本发明涉及一种石油和天然气行业中钻井液领域，特别涉及一种纤维素纳米纤维及含有该组分的无粘土相水基钻井液。
背景技术：
众所周知，油基钻井液具有强抑制性、优良润滑性、高温稳定性以及保护储层等优点，但是日益严格的环保要求和高成本等原因，限制了油基钻井液的推广应用。高性能水基钻井液是近年来发展起来的一种新型水基钻井液体系类型，其综合性能与油基钻井液相当，能更全面地满足复杂井钻井液的防塌、防泥包、防阻卡、有助于提高钻速，并兼顾环保、油保以及降低成本等技术要求。
目前，高性能水基钻井液通常以粘土作为调控钻井液性能的基础材料，钻井液中存在的大量的亚微米粘土颗粒，将会侵入储层内部发生固相堵塞，造成不可逆的储层损害。而无粘土相高性能水基钻井液，不但可以避免粘土颗粒造成的储层损害问题，还有利于提高钻井钻速。其中，增粘提切剂是无粘土相高性能水基钻井液流变性能调控的关键处理剂。目前常用的钻井液增粘提切剂为生物聚合物和合成聚合物，其中生物聚合物具有良好的增粘提切性能，但抗温性较差，当温度超过120℃后便会氧化降解失效，而合成聚合物的剪切稀释性能较差，动塑比较低，且成本高，不满足环保要求。
纤维素纳米纤维是一种可再生、无毒、低成本的天然高分子材料，与传统的纤维素材料相比，具有强度高、模量高、热膨胀系数小、高温稳定性好等优良特性，且原材料来源广泛，制备工艺简单。纤维素纳米纤维能够较好地分散在水溶液中，有效地提高水溶液的粘度与切力，其在无粘土相高性能水基钻井液处理剂方面具有广阔的应用前景。
技术实现要素：
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种纤维素纳米纤维及含有该组分的无粘土相水基钻井液，该纤维素纳米纤维的添加可提高无粘土相水基钻井液的粘度和动切力，增强钻井液体系的剪切稀释性与触变性。
本发明提到的一种纤维素纳米纤维及含有该组分的无粘土相水基钻井液，其技术方案是：包括纤维素纳米纤维、降滤失剂、页岩抑制剂、润滑剂、高温稳定剂、水和加重材料；以1l水的体积为基准，所述纤维素纳米纤维的含量为1~30g；所述降滤失剂的含量为20~40g；所述页岩抑制剂的含量为10~30g；所述高温稳定剂的含量为1~10g；所述润滑剂的含量为20~30g；所述加重材料在每升无粘土相水基钻井液中的含量为100~2000g。
优选的，上述纤维素纳米纤维的微观形态为纤丝状，其平均直径为2~50nm，长径比为100~1000。
优选的，上述纤维素纳米纤维为羧甲基纤维素纳米纤维、阳离子纤维素纳米纤维、羟乙基纤维素纳米纤维、羟丙基纤维素纳米纤维或聚阴离子纤维素纤维。
优选的，上述纤维素纳米纤维的制备方法包括以下：
将纤维素纳米纤维的原料配制成体积百分比浓度为1~100g/l的改性纤维素水分散液，利用动态超高压微射流机在均质压力为60~180mpa下，对纤维素或改性纤维素水分散液进行重复处理1~20次，将所得产物进行固液分离、烘干干燥，得到所述纤维素纳米纤维。
优选的，上述降滤失剂为羧甲基淀粉、抗高温淀粉、聚丙烯腈铵盐、磺甲基褐煤或磺甲基酚醛树脂。
优选的，上述页岩抑制剂为聚醚胺、烷基胺、胺基硅醇、腐殖酸钾或氯化钾。
优选的，上述润滑剂为聚合醇、白油或石墨。
优选的，上述高温稳定剂为硫脲、柠檬酸、聚乙二醇、vc钠盐或亚硫酸钠。
优选的，上述加重材料为以任意比混合的碳酸钙粉和重晶石粉。
本发明的有益效果是：本发明将纤维素纳米纤维作为钻井液用增粘提切剂加入到水基钻井液体系中，纤维素链之间相互缠绕形成三维网状的空间网架结构，达到“增粘提切”目的，同时这种空间网架结构在外力的作用下极易被破坏，当外力撤除后便会重新恢复，具有“快速弱凝胶”特性，有助于增强钻井液体系的剪切稀释性与触变性，从而有效地调控钻井液体系的流变性能；
本发明提供的无粘土相水基钻井液，在高温180℃老化前后条件下流变性能良好、稳定，动塑比达0.5以上，钻井液剪切稀释性与触变性强，具有“快速弱凝胶”特性，有利于提高大位移井、水平井钻井过程中的钻井液携岩效率；
