土、水和无水碳酸钠的质量比为(2-4)：100：(0.05-0.1)。7.如权利要求1所述的利用纳米纤维素制备的环保钻井液，其特征在于，所述抑制剂包括胺基抑制剂、氯化钾、醇类抑制剂中的一种或多种；所述增粘剂包括黄原胶、纤维素类增粘剂中的一种或两种；所述包被剂包括天然高分子包被剂、两性离子聚合物中的一种或两种；所述润滑剂包括水基润滑剂、聚合醇润滑剂中的一种或两种；所述降滤失剂包括改性淀粉yc-1、羧甲基纤维素钠盐cmc、聚丙烯酰胺钾盐中的一种或多种；所述封堵防塌剂包括无荧光沥青nfa-25、井壁稳定剂pf-gra中的一种或两种；所述碱度调节剂包括氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或两种。8.如权利要求1所述的利用纳米纤维素制备的环保钻井液，其特征在于，制备得到的环保钻井液抗温性能可达120℃，岩屑回收率高达86％以上；体系可抗10％氯化钠污染和1.2％氯化钙污染。9.如权利要求1-8任意一项所述利用纳米纤维素制备环保钻井液的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照配比分别称量各组分；
(2)加热搅拌膨润土基浆，再分别加入抑制剂、包被剂、降滤失剂和增粘剂，搅拌均匀，得混合溶液；(3)在混合溶液中加入润滑剂和封堵防塌剂，充分搅拌，继续加入纳米纤维素，充分搅拌；最后加入碱度调节剂，调节体系ph为7-8.5，即得环保钻井液。10.如权利要求9所述利用纳米纤维素制备环保钻井液的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述加热搅拌条件为：在50-60℃温度下，以1200-1600rmp搅拌1.5-2h。

技术总结
本发明提供了一种利用纳米纤维素制备的环保钻井液及其制备方法，涉及油田钻井液技术领域。所述环保钻井液按质量百分比计，包括以下组分：膨润土基浆4％-6％、纳米纤维素1％-2％、抑制剂0.5％-1.5％、增粘剂0.1％-0.5％、包被剂0.2％-0.4％、降滤失剂0.8％-1.4％、润滑剂2％-3％、封堵防塌剂2％-3％、碱度调节剂0.1％-0.3％，其余为水。本发明中，制备得到的纳米纤维素在钻井液中可形成一种空间网络结构，这种结构在剪切作用下会被破坏，又能快速重构，从而改善了钻井液流变性能。而且制备得到的纳米纤维在高温条件下，可以在井壁处聚形成一个密封性较好的滤饼，进而减少滤失。以此为原料制备得到的环保钻井液抗温性能可达120℃，岩屑回收率高达86％以上；体系可抗10％氯化钠污染和1.2％氯化钙污染。化钠污染和1.2％氯化钙污染。


技术研发人员：梅文博 李贵川 张飞 鲜保安 强海亮 王成梁 李千山 王雷雷 张钟浩 张晓飞 胡皓 王建树 裴斌斌 张浩亮 周璐 杨浩
受保护的技术使用者：中国地质大学（北京）
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/9