本发明属于油气田钻井用功能纳米材料技术领域，具体来讲，涉及一种水基钻井液用纳米封堵剂及其制备方法以及水基钻井液。
背景技术：
近年来，水基钻井液由于具有安全环保、成本低廉等优势，成为了页岩气钻井液技术的研究热点。页岩地层由于层理性强、渗透率低，页岩地层中存在大量微裂缝(裂缝宽度在50nm～40μm之间)，这些微裂缝与流体接触后，会产生强烈的自吸现象，使微裂缝扩展、贯通，从而导致井壁失稳，严重制约了水基钻井液在页岩气开采中的推广应用。
常规的封堵材料呈微米级分布，无法有效匹配页岩地层的纳米级微裂缝，难以实现有效封堵，从而导致页岩气水平井钻井过程中井壁掉块、失稳时有发生。因此，研发与页岩地层相匹配的纳米级封堵剂，实现纳米级裂缝的有效封堵对保持井壁稳定，降低井下复杂事故率具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够与页岩地层裂缝相匹配的纳米级封堵剂的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种水基钻井液用纳米封堵剂制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将三聚氰胺或尿素在空气或保护气氛下，以不高于5℃/min升温速率加热到400～550℃并保温不低于2h得到氮化碳，将所述氮化碳研磨得到片状氮化碳粉末；将所述片状氮化碳粉末与有机溶液按质量体积比为1～5：1且单位为mg/ml混合并超声分散，过滤干燥得到片状纳米封堵剂。
在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述纳米封堵剂的长可以为200nm～2000nm，宽可以为200nm～2000nm，厚度可以为5～15nm。
在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述纳米封堵剂的长可以为900nm～1500nm，宽可以为900nm～1500nm，厚度可以为8～12nm。
在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述保护气氛可以为氩气或氦气。
在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述有机溶液可以为乙醇或丙酮溶液。
在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述超声强度可以为30～40khz。
本发明的一方面还提供了一种纳米封堵剂。所述纳米封堵剂可采用如上所述的制备方法制得。
本发明的另一目的在于提供一种适用于微裂缝地层钻井水基钻井液。
本发明的另一方面提供了一种水基钻井液。所述水基钻井液可包括采用如上所述的制备方法制得的纳米封堵剂。
在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述钻井液与纳米封堵剂体积质量比可以为1：5～30且单位为l/g。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括以下内容中的至少一项：
(1)纳米封堵剂的硬度高、刚性强、化学稳定性好、可以在井下高温环境中保持良好的稳定性；
(2)本发明的方法制得的纳米封堵剂为片状，更易进入地层的微孔隙与微裂缝，并通过堆叠形成封堵；
(3)本发明所提供的纳米封堵剂制备方法简单易行，容易实现规模化生产，而且原料来源丰富、成本较低。
附图说明
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的制备方法制得的纳米封堵剂的扫描电镜图；
图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的制备方法制得的纳米封堵剂的原子力显微镜图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例来详细说明本发明的水基钻井液用纳米封堵剂及其制备方法以及水基钻井液。
