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油基钻井液用氮杂石墨烯的研制与应用

张鸿鹄

张鸿鹄. 油基钻井液用氮杂石墨烯的研制与应用[J]. 钻井液与完井液,2024,41(3):279-287 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.03.001
引用本文: 张鸿鹄. 油基钻井液用氮杂石墨烯的研制与应用[J]. 钻井液与完井液,2024,41(3):279-287 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.03.001
ZHANG Honghu.The development and application of nitrogen-containing graphene for oil-based drilling fluids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2024, 41(3):279-287 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.03.001
Citation: ZHANG Honghu.The development and application of nitrogen-containing graphene for oil-based drilling fluids[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid,2024, 41(3):279-287 doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.03.001

油基钻井液用氮杂石墨烯的研制与应用

doi: 10.12358/j.issn.1001-5620.2024.03.001
基金项目: 中国石油化工股份有限公司科研项目“超深长水平井高温强封堵油基钻井液关键技术”(P22116);中石化石油工程公司项目“深层特深层油气工程关键技术研究与应用”(XUBG210035)。
详细信息
    作者简介:

    张鸿鹄,工程师,1991年生,现在主要从事钻井液研究工作。E-mail:100947100@qq.com

  • 中图分类号: TE254.4

The Development and Application of Nitrogen-Containing Graphene for Oil-Based Drilling Fluids

  • 摘要: 对川西海相雷口坡组地层破碎、水平井后期托压严重、井壁失稳突出等问题进行分析发现,现用油基钻井液体系的封堵润滑性不能有效满足施工需求。为提高油基钻井液的封堵润滑性,通过分子结构设计,采用氮掺杂改性与熔盐法相结合的方式,制备出氮杂石墨烯,并通过热稳定性、分散稳定性、XRD、红外光谱、粒径分析等手段表征其热稳定性、分散性、结构、基团和粒径大小。实验结果表明,当氮杂石墨烯在现场油基钻井液中的加量为0.5%时,高温高压滤失量降低率达到76.2%,润滑系数降低50%左右,抗温180 ℃,石墨烯与油基钻井液的配伍性好,能够很好地提高油基钻井液的润滑性和封堵性。现场应用表明,石墨烯可以显著改善油基钻井液在施工过程中存在的水平井托压、高摩阻、井壁失稳等问题。通过采用氮杂石墨烯封堵润滑油基钻井液技术,为川西海相易坍塌地层井壁失稳及水平井托压等当前实际问题提出了新思路和技术支撑。

     

  • 图  1  氮杂石墨烯的分子结构设计图

    图  2  氮杂石墨烯的TG曲线

    图  3  氮杂石墨烯在不同溶液中的分散情况

    图  4  氮杂石墨烯在白油中静置不同时间的粒度分析

    图  5  氮杂石墨烯在白油中高温老化前和老化后(150 ℃、24 h)的粒度分析

    图  6  氮杂石墨烯材料的XRD衍射分析

    图  7  氮杂石墨烯的红外光谱图

    图  8  氮杂石墨烯的粒径分布图

    图  9  不同加量石墨烯配制的钻井液对不同孔隙砂盘的封堵效果

    图  10  不同石墨烯加量配制的钻井液在砂盘(20 μm)形成滤饼的外观

    图  11  氮杂石墨烯的封堵润滑机理图

    图  12  应用石墨烯前后雷口坡组地层岩心API滤饼对比

    表  1  不同加量的石墨烯封堵润滑剂对钻井液流变性的影响

    石墨烯/
    %
    条件ES/
    mV
    AV/
    mPa·s
    PV/
    mPa·s
    YP/
    Pa
    Gel/
    Pa/Pa
    FLHTHP/
    mL
    0热滚前110757.54710.53.5/14.02.2
    热滚后105959.04811.03.0/11.02.1
    0.5热滚前108458.04711.03.0/14.51.8
    热滚后107655.5487.53.0/11.00.5
    1.0热滚前105659.04811.03.5/14.51.9
    热滚后72660.04812.02.5/8.50.6
     注:热滚条件为150 ℃、24 h,常规性能在 65 ℃测定;FLHTHP在150 ℃、3.5 MPa下测定。
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    表  2  石墨烯封堵润滑剂加量对钻井液润滑性的影响

    配方润滑系数润滑系数降低率/%
    井浆0.161
    井浆+0.5%氮杂石墨烯0.09342
    井浆+1.0%氮杂石墨烯0.08348
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    表  3  不同加量石墨烯对井浆的性能影响

    石墨烯/
    %
    T热滚/
    EfES/
    mV
    AV/
    mPa·s
    PV/
    mPa·s
    YP/
    Pa
    Gel/
    Pa/Pa
    0热滚前0.160110757.54710.53.5/14.0
    1200.130108058.04810.03.5/10.0
    1500.161105959.04811.03.0/11.0
    1800.16296262.05012.03.0/12.0
    0.5热滚前0.127108458.04711.03.0/14.5
    1200.100107556.0479.03.0/12.0
    1500.088107655.5487.53.0/11.0
    1800.08899857.0498.03.0/11.0
    1.0热滚前0.095105659.04811.03.5/14.5
    1200.09293258.0499.03.0/12.0
    1500.08372660.04812.02.5/8.5
    1800.08569064.05212.02.6/8.8
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    表  4  彭州5-1D井三开井浆使用0.5%石墨烯前后的性能

    井深/
    m
    $ \rho $/
    g·cm-3
    ES/
    V
    PV/
    mPa·s
    YP/
    Pa
    Gel/
    Pa/Pa
    FLHTHP/
    mL
    泥饼/
    mm
    摩阻/
    kN
    6472*1.559983813.54/103.81.015
    65191.579973714.54/102.01.013
    66091.579583813.04/102.21.012
    66821.579403910.54/9.51.81.011
    设计值1.4~1.5≥650≤555~153~7/
    8~13
    3.01.5
     注:*为应用石墨烯前,其他为应用石墨烯后。
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-12
  • 修回日期:  2024-02-24
  • 刊出日期:  2024-06-30

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