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本发明涉及纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂的应用和钻井液。该钻井液含有降滤失剂，其中所述降滤失剂为纳晶纤维素。本发明提供的纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂，不仅具有成本较低的特点，还具有优良的降滤失性能。

1.  纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂的应用。

2.  根据权利要求1所述的应用，其中，所述纳晶纤维素的平均粒径为100-600nm，优选为150-320nm。

3.  根据权利要求1或2所述的应用，其中，所述纳晶纤维素为棒状。

4.  一种钻井液，该钻井液含有降滤失剂，其特征在于，所述降滤失剂为纳晶纤维素。

5.  根据权利要求4所述的钻井液，其中，所述纳晶纤维素的平均粒径为100-600nm，优选为150-320nm。

6.  根据权利要求4或5所述的钻井液，其中，所述纳晶纤维素为棒状。

7.  根据权利要求4所述的钻井液，其中，相对于100重量份的所述钻井液，所述降滤失剂的含量为0.1-5重量份。

8.  根据权利要求7所述的钻井液，其中，相对于100重量份的所述钻井液，所述降滤失剂的含量为0.2-1重量份。

纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂的应用和钻井液
技术领域
本发明涉及纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂的应用和钻井液。
背景技术
维持井壁稳定的问题是钻井行业的一个世界性难题，该问题在世界上许多油田都存在，并一直没有能够得到很好解决。随着我国油气勘探开发目标进一步面向埋藏在地质条件十分复杂的深层油气资源以及煤层气、页岩气等非常规资源，在钻探过程中常遇到井壁稳定难题，这将导致复杂深井和页岩气水平井钻井速度慢、复杂事故多、钻井周期长、成本高，这些已严重影响了我国油气资源重要接替区勘探开发进程。
钻井过程中90％的井壁失稳事故发生在泥页岩地层，泥页岩中粘土因水化膨胀而导致泥页岩分散、剥落是导致井壁失稳的最根本的因素。如果能够封堵泥页岩纳-微米级的孔隙和微裂缝，则不仅能够避免钻井液中自由水的侵入引起泥页岩水化分散，还能阻止钻井液压力向地层深处传递，从而极大程度提高井壁稳定性。
然而，泥页岩地层多为纳米级孔隙，渗透率极低，从而导致常规钻井液无法在泥页岩井壁表面形成较厚的滤饼。此外添加传统降滤失剂的钻井液所形成的滤饼颗粒较大，滤饼不够致密，难以有效阻止自由水侵入泥页岩。
为了阻止钻井液侵入泥页岩地层造成井壁失稳，M-I公司在专利US2013/0264121 A1中描述了纳米石墨烯或其衍生纳米材料用于封堵泥页岩微孔隙并维持泥页岩井壁稳定的应用。然而，石墨烯及其衍生物材料成本极为昂贵，且目前仍难以大批量工业生产。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中钻井液用降滤失剂成本过高的缺陷，提供纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂的应用和钻井液。
本发明的发明人意外发现，将具有特定尺寸的纳晶纤维素颗粒作为钻井液用降滤失剂，相比现有技术的碳纳米管、石墨烯类降滤失剂，纳晶纤维素不仅具有价廉的特点，将纳晶纤维素作为降滤失剂与钻井液混合后能够在井壁表面形成薄而致密的滤饼，因而能够显著提高钻井液的滤失造壁性，从而提高降滤失效果。
