納米材料在鉆井液中的應(yīng)用

1、中國(guó)石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中國(guó)石油大學(xué)（北京）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)（論文）計(jì)（論文） 納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 性 別： 專 業(yè): 石油工程 批 次： 學(xué)習(xí)中心： 指導(dǎo)教師：溫航 2014 年 10 月 31 納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用 摘摘 要要 鑒于納米材料的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及與常規(guī)微細(xì)粉末材料不 同的特殊功性，本文跟蹤納米技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，開(kāi)展了納米技術(shù)在鉆井液 中的應(yīng)用研究工作。 本文在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，首先對(duì)納米粉體材料在水溶液中的分散 穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，粒度實(shí)驗(yàn)分析表明，納米顆粒在水溶液中的分 散性主要取決于分散劑及攪拌條件等因素；實(shí)驗(yàn)表

2、明鉆井液處理劑鈉羧 甲基纖維素(CMC)與生物聚合物(XC)能夠促進(jìn)納米粉體材料的水分散穩(wěn) 定性。實(shí)驗(yàn)探索了硅類、鈦類、鈣類、鋅類等納米材料對(duì)鉆井液處理劑 性能的影響，制備出納米改性 CMC 與納米改性 XC，并借助紅外光譜及 掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能表征，探討了納米改性處理劑 的作用機(jī)理。另外，實(shí)驗(yàn)探討了納米材料對(duì)無(wú)固相，低固相聚合物鉆井 液性能的改善作用，結(jié)果表明某些納米材料能夠改善體系老化后濾失和 攜巖能力；復(fù)配納米材料改性效果更好。本文取得的主要研究成果，為 開(kāi)拓納米材料在鉆井液中的應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：納米材料；水分散；改性鉆井液處理劑；聚合物鉆井液；攜巖

3、 能力 目目 錄錄 第一章第一章 前前 言言.1 第二章第二章 納米技術(shù)研究現(xiàn)狀納米技術(shù)研究現(xiàn)狀.3 2.1 納米水分散穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀.3 2.1.1 納米顆粒的分散方式納米顆粒的分散方式.3 2.1.2 納米顆粒的分散過(guò)程分析納米顆粒的分散過(guò)程分析.4 2.2 納米復(fù)合材料研究現(xiàn)狀.4 第三章第三章 實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)介.6 3.1 粒度分布特征測(cè)定方法.6 3.2 ZETA電位測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法.7 第四章第四章 納米材料的水分散性實(shí)驗(yàn)研究納米材料的水分散性實(shí)驗(yàn)研究.8 4.1 納米材料的選擇.8 4.1.1 硅類納米顆粒.8 4.1.3 鈣類納米顆粒.9 第第 5 章納米改性鉆井液處理劑的

4、研制與性能表征章納米改性鉆井液處理劑的研制與性能表征.10 5.1 納米改性鉆井液處理劑優(yōu)選與制備.10 5.1.1 鈉羧甲基纖維素 CMC.10 5.1.2 生物聚合物 XC .11 第第 6 章納米改性聚合物鉆井液室內(nèi)研究章納米改性聚合物鉆井液室內(nèi)研究.12 6.1 納米材料對(duì)甲酸鹽鉆并液的影響.12 第七章第七章 結(jié)結(jié) 論論 .14 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).15 致致 謝謝 .16 第一章第一章 前前 言言 所謂納米技術(shù)就是以掃描探針顯微鏡為技術(shù)手段在納米尺度 (O.1100m)上研究和利用原子、分子結(jié)構(gòu)的特性及其相互作用原理， 并按人類的需要在納米尺度上直接操縱物質(zhì)表面的分子、原子，甚至電

5、子來(lái)制造特定產(chǎn)品或創(chuàng)造納米級(jí)加工工藝的一門(mén)新興交叉學(xué)科技術(shù)。 納米材料是指納米技術(shù)制得的材料，即平均粒徑在 100nm 以下的材 料。納米技術(shù)是原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、配位化學(xué)、化學(xué)反 應(yīng)動(dòng)力學(xué)和表面、界面科學(xué)交匯而成的一門(mén)新學(xué)科。納米材料是指尺寸 為 O1100nm 的超微顆粒以及由這些超微顆粒加工成的各種材料。納 米材料是納米科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。在納米材料中，納米晶體 和由此產(chǎn)生的高濃度晶界是它的兩個(gè)重要特征。納米晶粒中的原子排列 已不能看成是無(wú)限有序。這樣大晶體的連續(xù)能帶就能分裂成接近分子軌 道的能級(jí)，高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁 性介電性、超導(dǎo)性

