【摘 要】
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页岩油气钻井过程中水基钻井液的应用越来越多,但水基钻井液的流变性能和页岩的封堵稳定性能有待提高。本文围绕这两个问题,开展了硅酸镁铝（MAS）和氧化石墨烯（GO）两种片层状纳米材料在水基钻井液中分别作为流型调节剂和页岩稳定剂的研究,而且对其各自的作用机理进行了分析,并形成了流变性优良、页岩稳定性强、可抗盐钙污染的环保型水基钻井液体系。为提高钻井液的流变性需要研发高效流型调节剂,本文研究对比了低浓度（
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页岩油气钻井过程中水基钻井液的应用越来越多,但水基钻井液的流变性能和页岩的封堵稳定性能有待提高。本文围绕这两个问题,开展了硅酸镁铝（MAS）和氧化石墨烯（GO）两种片层状纳米材料在水基钻井液中分别作为流型调节剂和页岩稳定剂的研究,而且对其各自的作用机理进行了分析,并形成了流变性优良、页岩稳定性强、可抗盐钙污染的环保型水基钻井液体系。为提高钻井液的流变性需要研发高效流型调节剂,本文研究对比了低浓度（1～2%）MAS和高浓度（4～8%）膨润土（Na-BT）分散液的流型指数、黏弹性模量、弹性恢复率等流变参数,发现低浓度MAS分散液具有剪切稀释性强、凝胶强度高和结构恢复快以及黏性流动损耗低等优良流变特性。另外,MAS在30～600°C的热重质量损失率仅为5.87%远低于文中对比的聚合物类流型调节剂,150°C高温老化之后弹性模量、表观黏度未见下降反而升高;并且MAS的生物降解性、生物毒性和重金属含量检测结果表明MAS易降解、重金属含量极低、无生物毒性,环保性能高。并通过透射电镜、阳离子交换容量、粒径分布、Zeta电位分析了MAS优良流变性的机理。此外,本文通过表观黏度、动切力和黏弹性模量分析了Na2CO3对三种MAS分散液流变性的影响,结果表明Na2CO3对三种MAS分散液的流变性都具有提升作用,并且对三种MAS而言存在Na2CO3“最佳浓度”,揭示了碳酸钠对硅酸镁铝分散液流变性的影响规律。为实现纳微米孔隙的高效封堵和页岩稳定,本文制备了柔性的氧化石墨烯纳米片层（GO）,对GO的含氧官能团和晶层间距以及微观形貌进行了表征;并通过线性膨胀实验、岩心自然渗吸实验、页岩抗压强度实验以及对纳微米孔隙的滤失控制实验,发现0.6%GO抑制黏土膨胀性能优于2%聚醚胺,0.1%GO降低液体向纳微米孔隙的侵入效果强于1%Nano-Si O2,0.6%GO维持页岩抗压强度性能优于4%膨润土和3%Nano-Si O2,并通过透射电镜、扫描电镜、X射线光电子能谱和N2等温吸附与脱附实验研究了GO片层稳定页岩的作用机理。为降低MAS分散液的滤失量并进一步提高其流变性,在MAS分散液中引入聚阴离子纤维素（PAC-LV）形成MAS与PAC-LV体系,该体系具有塑性黏度低、动切力高的流变特点。为提高体系的稳定页岩性能及抗污染性能,在体系中引入氧化石墨烯（GO）及其它钻井液处理剂,构建了MAS钻井液体系,该体系流变及滤失性良好、稳定页岩性能强、可抗5%Na Cl、1%Ca Cl2污染和5%土侵,并且MAS钻井液体系无生物毒性、易降解、重金属含量远低于标准值,环保性能优异。
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