一种钻井液用封堵防塌剂及其制备方法与流程

本发明涉及油田钻井，具体涉及一种钻井液用封堵防塌剂及其制备方法。

背景技术：

1、钻井液是钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体总称，也被形象地称为“钻井的血液”。钻井液按其组成成分可分为多种类型，包括清水、泥浆、无粘土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等。随着深井和超深井的不断增多，钻井面临的困难也越来越大，其中井壁失稳的问题最为突出，而井壁失稳主要是由于钻井液滤液侵入井筒导致，因此阻止钻井液对井壁的渗入是防止井壁失稳的关键。目前，在钻井液中添加降滤失剂，通过形成滤饼的方式，减小泥页岩地层的孔隙，进而有效降低滤饼的滤失量，但是滤饼中纳米级的孔隙无法完全消除，在实际操作中仍存在不足，因此，封堵纳米级孔隙对解决井壁失稳问题尤为重要。

2、封堵防塌剂是钻井液的一种重要添加剂，可阻止或延缓水从井眼向地层内迁移，从而防止地层塌陷。现有的封堵防塌剂主要有沥青类、聚合醇类和纳米材料，由于沥青类难以紧密吸附在岩石表面，只能以物理吸附的形式进行封堵，持续时间较短，而且沥青类封堵防塌剂的荧光强度较高，因此限制性较大。聚合醇类无固相粒子，无法实现对纳米级孔隙的有效封堵。纳米材料刚性强，虽然能一定程度上对纳米级孔隙进行封堵，但是纳米粒子在钻井液中易发生团聚，难以高度分散，而且与沥青类封堵防塌剂相似，难以和孔隙有效结合，易被高速流动的流体冲散，封堵效果一般，因此，想要使用纳米粒子作为封堵防塌剂，还需要进行适当改进。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种钻井液用封堵防塌剂及其制备方法，解决了纳米粒子封堵防塌剂封堵效果不佳的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种钻井液用封堵防塌剂，按重量份数计，包括以下原料：改性氮化碳纳米片1-3份、第一单体5-12份、第二单体10-25份、缓冲剂0.2-0.5份、支化试剂2-4份、引发剂0.5-1份；

4、所述封堵防塌剂具有壳核型结构，其中壳层是由第一单体、第二单体以及支化试剂在引发剂的作用下进行自由基聚合形成的具有树枝状结构的支化聚合物，核层为改性氮化碳纳米片。

5、进一步优选地，所述第一单体为丙烯酸或者甲基丙烯酸中的任一种；所述第二单体为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺或者2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中的任一种；所述缓冲剂为碳酸氢钠；所述引发剂为过硫酸钾或者过硫酸铵中的任一种。

6、进一步优选地，所述改性氮化碳纳米片的制备方法如下所述：

7、取氮化碳纳米片，将其分散在氯仿中，超声分散至形成均匀分散液，向分散液中加入不饱和酰氯化合物搅匀，通入氮气进行保护，并置于0-5℃的温度条件中，滴加缚酸剂，加毕，于室温下搅拌8-12h后，进行抽滤，使用氯仿和甲醇对物料进行洗涤，真空干燥，即可得到改性氮化碳纳米片。

8、进一步优选地，所述不饱和酰氯化合物为丙烯酰氯、甲基丙烯酰氯或者二烯丙基氨基甲酰氯中的任一种。

9、进一步优选地，所述缚酸剂为三乙胺或者吡啶中的任一种。

10、通过采用上述技术方案，可能的机理是：氮化碳纳米片表面富含氨基，不饱和酰氯化合物结构中含有高活性的酰氯基团，彼此之间可发生酰胺化缩合反应，可将氮化碳纳米片表面的氨基转化为可发生自由基聚合反应的不饱和烯基，制得改性氮化碳纳米片。

11、进一步优选地，所述支化试剂的制备方法如下所述：

12、步骤一：将双端胺化物、1,2,5,6-二环氧己烷和1,4-二氧六环依次加入至反应釜中，通入氮气保护，开启搅拌，10-20min后，开启加热，在搅拌条件下将温度上升至60-70℃，在该温度下保持6-9h后，旋转蒸发除去低沸物，使用丙酮洗涤粗产物，经真空干燥处理，得到中间产物；