本发明提供了纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂的应用。
本发明还提供了一种钻井液，该钻井液含有降滤失剂，其中，所述降滤失剂为纳晶纤维素。
优选地，所述纳晶纤维素的平均粒径为100-600nm。
本发明提供的具有特定尺寸的纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂，不仅具有成本较低的特点，还具有优良的降滤失性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂的应用。
为了获得更优良的降滤失性能，所述纳晶纤维素的平均粒径优选为100-600nm，更优选为150-320nm。
优选地，所述纳晶纤维素为棒状。
在本发明中，采用日本JEOL公司型号为JEM-2100的透射电镜(TEM)测定纳晶纤维素颗粒的微观形态和平均粒径。样品制备方法：将稀释成浓度 为0.1重量％的纳晶纤维素的水分散液滴到碳膜覆盖的铜制微栅上，并用红外灯烘干。
根据本发明的应用，将纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂的应用方法可以参照现有技术，例如可以将含有降滤失剂的钻井液应用在钻井过程中，其中所述降滤失剂为纳晶纤维素。
尽管只要向所述钻井液中加入纳晶纤维素颗粒即可作为钻井液用降滤失剂起到优良的降滤失效果，但优选情况下，为了更好地实现本发明的发明目的，相对于100重量份的所述钻井液，所述降滤失剂的含量为0.1-5重量份，更优选为0.2-1重量份。
在本发明中，钻井液是指钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。
根据本发明，所述纳晶纤维素可以通过商购的方式获得，也可以通过本领域技术人员所熟知的方法来制备，例如，所述纳晶纤维素通过以下方法进行制备：
(1)将微晶纤维素与酸溶液混合；
(2)将步骤(1)得到的混合物与水进行接触，然后将所得的产物进行固液分离。
根据上述方法，步骤(1)中，将微晶纤维素与酸溶液混合的目的是使酸溶液渗入微晶纤维素的非结晶区，以加速微晶纤维素的水解。在本发明中，所述混合的条件包括：混合的温度为30-70℃，优选为35-60℃；混合的时间为1-15h，优选为3-10h。所述混合优选通过高速搅拌机实现，转速可以为100-300转/min。
根据上述方法，步骤(1)中，所述微晶纤维素与所述酸溶液的重量比可以在较宽的范围内变动，只要可以使微晶纤维素发生水解即可。一般地，所述微晶纤维素与所述酸溶液的重量比可以为1：20-40，优选为1：20-30。所述酸溶液的浓度可以为30-80重量％，优选为50-70重量％。
根据上述方法，所述酸溶液中的酸可以为各种常规的能够渗入微晶纤维素的非晶区的无机酸或有机酸。在本发明中，所述无机酸可以为常规的各种无机酸，例如可以为盐酸、硫酸、磷酸和硝酸中的一种或多种；所述有机酸可以为常规的各种有机酸，例如碳原子数为1-5的一元或二元有机羧酸，具体可以为甲酸、乙酸、酒石酸和柠檬酸中的一种或多种。
在本发明中，所述微晶纤维素可以通过商购的方式获得。为了获得具有特定尺寸的纳晶纤维素颗粒，优选情况下，所述微晶纤维素颗粒的平均粒径为20-80μm，更优选为20-50μm。
根据上述方法，步骤(2)中，将步骤(1)得到的混合物与水进行接触的目的是用水终止微晶纤维素的水解反应。相对于100重量份的微晶纤维素，水的用量可以为2000-7500重量份，优选为4000-7500重量份。
根据上述方法，步骤(2)中所述固液分离的方法可以为本领域中各种常规的固液分离方法，例如可以为过滤分离和/或离心分离。优选情况下，所述固液分离为离心分离。在本发明中，对所述离心的条件没有特别的限定，只要可以将所得悬浮液分离得到晶体和液相即可。离心分离的条件包括：离心的转速为3000-11000转/min，优选为6000-11000转/min；离心时间为5-30min，优选为10-20min。
