一种基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液

摘要

本发明提供了一种基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液，至少包括以下组分，各组分的质量百分比为：发泡剂0.1～0.3%，稳泡剂0.1～0.3%，纳米材料0.05～0.125%，余量为水，所述的纳米材料为粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒。纳米二氧化硅材料能封堵地层的纳米级孔喉，可以减少水分对岩石的侵蚀，同时可以增加泡沫钻井液的发泡体积和延长泡沫的半衰期；基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液粘度和切力参数较高，完全可以满足低压地层岩屑携带和井壁稳定的要求。

权利要求

1.一种基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液，其特征在于由以下组分组成，各组分的质量百分比为：发泡剂0.1～0.3％，稳泡剂0.1～0.3％，纳米材料0.05～0.125％，余量为水，所述的纳米材料为粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒，用于增加泡沫钻井液的发泡体积并延长泡沫的半衰期；所述纳米二氧化硅颗粒以纳米二氧化硅的分散液的形式添加于钻井液中，且纳米二氧化硅的分散液中纳米二氧化硅颗粒的质量百分比为28～32％；发泡剂为十二烷基硫酸钠；稳泡剂为羧甲基纤维素。

2.根据权利要求1所述的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液，其特征在于：纳米材料在钻井液中的质量百分比为0.075％。

说明书

一种基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液

技术领域

[0001] 本发明涉及一种油气钻井与地质钻探等领域所使用的钻井液，具体属于一种可循环使用的三相水基泡沫钻井液。

背景技术

[0002] 在低压漏失地层钻进过程中，使用传统的水基钻井液无法实现近平衡或欠平衡钻进，且会对储层存在不同程度的伤害；采用空气钻进对储层伤害小，但实施工艺复杂且成本较高。泡沫钻井液是采用某些表面活性剂与聚合物结合在一起产生泡沫，形成一种可以阻止或延缓钻井液侵入地层的泡沫网络。它的低密度与低液柱压力特性，可以与地层压力具有很好的适应性。另外，泡沫钻井液具有良好的防漏堵漏的效果，固井质量高。

[0003] 泡沫钻井液的的两个基本参数是发泡体积和半衰期。为了使泡沫钻井液具有较大的发泡体积和较长的半衰期，通常会添加各种表面活性剂作为发泡剂并同时添加高分子聚合物作为稳泡剂。但是随着地质钻探工作往钻孔更深、地质条件更复杂的方向发展，普通的泡沫钻井液无法满足一些钻探工程中的严格要求。

[0004] 目前，中国发明专利（专利号201210310014.4）公开了一种泡沫钻井液，包括如下组分，各组分按质量百分比计：发泡剂为0.5～2.0%、稳泡剂为0.2～0.5%、泥页岩抑制剂为2～10%、泥页岩稳定剂为0.2～1.0%，余量为水；且泡沫钻井液的pH值为8～10。但是，该体系中并不含有纳米材料；

[0005] 中国发明专利（专利号ZL201010131856.4）公开了一种抑制泥页岩膨胀的改性纳米钻井液处理剂，该发明是用硅烷偶联剂接枝在纳米SiO2上，并接枝聚合丙烯酰胺，形成长链的接枝纳米SiO2，称为改性纳米SiO2，将该纳米SiO2颗粒均匀、稳定的分散在钻井液中形成改性纳米钻井液。不过，该钻井液并非泡沫钻井液，而且纳米SiO2主要起降滤失、抑制泥页岩膨胀的作用。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液，纳米二氧化硅可以增加泡沫钻井液的发泡体积和半衰期、封堵地层纳米级孔隙以减小水分对岩石的侵蚀，同时这种泡沫钻井液具有较好的流变性和防漏堵漏性能，可以满足低压地层钻进岩屑携带和井壁稳定的要求。

[0007] 实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

[0008] 一种基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液，至少包括以下组分，各组分的质量百分比为：发泡剂0.1～0.3%，稳泡剂0.1～0.3%，纳米材料0.05～0.125%，余量为水，所述的纳米材料为粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒。