6、、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變。這些性能的改變突出 的表現(xiàn)在納米材料的表面效應(yīng)，體積效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)上。使得納米 微粒以及納米材料具有常規(guī)微粒和常規(guī)材料沒(méi)有的獨(dú)特的光、電、磁、 熱以及催化性能。正是由于納米材料的上述獨(dú)特性能引起科學(xué)工作者的 普遍的關(guān)注才使得其在環(huán)保、航天、信息產(chǎn)業(yè)以及涂料、生物醫(yī)學(xué)、制 藥等產(chǎn)業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用。 近年來(lái)，許多發(fā)達(dá)及發(fā)展中國(guó)家紛紛制定相關(guān)計(jì)劃，對(duì)納米技術(shù)進(jìn) 行研究。日本、美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資設(shè)立研究中心，研究網(wǎng)， 并將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心。為進(jìn)一步提高在納米領(lǐng)域的 競(jìng)爭(zhēng)力，中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家科技部，清華、北大等高校也紛紛投入巨資， 將納米研究列

7、入重點(diǎn)研究項(xiàng)目。迄今為止，我國(guó)已經(jīng)建立 10 多條納米 材料和技術(shù)的生產(chǎn)線，納米復(fù)合塑料、橡膠和纖維的改性、納米功能涂 層材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用、納米材料在能源和環(huán)保等方面的應(yīng)用開(kāi)發(fā)已在我 國(guó)興起。 為此，本文在查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)納米性能的初步探 討，研制開(kāi)發(fā)出新型納米復(fù)合鉆井液處理劑，并基于納米材料的特殊性 能將其應(yīng)用于無(wú)固相鉆井液體系，改善現(xiàn)有聚合物鉆井液高溫高壓老化 后濾失量大動(dòng)切力偏小的缺點(diǎn)。本文主要研究?jī)?nèi)容如下： (1)通過(guò)電動(dòng)電位測(cè)量、粒度及頁(yè)巖膨脹試驗(yàn)，較深入的研究納米 材料基本性能，并探討納米改性鉆井液處理劑的優(yōu)化配方及制備方法。 (2)對(duì)納米顆粒在水溶液中的分散穩(wěn)定性進(jìn)

8、行實(shí)驗(yàn)研究。利用電位 粒度儀，實(shí)驗(yàn)分析常用幾種鉆井液處理劑對(duì)納米材料的水分散性的影 響。 (3)實(shí)驗(yàn)探討制備納米改性鉆井液處理劑的主要影響因素，如分散 劑、處理劑的種類和加量以及反應(yīng)溫度、攪拌時(shí)間等，優(yōu)化改性納米鉆 井液處理劑的最佳制備條件。 (4)實(shí)驗(yàn)研究納米改性鉆井液處理劑作用機(jī)理，并借助紅外光譜及 掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)手段，對(duì)納米改性鉆井液處理劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能表征。 (5)實(shí)驗(yàn)探索利用納米材料(改性納米鉆井液處理劑)改善傳統(tǒng)聚合 物鉆井液性能。 第二章第二章 納米技術(shù)研究現(xiàn)狀納米技術(shù)研究現(xiàn)狀 2.1 納米水分散穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀納米水分散穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀 由于納米粒子尺寸小，比表面積大，其表面缺少鄰近

9、的配位原子， 因而其具有很高的活性，這種活性導(dǎo)致納米粒子極易彼此團(tuán)聚，從而使 得納米顆粒特有的性能在生產(chǎn)應(yīng)用中難以充分利用。因此，納米顆粒諸 多的奇異性能是否能夠充分發(fā)揮，在很大程度上，取決于納米顆粒能否 在介質(zhì)中均勻穩(wěn)定地分散并保持納米粒子的狀態(tài)。 2.1.1 納米顆粒的分散方式納米顆粒的分散方式 根據(jù)分散原理和手段的不同可分為以下幾類： 1.物理分散(機(jī)械力分散) 物理分散(機(jī)械力分散)是指借助外界剪切力或撞擊力等機(jī)械能使納 米粒子在介質(zhì)中充分分散的一種形式。主要分散方法有超聲波分散、射 流撞擊器分散、研磨分散、球磨分散、砂磨分散、膠體磨分散和高速攪 拌。 2化學(xué)分散(表面改性分散) 1)

