使增重剂悬浮在钻井液中的方法与流程

使增重剂悬浮在钻井液中的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年4月17日提交的美国临时申请序列号62/835,138的优先权权益，所述美国临时申请通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及钻井液、其制造和其用途。


背景技术：

4.油气行业的钻井液执行无数的任务，包含清理井、使钻屑保持悬浮、降低摩擦、润滑钻孔工具、保持井筒的稳定性以及防止流体流失，仅举几例。增重剂可以悬浮在钻井液中以增加钻井液的密度。


技术实现要素：

5.然而，由于钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度的降低以及钻井液的热稀释性，常规钻井液有效悬浮和携带钻屑和增重剂的能力随着钻井液温度的升高而降低。
6.悬浮如钻屑和增重剂等固体材料的常规钻井液遇到了困难，因为固体与液体分离并沉淀在井筒中。这种现象通常被称为“下陷”。当钻井液通过井筒的流动停止一段时间时，通常会发生下陷，在此期间钻井液是静止的。钻井液的流量或环隙流速降低也可能引起下陷的发生。牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度的降低或钻井液凝胶强度的降低、剪切速率条件的降低以及更高的井下温度也可能导致下陷加剧。固体材料的沉降可能导致整个井筒中钻井液密度的变化。例如，由于重力使固体朝井筒底部沉降，因此井筒底部的钻井液的密度可能更大。同样，靠近地面的钻井液的密度可能较小。下陷状况可能导致管道卡住状况、钻井液的孔清洁能力降低或这些的组合。钻井液的孔清洁能力是指钻井液从钻井区捕获岩屑并将其输送到井筒地面的能力。
7.因此，通常期望使用牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度增加并且因此悬浮固体材料的能力增加的钻井液。此外，与牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度降低的钻井液相比，牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度增加的钻井液随着温度升高的热稀释程度可能较小。常规地，已经将碳纳米管添加到钻井液中以增加钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一个。然而，将碳纳米管添加到钻井液中的当前方法导致钻井液内出现团块，因为碳纳米管通常批量添加到钻井液中。具有成团的碳纳米管组的钻井液不像具有分散的碳纳米管的钻井液那样有效地悬浮增重剂。尽管已经使用了各种技术来尝试分散成团的碳纳米管，如超声处理或将表面活性剂或聚合物添加到钻井液中，但没有一种技术导致碳纳米管分散。
8.因此，持续需要具有增加的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度和降低的热稀释性以悬浮至少一种增重剂的钻井液。本实施例通过提供使至少一种增重剂悬浮在包含分散的碳纳米管的钻井液中的方法来解决这些需求。本公开的钻井液可以通过为钻井液提供改善
的流变特性来满足这些需求，如与没有碳纳米管分散的类似或等效钻井液相比，具有分散的碳纳米管的钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度增加并且热稀释性降低。
9.在一个实施例中，本公开涉及使至少一种增重剂悬浮在钻井液中的方法。所述方法包含向钻井液中添加一定量的前体纳米颗粒，所述前体纳米颗粒包含由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管。选择所述金属氧化物催化剂纳米颗粒和所述钻井液，使得所述金属氧化物催化剂纳米颗粒可溶于所述钻井液。金属氧化物催化剂纳米颗粒可操作以溶解在钻井液中，这导致一定量的碳纳米管分散在钻井液内。与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，一定量的碳纳米管的分散增加了具有分散的碳纳米管的钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一个的值。所述方法可以进一步包含添加至少一种将悬浮在所述钻井液中的增重剂。增重剂可以选自由以下组成的组：重晶石、赤铁矿、石灰、碳酸钙、膨润土、蒙脱石粘土、菱铁矿、钛铁矿、黑锰矿、硅铁、氧化锰、莫来石、高岭石、氧化铝、碳化硅、碳化钨以及这些的组合。
10.在另一个实施例中，本公开涉及使至少一种增重剂悬浮在钻井液中的方法，所述方法包含通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米颗粒上合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米颗粒。金属氧化物催化剂纳米颗粒的单个纳米颗粒包含安置在金属氧化物上的过渡金属。所述方法包含向钻井液中添加一定量的前体纳米颗粒。钻井液包含至少一种表面活性剂。选择所述金属氧化物催化剂纳米颗粒和所述钻井液，使得所述金属氧化物催化剂纳米颗粒可溶于所述钻井液。金属氧化物催化剂纳米颗粒可操作以溶解在钻井液中，这导致一定量的碳纳米管分散在钻井液内。与没有纳米颗粒分散的类似或等效钻井液相比，碳纳米管的分散增加了具有分散的纳米颗粒的钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一个。所述方法可以进一步包含添加至少一种将悬浮在所述钻井液中的增重剂。所述增重剂选自由以下组成的组：重晶石、赤铁矿、石灰、碳酸钙、膨润土、蒙脱石粘土、菱铁矿、钛铁矿、黑锰矿、硅铁、氧化锰、莫来石、高岭石、氧化铝、碳化硅、碳化钨以及这些的组合。
11.所描述的实施例的另外特征和优点将在随后的具体实施方式中阐述，并且部分地对于本领域技术人员来说将从所述描述中变得显而易见，或者通过实践如本文所描述的实施例而被认识到，包含下面的具体实施方式、权利要求以及附图。
附图说明
12.当结合以下附图阅读时，可以最好地理解以下对本公开的具体实施例的详细描述，在附图中相似的结构用相似的附图标记指示，并且在附图中：
13.图1以照片的方式描绘了根据本公开中描述的一种或多种实施例的金属氧化物催化剂纳米颗粒；并且
14.图2以照片的方式描绘了根据本公开中描述的一种或多种实施例的吸附到金属氧化物上的碳纳米管。
具体实施方式
15.如贯穿本公开所使用的，“水性”是指含有、产生、类似或具有水的性质的流体。
16.如贯穿本公开所使用的，术语“钻井液”是指在钻井作业中使用的液体和气体流体
以及流体和固体的混合物(如液体、气体和固体的固体悬浮液、混合物和乳液)。
17.如贯穿本公开所使用的，术语“岩石静压力”是指覆盖层或覆盖岩的重量对地下地层的压力。
18.如贯穿本公开所使用的，术语“牛顿粘度”是指在旋转粘度计的给定转子转速下测量的流体的表观粘度。牛顿粘度可以通过将粘度计的刻度盘读数乘以300并且将所述乘积除以以每分钟转数(rpm)为单位的转子转速来测量。
19.如贯穿本公开所使用的，术语“油质”是指含有、产生、类似或具有油的性质的流体。
20.如贯穿本公开所使用的，术语“产油地下地层”是指从其中开采烃的地下地层。
21.如贯穿本公开所使用的，术语“储层”是指具有足够的孔隙率和渗透率以存储和传输流体的地下地层。
22.如贯穿本公开所使用的，术语“地下地层”是指与周围岩体充分不同并且连续的岩石体，使得岩石体可以映射为不同的实体。因此，地下地层足够均质以形成单个可标识单元，所述单元在整个地下地层中含有类似的流变特性，包含但不限于孔隙率和渗透率。地下地层为岩石地层学的基本单元。
23.如贯穿本公开所使用的，术语“增重剂”是指用于增加钻井液的密度的添加剂。
24.如贯穿本公开所使用的，术语“井筒”是指钻孔或井眼，包含裸眼井或井的无套管部分。井眼可以指井筒壁的内径，即限制钻孔的岩石面。
25.本公开的实施例涉及使至少一种增重剂悬浮在钻井液中的方法。实施例包含向所述钻井液中添加一定量的前体纳米颗粒，所述前体纳米颗粒包含由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管。选择所述金属氧化物催化剂纳米颗粒和所述钻井液，使得所述金属氧化物催化剂纳米颗粒可溶于所述钻井液。金属氧化物催化剂纳米颗粒可操作以溶解在钻井液中，这导致一定量的碳纳米管分散在钻井液内。与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，一定量的碳纳米管的分散增加了具有分散的碳纳米管的钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一个的值。所述方法可以进一步包含添加至少一种将悬浮在所述钻井液中的增重剂。增重剂可以选自由以下组成的组：重晶石、赤铁矿、石灰、碳酸钙、膨润土、蒙脱石粘土、菱铁矿、钛铁矿、黑锰矿、硅铁、氧化锰、莫来石、高岭石、氧化铝、碳化硅、碳化钨以及这些的组合。
26.在另一个实施例中，所述方法可以包含通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米颗粒上合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米颗粒。金属氧化物催化剂纳米颗粒的单个纳米颗粒包含安置在金属氧化物上的过渡金属。所述方法包含向钻井液中添加一定量的前体纳米颗粒。钻井液包含至少一种表面活性剂。选择所述金属氧化物催化剂纳米颗粒和所述钻井液，使得所述金属氧化物催化剂纳米颗粒可溶于所述钻井液。金属氧化物催化剂纳米颗粒可操作以溶解在钻井液中，这导致一定量的碳纳米管分散在钻井液内。与没有纳米颗粒分散的类似或等效钻井液相比，碳纳米管的分散增加了具有分散的纳米颗粒的钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一个。所述方法可以进一步包含添加至少一种将悬浮在所述钻井液中的增重剂。