[0009] 发泡剂为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠。

[0010] 稳泡剂为羧甲基纤维素或黄原胶。

[0011] 纳米二氧化硅颗粒以纳米二氧化硅的分散液的形式添加于钻井液中，且纳米二氧化硅的分散液中纳米二氧化硅颗粒的质量百分比为28～32%。

[0012] 纳米材料在钻井液中的质量百分比为0.075%。

[0013] 本发明中所提供的泡沫钻井液由于添加有纳米材料，纳米材料能封堵地层的纳米级孔喉，因此可以减少水分对岩石的侵蚀；纳米材料同时还能够增加泡沫钻井液的发泡体积并且延长泡沫的半衰期。该泡沫钻井液在钻进时与地层压力相适应相平衡，并且流变性好，满足岩屑携带要求，适用于低压底层钻进。

附图说明

[0014] 图1为实施例1中纳米二氧化硅含量对发泡体积和半衰期的影响曲线；

[0015] 图2为实施例2中纳米二氧化硅含量对发泡体积和半衰期的影响曲线；

[0016] 图3为实施例3中纳米二氧化硅含量对发泡体积和半衰期的影响曲线；

[0017] 图4为实施例4中纳米二氧化硅含量对发泡体积和半衰期的影响曲线；

[0018] 图5为实施例5中纳米二氧化硅含量对发泡体积和半衰期的影响曲线；

[0019] 图6为实施例6中纳米二氧化硅含量对发泡体积和半衰期的影响曲线；

[0020] 图7为实施例7中纳米二氧化硅含量对发泡体积和半衰期的影响曲线；

[0021] 图8为实施例8中纳米二氧化硅含量对发泡体积和半衰期的影响曲线。

具体实施方式

[0022] 下面结合具体实施例对本发明做详细具体的说明。

[0023] 以下实施例主要反映：（1）纳米材料稳定的泡沫钻井液的流变参数；（2）纳米二氧化硅加量对泡沫钻井液发泡体积和半衰期的影响。

[0024] 实施例1：

[0025] 本实施例中所提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液包括水、发泡剂、稳泡剂和粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒，其中发泡剂选用十二烷基苯磺酸钠，稳泡剂选用羧甲基纤维素。

[0026] 本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的制备方法如下：

[0027] 首先按照以下质量百分比：发泡剂0.1%，稳泡剂0.1%，纳米材料0.05～0.125%，水余量，称取水、发泡剂、稳泡剂和纳米材料；

[0028] 然后在搅拌装置中先加入水，再依次加入发泡剂、稳泡剂和纳米材料，在10000转/分的转速条件下搅拌60s后，得到基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液。

[0029] 在本实施例中，为了探讨纳米二氧化硅的添加量对泡沫钻井液发泡体积和半衰期的影响，纳米二氧化硅的添加量分别选取0、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%，在室温条件（10℃）测试发泡体积和泡沫半衰期，分析评价不同添加量的纳米二氧化硅对泡沫稳定性改善的效果，结果如图1所示。

[0030] 由图1可以看出：含有纳米二氧化硅的泡沫钻井液发泡体积更高，半衰期更长（稳定性更好），发泡体积的增幅在10～15%之间，半衰期的增幅在14.2～26.18％之间；而且纳米二氧化硅的添加量在0.05～0.1%时，纳米二氧化硅稳定泡沫的效果明显，且添加量为0.075%时性能最优。

[0031] 本实施例中纳米材料的添加量为0.075%时所制得的泡沫钻井液性能最优，在室温条件下（10℃）测试该泡沫钻井液的流变性能参数，见下表。

[0032]表观粘度/mPa·s 塑性粘度/mPa·s 动切力(Pa) 初切/终切(Pa/ Pa)
15 13 2 0.75/0.75

[0033] 由上表可见，本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的粘度和切力参数较高，完全可以满足低压地层岩屑携带和井壁稳定的要求。

[0034] 实施例2：

[0035] 本实施例中所提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液包括水、发泡剂、稳泡剂和粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒，其中发泡剂选用十二烷基苯磺酸钠，稳泡剂选用黄原胶。

[0036] 本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的制备方法如下：

[0037] 首先按照以下质量百分比：发泡剂0.1%，稳泡剂0.1%，纳米材料0.05～0.125%，水余量，称取水、发泡剂、稳泡剂和纳米材料；

[0038] 然后在搅拌装置中先加入水，再依次加入发泡剂、稳泡剂和纳米材料，在10000转/分的转速条件下搅拌60s后，得到基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液。

