一种高稳定性Pickering乳液型钻井液及其制备方法

一种高稳定性pickering乳液型钻井液及其制备方法
技术领域
1.本发明属于钻井液技术领域，涉及一种高稳定性pickering乳液型钻井液及其制备方法。


背景技术：

2.乳液型钻井液是由油、水和表面活性剂混合形成的一种多功能流体，得益于乳液自身较大的增容量、较高的稳定性和低界面张力，其在油田钻井过程中的钻屑清洗、钻柱润滑解卡和驱油采油等领域具有广泛的应用。然而，表面活性剂稳定的乳液具有以下两个主要缺点：（1）需要加入大量表面活性剂，不利于环境保护和可持续发展；（2）大量的表面活性剂难以去除，需要繁杂的净化回收手段。相比于传统乳液，由固体纳米颗粒稳定的pickering乳液性能具有较高的稳定性。这是因为固体纳米颗粒具有比表面积大、颗粒形状多样、表面润湿性可调等特性，同时还有低成本、低毒以及低用量等优点。因此，pickering乳液在石油和天然气开采行业引起了广泛的关注。
3.在现有pickering乳液型钻井液技术中，纳米颗粒的加入不仅可以改善钻井液的流变性、降低滤失量和渗透率的作用，还可以通过强有力的吸附作用稳定油相，保持较高的乳液稳定性。常见的pickering乳液钻井液的纳米材料有纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米碳酸钙和纳米石墨等。虽然纳米材料的加入可以解决传统乳液型钻井液表面活性剂用量大、稳定性能差等问题，但是具有不可生物降解的缺点。固体粒子在钻井过程中可以通过流动的方式进入地层并造成堵塞，其不可生物降解的劣势将对油气储层造成不可逆的损害，不利于环境的保护，一定程度上限制了pickering乳液在钻井液领域的应用。因此，为满足我国绿色生态油田的开发要求，亟需开发一种可生物降解的、高性能的、生物质纳米材料稳定的pickering乳液型钻井液。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高稳定性pickering乳液型钻井液及其制备方法，制得的pickering乳液型钻井液具有高稳定性、低滤失量、低渗透率、沉积的滤饼结构致密和优异的流变性能。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：一种高稳定性pickering乳液型钻井液，pickering乳液型钻井液是由纳米纤维素悬浮液、木质素纳米颗粒分散液、造浆膨润土和生物柴油混合、乳化而成；纳米纤维素悬浮液、木质素纳米颗粒分散液与生物柴油的体积比为3:3:2，纳米纤维素或木质素纳米颗粒与膨润土的质量比为1:（1~2）。
6.可选的，纳米纤维素悬浮液的浓度为0.5~2wt%。
7.可选的，纳米纤维素悬浮液的制备方法，包括：将绝干桉木纤维分散于去离子水中，加入tempo、溴化钠和次氯酸钠溶液，边搅拌边滴加氢氧化钠溶液控制反应体系ph值保持在10.0~10.5之间，待反应体系的ph值不再变
化时加入乙醇结束反应；将反应结束后的混合液离心，得到的产物洗涤至中性后，分散于去离子水中，超声至纳米尺度，制得纳米纤维素悬浮液；桉木纤维、tempo、溴化钠和次氯酸钠溶液的质量比为1:0.016:0.1:6.9，次氯酸钠溶液的浓度为5.2wt%。
8.可选的，纳米纤维素的表面带有羟基和羧基官能团，直径在1~50nm，长度大于1000nm。
9.可选的，木质素纳米颗粒分散液的浓度为0.5~2wt%。
10.可选的，木质素纳米颗粒分散液的制备方法，包括：使用 h2so4溶液将碱法蒸煮纤维原料过程中所产生的废液的ph调至1.5~2.0，置于室温下搅拌20~40min，搅拌后置于45~55 ℃水浴锅中恒温搅拌80~100min，在室温下静置后离心洗涤沉淀物；将产物分散于去离子水中，超声处理得到纳米尺度的木质素纳米颗粒分散液。
11.可选的，木质素纳米颗粒为纳米尺度的球形木质素，直径在1~50nm。
12.可选的，所述造浆膨润土为钠基膨润土。
13.可选的，所述生物柴油的密度为0.87~0.89 g/cm3，脂肪酸甲酯含量≥ 99.5%。
14.一种高稳定性pickering乳液型钻井液的制备方法，包括：按照比例将纳米纤维素悬浮液和木质素纳米颗粒分散液进行混合，制得混合液1；按照比例向混合液1中添加造浆膨润土进行均匀混合，制得混合液2；将混合液2超声乳化至均相乳液，即得到木质素纳米颗粒协同纳米纤维素稳定的pickering乳液型钻井液。