27.本公开的其它实施例包含包括碳纳米管和至少一种增重剂的钻井液。另外的实施例包含通过将钻井液泵送到地下地层中来使用钻井液的方法。在一些实施例中，钻井液被
泵送到钻柱中，实施例可以进一步包含使钻井液在地下地层中循环。仍另外的实施例包含用于增加从地下地层生产烃的速率的方法。
28.本公开的钻井液可以用于油气钻探行业，如用于在油气井中钻孔。油气井可以在地球的地下部分形成，有时称为地下地质地层。井筒可以用于将如石化产物等自然资源连接到地平面表面。在钻井过程期间可以使用钻井液。为了从井筒底部去除岩屑，钻井液通过钻柱向下泵送到钻头。当钻井液再循环回到地面时，钻井液可以冷却钻头以及将岩屑远离钻头升起并可以向上携带岩屑。钻井液在钻井过程中起到多种作用。钻井液可以提供润滑并且可以冷却钻头。钻井液还可以将岩屑从钻头运输到地面。这可以被称为清洁井筒。另外，钻井液可以在井筒中提供流体静压力。这为井筒的侧壁提供支撑并防止侧壁在钻柱上坍塌和塌陷。钻井液还可以防止井下地层中的流体在钻井作业期间流入井筒。
29.为了实现这些功能，可以将钻井液调配成具有特定特性。这些特性可以包含与没有碳纳米管分散的类似或等效钻井液相比，具有分散的碳纳米管的钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度、密度、固体含量、泵送能力和井眼清洁能力增加。特别地，可以将钻井液调配成具有适合的范围内的密度，以提供必要的流体静压力以支撑井筒的侧壁并防止地层中的流体流入井筒。另外，可以将钻井液调配成具有特定的流变性质，所述流变性质允许钻井液通过钻柱向下泵送，同时仍然将岩屑从钻头捕获并输送到井筒的顶部。在一些实施例中，钻井液可以包含悬浮在基液中的固体颗粒。固体颗粒(有时被称为增重剂)可以增加钻井液的密度，以帮助钻井液支撑井筒的侧壁，以及增加流体静压力以保持来自地层的流体不会流入井筒。在其它实施例中，钻井液能够提供必要的流体静压力而不使用固体颗粒来增加流体的密度。
30.如前所述，钻井液包含碳纳米管。碳纳米管包含单壁纳米管、双壁纳米管、窄壁纳米管或纳米管束中的至少一种。碳纳米管的直径可以为1到200纳米(nm)、20到100nm、10到80nm、4到20nm、2到12nm、2到10nm、2到9nm、2到8nm、2到7nm、2到6nm、2到5nm、2到4nm、2到3nm、3到12nm、3到10nm、3到9nm、3到8nm、3到7nm、3到6nm、3到5nm、3到4nm、4到12nm、4到10nm、4到9nm、4到8nm、4到7nm、4到6nm、4到5nm、5到12nm、5到10nm、5到9nm、5到8nm、5到7nm、5到6nm、6到12nm、6到10nm、6到9nm、6到8nm、6到7nm、7到12nm、7到10nm、7到9nm、7到8nm、8到12nm、8到10nm、8到9nm、9到12nm、9到10nm、10到12nm或8nm。
31.碳纳米管的长度可以为20到500微米(μm)、20到200μm、20到150μm、20到100μm、50到500μm、50到200μm、50到150μm、50到100μm、100到500μm、100到200μm、100到150μm、150到500μm、150到200μm或200到500μm；其纵横比(通过将碳纳米管的长度除以碳纳米管的直径来计算)可以为100到50,000、500到30,000、1,000到20,000、1,000到100,000、1,000到50,000、1,000到40,000、1,000到30,000、1,000到25,000、1,000到20,000、1,000到15,000、1,000到12,000、1,000到10,000、1,000到8,000、8,000到100,000、8,000到50,000、8,000到40,000、8,000到30,000、8,000到25,000、8,000到20,000、8,000到15,000、8,000到12,000、8,000到10,000、10,000到100,000、10,000到50,000、10,000到40,000、10,000到30,000、10,000到25,000、10,000到20,000、10,000到15,000、10,000到12,000、12,000到100,000、12,000到50,000、12,000到40,000、12,000到30,000、12,000到25,000、12,000到20,000、12,000到15,000、15,000到100,000、15,000到50,000、15,000到40,000、15,000到30,000、15,000到25,000、15,000到20,000、20,000到100,000、20,000到50,000、20,000到40,000、
20,000到30,000、20,000到25,000、25,000到100,000、25,000到50,000、25,000到40,000、25,000到30,000、30,000到100,000、30,000到50,000、30,000到40,000、40,000到50,000、40,000到100,000或50,000到100,000。
32.碳纳米管的比表面积可以为100到12,000平方米每克(m2/g)、100到10,000m2/g、100到800m2/g、100到700m2/g、400到12,000m2/g、400到10,000m2/g、400到800m2/g、100到1,500m2/g、120到1,000m2/g、150到850m2/g或400到700m2/g，其中比表面积通过布鲁诺
‑
埃梅特
‑
特勒(brunauer
‑
emmett
‑
teller，bet)理论进行计算。
33.碳纳米管的金属氧化物百分比可以为10重量百分比(wt.％)或更小、5wt.％或更小、3wt.％或更小、2wt.％或更小、1.5wt.％或更小、1wt.％或更小或0.5wt.％或更小；并且其体积密度可以为0.001到0.12g/cm3、0.01到0.08g/cm3、0.02到0.06g/cm3、0.01到1克每立方厘米(g/cm3)、0.01到0.5g/cm3、0.01到0.2g/cm3、0.01到0.1g/cm3、0.01到0.05g/cm3、0.01到0.02g/cm3、0.02到1g/cm3、0.02到0.5g/cm3、0.02到0.2g/cm3、0.02到0.1g/cm3、0.02到0.05g/cm3、0.05到1g/cm3、0.05到0.5g/cm3、0.05到0.2g/cm3、0.05到0.1g/cm3、0.06到0.08g/cm3、0.1到1g/cm3、0.1到0.5g/cm3、0.1到0.2g/cm3、0.2到1g/cm3、0.2到0.5g/cm3或0.5到1g/cm3。
34.如前所述，钻井液进一步包含至少一种增重剂。增重剂可以选自由以下组成的组：氧化锰(mn3o4)、硅铁、黑锰矿、石灰(cao)、碳酸钙(caco3)、膨润土、蒙脱石粘土、菱铁矿(feco3)、钛铁矿(feo
·
tio3)、硫酸钡(重晶石(baso4))、赤铁矿(fe2o3)、莫来石(3al2o3·
2sio2或2al2o3·
sio2)、高岭土(al2si2o5(oh)4或高岭石)、氧化铝(al2o3或铝氧化物)、碳化硅、碳化钨以及这些的组合。
35.在一些实施例中，按钻井液的总重量计，钻井液可以含有0.01wt.％到20wt.％的至少一种增重剂。按钻井液的总重量计，钻井液可以含有0.02磅每桶(lb/bbl)到180lb/bbl的一种或多种添加剂，如0.02到150lb/bbl或0.05到150lb/bbl。在一些实施例中，钻井液可以含有0.1到150lb/bbl或0.1到100lb/bbl或1到100lb/bbl的一种或多种添加剂。
36.在一些实施例中，至少一种增重剂可以包含可以分散在钻井液中的固体。固体可以是可以添加到钻井液中以增加钻井液的密度的细碎固体。固体的比重可以为1到10克每立方厘米(g/cm3)、2到10g/cm3、3到10g/cm3、4到10g/cm3、4.5到10g/cm3、5到10g/cm3、6到10g/cm3、8到10g/cm3、1到8g/cm3、2到8g/cm3、3到8g/cm3、4到8g/cm3、4.5到8g/cm3、5到8g/cm3、6到8g/cm3、1到6g/cm3、2到6g/cm3、3到6g/cm3、4到6g/cm3、4.5到6g/cm3、5到6g/cm3、1到5g/cm3、2到5g/cm3、3到5g/cm3、4到5g/cm3、4.5到5g/cm3、1到4.5g/cm3、2到4.5g/cm3、3到4.5g/cm3、4到4.5g/cm3、1到4g/cm3、2到4g/cm3、3到4g/cm3、1到3g/cm3或2到3g/cm3。
37.在实施例中，按钻井液的总重量计，按固体增重材料的重量计，钻井液的固体含量可以为1wt.％到80wt.％。钻井液的固体含量可以为2.5lb/bbl到720lb/bbl，如2.5到720lb/bbl或2.5到700lb/bbl。在一些实施例中，钻井液的固体含量可以为5到700lb/bbl、50到500lb/bbl或100到600lb/bbl。
