纳米材料在钻井液中的应用

中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）纳米技术在钻井液中的应用姓名：学号：性别：专业:石油工程批次：学习中心：指导教师：温航2014年10月31中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）ii纳米技术在钻井液中的应用摘要鉴于纳米材料的小尺寸效应、表面效应以及与常规微细粉末材料不同的特殊功性，本文跟踪纳米技术发展动态，开展了纳米技术在钻井液中的应用研究工作。本文在广泛调研的基础上，首先对纳米粉体材料在水溶液中的分散稳定性进行了实验研究，粒度实验分析表明，纳米颗粒在水溶液中的分散性主要取决于分散剂及搅拌条件等因素；实验表明钻井液处理剂钠羧甲基纤维素(CMC)与生物聚合物(XC)能够促进纳米粉体材料的水分散稳定性。实验探索了硅类、钛类、钙类、锌类等纳米材料对钻井液处理剂性能的影响，制备出纳米改性CMC与纳米改性XC，并借助红外光谱及扫描电镜等实验手段，对其进行结构性能表征，探讨了纳米改性处理剂的作用机理。另外，实验探讨了纳米材料对无固相，低固相聚合物钻井液性能的改善作用，结果表明某些纳米材料能够改善体系老化后滤失和携岩能力；复配纳米材料改性效果更好。本文取得的主要研究成果，为开拓纳米材料在钻井液中的应用打下了一定的基础。关键词：纳米材料；水分散；改性钻井液处理剂；聚合物钻井液；携岩能力中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）ii目录第一章前言..................................................................................................................1第二章纳米技术研究现状.............................................................................................32.1纳米水分散稳定性研究现状.......................................................................................32.1.1纳米颗粒的分散方式...........................................................................................32.1.2纳米颗粒的分散过程分析...................................................................................42.2纳米复合材料研究现状...............................................................................................4第三章实验方法简介......................................................................................................63.1粒度分布特征测定方法...............................................................................................63.2ZETA电位测定实验方法..............................................................................................7第四章纳米材料的水分散性实验研究............................................................................84.1纳米材料的选择............................................................................................................84.1.1硅类纳米颗粒............................................................................................................84.1.3钙类纳米颗粒............................................................................................................9第5章纳米改性钻井液处理剂的研制与性能表征........................................................105.1纳米改性钻井液处理剂优选与制备..........................................................................105.1.1钠羧甲基纤维素CMC..............................................................................................105.1.2生物聚合物XC..........................................................................................................11第6章纳米改性聚合物钻井液室内研究........................................................................126.1纳米材料对甲酸盐钻并液的影响..............