10、靜電抗團(tuán)聚分散法 靜電抗團(tuán)聚分散方法是種新的納米顆粒分散方法，該方法已經(jīng)在 表面噴涂、礦粉分選、集塵、印刷和照相等技術(shù)領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。其 基本原理是：根據(jù)庫(kù)侖定律，使顆粒表面形成極性電荷，利用同極性電 荷的相互排斥作用阻止顆粒團(tuán)聚，從而實(shí)現(xiàn)顆粒均勻分散Sl。目前， 顆粒荷電主要包括電子束照射荷電、接觸荷電、電暈荷電等。其中，電 暈荷電技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，已經(jīng)成功地應(yīng)用于碳酸鈣納米顆粒的規(guī)?；?分散。 2)表面包覆分散 在體系中加入高分子物質(zhì)或表面活性劑之類的穩(wěn)定劑時(shí)，可降低界 面之間的張力，同時(shí)據(jù) Gibbs 吸附定理，界面上必然吸附穩(wěn)定劑而形成 面膜包敷納米顆粒，增大位阻斥力，達(dá)到顆粒分散目

11、的。崔愛(ài)莉等對(duì)二 氧化鈦粉末進(jìn)行單層二氧化硅表面包覆后，在 pH=6 時(shí)，氧化鈦顆粒表 面的電位由-20mv 變到-50mv，等電點(diǎn)由 38 變到 25。Green 等研究 了末端為羥基的聚乙二醇接枝到納米 A12O3表面，形成聚合物膜，增強(qiáng) 納米 A12O3的可分散性。Bourgeatlami 和 Espiard 等031 研究了丙烯 酸乙脂的接枝聚合反應(yīng)，在納米粒子表面構(gòu)成聚合物層，利用有機(jī)枝化 合物在有機(jī)介質(zhì)中的可溶性，增強(qiáng)納米粒子在有機(jī)介質(zhì)中的分散。郭小 龍等【241 利用分子量為 12300 的 PMAA-NH4 做分散劑得到穩(wěn)定的納米 SiC 水懸浮液，帶負(fù)電的 PMAA 吸附在

12、SiC 顆粒表面上，具有空間位阻 的同時(shí)還有靜電斥力的作用。 2.1.2 納米顆粒的分散過(guò)程分析納米顆粒的分散過(guò)程分析 納米顆粒在介質(zhì)中的分散過(guò)程一般分為以下三個(gè)步驟：(1)納米顆 粒在介質(zhì)中的潤(rùn)濕；(2)利用機(jī)械力打開(kāi)團(tuán)聚體；(3)穩(wěn)定已分散的顆粒。 為了使納米顆粒能被分散介質(zhì)潤(rùn)濕，一般需對(duì)納米顆粒表面進(jìn)行改性處 理，以降低其表面能。在潤(rùn)濕過(guò)程中，潤(rùn)濕的速度與介質(zhì)的 pH 值有關(guān)， 王相田等在分散二氧化硅粉末時(shí)，發(fā)現(xiàn) pH=2.Ol 時(shí)，二氧化硅的潤(rùn)濕速 度最快。粒子聚集體的打碎及粒徑的降低，可以通過(guò)剪切力、壓碾等機(jī) 械作用，如砂磨、球磨、高速攪拌機(jī)或超聲波及射流撞擊等方法實(shí)現(xiàn)。 隨著納米粒

13、子分散為更小的粒子，更大的表面積暴露在分散介質(zhì)中，此 時(shí)新生成的粒子表面被介質(zhì)潤(rùn)濕。分散過(guò)程的第三個(gè)階段是使分散的粒 子在介質(zhì)中穩(wěn)定存在，防止團(tuán)聚。為了獲得良好的穩(wěn)定效果，可以通過(guò) 離子穩(wěn)定、表面活性劑穩(wěn)定和高分子穩(wěn)定等手段達(dá)到目的。 2.2 納米復(fù)合材料研究現(xiàn)狀納米復(fù)合材料研究現(xiàn)狀 納米復(fù)合材料的概念起源于 20 世紀(jì) 80 年代初期，即分散相材料的 尺寸在一維方向?yàn)?100nm 以內(nèi)的復(fù)合材料。與常規(guī)材料相比，因其存在 超細(xì)的尺寸，所以各種類型的納米復(fù)合材料的性能比其相應(yīng)的宏觀或微 米級(jí)復(fù)合材料均有較大改善，甚至具有一些特有的效應(yīng)(如小尺寸效應(yīng)、 表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等)，因此其宏觀