本发明不仅具有良好的钻井液“增粘提切”性能，还具有可再生、无毒可降解、低成本等优点。
具体实施方式
结合实施例，对本发明作进一步的描述：
实施例1，本发明提到的一种纤维素纳米纤维及含有该组分的无粘土相水基钻井液，其技术方案是：
将羧甲基纤维素配制1%wt的羧甲基纤维素水分散液，在均质压力140mpa作用下，利用动态超高压微射流机对羧甲基纤维素水分散液进行重复处理8次，将所得产物在12000r/min下离心20min，80℃条件下烘干6h，即得羧甲基纤维素纳米纤维cnf-1，测得其平均直径为21nm，长径比为335。
以400ml水的体积为基准，所述羧甲基纤维素纳米纤维cnf-1的含量为2g；所述降滤失剂的含量为12g；所述页岩抑制剂的含量为6g；所述高温稳定剂的含量为8g；所述润滑剂的含量为0.5g；所述加重材料在每升无粘土相水基钻井液中的含量为100g；
上述降滤失剂为抗温淀粉，页岩抑制剂为胺基硅醇，润滑剂为聚合醇，高温稳定剂为vc钠盐，加重材料为体积比1.2：1的碳酸钙粉和重晶石粉配制而成。
实施例2
将阳离子纤维素配制3%wt的水分散液，在均质压力120mpa作用下，利用动态超高压微射流机对阳离子纤维素水分散液进行重复处理10次，将所得产物在11000r/min下离心30min，100℃条件下烘干4h，即得阳离子纤维素纳米纤维cnf-2，测得其平均直径为13nm，长径比为458；
以400ml水的体积为基准，所述羧甲基纤维素纳米纤维cnf-1的含量为2g；所述降滤失剂的含量为12g；所述页岩抑制剂的含量为6g；所述高温稳定剂的含量为8g；所述润滑剂的含量为0.5g；所述加重材料在每升无粘土相水基钻井液中的含量为100g；
上述降滤失剂为抗温淀粉，页岩抑制剂为胺基硅醇，润滑剂为聚合醇，高温稳定剂为vc钠盐，加重材料为体积比1.2：1的碳酸钙粉和重晶石粉配制而成。
实施例3
将羟乙基纤维素配制2%wt的水分散液，在均质压力160mpa作用下，利用动态超高压微射流机对羟乙基纤维素水分散液进行重复处理6次，将所得产物在12000r/min下离心20min，100℃条件下烘干5h，即得羟乙基纤维素纳米纤维cnf-3，测得其平均直径为28nm，长径比为275。
以400ml水的体积为基准，所述羧甲基纤维素纳米纤维cnf-1的含量为2g；所述降滤失剂的含量为12g；所述页岩抑制剂的含量为6g；所述高温稳定剂的含量为8g；所述润滑剂的含量为0.5g；所述加重材料在每升无粘土相水基钻井液中的含量为100g；
上述降滤失剂为抗温淀粉，页岩抑制剂为胺基硅醇，润滑剂为聚合醇，高温稳定剂为vc钠盐，加重材料为体积比1.2：1的碳酸钙粉和重晶石粉配制而成。
实施例4
将羟丙基纤维素配制2%wt的水分散液，在均质压力60mpa作用下，利用动态超高压微射流机对羟乙基纤维素水分散液进行重复处理20次，将所得产物在12000r/min下离心20min，100℃条件下烘干5h，即得羟丙基纤维素纳米纤维cnf-4，测得其平均直径为20nm，长径比为575。
以1l水的体积为基准，所述羟乙基纤维素纳米纤维cnf-4的含量为1g；所述降滤失剂的含量为20g；所述页岩抑制剂的含量为10g；所述高温稳定剂的含量为1g；所述润滑剂的含量为20g；所述加重材料在每升无粘土相水基钻井液中的含量为1200g；
上述降滤失剂为磺甲基褐煤，页岩抑制剂为腐殖酸钾，润滑剂为白油，高温稳定剂为亚硫酸钠，加重材料为体积比3：2的碳酸钙粉和重晶石粉配制而成。
实施例5
将聚阴离子纤维素配制2%wt的水分散液，在均质压力180mpa作用下，利用动态超高压微射流机对羟乙基纤维素水分散液进行重复处理16次，将所得产物在12000r/min下离心20min，100℃条件下烘干5h，即得聚阴离子纤维素纳米纤维cnf-5，测得其平均直径为12nm，长径比为385。
以1l水的体积为基准，所述羟乙基纤维素纳米纤维cnf-5的含量为20g；所述降滤失剂的含量为20g；所述页岩抑制剂的含量为28g；所述高温稳定剂的含量为6g；所述润滑剂的含量为25g；所述加重材料在每升无粘土相水基钻井液中的含量为900g；