38.如上所述，固体的添加可以用于控制钻井液的密度。在一些实施例中，钻井液的密度可以为50磅质量每立方英尺(pcf)到160pcf，如根据美国石油学会(api)推荐做法13b
‑
2,2014使用泥浆比重秤测量的。钻井液的密度可以为50pcf到150pcf、50pcf到140pcf、75pcf到160pcf、75pcf到150pcf、75pcf到140pcf、100pcf到160pcf、100pcf到150pcf或100pcf到
140pcf。在一些实施例中，钻井液的密度可以为50pcf到75pcf或75pcf到100pcf或120pcf到160pcf。在一些实施例中，当钻探衰竭地层时，可以使用小于100pcf的泥浆比重。
39.本公开的钻井液可以通过使用分散的碳纳米管提供改善的流变特性来克服这些困难，所述改善的流变特性如增加的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度或密度和降低的热稀释性。
40.钻井液可以包含水相。水相可以包含以下中的至少一种：淡水、咸水、盐水、城市用水、地层水、采出水、井水、滤后水、蒸馏水、海水或这些的组合。盐水可以包含天然盐水和合成盐水中的至少一种，如饱和盐水或甲酸盐水。水相可以使用含有有机化合物或盐的水。不受任何特定理论的束缚，可以将盐或其它有机化合物掺入水相中以控制钻井液的密度。通过增加水相中的盐浓度或其它有机化合物的水平来增加水相的饱和度可以增加钻井液的密度。合适的盐包含但不限于碱金属氯化物、氢氧化物或羧酸盐。在一些实施例中，合适的盐可以包含钠、钙、铯、锌、铝、镁、钾、锶、硅、锂、氯化物、溴化物、碳酸盐、碘化物、氯酸盐、溴酸盐、甲酸盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、氧化物、氟化物以及这些的组合。在一些特定实施例中，盐水可以用于水相中。不受任何特定理论的束缚，盐水可以用于在钻井液和地下地层之间产生渗透平衡。
41.在一些实施例中，按钻井液的总重量计，钻井液可以含有10重量百分比(wt.％)到70wt.％的水相。在一些实施例中，钻井液可以含有28磅每桶(lb/bbl)到630lb/bbl，如30到600lb/bbl、50到500lb/bbl、100到500lb/bbl、200到500lbs/bbl或300到600lb/bbl的水相。
42.钻井液可以是非水的。在一些实施例中，钻井液可以包含油相，所述油相可以包含天然或合成的液体油。具体地，钻井液可以包含柴油、矿物油、如聚α烯烃等经氢化的或未经氢化的烯烃、直链和支链烯烃、聚二有机硅氧烷、硅氧烷、有机硅氧烷、脂肪酸酯、脂肪酸的直链、支链或环烷基醚、酯、醚、缩醛、二烷基碳酸酯、烃或这些的任何组合。在一些实施例中，钻井液可以包含源自石油的油，如矿物油、柴油、线性烯烃、石蜡以及这些油的组合，或源自植物的油，如红花油。
43.按钻井液的总重量计，钻井液可以含有10wt.％到90wt.％的油相。按钻井液的总重量计，钻井液可以含有28lb/bbl到810lb/bbl的油相，如30到800lb/bbl、50到800lb/bbl、75到800lb/bbl或100到800lb/bbl。在一些实施例中，钻井液可以含有200到800lb/bbl或300到600lb/bbl或500到810lb/bbl的油相。
44.钻井液可以包含极性非质子溶剂。在一些实施例中，极性非质子溶剂可以替代钻井液的水相。极性非质子溶剂极性缺乏酸性氢，并且因此不是氢键供体，这意味着其不能提供氢。极性非质子溶剂可以溶解盐并且能够接受氢键。极性非质子溶剂的介电常数或相对介电常数可以大于10、15、20、25、30、35或40。极性非质子溶剂的介电常数或相对介电常数可以小于15、20、25、30、35、40、50、60或70。极性非质子溶剂的偶极矩也可以大于1德拜(1德拜＝1
×
10
‑
18
静库仑
‑
厘米)、2德拜、3德拜、3.5德拜、4德拜、4.5德拜或5德拜。极性非质子溶剂的偶极矩可以小于2德拜、3德拜、3.5德拜、4德拜、4.5德拜、5德拜、6德拜、7德拜、8德拜、9德拜或10德拜。极性非质子溶剂可以包含正烷基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、二甲基磺酰胺、乙腈、二甲基甲酰胺、六甲基磷酰胺或二甲亚砜中的至少一种。
45.钻井液可以包含至少一种表面活性剂。表面活性剂可以保持碳纳米管分散在钻井液内。表面活性剂可以是阴离子的、阳离子的或中性的。阴离子表面活性剂的非限制性实例
包含磺化聚合物、磺化烷烃、聚羧化醚或这些的组合。阳离子表面活性剂的非限制性实例包含三甲基烷基铵盐、烷基苄基铵盐或这些的组合。中性表面活性剂的非限制性实例包含蛋白质、聚乙二醇衍生物、寡糖、胆固醇衍生物或这些的组合。表面活性剂可以包含磺化聚合物、磺化烷烃、聚羧化醚、三甲基烷基铵盐、烷基苄基铵盐、蛋白质、聚乙二醇衍生物、寡糖或胆固醇衍生物中的至少一种。按钻井液的总重量计，钻井液可以含有0.01wt.％到20wt.％的表面活性剂。按钻井液的总重量计，钻井液可以含有0.02lb/bbl到180lb/bbl的表面活性剂，如0.02到150lb/bbl或0.05到150lb/bbl。在一些实施例中，钻井液可以含有0.1到150lb/bbl或0.1到100lb/bbl或1到100lb/bbl的表面活性剂。
46.在一些实施例中，钻井液可以含有除表面活性剂之外的至少一种添加剂。一种或多种添加剂可以是已知适用于钻井液的任何添加剂。作为非限制性实例，合适的添加剂可以包含流体损失控制剂、循环液漏失控制剂、过滤控制添加剂、消泡剂、乳化剂、增重剂、流体损失添加剂、碱储备、专用添加剂以及这些的组合。
47.在一些实施例中，一种或多种添加剂可以包含另外的增粘剂(也被称为流变改性剂)，其可以被添加到钻井液中以使钻井液具有非牛顿流体流变性，以便于岩屑提升和输送到井筒表面。增粘剂可以包含膨润土、聚丙烯酰胺、聚阴离子纤维素或这些的组合。在一些实施例中，钻井液可以包含黄原胶，即一种通常被称为xc聚合物的多糖。可以将xc聚合物添加到基于水的钻井液中，以产生环状流中基于水的钻井液的平坦速度分布图，这可以有助于提高钻井液将岩屑提升和输送到地面的效率。
48.在一些实施例中，按钻井液的总重量计，钻井液可以含有0.01wt％到20wt％的一种或多种添加剂。按钻井液的总重量计，钻井液可以含有0.02lb/bbl到180lb/bbl的一种或多种添加剂，如0.02到150lb/bbl或0.05到150lb/bbl。在一些实施例中，钻井液可以含有0.1到150lb/bbl或0.1到100lb/bbl或1到100lb/bbl的一种或多种添加剂。
49.本公开的实施例进一步涉及将至少一种增重剂悬浮在钻井液中的方法。所得钻井液可以与先前描述的实施例中的任何实施例一致。所述方法可以涉及向钻井液中添加一定量的前体纳米颗粒，所述前体纳米颗粒包含由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管。选择所述金属氧化物催化剂纳米颗粒和所述钻井液，使得所述金属氧化物催化剂纳米颗粒可溶于所述钻井液。金属氧化物催化剂纳米颗粒可操作以溶解在钻井液中，这导致一定量的碳纳米管分散在钻井液内。与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，一定量的碳纳米管的分散增加了具有分散的碳纳米管的钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一个的值。所述方法可以进一步包含添加至少一种将悬浮在所述钻井液中的增重剂。增重剂可以选自由以下组成的组：重晶石、赤铁矿、石灰、碳酸钙、膨润土、蒙脱石粘土、菱铁矿、钛铁矿、黑锰矿、硅铁、氧化锰、莫来石、高岭石、氧化铝、碳化硅、碳化钨以及这些的组合。
50.参考图1，金属氧化物催化剂纳米颗粒100的单个纳米颗粒可以包含金属氧化物120和过渡金属110。过渡金属110可以包含铁(fe)、钴(co)或镍(ni)。在其它实施例中，过渡金属110可以包含以下中的至少一种：钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞、或这些的组合。
51.按金属氧化物120的重量计算，金属氧化物催化剂纳米颗粒100的单个纳米颗粒可
以包含10wt.％或更少过渡金属110。在其它实施例中，按金属氧化物120的重量计算，金属氧化物催化剂纳米颗粒100的单个纳米颗粒可以包含0到10wt.％、1到10wt.％、2到10wt.％、3到10wt.％、4到10wt.％、5到10wt.％、6到10wt.％、7到10wt.％、8到10wt.％、9到10wt.％、1到9wt.％、2到9wt.％、3到9wt.％、4到9wt.％、5到9wt.％、6到9wt.％、7到9wt.％、8到9wt.％、1到8wt.％、2到8wt.％、3到8wt.％、4到8wt.％、5到8wt.％、6到8wt.％、7到8wt.％、1到7wt.％、2到7wt.％、3到7wt.％、4到7wt.％、5到7wt.％、6到7wt.％、1到6wt.％、2到6wt.％、3到6wt.％、4到6wt.％、5到6wt.％、1到5wt.％、2到5wt.％、3到5wt.％、4到5wt.％、1到4wt.％、2到4wt.％、3到4wt.％、1到3wt.％、2到3wt.％、1到2wt.％或0到1wt.％过渡金属110。