13、步骤二：将中间产物和甲苯依次加入至反应釜中，开启搅拌，待形成均匀溶液后，通入氮气除去空气，继续加入二甲基丙烯酸甘油酯和催化剂，加毕，开启加热，将温度升高至70-80℃，保温4-6h后，撤去氮气，蒸发去除溶剂，得到的粗产物经洗涤和真空干燥处理，即可得到支化试剂。

14、进一步优选地，步骤一中，所述双端胺化物为n,n,n',n'-四甲基-1,4-丁二胺、n,n,n',n'-四甲基-1,6-己二胺或者1,10-双(二甲基氨基)癸烷中的任一种。

15、进一步优选地，步骤一中，所述双端胺化物和1,2,5,6-二环氧己烷的摩尔比为1:1.1-1.3。

16、进一步优选地，步骤二中，所述催化剂为n,n-二甲基苄胺、四丁基溴化铵或者四丁基硫酸氢铵中的任一种。

17、通过采用上述技术方案，可能的机理是：由于叔胺基团与环氧基团可发生开环反应，因此双端胺化物结构端部的叔胺基团可以与1,2,5,6-二环氧己烷结构端部的环氧基团发生开环，并形成首尾不断扩链连接的长链分子，通过控制反应物的摩尔比，可使长链分子的端部为环氧基团，并且在开环过程中，会产生大量季铵盐官能团，制得结构中含有大量季铵盐官能团，且端部为环氧基团的中间产物，该中间产物结构中的环氧基团经催化剂催化，可以进一步与二甲基丙烯酸甘油酯结构中的羟基发生开环反应，从而将中间产物端部的环氧基团转化为可聚合的四当量不饱和烯基官能团，制得支化试剂。

18、一种钻井液用封堵防塌剂的制备方法，包括以下步骤：

19、第一步：向搅拌釜中加入纯化水，再加入改性氮化碳纳米片，分散均匀，形成分散液，再将第一单体和第二单体依次加入至分散液中，设置转速为800-1000r/min，机械搅拌10-20min，形成预聚混合料；

20、第二步：将预聚混合料转移至反应器中，向反应器中通入氮气，开启搅拌和加热，加热至70-80℃，加入缓冲剂，加毕，继续加入三分之一量的引发剂，保温反应1-2h后，加入支化试剂和剩余量的引发剂，加毕，继续反应6-8h，撤去氮气，停止加热，自然降温，得到有机-无机杂化聚合物乳液；

21、第三步：将有机-无机杂化聚合物乳液的ph调节至8，离心分离出固体产物，经洗涤除杂、真空干燥和研磨分散处理，即可得到封堵防塌剂。

22、通过采用上述技术方案，改性氮化碳纳米片表面含有不饱和烯基官能团，可以与第一单体、第二单体发生自由基聚合反应，在氮化碳表面形成聚合分子链，在聚合反应过程中，继续加入支化试剂，可使聚合分子链形成支化结构，从而在氮化碳纳米片表面形成树枝状支化聚合物，最终形成壳层为树枝状支化聚合物，核层为氮化碳纳米片的壳核型封堵防塌剂。

23、本发明的有益效果：

24、本发明以刚性氮化碳纳米片为核，使制备得到的封堵防塌剂抗压强度好，能够实现对纳米级孔隙的封堵。氮化碳纳米片表面的树枝状支化聚合物中含有丰富的季铵盐阳离子，不仅能够通过静电作用，使氮化碳纳米片之间产生相互排斥，使彼此之间相互分离，因此能够避免氮化碳纳米片在钻井液中发生团聚的现象，达到均匀分散的效果，而且大量的阳离子可以与滤饼中黏土表面的负电荷产生静电吸附，同时支化聚合物分子链可以插层进黏土层间，从而与黏土紧密结合，对滤饼中的纳米级孔隙形成有效封堵，可避免防塌剂被高速流动的流体冲散，进而形成致密泥饼，有效减缓滤液的侵入，从而达到优异的封堵效果。

25、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。