为了避免残余的酸对后续降滤失效果的影响，上述方法优选包括将离心分离得到的固体用水进行洗涤直到离心所得的液体的pH值为6-7，然后进行干燥。所述干燥的条件包括：干燥的温度为100-110℃，干燥的时间为8-12h。
在本发明中，所述钻井液可以为本领域所熟知的各种钻井液，考虑到纳晶纤维素可以起到更好的钻井液用降滤失剂的作用，优选情况下，所述钻井液为水基钻井液。
在本发明中，所述水基钻井液是以水为主要基质并添加各种添加剂所组 成的多相分散体系。所述水基钻井液可以为本领域技术人员所熟知的各种水基钻井液，例如所述水基钻井液可以为选自水、氯化钾-聚合醇钻井液、有机硅钻井液和阳离子钻井液中的一种或多种。其中，所述水可以为本领域技术人员所熟知的各种水，例如可以为淡水(自来水)、海水和盐水中的一种或多种；所述氯化钾-聚合醇钻井液可以为本领域技术人员所熟知的各种氯化钾-聚合醇钻井液，例如可以为氯化钾-聚乙二醇钻井液、氯化钾-聚丙二醇钻井液、氯化钾-乙二醇/丙二醇共聚物钻井液、氯化钾-聚丙三醇钻井液和氯化钾-聚乙烯乙二醇钻井液中的一种或多种；所述有机硅钻井液可以为本领域技术人员所熟知的各种有机硅钻井液，所述有机硅钻井液中的有机硅可以为选自甲基硅醇钠、甲基硅醇钾和有机硅腐植酸钾中的一种或多种。所述阳离子钻井液可以为本领域技术人员所熟知的各种阳离子钻井液，所述阳离子钻井液中的阳离子可以为选自2,3-环氧丙基三甲基氯化铵、3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵和阳离子聚丙烯酰胺中的一种或多种。
在本发明中，为了获得更好的钻井效果，所述钻井液中还可以加入本领域技术人员所熟知的各种添加剂。例如所述添加剂可以为选自配浆土、碱金属碳酸盐、抑制剂、增粘剂、降粘剂、增重剂、包被剂和润滑剂中的一种或多种。
在本发明中，所述添加剂的加入量没有特别地限定，可以为本领域技术人员根据所要达到的效果来选择的各种加入量，例如相对于100重量份的所述钻井液，所述配浆土的含量可以为2-4重量份，所述碱金属碳酸盐的含量可以为0.1-1重量份，所述抑制剂的含量可以为0.2-3重量份，所述增粘剂的含量可以为0.2-1重量份，所述降粘剂的含量可以为0.2-1重量份，所述增重剂的含量可以为0.2-3重量份，所述包被剂的含量可以为0.2-1重量份，所述润滑剂的含量可以为0.1-2重量份。
在本发明中，所述配浆土优选为膨润土。所述膨润土是指以蒙脱石为主 要矿物成分的粘土，其具有赋予钻井液粘切力和滤失造壁性的作用，例如可以为钠基膨润土和/或钙基膨润土，优选为钠基膨润土；所述碱金属碳酸盐具有提高膨润土造浆性能的作用，可以为碳酸钠、碳酸钾和碳酸锂，优选为碳酸钠；所述抑制剂可以为氯化钾、小阳离子抑制剂和聚醚二胺中的一种或多种，其中，所述小阳离子抑制剂可以为2,3-环氧丙基三甲基氯化铵；所述增粘剂可以为黄原胶树胶、黄孢胶、羧甲基淀粉、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚阴离子纤维素(天然纤维素经化学改性而制得的水溶性纤维素醚类衍生物)和合成增粘剂(部分水解聚丙烯酰胺)中的一种或多种；所述降粘剂可以为铁铬木质素磺酸盐、聚丙烯酸钠、甲基硅醇钠和磺化苯乙烯-马来酸酐共聚物中的一种或多种；所述增重剂可以为铁矿粉、碳酸钙粉、重晶石与赤铁矿的混合物和方铅矿粉中的一种或多种；所述包被剂可以为部分水解聚丙烯酰胺(液状或粉状)、阳离子聚丙烯酰胺和聚合氯化铝中的一种或多种；所述润滑剂为非离子表面活性剂、石墨和聚合醇中的一种或多种。