52.金属氧化物120可以包含以下中的至少一种：氧化锂、氧化钠、氧化钾、氧化铷、氧化镁(mgo)、氧化钙(cao)、氧化铍、氧化锶、氧化钡、氧化镭、氧化钪、氧化钇、氧化钛、氧化锆、氧化钒、氧化铌、氧化铬、氧化钼、氧化锰、氧化锝、氧化铁、氧化钌、氧化钴、氧化铑、氧化镍、氧化钯、氧化铜、氧化银、氧化金、氧化铂、氧化锌、氧化镉、氧化汞、氧化铝、氧化镓、氧化铟、氧化锡、氧化铊、氧化铅、氧化硼、氧化硅或这些的组合。金属氧化物120可以是常规的钻井液添加剂。金属氧化物120可以是通常在钻井液中用作缓冲液的化学物质。金属氧化物120可以是通常用于提高钻井液的ph的化学物质。金属氧化物120可以是碱性的，并且其ph可以为大于7、8到14、9到14、10到14、11到14、11.5到14、12到14、12.5到14、13到14、8到13、9到13、10到13、11到13、11.5到13、12到13、12.5到13、8到12.5、9到12.5、10到12.5、11到12.5、11.5到12.5、12到12.5、8到12、9到12、10到12、11到12、11.5到12、8到11.5、9到11.5、10到11.5、11到11.5、8到11、9到11、10到11、8到10、9到10、8到9或12.8。金属氧化物120的pk
a
值可以为10到15、11到14、12到13或12.8。在一些实施例中，金属氧化物120可以包含mgo或cao。cao的pk
a
值可以为10到15、11到14、12到13或12.8。
53.如所示出的，过渡金属110可以安置在金属氧化物催化剂纳米颗粒100的金属氧化物120上。具体地，在一些实施例中，金属氧化物催化剂纳米颗粒100可以进一步包含安置在mgo或cao金属氧化物120上的fe、co或ni中的至少一种。
54.在一些实施例中，所述方法包含通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米颗粒上合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米颗粒。金属氧化物催化剂纳米颗粒的单个纳米颗粒包含安置在金属氧化物上的过渡金属。所述方法包含向钻井液中添加一定量的前体纳米颗粒。钻井液包含至少一种表面活性剂。选择所述金属氧化物催化剂纳米颗粒和所述钻井液，使得所述金属氧化物催化剂纳米颗粒可溶于所述钻井液。金属氧化物催化剂纳米颗粒可操作以溶解在钻井液中，这导致一定量的碳纳米管分散在钻井液内。与没有纳米颗粒分散的类似或等效钻井液相比，碳纳米管的分散增加了具有分散的纳米颗粒的钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一个。所述方法可以进一步包含添加至少一种将悬浮在所述钻井液中的增重剂。所述增重剂选自由以下组成的组：重晶石、赤铁矿、石灰、碳酸钙、膨润土、蒙脱石粘土、菱铁矿、钛铁矿、黑锰矿、硅铁、氧化锰、莫来石、高岭石、氧化铝、碳化硅、碳化钨以及这些的组合。
55.在一个实施例中，通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米颗粒上合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米颗粒可以包含将包含过渡金属的水溶液与金属氧化物的水性悬浮液混合以形成混合物。在一些实施例中，按水性悬浮液的重量计算，水性悬浮液可以包
含5到50wt.％、5到30wt.％、5到25wt.％、5到20wt.％、5到15wt.％、5到10wt.％、10到50wt.％、10到30wt.％、10到25wt.％、10到20wt.％、10到15wt.％、15到50wt.％、15到30wt.％、15到25wt.％、15到20wt.％、20到50wt.％、20到30wt.％、20到25wt.％、25到50wt.％、25到30wt.％、30到50wt.％金属氧化物。然后，合成碳纳米管可以包含搅拌混合物，使混合物在室温下干燥，并且然后将混合物研磨成粉末以形成金属氧化物催化剂纳米颗粒。
56.在替代实施例中，通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米颗粒上合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米颗粒可以包含将包含过渡金属的水溶液与包含金属氧化物的粉末混合以形成混合物。然后，合成碳纳米管可以包含搅拌混合物并在100℃到500℃、200℃到500℃、300℃到500℃、200℃到400℃、300℃到400℃下将混合物煅烧5到15小时、5到12小时、5到10小时、5到8小时、8到15小时、8到12小时、8到10小时、10到15小时、10到12小时或12到15小时。然后，合成碳纳米管可以包含将混合物研磨成粉末以形成金属氧化物催化剂纳米颗粒。
57.合成碳纳米管可以进一步包含将金属氧化物催化剂纳米颗粒加热到300℃到1400℃、300℃到1100℃、300℃到900℃、300℃到800℃、300℃到700℃、300℃到600℃、600℃到700℃、600℃到800℃、600℃到900℃、600℃到1100℃、600℃到1400℃、700℃到800℃、700℃到900℃、700℃到1100℃、700℃到1400℃、800℃到900℃、800℃到1100℃、800℃到1400℃、900℃到1100℃、900℃到1400℃或1100℃到1400℃。在一些实施例中，加热碳纳米管可以包含将金属氧化物催化剂纳米颗粒放置到烘箱或反应器中。在一些实施例中，合成碳纳米管可以包含将碳前体放置在烘箱中，所述碳前体随着烘箱加热而蒸发，以形成包含碳纳米管和金属氧化物催化剂纳米颗粒的一定量的前体纳米颗粒。在其它实施例中，合成碳纳米管可以包含使气体混合物流过金属氧化物催化剂纳米颗粒，以形成包含碳纳米管和金属氧化物催化剂纳米颗粒的一定量的前体纳米颗粒。在一些实施例中，气体混合物可以包含氩气、氢气、苯、乙烯、丙烯、丁烯、甲基萘、甲苯、二甲苯、石墨、乙炔、乙醇、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、烃气、任何其它含有碳的气体以及这些的组合。术语“烃气”是指在标准温度和压力下由气相中的氢和碳原子组成的化合物。烃气的非限制性实例是链烷烃和烷基芳烃。短语“含有碳的其它气体”意指所述气体是除烃气之外的气体，其中所述气体包括包含碳原子的化合物。在一个实施例中，气体混合物可以包含氩气、氢气和乙烯。
58.在一些实施例中，加热金属氧化物催化剂纳米颗粒包含使气体混合物以1℃每分钟(℃/分钟)到20℃/分钟、3℃/分钟到10℃/分钟、5℃/分钟到10℃/分钟、5℃/分钟到7℃/分钟或5℃/分钟的加热速率流过金属氧化物催化剂纳米颗粒，直到金属氧化物催化剂纳米颗粒被加热到300℃到1400℃、300℃到1100℃、300℃到900℃、300℃到800℃、300℃到700℃、300℃到600℃、600℃到700℃、600℃到800℃、600℃到900℃、600℃到1100℃、600℃到1400℃、700℃到800℃、700℃到900℃、700℃到1100℃、700℃到1400℃、800℃到900℃、800℃到1100℃、800℃到1400℃、900℃到1100℃、900℃到1400℃或1100℃到1400℃。加热金属氧化物催化剂纳米颗粒可以进一步包含将按气体混合物的体积计算的0到50体积百分比(vol.％)、2到30vol.％、2到20vol.％、2到15vol.％、2到10vol.％、2到5vol.％、5到30vol.％、5到20vol.％、5到15vol.％、5到10vol.％、10到30vol.％、10到20vol.％、10到15vol.％、15到30vol.％、15到20vol.％或20到30vol.％基于碳的气体添加到气体混合物
中，并使气体混合物流过金属氧化物催化剂纳米颗粒，以形成包含碳纳米管和金属氧化物催化剂纳米颗粒的一定量的前体纳米颗粒。基于碳的气体可以包含任何包含碳的气体，如二氧化碳或烃气。在一些实施例中，基于碳的气体可以是乙烯。包含氩气、氢气和乙烯的气体混合物可以包含按气体混合物的体积计算20到50vol.％、20到40vol.％、20到35vol.％、20到30vol.％、30到50vol.％、30到40vol.％、30到35vol.％、35到40vol.％、35到50vol.％或40到50vol.％的氢气，以及按气体混合物的体积计算50到80vol.％、50到70vol.％、50到65vol.％、50到60vol.％、60到65vol.％、60到70vol.％、60到80vol.％、65到80vol.％、65到70vol.％或70到80vol.％的氩气。使气体混合物流动可以包含以400到1000毫升每分钟(毫升/分钟)、500到800毫升/分钟、600到800毫升/分钟或700毫升/分钟的速率使气体混合物流动。
59.当气体混合物接触金属氧化物催化剂纳米颗粒时，气体可以分解成溶解在金属氧化物催化剂纳米颗粒中的碳。在达到金属氧化物催化剂纳米颗粒的碳溶解度极限之后，碳可以沉淀在金属氧化物催化剂纳米颗粒的表面上并以圆柱形网络的形式结晶，从而形成碳纳米管。在一些实施例中，气体混合物可以接触过渡金属并分解成溶解在过渡金属中的碳。在达到过渡金属的碳溶解度极限之后，碳可以沉淀在过渡金属的表面上并以圆柱形网络的形式结晶，从而形成碳纳米管。如前所述，碳纳米管由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载。由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管可以包含吸附在金属氧化物催化剂纳米颗粒的表面上的碳纳米管。在一些实施例中，由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管可以包含结合到金属氧化物催化剂纳米颗粒的表面上的碳纳米管。