[0039] 在本实施例中，为了探讨纳米二氧化硅的添加量对泡沫钻井液发泡体积和半衰期的影响，纳米二氧化硅的添加量分别选取0、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%，在室温条件（10℃）测试发泡体积和泡沫半衰期，分析评价不同添加量的纳米二氧化硅对泡沫稳定性改善的效果，结果如图2所示。

[0040] 由图2可以看出：含有纳米二氧化硅的泡沫钻井液发泡体积更高，半衰期更长（稳定性更好），发泡体积的增幅在2.9～8.8%之间，半衰期的增幅在2.99～23.9％之间；而且纳米二氧化硅的添加量在0.05～0.1%时，纳米二氧化硅稳定泡沫的效果明显，且添加量为0.075%时性能最优。

[0041] 本实施例中纳米材料的添加量为0.075%时所制得的泡沫钻井液性能最优，在室温条件下（10℃）测试该泡沫钻井液的流变性能参数，见下表。

[0042]表观粘度/mPa·s 塑性粘度/mPa·s 动切力(Pa) 初切/终切(Pa/ Pa)
22.5 15 7.5 1.25/1.25

[0043] 由上表可见，本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的粘度和切力参数较高，完全可以满足低压地层岩屑携带和井壁稳定的要求。

[0044] 实施例3：

[0045] 本实施例中所提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液包括水、发泡剂、稳泡剂和粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒，其中发泡剂选用十二烷基硫酸钠，稳泡剂选用羧甲基纤维素。

[0046] 本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的制备方法如下：

[0047] 首先按照以下质量百分比：发泡剂0.1%，稳泡剂0.1%，纳米材料0.05～0.125%，水余量，称取水、发泡剂、稳泡剂和纳米材料；

[0048] 然后在搅拌装置中先加入水，再依次加入发泡剂、稳泡剂和纳米材料，在10000转/分的转速条件下搅拌60s后，得到基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液。

[0049] 在本实施例中，为了探讨纳米二氧化硅的添加量对泡沫钻井液发泡体积和半衰期的影响，纳米二氧化硅的添加量分别选取0、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%，在室温条件（10℃）测试发泡体积和泡沫半衰期，分析评价不同添加量的纳米二氧化硅对泡沫稳定性改善的效果，结果如图3所示。

[0050] 由图3可以看出：含有纳米二氧化硅的泡沫钻井液发泡体积更高，半衰期更长（稳定性更好），发泡体积的增幅在0～5%之间，半衰期的增幅在2.45～15.6％之间；而且纳米二氧化硅的添加量在0.05～0.1%时，纳米二氧化硅稳定泡沫的效果明显，且添加量为0.075%时性能最优。

[0051] 本实施例中纳米材料的添加量为0.075%时所制得的泡沫钻井液性能最优，在室温条件下（10℃）测试该泡沫钻井液的流变性能参数，见下表。

[0052]

[0053] 由上表可见，本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的粘度和切力参数较高，完全可以满足低压地层岩屑携带和井壁稳定的要求。

[0054] 实施例4：

[0055] 本实施例中所提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液包括水、发泡剂、稳泡剂和粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒，其中发泡剂选用十二烷基硫酸钠，稳泡剂选用黄原胶。

[0056] 本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的制备方法如下：

[0057] 首先按照以下质量百分比：发泡剂0.1%，稳泡剂0.1%，纳米材料0.05～0.125%，水余量，称取水、发泡剂、稳泡剂和纳米材料；

[0058] 然后在搅拌装置中先加入水，再依次加入发泡剂、稳泡剂和纳米材料，在10000转/分的转速条件下搅拌60s后，得到基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液。

[0059] 在本实施例中，为了探讨纳米材料的添加量对泡沫钻井液发泡体积和半衰期的影响，纳米材料的添加量分别选取0、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%，在室温条件（10℃）测试发泡体积和泡沫半衰期，分析评价不同添加量的纳米二氧化硅对泡沫稳定性改善的效果，结果如图4所示。

[0060] 由图4可以看出：含有纳米二氧化硅的泡沫钻井液发泡体积更高，半衰期更长（稳定性更好），发泡体积的增幅在2.86～11.43%之间，半衰期的增幅在5.47～20.09％之间；而且纳米二氧化硅的添加量在0.05～0.1%时，纳米二氧化硅稳定泡沫的效果明显，且添加量为0.075%时性能最优。