14、理化性能明顯優(yōu)于常規(guī) 材料。 近年來(lái)，納米復(fù)合材料已經(jīng)在許多科學(xué)領(lǐng)域引起了廣泛的重視，成 為材料科學(xué)研究的重點(diǎn)。以聚合物為基體的聚合物，無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料 綜合了無(wú)機(jī)、高分子和納米材料的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的機(jī)械，光、電、磁 等特性，可形成重要的多功能新材料，采用納米技術(shù)對(duì)聚合物進(jìn)行改性 亦成為材料科學(xué)的研究前沿。 第三章第三章 實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)介 3.1 粒度分布特征測(cè)定方法粒度分布特征測(cè)定方法 英國(guó) Malvern 公司生產(chǎn)的 Zetasizer3000 型膠體顆粒度電位測(cè)試 儀，能測(cè)定 lnm3um 范圍內(nèi)樣品的粒度分布特征以及試液的電動(dòng)電位， 測(cè)試溫度可在 10-70oC 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

15、Zetasizer3000 型膠體顆粒度電位測(cè)試儀實(shí)物照片見(jiàn)圖 3 一 l 所 示。 圖 3-1 Zetasizer3000 膠體顆粒度電位測(cè)試儀實(shí)物圖 樣品制備及測(cè)試步驟如下： (1)準(zhǔn)備樣品 準(zhǔn)確稱量 3g 納米樣品加入盛有 300mL 蒸餾水的高攪杯中，高攪 20 分鐘， 倒入 500mL 量筒中待用。 (2)測(cè)試步驟 打開(kāi) Zetasizer3000 電位一粒度儀電源開(kāi)關(guān)； 打開(kāi)計(jì)算機(jī)并進(jìn)入 PCS 程序組載入 PCS 軟件，確保一個(gè) Zeta 窗口是 打開(kāi)并激活的，點(diǎn)擊 Zeta 測(cè)試窗口，預(yù)熱 20 分鐘： 用注射器將蒸餾水緩慢注入樣品池，清洗三遍，將樣品清液緩慢注入 樣品池，確保

16、樣品池內(nèi)無(wú)氣泡； 點(diǎn)擊樣品詳細(xì)列表，輸入樣品名稱，測(cè)定條件，回車； 點(diǎn)擊測(cè)試命令(GO)，進(jìn)行樣品測(cè)試； 測(cè)試完畢，對(duì)圖、表進(jìn)行處理，保存測(cè)試結(jié)果； 用注射器將蒸餾水緩慢注入樣品池，清洗三遍，再用空注射器注入 空氣將蒸餾水頂替出； 關(guān)閉測(cè)試儀及計(jì)算機(jī)。 3.2 Zeta 電位測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法電位測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法 利用 Zetasizer3000 型膠體顆粒度電位測(cè)試儀測(cè)定納米材料穩(wěn)定分散 溶 液的 zeta 電位。 樣品制備及測(cè)試步驟如下： (1)準(zhǔn)備樣品 (2)測(cè)試步驟 打開(kāi) Zetasizer3000 電位一粒度儀電源開(kāi)關(guān)； 打開(kāi)計(jì)算機(jī)并進(jìn)入 PCS 程序組載入 PCS 軟件，確保一個(gè) Zeta

17、窗口是 打開(kāi)并激活的，點(diǎn)擊 Zeta 測(cè)試窗口，預(yù)熱 20 分鐘； 用注射器將蒸餾水緩慢注入樣品池，清洗三遍，將樣品清液緩慢注 入樣品池，確保樣品池內(nèi)無(wú)氣泡； 點(diǎn)擊樣品詳細(xì)列表，輸入樣品名稱，測(cè)定條件，回車； 點(diǎn)擊測(cè)試命令(G0)，進(jìn)行樣品測(cè)試； 測(cè)試完畢，對(duì)圖、表進(jìn)行處理，保存測(cè)試結(jié)果； 用注射器將蒸餾水緩慢注入樣品池，清洗三遍，再用空注射器注入 空氣將蒸餾水頂替出； 關(guān)閉測(cè)試儀及計(jì)算機(jī)。 第四章第四章 納米材料的水分散性實(shí)驗(yàn)研究納米材料的水分散性實(shí)驗(yàn)研究 納米粉體粒度的正確表征對(duì)于納米粉體的應(yīng)用是很重要的，而納米 粉體的分散技術(shù)又是納米粉體粒度表征中最關(guān)鍵的技術(shù)。納米粒子具有 粒徑小、粒子