60.通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米颗粒上合成碳纳米管可以包含使碳原子通过所述碳纳米管扩散。这通常被称为“尖端生长”。当过渡金属
‑
金属氧化物相互作用较弱时(当过渡金属与金属氧化物有锐角接触时)，碳在过渡金属的顶面分解并通过过渡金属扩散。这使得碳纳米管在过渡金属与金属氧化物之间沉淀，在过渡金属与金属氧化物之间继续生长，并将过渡金属推离金属氧化物。一旦过渡金属被过量的碳完全覆盖，其催化活性就会停止，并且碳纳米管停止生长。图2以照片的方式表示通过尖端生长生长的碳纳米管130。碳纳米管130被示出为吸附在金属氧化物120上。
61.在另一个实施例中，通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米颗粒上合成碳纳米管包含使碳原子沿着所述金属氧化物催化剂纳米颗粒的单个纳米颗粒的表面扩散。这通常被称为“基部生长”。当过渡金属
‑
金属氧化物相互作用较强时(当过渡金属与金属氧化物有钝角接触时)，初始碳分解和扩散的发生类似于尖端生长的碳分解和扩散。然而，随着碳纳米管沉淀，碳纳米管沉淀不能将过渡金属推离金属氧化物。这迫使碳纳米管从过渡金属的顶点生长。过渡金属的顶点是过渡金属上离金属氧化物最远的点。碳最初结晶为半球形圆顶。然后，随着碳继续结晶，其以圆柱体的形式生长，从而形成碳纳米管。与碳纳米管从尖端(或自上而下)生长的尖端生长不同，碳纳米管在基部生长中从底部(或自下而上)生长。当过渡金属继续安置在金属氧化物上时，就会出现基部生长。随后的烃分解发生在过渡金属的外围表面上，并且溶解的碳向上扩散。
62.在一些实施例中，所述方法可以进一步包含合成由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳化硅纳米管。合成碳化硅纳米管可以包含使由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管暴露于硅蒸气。这产生了包含由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳化硅纳米管的
一定量的碳化硅前体纳米颗粒。
63.合成碳化硅纳米管可以进一步包含将由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管加热到300℃到1600℃、300℃到1400℃、300℃到1200℃、300℃到1000℃、300℃到900℃、300℃到800℃、300℃到700℃、300℃到600℃、600℃到700℃、600℃到800℃、600℃到900℃、600℃到1000℃、600℃到1200℃、600℃到1400℃、600℃到1600℃、700℃到800℃、700℃到900℃、700℃到1100℃、700℃到1400℃、800℃到900℃、800℃到1100℃、800℃到1400℃、900℃到1100℃、900℃到1400℃或1100℃到1400℃。在一些实施例中，加热由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管可以包含将由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管放置到烘箱或反应器中。在一些实施例中，反应器可以被抽空至以下绝对压力：1
×
10
‑
100
托到1
×
10
‑
50
托、1
×
10
‑
50
托到1
×
10
‑
25
托、1
×
10
‑
25
托到1
×
10
‑
10
托、1
×
10
‑
10
托到1
×
10
‑5托、1
×
10
‑5托到1
×
10
‑1托、1
×
10
‑1托到0.5托、0.5托到1托、1托到10托、10托到20托、20托到40、40托到50托、50托到100托、100托到150托、150托到300托、300托到450托、450托到600托、600托到750托或这些的任何组合。
64.在一些实施例中，合成由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳化硅纳米管可以包含将硅前体放置在烘箱中。硅前体在烘箱加热并形成一定量的碳化硅前体纳米颗粒时蒸发。这种一定量的碳化硅前体纳米颗粒包含碳化硅纳米管和金属氧化物催化剂纳米颗粒。在其它实施例中，合成碳化硅纳米管可以包含使气体混合物流过碳纳米管以形成所述一定量的碳化硅前体。在一些实施例中，气体混合物可以包含氩气、氢气、硅、甲基三氯硅烷、任何其它含有硅的气体以及这些的组合。具体地，在一个实施例中，气体混合物可以包含氩气、氢气和甲基三氯硅烷。
65.在一些实施例中，加热由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管包含使气体混合物以1℃/分钟到20℃/分钟、3℃/分钟到10℃/分钟、5℃/分钟到10℃/分钟、5℃/分钟到7℃/分钟或5℃/分钟的加热速率流过由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管。加热由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管可以进一步包含将0到50体积百分比(vol.％)、2到30vol.％、2到20vol.％、2到15vol.％、2到10vol.％、2到5vol.％、5到30vol.％、5到20vol.％、5到15vol.％、5到10vol.％、10到30vol.％、10到20vol.％、10到15vol.％、15到30vol.％、15到20vol.％或20到30vol.％基于硅的气体(按气体混合物的体积计算)添加到气体混合物中。在一些实施例中，所述方法可以进一步包含使气体混合物流过由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管，以形成一定量的碳化硅前体纳米颗粒。基于硅的气体可以包含任何包含硅的气体，如甲基三氯硅烷、n
‑
仲丁基(三甲基甲硅烷基)胺、五甲基一氯二硅烷、六甲基二硅烷、五甲基二硅烷、四溴化硅、三乙基硅烷、任何其它包含硅的气体或这些的混合物。包含氩气、氢气和硅的气体混合物可以包含按气体混合物的体积计算20到50vol.％、20到40vol.％、20到35vol.％、20到30vol.％、30到50vol.％、30到40vol.％、30到35vol.％、35到40vol.％、35到50vol.％或40到50vol.％的氢气，以及按气体混合物的体积计算50到80vol.％、50到70vol.％、50到65vol.％、50到60vol.％、60到65vol.％、60到70vol.％、60到80vol.％、65到80vol.％、65到70vol.％或70到80vol.％的氩气。使气体混合物流动可以包含使气体混合物以10到1000毫升/分钟、50到800毫升/分钟、100到400毫升/分钟或150毫升/分钟的速率流动。根据一些实施例，气体混合物可以通过使氢气流过甲基三氯硅烷来制备，由此产生基于硅的气体。
66.由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳化硅纳米管可以在升高的温度下在空气中退火。如本公开中所使用的，退火是指在特定气氛下将底物加热至退火温度、使底物在退火温度下保持一段时间并使底物冷却的过程。退火温度是低于底物的熔融温度的温度。例如，由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳化硅纳米管可以在以下温度下退火：500℃到600℃、600℃到700℃、700℃到800℃、800℃到900℃、900℃到1000℃、1000℃到1100℃、1100℃到1200℃、1200℃到1300℃、1300℃到1400℃、1400℃到1500℃、1500℃到1600℃、1600℃到1700℃、1700℃到1800℃或这些的任何组合。例如，由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳化硅纳米管可以在退火温度下保持0.001分钟(min)到5分钟、5分钟到10分钟、10分钟到20分钟、20分钟到30分钟、30分钟到40分钟、40分钟到50分钟、50分钟到60分钟、60分钟到70分钟或甚至大于70分钟，或这些的任何组合。退火步骤可以进一步包含冷却步骤，在所述冷却步骤中，由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳化硅纳米管的温度可以降低200℃/分钟到150℃/分钟、150℃/分钟到100℃/分钟、100℃/分钟到50℃/分钟、50℃/分钟到25℃/分钟、25℃/分钟到20℃/分钟、20℃/分钟到15℃/分钟、15℃/分钟到10℃/分钟、10℃/分钟到5℃/分钟、5℃/分钟到1℃/分钟、1℃/分钟到0.5℃/分钟、0.5℃/分钟到0.1℃/分钟或甚至小于0.1℃/分钟，或这些的任何组合。退火步骤可以在特定气氛下发生，其中特定气氛包含空气、惰性气体、还原气体、氧化气体或这些的组合。