[0061] 本实施例中纳米材料的添加量为0.075%时所制得的泡沫钻井液性能最优，在室温条件下（10℃）测试该泡沫钻井液的流变性能参数，见下表。

[0062]表观粘度/mPa·s 塑性粘度/mPa·s 动切力(Pa) 初切/终切(Pa/ Pa)
26.5 14 12.5 1.75/2

[0063] 由上表可见，本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的粘度和切力参数较高，完全可以满足低压地层岩屑携带和井壁稳定的要求。

[0064] 实施例5：

[0065] 本实施例中所提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液包括水、发泡剂、稳泡剂和粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒，其中发泡剂选用十二烷基苯磺酸钠，稳泡剂选用羧甲基纤维素。

[0066] 本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的制备方法如下：

[0067] 首先按照以下质量百分比：发泡剂0.3%，稳泡剂0.3%，纳米材料0.05～0.125%，水余量，称取水、发泡剂、稳泡剂和纳米材料；

[0068] 然后在搅拌装置中先加入水，再依次加入发泡剂、稳泡剂和纳米材料，在10000转/分的转速条件下搅拌60s后，得到基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液。

[0069] 在本实施例中，为了探讨纳米二氧化硅的添加量对泡沫钻井液发泡体积和半衰期的影响，纳米二氧化硅的添加量分别选取0、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%，在室温条件（10℃）测试发泡体积和泡沫半衰期，分析评价不同添加量的纳米二氧化硅对泡沫稳定性改善的效果，结果如图5所示。

[0070] 由图5可以看出：含有纳米二氧化硅的泡沫钻井液发泡体积更高，半衰期更长（稳定性更好），发泡体积的增幅在1.54～7.69%之间，半衰期的增幅在6.4～32.69％之间；而且纳米二氧化硅的添加量在0.05～0.1%时，纳米二氧化硅稳定泡沫的效果明显，且添加量为0.075%时性能最优。

[0071] 本实施例中纳米材料的添加量为0.075%时所制得的泡沫钻井液性能最优，在室温条件下（10℃）测试该泡沫钻井液的流变性能参数，见下表。

[0072]表观粘度/mPa·s 塑性粘度/mPa·s 动切力(Pa) 初切/终切(Pa/ Pa)
69.5 43.5 26 3.75/4

[0073] 由上表可见，本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的粘度和切力参数较高，完全可以满足低压地层岩屑携带和井壁稳定的要求。

[0074] 实施例6：

[0075] 本实施例中所提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液包括水、发泡剂、稳泡剂和粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒，其中发泡剂选用十二烷基苯磺酸钠，稳泡剂选用黄原胶。

[0076] 本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的制备方法如下：

[0077] 首先按照以下质量百分比：发泡剂0.3%，稳泡剂0.3%，纳米材料0.05～0.125%，水余量，称取水、发泡剂、稳泡剂和纳米材料；

[0078] 然后在搅拌装置中先加入水，再依次加入发泡剂、稳泡剂和纳米材料，在10000转/分的转速条件下搅拌60s后，得到基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液。

[0079] 在本实施例中，为了探讨纳米二氧化硅的添加量对泡沫钻井液发泡体积和半衰期的影响，纳米二氧化硅的添加量分别选取0、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%，在室温条件（10℃）测试发泡体积和泡沫半衰期，分析评价不同添加量的纳米二氧化硅对泡沫稳定性改善的效果，结果如图6所示。

[0080] 由图6可以看出：含有纳米二氧化硅的泡沫钻井液发泡体积更高，半衰期更长（稳定性更好），发泡体积的增幅在5.88～17.65%之间，半衰期的增幅在7.89～67.13％之间；而且纳米二氧化硅的添加量在0.05～0.1%时，纳米二氧化硅稳定泡沫的效果明显，且添加量为0.075%时性能最优。

[0081] 本实施例中纳米材料的添加量为0.075%时所制得的泡沫钻井液性能最优，在室温条件下（10℃）测试该泡沫钻井液的流变性能参数，见下表。

[0082]表观粘度/mPa·s 塑性粘度/mPa·s 动切力(Pa) 初切/终切(Pa/ Pa)
48.5 27.5 21 4.75/4

[0083] 由上表可见，本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的粘度和切力参数较高，完全可以满足低压地层岩屑携带和井壁稳定的要求。