在本发明的一个示例性实施例中，水基钻井液用纳米封堵剂制备方法包括以下步骤：将三聚氰胺或尿素在空气或保护气氛下，以不高于5℃/min升温速率加热到400～550℃并保温不低于2h得到氮化碳，将所述氮化碳研磨得到片状氮化碳粉末。具体来讲，可将三聚氰胺或尿素等制备氮化碳的原料加入氧化铝坩埚中，盖上盖子并放入马弗炉中在空气气氛或保护气氛下以不高于5℃/min的升温速度升温，当温度达到400～500℃后停止升温并保持当前温度不少于2h即制得到需要的氮化碳材料(例如，粉末或固体颗粒)。保护气氛可以为氩气或氦气。将生成的氮化碳材料冷却至室温后研磨成片状的氮化碳粉末。然而，本发明不限于此，加热也可以采用其它装置，例如管式电阻炉。
在本实施例中，将片状氮化碳粉末与水或有机溶液按质量体积比为1～5：1且单位为mg/ml混合并超声分散，过滤干燥得到片状纳米封堵剂。具体来讲，将研磨好的片状氮化碳粉末与水或有机溶剂按质量体积比为1～5:1(例如，3:1)且单位为mg/ml加入烧杯中混合得到混合液，然后超声使混合液中氮化碳粉末完全分散开，过滤并干燥即得到片状的纳米封堵剂。这里，水可以为去离子水，有机溶液可以为乙醇或丙酮溶液。超声强度可以为30～40khz。然而，本发明不限于此，其它分散方式也可以。
图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的制备方法制得的纳米封堵剂的扫描电镜图。图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的制备方法制得的纳米封堵剂的原子力显微镜图。
在本示例性实施例中，纳米封堵剂的长可以为200nm～2000nm，宽可以为200nm～2000nm，厚度可以为5～15nm。进一步地，纳米封堵剂的长可以为900nm～1500nm，宽可以为900nm～1500nm，厚度可以为8～12nm。具体来讲，通过使制备的纳米封堵剂呈片状或类片状结构，使得纳米封堵剂更容易进入地层的微孔隙与微裂缝中，从而在不规则的裂缝中滞留并堆叠形成有效封堵。如图1和图2中所示，由图1可以看出，制得的纳米封堵剂呈片状，其长度和宽度在200nm～2000nm之间。由图2可以看出，该纳米封堵剂的厚度在10nm左右。其中，显微镜型号为h-800，加速电压为175kv，放大倍数为50000，相机长度为800mm。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
示例一
将20g三聚氰胺加入氧化铝坩埚中并盖上盖子。将坩埚放入马弗炉中在空气氛围中以2℃/min的速度升温，待温度达到500℃后停止升温并保温3h得到氮化碳材料。冷却至室温后，将制备好的氮化碳材料研磨成片状的氮化碳粉末。
在500ml的烧杯中加入研磨好的氮化碳粉末与300ml去离子水混合，超声分散10h，过滤干燥后得到片状纳米氮化碳粉末即纳米封堵剂9.62g，采用扫描电镜对纳米封堵剂进行表征，其长度在900～1300nm之间，宽度在900～1300nm之间，厚度在8～12nm之间。
示例二
实施例2
将20g尿素加入氧化铝坩埚中并盖上盖子。将坩埚放入马弗炉中在空气氛围中，以2℃/min的速度升温，待温度达到500℃后停止升温并保温4h得到氮化碳材料。冷却至室温后，将制备好的氮化碳材料研磨成片状的氮化碳粉末。
在500ml的烧杯中加入研磨好的氮化碳粉末与300ml乙醇溶液混合，超声分散10h，过滤干燥后得到片状纳米氮化碳粉末即纳米封堵剂1.87g，采用扫描电镜对纳米封堵剂进行表征，其长度在1000～1500nm之间，宽度在1000～1500nm之间，厚度在8～12nm之间。
为了评价不同添加量纳米封堵剂的封堵效果，表1中给出了采用滤饼渗透率实验评价实施例1、实施例2中制备的纳米封堵剂和聚合物纳米微球封堵剂在钻井液中的封堵性能。
首先，制备泥饼。
向200ml浓度为4％的膨润土浆中边高速搅拌边缓慢加入3.0g降滤失剂redu-1，继续高速搅拌20min后，加入1.0gpac-lv接下来高速搅拌20min，然后加入4.0g磺化沥青soltex，接下来高速搅拌10min，然后边高速搅拌边加入200gapi重晶石和25g1250目的碳酸钙，随后高速搅拌30min并加入高温高压失水仪在常温、3.5mpa下条件下失水30min，将高温高压失水仪中的钻井液倒出，即制得泥饼。