67.如前所述，所述方法包含向钻井液中添加一定量的前体纳米颗粒，所述前体纳米颗粒包含由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管。选择所述金属氧化物催化剂纳米颗粒和所述钻井液，使得所述金属氧化物催化剂纳米颗粒可溶于所述钻井液。金属氧化物催化剂纳米颗粒可操作以溶解在钻井液中，这导致一定量的碳纳米管分散在钻井液内。与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，一定量的碳纳米管的分散增加了具有分散的碳纳米管的钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度中的至少一个的值。金属氧化物溶解在钻井液中，这使得碳纳米管以与金属氧化物溶解之前大致相同的位置和取向分散在钻井液内。这导致碳纳米管分散在整个钻井液中并且没有如使用常规方法形成的碳纳米管团块。在一些实施例中，钻井液具有持久的分散均匀性。短语“持久的分散均匀性”意指整个钻井液中的任何离散点处的碳纳米管的第一浓度与整个钻井液中的任何第二离散点处的碳纳米管的第二浓度的变化不超过30％。换句话说，碳纳米管的浓度不会导致钻井液内的任何点处的碳纳米管结块。在本公开所述的实施例中，贯穿钻井液的持久的分散均匀性使得对于贯穿钻井液的离散点，在钻井液的任何第二离散点处，碳纳米管浓度的极值(最小值或最大值)大于或等于钻井液内碳纳米管浓度的约70％且小于或等于约130％。
68.此外，随着金属氧化物溶解，金属氧化物可以用作ph缓冲剂。在一些实施例中，金属氧化物可以将钻井液的ph提高到大于7。在一些实施例中，金属氧化物可以将钻井液的ph提高到9到12、9到11、9到10.5、9到10、10到12、10到11、10到10.5、10.5到12、10.5到11或11到12。具体地，金属氧化物可以将含水钻井液的ph从5到9、6到8、6.5到7.5或7的第一ph提高到9到12、9到11、9到10.5、9到10、10到12、10到11、10到10.5、10.5到12、10.5到11或11到12的第二ph。
69.如前所述，所述方法包含在添加前体纳米颗粒之后添加至少一种增重剂，其中钻井液中的碳纳米管有助于使增重剂悬浮，并且其中增重剂选自由以下组成的组：重晶石、赤铁矿、石灰、碳酸钙、膨润土、蒙脱石粘土、菱铁矿、钛铁矿、黑锰矿、硅铁、氧化锰、莫来石、高
岭石、氧化铝、碳化硅、碳化钨以及这些的组合。添加至少一种增重剂可以使钻井液的密度增加0.1g/cm3。在一些实施例中，添加至少一种增重剂可以使钻井液的密度增加0.05到10g/cm3、0.05到5g/cm3、0.05到3g/cm3、0.05到2g/cm3、0.05到1g/cm3、0.05到0.5g/cm3、0.05到0.1g/cm3、0.1到10g/cm3、0.1到5g/cm3、0.1到3g/cm3、0.1到2g/cm3、0.1到1g/cm3、0.1到0.5g/cm3、0.5到10g/cm3、0.5到5g/cm3、0.5到3g/cm3、0.5到2g/cm3、0.5到1g/cm3、1到10g/cm3、1到5g/cm3、1到3g/cm3、1到2g/cm3、2到10g/cm3、2到5g/cm3、2到3g/cm3、3到10g/cm3、3到5g/cm3或5到10g/cm3。
70.在一些实施例中，所述方法可以进一步包含在将包含由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管的一定量的前体纳米颗粒添加到钻井液中之前使碳纳米管的表面官能化。在另一个实施例中，所述方法可以进一步包含在将包含由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管的一定量的前体纳米颗粒添加到钻井液中之后使碳纳米管的表面官能化。在又另一个实施例中，所述方法可以进一步包含在金属氧化物催化剂纳米颗粒溶解在钻井液中之后使碳纳米管的表面官能化。在一些实施例中，使碳纳米管的表面官能化可以包含用亲水性官能团使碳纳米管的表面官能化。亲水性官能团可以包含羟基、羰基、羧基、氨基、巯基、磷酸基以及这些的组合。具体地，所述方法可以进一步包含在金属氧化物催化剂纳米颗粒溶解在钻井液中之后，用羧酸盐、铵衍生物、磺化单体、低聚物或聚合物中的至少一种使碳纳米管的表面官能化。
71.与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，碳纳米管分散可以使具有分散的碳纳米管的钻井液的牛顿粘度增加500厘泊(cp)。在一些实施例中，与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，碳纳米管分散可以使具有分散的碳纳米管的钻井液的牛顿粘度增加5到2000cp、5到1000cp、5到700cp、5到600cp、5到500cp、5到400cp、5到200cp、5到100cp、5到50cp、50到2000cp、50到1000cp、50到700cp、50到600cp、50到500cp、50到400cp、50到200cp、50到100cp、100到2000cp、100到1000cp、100到700cp、100到600cp、100到500cp、100到400cp、100到200cp、200到2000cp、200到1000cp、200到700cp、200到600cp、200到500cp、200到400cp、400到2000cp、400到1000cp、400到700cp、400到600cp、400到500cp、500到2000cp、500到1000cp、500到700cp、500到600cp、600到2000cp、600到1000cp、600到700cp、700到2000cp、700到1000cp或1000到2000cp。在一些实施例中，与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，碳纳米管分散可以使具有分散的碳纳米管的钻井液的牛顿粘度增加10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、200％、250％、300％或500％。
72.所述方法可以进一步包含将先前描述的添加剂添加到钻井液中。添加添加剂可以涉及将添加剂混合到钻井液中。在一些实施例中，钻井液可以以4000转每分(rpm)到16000rpm的剪切速率混合。钻井液可以以4000rpm到15000rpm、或5000rpm到15000rpm、或5000rpm到1000rpm、或8000rpm到16000rpm、或10000rpm到16000rpm或12000rpm到16000rpm的剪切速率混合。
73.本公开的实施例还可以涉及使用钻井液的方法。钻井液可以与先前描述的实施例中的任何实施例一致。在一些实施例中，可以将钻井液引入到地下地层中。引入可以涉及将钻井液注入到地下地层中，所述地下地层在一些实施例中可以是井。钻井液可以在地下地层内循环。在一些实施例中，泥浆泵可以用于将钻井液注入到地下地层中。
74.在一些具体实施例中，本公开涉及使用钻井液进行油气钻探的方法。该方法可包括将钻井液泵送通过钻柱到钻头并再循环钻井液。再循环流体可允许钻井液冷却并润滑钻头并将岩屑从钻头升起，将钻屑向上运送到地面以清洁井筒。钻井液可另外提供流体静压力以支撑井筒的侧壁并防止侧壁塌陷到钻柱上。
75.如前所述，流体流变学是钻井液性能的重要参数。对于具有极端温度和压力要求的关键海上应用，流体的粘度分布通常用受控温度和压力粘度计(例如，可从范氏仪器公司(fann instruments，德克萨斯州休斯顿)商购获得的ix77流变仪)测量。流体可以在35
°
f到500
°
f的温度下进行测试，压力至多20,000磅每平方英寸(psi)。冷流体流变学可能很重要，因为流体在深水立管中暴露于低于32
°
f的低温。在深井或地热加热井中可能会遇到高于100
°
f的温度。流体在井下的压力可以大于2,000psi，并且其粘度分布可能相应地发生变化。钻井液的流变行为，如凝胶强度、塑性粘度和屈服点，可以通过测量牛顿粘度、剪切应力和剪切速率来确定。
76.钻井液的凝胶强度是指在钻井液保持静止状态的规定时间段之后在低于10rpm的剪切速率下测量的钻井液的剪切应力。本公开的钻井液在10秒之后的凝胶强度可以为0.5到30磅力每100立方英尺(lb
f
/100ft2)。在一些实施例中，钻井液在10秒之后的凝胶强度可以为0.5到100lb
f
/100ft2、0.5到60lb
f
/100ft2、0.5到50lb
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f
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f
/100ft2、0.5到10lb
f
/100ft2、0.5到5lb
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/100ft2、0.5到1lb
f
/100ft2、1到100lb
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/100ft2、1到60lb
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/100ft2、1到40lb
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/100ft2、1到30lb
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/100ft2、15到40lb
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/100ft2、20到60lb
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/100ft2、20到30lb