18、比表面積大、孔隙率大、表面能高等特點(diǎn)。因此納米粒子 本身極易團(tuán)聚，要得到單個(gè)分散的納米粒子非常困難。分散性較差的納 米粉體在實(shí)際使用中甚至完全喪失了原有的優(yōu)越性，作用效果適得其反。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)正確表征納米粉體粒度中分散條件的系統(tǒng)研究還很少。很 多科學(xué)工作者研究了納米粉體在多種分散劑(如水、有機(jī)溶劑、聚合物 等)中的分散性。他們通過(guò)對(duì)納米粉體加分散劑并進(jìn)行機(jī)械超聲分散后 測(cè)試粒度，輔以沉降法對(duì)照結(jié)果。 本研究中利用 Zetasizer3000 電位一粒度儀對(duì)納米分散性進(jìn)行測(cè)量。 基于納米在鉆井液領(lǐng)域應(yīng)用探索，因此考察了機(jī)械攪拌速度，鉆井液處 理劉種類、用量等因素對(duì)于納米分散的影響，促使納米材料

19、能在有機(jī)物 及水相中呈高分散狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)納米材料在鉆井液中的推廣應(yīng)用。 4.1 納米材料的選擇納米材料的選擇 近年來(lái)科學(xué)工作們研究了不少納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域，比如涂料工業(yè)， 塑料工業(yè)，陶瓷生產(chǎn)等等，均取得了良好的效果。通過(guò)大量的資料調(diào)研 發(fā)現(xiàn)，常用的納米種類為以下幾種：硅類納米顆粒(SPl、SP2)，鈦類納 米顆粒(ZT、ST)，鈣類納米顆粒(SPO、SPT)，鋅類納米顆粒(zz、SZ)等。 4.1.1 硅類納米顆粒硅類納米顆粒 硅類納米顆粒為無(wú)定型白色粉末(指其團(tuán)聚體)， 是一種無(wú)毒、無(wú) 味、無(wú)污染的無(wú)機(jī)非金屬材料。顆粒尺寸小，比表面積大，表面存在不 飽和的殘鍵及不同鍵合狀態(tài)的羥基， 因表面欠

20、氧而偏離了穩(wěn)定態(tài)的硅 氧結(jié)構(gòu)，其分子狀態(tài)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu)(或稱三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、三維硅石結(jié) 構(gòu)等)。這就使納米微粒具有高的表面活性。硅類納米顆粒表面羥基含 量高、羥基結(jié)構(gòu)多樣化(含孤立型、蹄合型和雙生型三種形式)，可與體 系產(chǎn)生良好的親和性，從而改變體系的懸浮穩(wěn)定性和流變性。硅類納米 顆粒具有高吸收性、分散性、增稠性，在藥物制劑中得到了廣泛的應(yīng)用。 4.1.3 鈣類納米顆粒鈣類納米顆粒 通常鈣類納米顆粒產(chǎn)品粒子都比較粗，比表面積較小，表面缺乏活 性，不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。而鈣類納米顆粒相比普通鈣類顆粒具 有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)粒子細(xì)。平均粒徑為 20-lOOnm 之間，是普通鈣類顆粒粒徑的數(shù) 十分

21、之一。 (2)比表面積大。比普通鈣類顆粒大近 510 倍 (3)粒子晶形為立方形，具有類結(jié)構(gòu)性，與紡綞形及無(wú)規(guī)形的鈣類 顆粒不同。 (4)表面經(jīng)過(guò)活性處理，活化率高，具有不同的功能與用途 (5)PH 值呈弱堿性。 第第 5 章納米改性鉆井液處理劑的研制與性能表征章納米改性鉆井液處理劑的研制與性能表征 聚合物納米復(fù)合材料是有機(jī)材料與經(jīng)有機(jī)化處理過(guò)的無(wú)機(jī)材料用復(fù) 合、接枝等化學(xué)反應(yīng)形成的，是納米材料的一個(gè)重要組成部分，它的組 成已超出了單一的有機(jī)高分子的范疇。它所形成的微觀相形態(tài)結(jié)構(gòu)常常 顯示出不同尋常的功能，同時(shí)它的物性，如抗張強(qiáng)度、彈性率、熱變形 溫度、透明性、阻隔性、耐熱性等均有較大的提高。