本发明还提供一种钻井液，该钻井液含有降滤失剂，其中，所述降滤失剂为纳晶纤维素。
为了获得更优良的降滤失性能，所述纳晶纤维素颗粒的平均粒径优选为100-600nm，更优选为150-320nm。
优选地，所述纳晶纤维素为棒状。
尽管只要向所述钻井液中加入纳晶纤维素颗粒即可作为钻井液用降滤失剂起到优良的降滤失效果，但优选情况下，为了更好地实现本发明的发明目的，相对于100重量份的所述钻井液，所述降滤失剂的含量为0.1-5重量份，更优选为0.2-1重量份。
在本发明中，所述钻井液的定义与上文描述相同，在此不再赘述。
根据本发明的钻井液，所述纳晶纤维素可以通过商购的方式获得，也可 以通过本领域技术人员所熟知的方法来制备，例如，所述纳晶纤维素通过以下方法进行制备：
(1)将微晶纤维素与酸溶液混合；
(2)将步骤(1)得到的混合物与水进行接触，然后将所得的产物进行固液分离。
根据上述方法，步骤(1)中，将微晶纤维素与酸溶液混合的目的是使酸溶液渗入微晶纤维素的非结晶区，以加速微晶纤维素的水解。在本发明中，所述混合的条件包括：混合的温度为30-70℃，优选为35-60℃；混合的时间为1-15h，优选为3-10h。所述混合优选通过高速搅拌机实现，转速可以为100-300转/min。
根据上述方法，步骤(1)中，所述微晶纤维素与所述酸溶液的重量比可以在较宽的范围内变动，只要可以使微晶纤维素发生水解即可。一般地，所述微晶纤维素与所述酸溶液的重量比可以为1：20-40，优选为1：20-30。所述酸溶液的浓度可以为30-80重量％，优选为50-70重量％。
根据上述方法，所述酸溶液中的酸可以为各种常规的能够渗入微晶纤维素的非晶区的无机酸或有机酸。在本发明中，所述无机酸可以为常规的各种无机酸，例如可以为盐酸、硫酸、磷酸和硝酸中的一种或多种；所述有机酸可以为常规的各种有机酸，例如碳原子数为1-5的一元或二元有机羧酸，具体可以为甲酸、乙酸、酒石酸和柠檬酸中的一种或多种。
在本发明中，所述微晶纤维素可以通过商购的方式获得。为了获得具有特定尺寸的纳晶纤维素颗粒，优选情况下，所述微晶纤维素颗粒的平均粒径为20-80μm，更优选为20-50μm。
根据上述方法，步骤(2)中，将步骤(1)得到的混合物与水进行接触的目的是用水终止微晶纤维素的水解反应。相对于100重量份的微晶纤维素，水的用量可以为2000-7500重量份，优选为4000-7500重量份。
根据上述方法，步骤(2)中所述固液分离的方法可以为本领域中各种常规的固液分离方法，例如可以为过滤分离和/或离心分离。优选情况下，所述固液分离为离心分离。在本发明中，对所述离心的条件没有特别的限定，只要可以将所得悬浮液分离得到晶体和液相即可。离心分离的条件包括：离心的转速为3000-11000转/min，优选为6000-11000转/min；离心时间为5-30min，优选为10-20min。
为了避免残余的酸对后续降滤失效果的影响，上述方法优选包括将离心分离得到的固体用水进行洗涤直到离心所得的液体的pH值为6-7，然后进行干燥。所述干燥的条件包括：干燥的温度为100-110℃，干燥的时间为8-12h。
在本发明中，所述钻井液可以为本领域所熟知的各种钻井液，考虑到纳晶纤维素可以起到更好的钻井液用降滤失剂的作用，优选情况下，所述钻井液为水基钻井液。
在本发明中，所述水基钻井液的种类与上文描述一致，在此不再赘述。
在本发明中，为了获得更好的钻井效果，所述钻井液中还可以加入本领域技术人员所熟知的各种添加剂。例如所述添加剂可以为选自配浆土、碱金属碳酸盐、抑制剂、增粘剂、降粘剂、增重剂、包被剂和润滑剂中的一种或多种。