15.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明提供的一种高稳定性pickering乳液型钻井液及其制备方法，采用木质素纳米颗粒作为协同稳定剂来提高纳米纤维素稳定的pickering乳液的稳定性，通过加入造浆膨润土后，可以得到高稳定性、低滤失量和低渗透率的木质素纳米颗粒协同纳米纤维素稳定的水包油（o/w）pickering乳液型钻井液；纳米纤维素和木质素纳米颗粒属于环保可再生的生物质绿色材料，安全无毒、可生物降解且生物相容性好，有利于环境保护和绿色油田的建设，还可促进生物质资源的高效利用；本发明提供的一种高稳定性pickering乳液型钻井液的制备方法简捷易行、工艺易调控；本发明提供的一种高稳定性pickering乳液型钻井液在油气开采领域中具有潜在的应用价值；纳米纤维素的缠结网络结构和剪切变稀特性有利于改善钻井液体系的钻屑携带能力和流变特性，有利于降低其它钻井液添加剂的使用量，减少钻井液的总体固含量。
附图说明
16.图1为纳米纤维素的透射电镜扫描图；图2为木质素纳米颗粒的透射电镜扫描图；图3为本发明对比例的pom图；图4为本发明实施例一的pom图；图5为本发明实施例二的pom图；
图6为本发明对比例和实施例一和二的滤失性能图；图7为本发明对比例所形成滤饼表面的扫描电子显微镜图；图8为本发明实施例一所形成滤饼表面的扫描电子显微镜图；图9为本发明实施例二所形成滤饼表面的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
18.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应该理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
19.出于本说明书和所附权利要求书的目的，除非另有陈述，否则所有表达量、百分数或比例的数字及本说明书和所附权利要求书中所用的其他数值被理解为在所有情况下都由术语“约”修饰。此外，本文公开的所有范围都包括端点在内且可独立组合。
20.对比例如图1~3、6、7所示，本对比例提供了一种高稳定性pickering乳液型钻井液，该pickering乳液型钻井液由纳米纤维素悬浮液、木质素纳米颗粒分散液和生物柴油组成，纳米纤维素悬浮液、木质素纳米颗粒分散液与生物柴油的体积比为3:3:2，纳米纤维素悬浮液和木质素纳米颗粒分散液的浓度均为2 wt%。
21.一种高稳定性pickering乳液型钻井液的制备方法，包括：s1，将1 g绝干桉木纤维分散于100ml去离子水中，加入16 mg tempo、0.1 g溴化钠和6.9 g有效氯含量为5.2 %的次氯酸钠溶液，边搅拌边滴加0.5 mol/l氢氧化钠溶液控制反应体系ph值保持在10.0~10.5之间，待反应体系的ph值不再变化时加入大量乙醇结束反应；将反应结束后的混合液离心，得到的产物洗涤至中性后，分散于去离子水中，超声至纳米尺度，制得纳米纤维素悬浮液，并调节悬浮液浓度为2wt%；s2，使用64~72 wt% h2so4溶液将碱法蒸煮纤维原料过程中所产生的废液（黑液）的ph调至1.5~2.0，并置于室温下搅拌30 min后，置于45~55 ℃水浴锅中恒温搅拌90 min，在室温下静置后离心洗涤沉淀物；将产物分散于去离子水中机械超声处理得到纳米尺度的木质素分散液，并将其浓度调至2 wt%；s3，将37.5ml的2wt%木质素纳米颗粒分散液和37.5ml的2wt%纳米纤维素悬浮液混合后，与25ml生物柴油超声乳化40 min后得到木质素纳米颗粒协同纳米纤维素稳定的pickering乳液型钻井液。
22.按照api标准测定了木质素纳米颗粒协同纳米纤维素稳定的pickering乳液型钻井液的滤失量，通过旋转流变仪测定其流变性能，实验结果见表1。
23.实施例一如图1、2、4、6、8所示，本实施例提供了一种高稳定性pickering乳液型钻井液，该pickering乳液型钻井液由纳米纤维素悬浮液、木质素纳米颗粒分散液、天然钠基膨润土和生物柴油组成，纳米纤维素悬浮液、木质素纳米颗粒分散液与生物柴油的体积比为3:3:2，
纳米纤维素悬浮液和木质素纳米颗粒分散液的浓度均为2wt%，纳米纤维素或木质素纳米颗粒与造浆膨润土的质量比为1:1。