22、聚合物納米復(fù)合材 料具有納米粒子的體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道 效應(yīng)等性質(zhì)以及聚合物的可加工性、韌性、介電性質(zhì)等，因而廣泛應(yīng)用 于電子、光學(xué)、化工、生物醫(yī)藥等方面。近年來(lái)，聚合物納米復(fù)合材料 的制備技術(shù)日趨成熟、表征手法日益完善、應(yīng)用范圍也不斷拓展，已合 成出了許多具有透射性能、阻隔性能、耐熱性能、殺菌除霉性能、導(dǎo)熱 性能、導(dǎo)電性能、催化性能、吸波性能、防紫外性能或抗老化性能等優(yōu) 異的功能性聚合物納米復(fù)合材料。 很多常用鉆井液處理劑因?yàn)閮r(jià)格便宜、制備簡(jiǎn)單且效果較好，所以 應(yīng)用廣泛，但高溫下容易降解效果變差，故不能用于深井或超深井中。 本實(shí)驗(yàn)旨在利用納米材料特殊的性能，探索提高

23、某些常用處理劑的抗溫 能力。近年來(lái)納米復(fù)合材料的研究應(yīng)用已經(jīng)取得了良好的進(jìn)展，利用納 米材料比表面大表面能高的特點(diǎn)，進(jìn)入水溶液后與聚合物鏈發(fā)生物理 化學(xué)吸附，高溫下保護(hù)聚合物鏈不被破壞，從而提高處理劑的抗溫能力 是可行的。 5.1 納米改性鉆井液處理劑優(yōu)選與制備納米改性鉆井液處理劑優(yōu)選與制備 5.1.1 鈉羧甲基纖維素鈉羧甲基纖維素 CMC 鈉羧甲基纖維素為白色纖維狀粉末，具有吸濕性，溶于水后形成膠 狀液。它是長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外廣泛使用的一種性能良好的鉆井液降濾失劑， 但其本身抗溫性不夠高(140oC) 。因?yàn)?，在高溫下其分子鏈的溶劑化?用會(huì)明顯減弱，使分子鏈容易變得彎曲。納米材料加入 CMC

24、水溶液中， 會(huì)得到較好的分散，納米顆粒以單個(gè)體存在，納米顆粒表面活性極強(qiáng)， 易于分子鏈起鍵合作用，提高分子間的鍵力；同時(shí)因?yàn)榧{米顆粒分布在 高分子鍵的空隙中，而其又具有較高的流動(dòng)性，納米顆粒表面存在不飽 和殘鍵及不同鍵合狀態(tài)的羥基，與 CMC 中氧鍵結(jié)合或鑲嵌在分子鍵中， 可增強(qiáng) CMC 分子鏈的硬度不易彎曲。 5.1.2 生物聚合物生物聚合物 XC XC 生物聚合物又稱黃原膠，是由黃原菌類作用于碳水化合物而生 成的高分子鏈狀多糖聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá) 5x106，易溶于水。 是一種適用于淡水、鹽水和飽和鹽水鉆井液的高效增粘劑，加入很少的 量(02,-03)即可產(chǎn)生較高的粘度，并兼有降濾失

25、作用。它的另 一顯著特點(diǎn)是具有優(yōu)良的剪切稀釋性能，能夠有效地改進(jìn)流型。用它處 理的鉆井液在高剪切速率下的極限粘度很低，有利于提高機(jī)械鉆速，而 在環(huán)形空間的低剪切速率下又具有較高的粘度，并有利于形成平板形層 流，使鉆井液攜帶巖屑的能力明顯增強(qiáng)。 一般認(rèn)為，XC 生物聚合物抗溫可達(dá) 120oC，在 140oC 溫度下也不會(huì) 完全失效。將納米材料與 XC 生物聚合物結(jié)合，提高生物聚合物的抗溫 性，分析認(rèn)為機(jī)理有二，一是因?yàn)榧{米粒子微細(xì)和 XC 鏈狀結(jié)構(gòu)而生成 的物理纏結(jié)作用，二是由于納米顆粒表面活性而引起的與生物聚合物的 化學(xué)結(jié)合作用使 XC 生物聚合物表現(xiàn)出良好的性能增強(qiáng)效果。 第第 6 章納米改

