钻井液中固体纳米粒子分散过程及多组分作用原理研究

钻井液中添加固体纳米粒子处理剂用于稳定井壁和保护储层的方法已被人们所接受，现场应用见到部分效果。针对固体纳米粒子在钻井液多组分悬浮体中难于分散的工程问题，提出以负电性纳米粒子通过静电排斥作用稳定负电性粘土的思路，采用表面化学改性方法在纳米粒子表面引入亲水性、水解后呈电负性的聚合物，以实现纳米粒子在钻井液中的良好分散。利用近红外扫描仪、激光粒度仪分析评价纳米粒子水分散液及纳米钻井液的分散稳定性，测试评价钻井液体系的粒度级配和分散程度；采用紫外可见分光光度计研究纳米粒子与聚合物的吸附作用规律；利用Zeta电位仪分析评价无机电解质对固体纳米粒子的分散稳定性的影响规律；采用透射电镜、扫描电镜等精细仪器设备分析纳米粒子与造浆粘土的相互作用规律。深入分析纳米粒子-聚合物-粘土多元组分之间的作用方式、作用强度，探索纳米钻井液在井壁形成不透水阻挡层的机制，为纳米钻井液的广泛应用奠定理论基础和提供技术保障。

根据固体纳米材料基本物理化学性质、水相沉降性能和钻井液滤失性能评价优选出纳米碳酸钙和PA纳米胶乳作为研究对象，利用聚乙二醇(PEG)、羧酸盐、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)、KH-550和聚丙烯酰胺(PAM)六种分散剂对纳米碳酸钙进行分散改性，并通过沉降稳定法和分光光度法对其分散效果进行评价，确定以羧酸盐作为纳米碳酸钙的分散剂进一步优化分散条件。通过吸光度比值r24和粒径分布优化分散条件，在超声清洗器中超声处理9min，调节分散环境pH为9，添加3%羧酸盐用量（相对于纳米碳酸钙）可以使纳米碳酸钙分散性能最好，纳米颗粒沉降速度最低，通过扫描电镜、激光粒度仪和ζ电位分析仪评价了悬浮液分散效果，纳米碳酸钙达到最佳分散稳定效果，粒度为640nm且粒度分布集中。以十二烷基硫酸钠、三乙醇胺、聚丙烯酰胺及其复配混合物为分散剂，研究了PA胶乳的分散效果，当加入4%的三乙醇胺和4%的浓度为0.02%的聚丙烯酰胺配成的复配分散剂时，体系ZETA电位的绝对值最大，为264mV，胶乳粒子分散更均匀。. 为了探讨羧酸盐分散改性纳米碳酸钙的机理，通过分散剂羧酸盐在纳米碳酸钙表面上吸附行为、纳米碳酸钙表面ζ电位的测试和纳米碳酸钙分散前后表面润湿性的研究进一步探讨ζ电位、分散剂吸附量、pH三者关系，发现羧酸盐分散纳米碳酸钙过程复杂，单纯的空间位阻和静电排斥均无法解释羧酸盐分散改性原理。羧酸盐在纳米碳酸钙上最大吸附量达到4%，最大ζ电位值为-47.7mV，羧酸盐过多会因为聚电解质双电层压缩和疏水性长链相互缠绕影响分散效果，pH的增加减弱了羧酸盐在碳酸钙表面的吸附，但有利于其电离程度的增加，使颗粒表面ζ电位绝对值增大。在吸附层空间位阻和表面ζ电位静电排斥力共同作用下，纳米碳酸钙达到最佳分散状态。. 评价了分散纳米碳酸钙在钻井液中的应用效果，通过滤失性能、润滑性能、流变性能、页岩回收率和线性膨胀率的测定对固体纳米材料在钻井液中应用性能进行评价，研究结果表明分散纳米碳酸钙在钻井液中应用效果良好，纳米钻井液API滤失量为6mL，经高温滚子炉24h热滚后能耐140℃高温，降滤失性能突出，水化膨胀性测试结果显示，纳米钻井液能有效抑制页岩水化膨胀，膨胀率仅15%，页岩滚动回收率较高，达到了88.6%，且显现出良好的润滑性能，润滑系数降低率为84%。