然后，测试封堵剂的封堵性能。
用制备的泥饼作为过滤介质，将清水和不同添加量的纳米封堵剂(示例一、示例二)以及聚合物纳米微球封堵剂的水溶液加入高温高压失水仪，常温下测定30min滤失量。测定结束后，将液体倒出，取出泥饼，再用清水在常温下测定60min滤失量，计算各实验组中泥饼的渗透率。对每一种封堵剂不同添加浓度都进行了试验，其结果如表1中所示。封堵剂的封堵性能即滤饼渗透率的计算公式如下：
其中：k—滤饼渗透率，md；vf—滤失量，ml；μ—滤液黏度，mpa·s-1；h—滤饼厚度，mm；a—滤饼面积，cm2；δp—渗透压差，kg·cm-2；t—时间，s。相关参数：a＝22.90cm2；μ＝0.89mpa·s-1(25℃)；δp＝35kg·cm-2；t＝3600s。
表1不同添加量纳米封堵剂对泥饼渗透率的影响
其中，0.0％即未添加封堵剂的清水，0.5％～2％表示100g水中添加0.5～2g的封堵剂。
由表1可以看出，随着示例一、示例二的纳米封堵剂和聚合物纳米微球封堵剂添加量的增加(从0.0％增加到2.0％)，泥饼的渗透率逐渐降低且相同添加量(例如，2.0％)时加入示例一、示例二纳米封堵剂的泥饼的渗透率比加入聚合物纳米微球封堵剂的泥饼的渗透率更低，说明示例一和示例二的纳米封堵剂的封堵效果明显好于现有的聚合物纳米微球封堵剂，表明片状结构的纳米封堵剂的封堵效果要好于聚合物纳米微球封堵剂。
本发明的另一方面提供了一种纳米封堵剂。所述纳米封堵剂可以采用如上文各个示例性中所述的水基钻井液用纳米封堵剂制备方法制得。
本发明的再一方面提供了一种水基钻井液。所述水基钻井液可包括采用如上所述的制备方法制得的纳米封堵剂。例如，钻井液与纳米封堵剂体积质量比可以为1：5～30且单位为l/kg。即在每升钻井液中加入5～30g的纳米封堵剂。
综上所述，本发明的有益效果可包括以下内容中的至少一项：
(1)纳米封堵剂的硬度高、刚性强、化学稳定性好、可以在井下高温环境中保持良好的稳定性；
(2)该纳米封堵剂为纳米级片状，长度和宽度在200nm～2000nm之间，厚度在5～15nm，较大的长宽尺寸配合氮化碳较强的刚性，使封堵材料在进入裂缝后更容易在不规则的裂缝中滞留并堆叠形成封堵；
(4)本发明所提供的纳米封堵剂制备方法简单易行，容易实现规模化生产，而且原料来源丰富、成本较低。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。
1.一种水基钻井液用纳米封堵剂制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
将三聚氰胺或尿素在空气或保护气氛下，以不高于5℃/min升温速率加热到400～550℃并保温不低于2h得到氮化碳，将所述氮化碳研磨得到片状氮化碳粉末；
将所述片状氮化碳粉末与水或有机溶液按质量体积比为1～5：1且单位为mg/ml混合并超声分散，过滤干燥得到片状纳米封堵剂。
2.根据权利要求1所述的水基钻井液用纳米封堵剂制备方法，其特征在于，所述纳米封堵剂的长为200nm～2000nm，宽为200nm～2000nm，厚度为5～15nm。
3.根据权利要求1所述的水基钻井液用纳米封堵剂制备方法，其特征在于，所述纳米封堵剂的长为900nm～1500nm，宽为900nm～1500nm，厚度为8～12nm。
4.根据权利要求1所述的水基钻井液用纳米封堵剂制备方法，其特征在于，所述保护气氛为氩气或氦气。
5.根据权利要求1所述的水基钻井液用纳米封堵剂制备方法，其特征在于，所述有机溶液为乙醇或丙酮溶液。
6.根据权利要求1所述的水基钻井液用纳米封堵剂制备方法，其特征在于，所述超声强度为30～40khz。
7.一种水基钻井液用纳米封堵剂，其特征在于，所述纳米封堵剂采用如权利要求1～6中任意一项所述的制备方法得到。
8.一种水基钻井液，其特征在于，所述钻井液包括如权利要求1～6中任意一项所述制备方法制得的纳米封堵剂。
9.根据权利要求8所述的水基钻井液，其特征在于，所述钻井液与纳米封堵剂体积质量比为1：5～30且单位为l/g。
技术总结