在本发明中，所述添加剂的加入量没有特别地限定，可以为本领域技术人员根据所要达到的效果来选择的各种加入量，例如相对于100重量份的所述钻井液，所述配浆土的含量可以为2-4重量份，所述碱金属碳酸盐的含量可以为0.1-1重量份，所述抑制剂的含量可以为0.2-3重量份，所述增粘剂的含量可以为0.2-1重量份，所述降粘剂的含量可以为0.2-1重量份，所述增重剂的含量可以为0.2-3重量份，所述包被剂的含量可以为0.2-1重量份，所述润滑剂的含量可以为0.1-2重量份。
所述配浆土、碱金属碳酸盐、抑制剂、增粘剂、降粘剂、增重剂、包被剂和润滑剂的种类与上文描述相同，在此不再赘述。
本发明中的钻井液可以用于各种油气井，例如直井、定向井、大位移井、水平井等。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
需要说明的是，为了便于测定纳晶纤维素作为钻井液用降滤失剂的效果，在本发明的实施例中，以淡水(自来水)模拟水基钻井液。
以下制备例中，纳晶纤维素的产率的计算公式：
            
以下制备例中，采用日本JEOL公司型号为JEM的透射电镜(TEM)测定纳晶纤维素颗粒的微观形态和平均粒径。样品的制备方法：将稀释成浓度为0.1重量％的纳晶纤维素的水分散液滴到碳膜覆盖的铜制微栅上，并用红外灯烘干。
制备例1-7用于说明本发明提供的纳米结晶纤维素的制备方法。
制备例1
(1)将40g微晶纤维素(购自湖北中料化工有限公司，颗粒的平均粒径为20μm)加入浓度为64重量％的700mL硫酸水溶液中，并于45℃下以250转/min的转速高速搅拌3h；
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入3L去离子水以终止微晶纤维素的水解反应；将得到的悬浮液于11000r/min下离心20min，然后将离心所得的固体用去离子水洗涤数次，直到离心得到的清液的pH值为7；将洗净的固体于105℃下干燥12h，即得到35.28g的纳晶纤维素N1，产率为88.2％。通过透射电镜(TEM)测定产物纳晶纤维素的平均粒径为239nm，纳晶纤维素为棒状。
制备例2
(1)将40g微晶纤维素(购自湖北中料化工有限公司，颗粒的平均粒径为80μm)加入浓度为64重量％的700mL硫酸水溶液中，并于45℃下以250转/min的转速高速搅拌3h；
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入3L去离子水以终止微晶纤维素的水解反应；将得到的悬浮液于11000r/min下离心20min，然后将离心所得的固体用去离子水洗涤数次，直到离心得到的清液的pH值为7；将洗净的固体于105℃下干燥8h，即得到33.08g的纳晶纤维素N2，产率为82.7％。通过透射电镜(TEM)测定产物纳晶纤维素的平均粒径为558nm，纳晶纤维素为棒状。
制备例3
(1)将40g微晶纤维素(购自湖北中料化工有限公司，颗粒的平均粒径为50μm)加入浓度为64重量％的700mL硫酸水溶液中，并于45℃下以250转/min的转速高速搅拌3h；
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入3L去离子水以终止微晶纤维素的水解反应；将得到的悬浮液于11000r/min下离心15min，然后将离心所得的固体用去离子水洗涤数次，直到离心得到的清液的pH值为7；将洗净的固体于105℃下干燥8h，即得到33.96g的纳晶纤维素N3，产率为84.9％。通过透射电镜(TEM)测定产物纳晶纤维素的平均粒径为370nm，纳晶纤维素为棒状。
制备例4
(1)将40g微晶纤维素(购自湖北中料化工有限公司，颗粒的平均粒径为50μm)加入浓度为64重量％的700mL硫酸水溶液中，并于55℃下以250 转/min的转速高速搅拌3h；