24.一种高稳定性pickering乳液型钻井液的制备方法，包括：s1，将1 g绝干桉木纤维分散于100ml去离子水中，加入16 mg tempo、0.1 g溴化钠和6.9 g有效氯含量为5.2 %的次氯酸钠溶液，边搅拌边滴加0.5 mol/l氢氧化钠溶液控制反应体系ph值保持在10.0~10.5之间，待反应体系的ph值不再变化时加入大量乙醇结束反应；将反应结束后的混合液离心，得到的产物洗涤至中性后，分散于去离子水中，超声至纳米尺度，制得纳米纤维素悬浮液，并调节悬浮液浓度为2wt%；s2，使用64~72 wt% h2so4溶液将碱法蒸煮纤维原料过程中所产生的废液（黑液）的ph调至1.5~2.0，并置于室温下搅拌30 min后，置于45~55℃水浴锅中恒温搅拌90 min，在室温下静置后离心洗涤沉淀物；将产物分散于去离子水中机械超声处理得到纳米尺度的木质素分散液，并将其浓度调至2 wt%；s3，将37.5ml的2wt%木质素纳米颗粒分散液和37.5ml的2wt%纳米纤维素悬浮液混合后，继续加入0.75g天然钠基膨润土并均匀分散，最终将其与25ml生物柴油超声乳化40min后得到木质素纳米颗粒协同纳米纤维素稳定的pickering乳液型钻井液。
25.按照api标准测定了木质素纳米颗粒协同纳米纤维素稳定的pickering乳液型钻井液的滤失量，通过旋转流变仪测定其流变性能，实验结果见表1。
26.实施例二如图1、2、5、6、9所示，本实施例提供了一种高稳定性pickering乳液型钻井液，该pickering乳液型钻井液由纳米纤维素悬浮液、木质素纳米颗粒分散液、天然钠基膨润土和生物柴油组成，纳米纤维素悬浮液、木质素纳米颗粒分散液与生物柴油的体积比为3:3:2，纳米纤维素悬浮液和木质素纳米颗粒分散液的浓度均为2 wt%，纳米纤维素或木质素纳米颗粒与造浆膨润土的质量比为1:2。
27.一种高稳定性pickering乳液型钻井液的制备方法，包括：s1，将1 g绝干桉木纤维分散于100ml去离子水中，加入16 mg tempo、0.1 g溴化钠和6.9g有效氯含量为5.2 %的次氯酸钠溶液，边搅拌边滴加0.5 mol/l氢氧化钠溶液控制反应体系ph值保持在10.0~10.5之间，待反应体系的ph值不再变化时加入大量乙醇结束反应；将反应结束后的混合液离心，得到的产物洗涤至中性后，分散于去离子水中，超声至纳米尺度，制得纳米纤维素悬浮液，并调节悬浮液浓度为2wt%；s2，使用64~72 wt% h2so4溶液将碱法蒸煮纤维原料过程中所产生的废液（黑液）的ph调至1.5~2.0，并置于室温下搅拌30 min后，置于45~55 ℃水浴锅中恒温搅拌90 min，在室温下静置后离心洗涤沉淀物；将产物分散于去离子水中机械超声处理得到纳米尺度的木质素分散液，并将其浓度调至2 wt%；s3，将37.5ml的2wt%木质素纳米颗粒分散液和37.5ml的2wt%纳米纤维素悬浮液混合后，继续加入1.5g天然钠基膨润土并均匀分散，最终将其与25ml生物柴油超声乳化40min后得到木质素纳米颗粒协同纳米纤维素稳定的pickering乳液型钻井液。
28.按照api标准测定了木质素纳米颗粒协同纳米纤维素稳定的pickering乳液型钻井液的滤失量，通过旋转流变仪测定其流变性能，实验结果见表1。
29.性能测试
对实施例1和2，及对比例制备的pickering乳液型钻井液进行滤失性能和流变试验。测试结果见表1。
30.滤失测试采用如下方法：将100ml pickering乳液型钻井液注入失水仪中，将压力调节至100 psi后打开减压阀，同时启动秒表，记录滤失时间及滤失量。以ml为单位记录过滤时间在30 min的滤液体积，即为api滤失量。
31.稳态流变测试方法如下：采用thermo haake mars60旋转流变仪平板测量系统对制备的pickering乳液型钻井液进行稳态剪切测试。所有样品的测试条件如下：恒温25℃，剪切速率范围0.1~1000 s-1
。
32.实施例1和2及对比例制备的pickering乳液型钻井液滤失性能和粘度测试结果如下表1：
从表1中可以看出，在对比例中，木质素纳米颗粒协同纳米纤维素作为固体颗粒稳定剂时，制得的pickering乳液钻井液的滤失量大（5min内全部流失），不能有效封堵滤纸，流失速度快，其粘度随剪切速率增大而降低，具有典型的剪切变稀行为。而在实施例1和2中，木质素纳米颗粒协同纳米纤维素稳定的pickering乳液钻井液在加入造浆膨润土后，其滤失量大幅度降低，且随着造浆膨润土含量的增大而逐渐降低。在添加1.5 g造浆膨润土后，获得最低滤失量3.4ml。同时从流变数据中可以看出，不同剪切速度下的粘度明显高于对比例中的pickering乳液型钻井液。因此，木质素纳米颗粒协同纳米纤维素稳定的pickering乳液在加入造浆膨润土后，乳液的流变性能和滤失性能明显改善。
33.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。