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/100ft2、30到100lb
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/100ft2、30到60lb
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/100ft2、30到50lb
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/100ft2、30到40lb
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/100ft2、40到100lb
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/100ft2、40到60lb
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/100ft2、40到50lb
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/100ft2、50到100lb
f
/100ft2、50到60lb
f
/100ft2或60到100lb
f
/100ft2。在一些实施例中，与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，碳纳米管分散可以使具有分散的碳纳米管的钻井液的10秒凝胶强度增加10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、200％、250％、300％或500％。
77.类似地，本公开的钻井液在10分钟之后的凝胶强度可以为0.5到50lb
f
/100ft2。在一些实施例中，钻井液在10秒之后的凝胶强度可以为0.5到100lb
f
/100ft2、0.5到60lb
f
/100ft2、0.5到50lb
f
/100ft2、0.5到40lb
f
/100ft2、0.5到30lb
f
/100ft2、0.5到20lb
f
/100ft2、0.5到15lb
f
/100ft2、0.5到10lb
f
/100ft2、0.5到5lb
f
/100ft2、0.5到1lb
f
/100ft2、1到100lb
f
/100ft2、1到60lb
f
/100ft2、1到50lb
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/100ft2、1到40lb
f
/100ft2、1到30lb
f
/100ft2、1到20lb
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/100ft2、1到15lb
f
/100ft2、1到10lb
f
/100ft2、1到5lb
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/100ft2、5到100lb
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/
100ft2、15到60lb
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/100ft2、50到100lb
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/100ft2、50到60lb
f
/100ft2或60到100lb
f
/100ft2。在一些实施例中，与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，碳纳米管分散可以使具有分散的碳纳米管的钻井液的10分钟凝胶强度增加10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、200％、250％、300％或500％。
78.钻井液的流变行为可以通过在不同剪切速率下测量钻井液上的剪切应力来确定，这可以通过测量钻井液上的剪切应力或剪切速率来实现。由于钻井液在较小的剪切应力下表现为刚体而在较大的剪切应力下表现为粘性流体，因此利用了不同的剪切速率。钻井液的流变性可以通过以厘泊(cp)为单位的塑性粘度(pv)和屈服点(yp)来表征，所述塑性粘度和屈服点是来自宾汉(bingham)塑性流变模型的参数。pv与由于钻井液固体之间的机械相互作用而导致的钻井液流动阻力相关，并且表示钻井液的外推至无限剪切速率的粘度。pv反映了钻井液中固体的类型和浓度。钻井液的pv可以通过使用先前所述的流变仪以300转每分(rpm)和600rpm的主轴转速测量钻井液的剪切应力并根据方程式1从600rpm刻度盘读数中减去300rpm刻度盘读数来估算，所述方程式为：
79.pv(cp)＝(600rpm下的刻度盘读数)
‑
(300rpm下的刻度盘读数)
ꢀꢀꢀ
方程式1
80.本公开的钻井液的pv可以为5到2000cp。在一些实施例中，钻井液的pv可以为5到5000cp、5到1500cp、5到1000cp、5到500cp、5到100cp、5到50cp、50到5000cp、50到2000cp、50到1500cp、50到1000cp、50到500cp、50到100cp、100到5000cp、100到2000cp、100到1500cp、100到1000cp、100到500cp、500到5000cp、500到2000cp、500到1500cp、500到1000cp、1000到5000cp、1000到2000cp、1000到1500cp、1500到5000cp、1500到2000cp或2000到5000cp。在一些实施例中，与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，碳纳米管分散可以使具有分散的碳纳米管的钻井液的pv增加10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、200％、250％、300％或500％。
81.当剪切应力小于yp时，水力压裂液表现为刚体，并且当剪切应力大于yp时，水力压裂液表现为粘性流体。换句话说，yp表示使钻井液从静止状态移动所需的应力量。yp表示为每面积的力，如每一百平方英尺的力的磅数(lb
f
/100ft2)。yp提供了钻井液通过环空的固体承载能力的指示，其简化地表示钻井液的孔清洁能力。yp等于或大于15lb
f
/100ft2的钻井液被认为是钻井可接受的。yp通过将宾汉塑性流变性模型外推到剪切速率零来确定。可以根据方程式2通过pv估计yp(如先前所描述，如根据方程式1测量)，所述方程式为：
82.yp＝(300rpm下的刻度盘读数)
‑
pv
ꢀꢀꢀ
方程式2
83.本公开的钻井液的yp可以为0.5到50lb
f
/100ft2。在一些实施例中，本公开的钻井液的yp可以为0.5到100lb
f
/100ft2、0.5到60lb
f
/100ft2、0.5到40lb
f
/100ft2、0.5到30lb
f
/100ft2、0.5到20lb
f
/100ft2、0.5到15lb
f
/100ft2、0.5到10lb
f
/100ft2、0.5到5lb
f
/100ft2、0.5到1lb
f
/100ft2、1到100lb
f
/100ft2、1到60lb
f
/100ft2、1到50lb
f
/100ft2、1到40lb
f
/100ft2、1到30lb
f
/100ft2、1到20lb
f
/100ft2、1到15lb
f
/100ft2、1到10lb
f
/100ft2、1到5lb
f
/100ft2、5到100lb
f
/100ft2、5到60lb
f
/100ft2、5到50lb
f
/100ft2、5到40lb
f
/100ft2、5到
30lb
f
/100ft2、5到20lb
f
/100ft2、5到15lb
f
/100ft2、5到10lb
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/100ft2、10到100lb
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/100ft2、10到30lb
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/100ft2、20到100lb
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/100ft2、20到60lb
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/100ft2、20到30lb
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/100ft2、30到100lb
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/100ft2、30到60lb
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/100ft2、30到50lb
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/100ft2、30到40lb
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/100ft2、40到100lb