[0084] 实施例7：

[0085] 本实施例中所提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液包括水、发泡剂、稳泡剂和粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒，其中发泡剂选用十二烷基硫酸钠，稳泡剂选用羧甲基纤维素。

[0086] 本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的制备方法如下：

[0087] 首先按照以下质量百分比：发泡剂0.3%，稳泡剂0.3%，纳米材料0.05～0.125%，水余量，称取水、发泡剂、稳泡剂和纳米材料；

[0088] 然后在搅拌装置中先加入水，再依次加入发泡剂、稳泡剂和纳米材料，在10000转/分的转速条件下搅拌60s后，得到基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液。

[0089] 在本实施例中，为了探讨纳米二氧化硅的添加量对泡沫钻井液发泡体积和半衰期的影响，纳米二氧化硅的添加量分别选取0、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%，在室温条件（10℃）测试发泡体积和泡沫半衰期，分析评价不同添加量的纳米二氧化硅对泡沫稳定性改善的效果，结果如图7所示。

[0090] 由图7可以看出：含有纳米二氧化硅的泡沫钻井液发泡体积更高，半衰期更长（稳定性更好），发泡体积的增幅在3.64～23.64%之间，半衰期的增幅在28.42～78.83％之间；而且纳米二氧化硅的添加量在0.05～0.1%时，纳米二氧化硅稳定泡沫的效果明显，且添加量为0.075%时性能最优。

[0091] 本实施例中纳米材料的添加量为0.075%时所制得的泡沫钻井液性能最优，在室温条件下（10℃）测试该泡沫钻井液的流变性能参数，见下表。

[0092]表观粘度/mPa·s 塑性粘度/mPa·s 动切力(Pa) 初切/终切(Pa/ Pa)
95.75 57.5 38.25 5/4.25

[0093] 由上表可见，本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的粘度和切力参数较高，完全可以满足低压地层岩屑携带和井壁稳定的要求。

[0094] 实施例8：

[0095] 本实施例中所提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液包括水、发泡剂、稳泡剂和粒径为10～20nm的纳米二氧化硅颗粒，其中发泡剂选用十二烷基硫酸钠，稳泡剂选用黄原胶。

[0096] 本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的制备方法如下：

[0097] 首先按照以下质量百分比：发泡剂0.3%，稳泡剂0.3%，纳米材料0.05～0.125%，水余量，称取水、发泡剂、稳泡剂和纳米材料；

[0098] 然后在搅拌装置中先加入水，再依次加入发泡剂、稳泡剂和纳米材料，在10000转/分的转速条件下搅拌60s后，得到基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液。

[0099] 在本实施例中，为了探讨纳米材料的添加量对泡沫钻井液发泡体积和半衰期的影响，纳米材料的添加量分别选取0、0.05%、0.075%、0.1%、0.125%，在室温条件（10℃）测试发泡体积和泡沫半衰期，分析评价不同添加量的纳米二氧化硅对泡沫稳定性改善的效果，结果如图8所示。

[0100] 由图8可以看出：含有纳米二氧化硅的泡沫钻井液发泡体积更高，半衰期更长（稳定性更好），发泡体积的增幅在13.33～56.67%之间，半衰期的增幅在45.32～217.57％之间；而且纳米二氧化硅的添加量在0.05～0.1%时，纳米二氧化硅稳定泡沫的效果明显，且添加量为0.075%时性能最优。

[0101] 本实施例中纳米材料的添加量为0.075%时所制得的泡沫钻井液性能最优，在室温条件下（10℃）测试该泡沫钻井液的流变性能参数，见下表。

[0102]表观粘度/mPa·s 塑性粘度/mPa·s 动切力(Pa) 初切/终切(Pa/ Pa)
95.75 57.5 38.25 5/4.25

[0103] 由上表可见，本实施例中提供的基于纳米二氧化硅材料的泡沫钻井液的粘度和切力参数较高，完全可以满足低压地层岩屑携带和井壁稳定的要求。

[0104] 上述实施例仅仅是为清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。