26、性聚合物鉆井液室內(nèi)研究章納米改性聚合物鉆井液室內(nèi)研究 最常用的鉆井液是由粘土、水以及各種處理劑與加重劑組成的溶膠 及懸浮液的混合體系。這種混合體系是人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中不斷總 結(jié)、更新和完善而得來(lái)的。在初期，人們認(rèn)識(shí)到為了應(yīng)付各種施工條件， 采用鉆井液比清水好；粗分散體系較細(xì)分散體系好。又經(jīng)過(guò)實(shí)踐，覺(jué)得 鉆井液中粘土含量多了不如少了好，甚至使用的無(wú)固相鉆井液決不是最 原始的清水，而是復(fù)雜的高分子聚合物溶液。聚合物鉆井液最初是為提 高鉆井效率開(kāi)發(fā)研究的。70 年代后期，為進(jìn)一步提高聚合物鉆井液的 防塌能力，發(fā)展了聚合物與無(wú)機(jī)鹽(主要是氯化鉀)配合的鉆井液體系。 不分散低固相聚合物鉆井液是既有接

27、近清水的高鉆速又有較好的攜帶、 懸浮巖屑能力和防塌性能的鉆井液。被譽(yù)為七十年代世界鉆井技術(shù)上三 項(xiàng)最重要的進(jìn)展之一。生物聚合物鉆井液是一種無(wú)粘土洗井液，即不需 要粘土便能滿足鉆井工藝對(duì)鉆井液各方面的性能要求。它具有不分散低 固相鉆井液的各種優(yōu)點(diǎn)，是不分散低固相鉆井液的一個(gè)新發(fā)展。 聚合物鉆井液主要由聚合物組成。而聚合物具有“轉(zhuǎn)變溫度” ，在 “轉(zhuǎn)變溫度”下聚合物突然從有序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序結(jié)構(gòu)，溶液粘度大幅 度下降，水化降解速度增加，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)聚合物鉆井液老化后，因?yàn)榫?合物的失效使鉆井液動(dòng)切應(yīng)力偏低的缺點(diǎn)，第五章已經(jīng)研究證明納米材 料能夠有效的增強(qiáng)高分子聚合物如 CIVIC、XC 的抗溫性，因此

28、選取不同 納米材料，通過(guò)納米材料的特殊性能增強(qiáng)高溫下聚合物鏈節(jié)穩(wěn)定性，增 強(qiáng)鉆井液處理劑抗溫性，進(jìn)而提高聚合物鉆井液老化后動(dòng)切應(yīng)力 6.1 納米材料對(duì)甲酸鹽鉆并液的影響納米材料對(duì)甲酸鹽鉆并液的影響 以甲酸鹽為基液而形成的新型低固相鉆井液完井液，是 90 年代為 適應(yīng)多種鉆井完井新技術(shù)發(fā)展，如大斜度井、水平井、多支測(cè)鉆井，尤 其是小井眼深并的要求逐步研究開(kāi)發(fā)形成的。尤其到 90 年代后半期， 甲酸鹽低固相鉆井液完井液在實(shí)際試用中取得了較好的實(shí)效，并得到廣 大勘探作業(yè)者的認(rèn)可，許多生產(chǎn)廠家相繼生產(chǎn)出各種牌號(hào)的商品以供現(xiàn) 場(chǎng)使用。該體系具有強(qiáng)抑制性和抗外來(lái)物侵污的良好特性，并且對(duì)環(huán)境 無(wú)污染，不需用加重材料，而是選用不同類型和濃度的堿金屬鹽調(diào)節(jié)體 系密度，最高密度可達(dá) 2.39cm3。甲酸鹽鉆井液與以往常用的無(wú)固相 鹽基鉆井液，如 NaCl、CaCl2、ZnBr2鹽基鉆井液相比，具有無(wú)毒、易降 解、低腐蝕鉆井設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，并且與許多常規(guī)增粘劑(如黃原膠 XC)、 降濾失劑(如高聚物(聚陰離子纖維素鈉 PAC)以及改性淀粉)等鉆井液添 加劑具有較好的配伍性；固相含量低，能形成薄而韌的泥餅；流變性能 好，滲透率恢復(fù)值高，不會(huì)與儲(chǔ)層流