................................................................12第七章结论................................................................................................................14参考文献.........................................................................................................................15致谢...............................................................................................................................16中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）1第一章前言所谓纳米技术就是以扫描探针显微镜为技术手段在纳米尺度(O.1～100m)上研究和利用原子、分子结构的特性及其相互作用原理，并按人类的需要在纳米尺度上直接操纵物质表面的分子、原子，甚至电子来制造特定产品或创造纳米级加工工艺的一门新兴交叉学科技术。纳米材料是指纳米技术制得的材料，即平均粒径在100nm以下的材料。纳米技术是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学交汇而成的一门新学科。纳米材料是指尺寸为O．1～100nm的超微颗粒以及由这些超微颗粒加工成的各种材料。纳米材料是纳米科学技术的一个重要发展方向。在纳米材料中，纳米晶体和由此产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能看成是无限有序。这样大晶体的连续能带就能分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。这些性能的改变突出的表现在纳米材料的表面效应，体积效应和量子尺寸效应上。使得纳米微粒以及纳米材料具有常规微粒和常规材料没有的独特的光、电、磁、热以及催化性能。正是由于纳米材料的上述独特性能引起科学工作者的普遍的关注才使得其在环保、航天、信息产业以及涂料、生物医学、制药等产业中获得了广泛的应用。近年来，许多发达及发展中国家纷纷制定相关计划，对纳米技术进行研究。日本、美国等一些发达国家投入巨资设立研究中心，研究网，并将纳米计划视为下一次工业革命的核心。为进一步提高在纳米领域的竞争力，中国科学院、国家科技部，清华、北大等高校也纷纷投入巨资，将纳米研究列入重点研究项目。迄今为止，我国已经建立10多条纳米材料和技术的生产线，纳米复合塑料、橡胶和纤维的改性、纳米功能涂层材料的设计和应用、纳米材料在能源和环保等方面的应用开发已在我国兴起。为此，本文在查阅国内外文献的基础上，通过对纳米性能的初步探讨，研制开发出新型纳米复合钻井液处理剂，并基于纳米材料的特殊性能将其应用于无固相钻井液体系，改善现有聚合物钻井液高温高压老化后滤失量大动切力偏小的缺点。本文主要研究内容如下：(1)通过电动电位测量、粒度及页岩膨胀试验，较深入的研究纳米材料基本性能，并探讨纳米改性钻井液处理剂的优化配方及制备方法。中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）2(2)对纳米颗粒在水溶液中的分散稳定性进行实验研究。利用电位／粒度仪，实验分析常用几种钻井液处理剂对纳米材料的水分散性的影响。(3)实验探讨制备纳米改性钻井液处理剂的主要影响因素，如分散剂、处理剂的种类和加量以及反应温度、搅拌时间等，优化改性纳米钻井液处理剂的最佳制备条件。(4)实验研究纳米改性钻井液处理剂作用机理，并借助红外光谱及扫描电镜等实验手段，对纳米改性钻井液处理剂进行结构性能表征。(5)实验探索利用纳米材料(改性纳米钻井液处理剂)改善传统聚合物钻井液性能。中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）3第二章纳米技术研究现状2.1纳米水分散稳定性研究现状由于纳米粒子尺寸小，比表面积大，其表面缺少邻近的配位原子，因而其具有很高的活性，这种活性导致纳米粒子极易彼此团聚，从而使得纳米颗粒特有的性能在生产应用中难以充分利用。因此，纳米颗粒诸多的奇异性能是否能够充分发挥，在很大程度上，取决于纳米颗粒能否在介质中均匀稳定地分散并保持纳米粒子的状态。2.1.1纳米颗粒的分散方式根据分散原理和手段的不同可分为以下几类：1.物理分散(机械力分散)物理分散(机械力分散)是指借助外界剪切力或撞击力等机械能使纳米粒子在介质中充分分散的一种形式。主要分散方法有超声波分散、射流撞击器分散、研磨分散、球磨分散、砂磨分散、胶体磨分散和高速搅拌。2．化学分散(表面改性分散)1)静电抗团聚分散法静电抗团聚分散方法是～种新的纳米颗粒分散方法，该方法已经在表面喷涂、矿粉分选、集尘、印刷和照相等技术领域得以广泛应用。其基本原理是：根据库仑定律，使颗粒表面形成极性电荷，利用同极性电荷的相互排斥作用阻止颗粒团聚，从而实现颗粒均匀分散[Sl。目前，颗粒荷电主要包括电子束照射荷电、接触荷电、电晕荷电等。其中，电晕荷电技术应用最为广泛，已经成功地应用于碳酸钙纳米颗粒的规模化分散。2)表面包覆分散在体系中加入高分子物质或表面活性剂之类的稳定剂时，可降低界面之间的张力，同时据Gibbs吸附定理，界面上必然吸附稳定剂而形成面膜包敷纳米颗粒，增大位阻斥力，达到颗粒分散目的。崔爱莉等对二氧化钛粉末进行单层二氧化硅表面包覆后，在pH=6时，氧化钛颗粒表面的电位由-20mv变到-50mv，等电点由3．8变到2．5。Green等研究了中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）4末端为羟基的聚乙二醇接枝到纳米A12O3表面，形成聚合物膜，增强纳米A12O3的可分散性。Bo