上述降滤失剂为氯化钾，页岩抑制剂为胺基硅醇，润滑剂为聚合醇，高温稳定剂为vc钠盐，加重材料为体积比3：7的碳酸钙粉和重晶石粉配制而成。
实施例6，本发明提到的一种纤维素纳米纤维及含有该组分的无粘土相水基钻井液，其技术方案是：
将羧甲基纤维素配制1%wt的羧甲基纤维素水分散液，在均质压力140mpa作用下，利用动态超高压微射流机对羧甲基纤维素水分散液进行重复处理8次，将所得产物在12000r/min下离心20min，80℃条件下烘干6h，即得羧甲基纤维素纳米纤维cnf-1，测得其平均直径为21nm，长径比为335。
以1l水的体积为基准，所述羧甲基纤维素纳米纤维cnf-1的含量为30g；所述降滤失剂的含量为40g；所述页岩抑制剂的含量为30g；所述高温稳定剂的含量为10g；所述润滑剂的含量为30g；所述加重材料在每升无粘土相水基钻井液中的含量为2000g；
上述降滤失剂为羧甲基淀粉，页岩抑制剂为聚醚胺，润滑剂为聚合醇，高温稳定剂为硫脲，加重材料为体积比1：1的碳酸钙粉和重晶石粉配制而成。
实施例7
将阳离子纤维素配制3%wt的水分散液，在均质压力120mpa作用下，利用动态超高压微射流机对阳离子纤维素水分散液进行重复处理10次，将所得产物在11000r/min下离心30min，100℃条件下烘干4h，即得阳离子纤维素纳米纤维cnf-2，测得其平均直径为13nm，长径比为458；
以1l水的体积为基准，所述阳离子纤维素纳米纤维cnf-2的含量为15g；所述降滤失剂的含量为25g；所述页岩抑制剂的含量为20g；所述高温稳定剂的含量为5g；所述润滑剂的含量为25g；所述加重材料在每升无粘土相水基钻井液中的含量为800g；
上述降滤失剂为抗高温淀粉，页岩抑制剂为烷基胺，润滑剂为白油，高温稳定剂为柠檬酸，加重材料为体积比1：2的碳酸钙粉和重晶石粉配制而成。
实施例8
将羟乙基纤维素配制2%wt的水分散液，在均质压力160mpa作用下，利用动态超高压微射流机对羟乙基纤维素水分散液进行重复处理6次，将所得产物在12000r/min下离心20min，100℃条件下烘干5h，即得羟乙基纤维素纳米纤维cnf-3，测得其平均直径为28nm，长径比为275。
以1l水的体积为基准，所述羟乙基纤维素纳米纤维cnf-3的含量为10g；所述降滤失剂的含量为30g；所述页岩抑制剂的含量为28g；所述高温稳定剂的含量为6g；所述润滑剂的含量为20g；所述加重材料在每升无粘土相水基钻井液中的含量为100g；
上述降滤失剂为聚丙烯腈铵盐，页岩抑制剂为胺基硅醇，润滑剂为石墨，高温稳定剂为聚乙二醇，加重材料为体积比3：1的碳酸钙粉和重晶石粉配制而成。
利用上述纤维素纳米纤维制备无粘土相水基钻井液，具体配方如实施例1-7所示。参照水基钻井液现场测试程序（gb/t16783-1997），利用六速粘度计与中压滤失仪测试高温180℃老化前后钻井液的流变性及滤失性，测试结果如表1所示。
分析表1可知，本发明提供的含有纤维素纳米纤维的无粘土相水基钻井液，在高温180℃老化前后，钻井液流变滤失性能良好、稳定，抗高温性能良好，钻井液动塑比达0.5以上，剪切稀释性与触变性强。本发明提供的纤维素纳米纤维作为钻井液用增粘提切剂加入到无粘土相水基钻井液中，钻井液“增粘提切”效果明显，具有“快速弱凝胶”特性，能够有效地调控无粘土相水基钻井液的流变性能。
表1钻井液流变滤失性能测试结果
注：av为钻井液表观粘度；pv为钻井液塑性粘度；yp为钻井液动切力；api为钻井液中压失水量。
本发明不局限于上述优选实施方式的具体细节，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化。任何人应该得知凡是在本发明的思想和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，其同样应当视为本发明的保护范围之内。