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/100ft2、40到60lb
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/100ft2、40到50lb
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/100ft2、50到100lb
f
/100ft2、50到60lb
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/100ft2或60到100lb
f
/100ft2。在一些实施例中，与没有碳纳米管分散的类似或等效水力压裂液相比，碳纳米管分散可以使具有分散的碳纳米管的钻井液的yp增加10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、150％、200％、250％、300％或500％。
84.应注意的是，以下权利要求中的一项或多项权利要求利用术语“其中(where)”或“其中(in which)”作为过渡性短语。出于定义本发明技术的目的，应注意，此术语在权利要求书中作为用于引入结构的一系列特征的陈述的开放式过渡短语引入，并且应以与更常用的开放式前导术语“包括”相同的方式解释。出于定义本发明技术的目的，过渡短语“由
……
组成”可以在权利要求书中作为将权利要求的范围限制为陈述的组分或步骤和任何天然存在的杂质的封闭式前导术语引入。出于定义本发明技术的目的，过渡短语“基本上由
……
组成”可在权利要求书中引入以将一个或多个权利要求项的范围限制为陈述的要素、组分、材料或方法步骤以及不实质上影响所要求保护的主题的特征的任何非陈述的要素、组分、材料或方法步骤。过渡短语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”可以被解释为如“包括”和“包含”等开放式过渡短语的子集，使得任意使用开放式短语来引入一系列要素、组分、材料或步骤的陈述应被解释为还使用封闭式术语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”公开一系列要素、组分、材料或步骤的陈述。举例来说，“包括”组分a、b和c的组合物的陈述应被解释为还公开“由组分a、b和c组成”的组合物以及“基本上由组分a、b和c组成”的组合物。在本技术中表达的任何定量值可被认为包含与过渡短语“包括”或“包含”相一致的开放式实施例以及与过渡短语“由
……
组成”和“基本上由
……
组成”相一致的封闭式或部分封闭式实施例。
85.如在说明书和所附权利要求书中所使用的，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一种(a)”、“一个(an)”和“所述”包含复数个参考。动词“包括”和其共轭形式应被解释为以非排他性方式引用要素、组分或步骤。所引用的要素、组分或步骤可与未明确引用的其它要素、组分或步骤一起存在、利用或组合。应当理解，分配给某特性的任何两个定量值可构成所述特性的范围，并且在本公开中考虑由给定特性的所有所述定量值形成的范围的所有组合。已详细地并且通过参考特定实施例描述本公开的主题。应当理解，实施例的组分或特征的任何详细描述不一定暗示组分或特征对于具体实施例或任何其它实施例为必要的。进一步地，对于本领域技术人员显而易见的是，可在不脱离所要求保护的主题的精神和范围的情况下对所描述的实施例进行各种修改和改变。
86.当前所描述的主题可以包含一个或多个方面，所述一个或多个方面不应被视为对本公开的教导内容的限制。第一方面可以包含一种使至少一种增重剂悬浮在钻井液中的方法，所述方法包括：向钻井液中添加一定量的前体纳米颗粒，所述前体纳米颗粒包括由金属氧化物催化剂纳米颗粒负载的碳纳米管；以及在添加前体纳米颗粒之后，向钻井液中添加
至少一种增重剂，其中：选择金属氧化物催化剂纳米颗粒和钻井液，使得金属氧化物催化剂纳米颗粒可溶于钻井液；金属氧化物催化剂纳米颗粒能够溶解在钻井液中，使得一定量的碳纳米管分散在钻井液内；与没有碳纳米管的等效钻井液相比，在存在分散的碳纳米管的情况下，钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度值中的至少一个更大；与没有碳纳米管的等效钻井液相比，在存在分散的碳纳米管的情况下，钻井液中悬浮的增重剂的量增加；并且增重剂选自由以下组成的组：重晶石、赤铁矿、石灰、碳酸钙、膨润土、蒙脱石粘土、菱铁矿、钛铁矿、黑锰矿、硅铁、氧化锰、莫来石、高岭石、氧化铝、碳化硅、碳化钨以及这些的组合。
87.第二方面可以包含一种使至少一种增重剂悬浮在钻井液中的方法，所述方法包括：通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米颗粒上合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米颗粒，其中所述金属氧化物催化剂纳米颗粒的单个纳米颗粒包括安置在金属氧化物上的过渡金属；向所述钻井液中添加所述一定量的前体纳米颗粒；以及在添加前体纳米颗粒之后，向钻井液中添加至少一种增重剂，其中：选择金属氧化物催化剂纳米颗粒和钻井液，使得金属氧化物催化剂纳米颗粒可溶于钻井液；水力压裂液包括至少一种表面活性剂；金属氧化物催化剂纳米颗粒能够溶解在钻井液中，使得一定量的碳纳米管分散在钻井液内；与没有碳纳米管的等效钻井液相比，在存在分散的碳纳米管的情况下，钻井液的牛顿粘度、屈服点、塑性粘度和密度值中的至少一个更大；与没有碳纳米管的等效钻井液相比，在存在分散的碳纳米管的情况下，钻井液中悬浮的增重剂的量增加；并且增重剂选自由以下组成的组：重晶石、赤铁矿、石灰、碳酸钙、膨润土、蒙脱石粘土、菱铁矿、钛铁矿、黑锰矿、硅铁、氧化锰、莫来石、高岭石、氧化铝、碳化硅、碳化钨以及这些的组合。
88.第三方面可以包含基本上如本公开中所述或者包含本公开中所述的特征中的一个或多个特征的钻井液。
89.另一方面包含前述方面的任何方面，其中金属氧化物催化剂纳米颗粒的单个纳米颗粒包括金属氧化物和过渡金属。
90.另一方面包含前述方面的任何方面，其中过渡金属包括fe、co或ni。
91.另一方面包含前述方面的任何方面，其中金属氧化物包括mgo或cao。
92.另一方面包含前述方面的任何方面，其中过渡金属安置在金属氧化物上。
93.另一方面包含前述方面的任何方面，其中碳纳米管被吸附到金属氧化物催化剂纳米颗粒上。
94.另一方面包含前述方面的任何方面，其中按金属氧化物的重量计算，金属氧化物催化剂纳米颗粒的单个纳米颗粒包括10wt.％或更少的过渡金属。
95.另一方面包含前述方面的任何方面，其进一步包括在向钻井液中添加一定量的前体纳米颗粒之后，用羧酸盐、铵衍生物、磺化单体、低聚物或聚合物中的至少一种使所述碳纳米管的表面官能化。
96.另一方面包含前述方面的任何方面，其进一步包括通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米颗粒上合成碳纳米管以形成一定量的前体纳米颗粒。
97.另一方面包含前述方面的任何方面，其中通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂纳米颗粒上合成碳纳米管包括使碳原子通过碳纳米管扩散。
98.另一方面包含前述方面的任何方面，其中通过化学气相沉积在金属氧化物催化剂
纳米颗粒上合成碳纳米管包括使碳原子沿着金属氧化物催化剂纳米颗粒的单个纳米颗粒的表面扩散。
99.另一方面包含前述方面的任何方面，其中钻井液包括极性非质子溶剂。
100.另一方面包含前述方面的任何方面，其中极性非质子溶剂包括正烷基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或二甲亚砜中的至少一种。
101.另一方面包含前述方面的任何方面，其中钻井液包括选自由以下组成的组的一种或多种添加剂：补充增重剂、流体损失控制剂、循环液漏失控制剂、表面活性剂、消泡剂以及这些的组合。
102.另一方面包含前述方面的任何方面，其中表面活性剂包括磺化聚合物、磺化烷烃、聚羧化醚、三甲基烷基铵盐、烷基苄基铵盐、蛋白质、聚乙二醇衍生物、寡糖或胆固醇衍生物中的至少一种。
103.另一方面包含前述方面的任何方面，其中钻井液包括以下中的至少一种：天然油、合成油、柴油、矿物油、经氢化的烯烃、未经氢化的烯烃、聚α烯烃、直链烯烃、支链烯烃、聚二有机硅氧烷、硅氧烷、有机硅氧烷、酯、醚、缩醛、二烷基碳酸酯、烃、脂肪酸、脂肪酸酯、脂肪酸的直链、支链或环烷基醚，以及这些的组合。
104.另一方面包含前述方面的任何方面，其中钻井液包括以下中的至少一种：淡水、咸水、盐水、城市用水、地层水、采出水、井水、滤后水、蒸馏水、海水或这些的组合。
105.对于本领域的技术人员来说显而易见的是，在不背离所要求的主题的精神和范围的情况下，可以对本文所述的实施例进行各种修改和变更。因此，本说明书旨在覆盖所描述的各个实施例的修改和变更，条件是这种修改和变更在所附权利要求和其等效物的范围内。除非在申请中另有说明，否则所有测试、特性和实验均在室温和大气压下进行。
106.已经详细地并且参考这些实施例中的任何实施例中的具体实施例描述本公开的主题，应注意，本文中公开的各种细节不应被视为暗示这些细节涉及本文描述的各个实施例的基本组分的元素，即使在本说明书所附的每个附图中示出了特定元素的情况下也是如此。进一步地，显而易见，在不脱离本公开的范围的情况下可以进行修改和变化，包含但不限于所附权利要求中限定的实施例。更具体地，尽管本公开的一些方面被标识为特别有利，但是设想本公开不必限于这些方面。