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入3L去离子水以终止微晶纤维素的水解反应；将得到的悬浮液于11000r/min下离心18min，然后将离心所得的固体用去离子水洗涤数次，直到离心得到的清液的pH值为7；将洗净的固体于105℃下干燥12h，即得到35.4g的纳晶纤维素N4，产率为88.5％。通过透射电镜(TEM)测定产物纳晶纤维素的平均粒径为315nm，纳晶纤维素为棒状。
制备例5
(1)将40g微晶纤维素(购自湖北中料化工有限公司，颗粒的平均粒径为50μm)加入浓度为64重量％的700mL硫酸水溶液中，并于55℃下以150转/min的转速高速搅拌7h；
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入3L去离子水以终止微晶纤维素的水解反应；将得到的悬浮液于11000r/min下离心15min，然后将离心所得的固体用去离子水洗涤数次，直到离心得到的清液的pH值为7；将洗净的固体于105℃下干燥12h，即得到36.6g的纳晶纤维素N5，产率为91.5％。通过透射电镜(TEM)测定产物纳晶纤维素的平均粒径为185nm，纳晶纤维素为棒状。
制备例6
(1)将40g微晶纤维素(购自湖北中料化工有限公司，颗粒的平均粒径为50μm)加入浓度为50重量％的860mL硫酸水溶液中，并于40℃下以300转/min的转速高速搅拌5h；
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入2.4L去离子水以终止微晶纤维素的水解反应；将得到的悬浮液于8000r/min下离心10min，然后将离心所得 的固体用去离子水洗涤数次，直到离心得到的清液的pH值为7；将洗净的固体于110℃下干燥8h，即得到35.4g的纳晶纤维素N6，产率为88.5％。通过透射电镜(TEM)测定产物纳晶纤维素的平均粒径为310nm，纳晶纤维素为棒状。
制备例7
(1)将40g微晶纤维素(购自湖北中料化工有限公司，颗粒的平均粒径为20μm)加入浓度为70重量％的500mL硫酸水溶液中，并于55℃下以150转/min的转速高速搅拌9h；
(2)向步骤(1)得到的混合物中加入1.6L去离子水以终止微晶纤维素的水解反应；将得到的悬浮液于6000r/min下离心15min，然后将离心所得的固体用去离子水洗涤数次，直到离心得到的清液的pH值为7；将洗净的固体于100℃下干燥10h，即得到34.88g的纳晶纤维素N7，产率为87.2％。通过透射电镜(TEM)测定产物纳晶纤维素的平均粒径为280nm，纳晶纤维素为棒状。
实施例1-7用于说明本发明提供的纳晶纤维素在钻井液中的降滤失效果。
实施例1-7
根据GB/T16783.1-2006中的方法测定本发明提供的纳晶纤维素在钻井液中的滤失量。具体操作为：
(1)配置基浆：在500mL自来水中加入20g钠基膨润土(购自潍坊华潍膨润土集团股份有限公司)和1g无水碳酸钠，在11000rpm转速下搅拌30min后密闭静置24h，得膨润土含量为4重量％的淡水基浆。
(2)取400mL的上述淡水基浆溶液放入ZNS-2型中压失水仪(购自青 岛宏祥石油机械制造有限公司)中，测量其在0.7MPa压力下30min内的滤失量，即为淡水基浆的滤失量。
(3)在400mL的上述淡水基浆中加入2g制备例1得到的纳晶纤维素N1，搅拌均匀后，放入ZNS-2型中压失水仪中，测量其在0.7MPa压力下30min内的滤失量，即得到制备例1得到的纳晶纤维素N1在淡水基浆中的滤失量；
按照以上方法分别测定制备例2-7中制得的纳晶纤维素N2-N7在淡水基浆中的滤失量。测得的实验结果在表1中列出。
对比例1
采用与实施例1相同的方法配制淡水基浆，不同的是，在步骤(3)中采用相同重量的氧化石墨烯(DN1)(购自南京吉仓有限公司，平均粒径为210nm)代替纳晶纤维素N1。测得的实验结果在表1中列出。
表1