纳米二氧化硅封堵剂的计算机辅助分子设计、优化及应用
随着石油勘探的深入发展，发现了越来越多难以开采的复杂地层，为了确保高效的石油勘探，对钻井技术尤其是钻井液处理剂有了更高的要求。维持井壁稳定是钻井过程中最重要的条件之一，而井壁是否安稳与页岩稳定息息相关。页岩具有低渗透、微孔、微裂缝的特点，传统钻井液封堵剂的尺寸对页岩纳米级孔隙封堵效果不佳。近年来，纳米技术与钻井技术的相结合，加速发展了石油钻探行业。纳米材料易进入页岩微裂缝中,可以形成致密封堵层实现有效封堵，防止滤液进入页岩，提高地层承载能力和井眼稳定性。 纳米微粒尺寸小、比表面积大，且具有量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，与同类材料相比，表现出更强的物理化学性质。纳米二氧化硅以环保、价格低廉、热稳定性高、易改性和适配性强等优点，在石油钻井中得到了广泛的研究和应用。由于纳米二氧化硅含有大量硅羟基，且比表面积和表面能较高，硅羟基之间极易缩合，这些颗粒在水悬浮液中容易团聚和沉淀，失去纳米级粒径，影响了在水基钻井液中的应用，因此通过改性可对纳米二氧化硅进行性能优化。硅烷偶联剂是目前常用且有效的纳米二氧化硅表面改性剂，硅烷偶联剂的物理参数信息，对化学工程中材料性能的识别和控制至关重要。通过实验测定性质参数耗时费力，且数据的准确性受方法多样性、结果重复和再现性以及设备可靠性等因素制约。而定量结构性质/活性关系(quantitativestructure-property/activityrelationships,QSPR/QSAR)可以通过数学方法建立化合物结构与生物活性/性质之间的定量关系模型,从而对化合物的活性/性质进行预测。全息定量构效关系(hologramQSAR,HQSAR)方法建模简单、计算速度快、预测精度高，是一种新颖有效的定量构效关系方法。首先，基于HQSAR方法建立硅烷偶联剂与其相关性质的QSPR模型，这些模型可以预测硅烷偶联剂的性质参数，还可以对大量硅烷化合物进行初步筛选，为研究纳米二氧化硅改性技术提供技术支持，这对未来定向化设计硅烷偶联剂有指导作用。其次，通过常见硅烷偶联剂KH-570对纳米二氧化硅进行改性，以此提高纳米二氧化硅的分散性。最后，对改性前后纳米二氧化硅封堵剂在膨润土基浆和钻井液体系中流变性、降滤失性、润滑性以及抑制性进行评价。具体工作如下: 建立了硅烷偶联剂与折光率和密度的HQSAR模型。通过留一交叉验证和外部测试集验证评价模型的预测能力。结果表明，所建立的HQSAR模型均具有良好的预测能力,通过模型的分子贡献图，发现了影响硅烷偶联剂折光率值的结构基团，分子中苯环取代基和氧原子上长链烷基的存在会增加折光率值。 通过KH-570对纳米二氧化硅封堵剂进行表面性能优化。首先，利用沉降法对改性前后的纳米二氧化硅在水介质中的分散稳定性进行分析，结果表明，优化后的纳米二氧化硅颗粒分散度较高。其次，探究了KH-570用量、反应温度和反应时间对纳米二氧化硅颗粒粒径大小的影响。最终优选出纳米二氧化硅的最佳改性条件为:KH-570用量为8.0wt.％,改性时间2h,改性温度70℃。此条件下优化出的纳米二氧化硅在水相中的粒径最小，平均粒径为152.19nm。 对改性前后纳米二氧化硅封堵剂在膨润土基浆中流变性、降滤失性、润滑性以及抑制性进行评价。结果表明，改性后的纳米二氧化硅在膨润土基浆中具有更好的降滤失性能;改性纳米二氧化硅形成的泥饼光滑、致密且未出现裂缝;改性纳米二氧化硅封堵剂润滑性优于未改性纳米二氧化硅;改性纳米二氧化硅较未改性纳米二氧化硅具有更好的抑制粘土水化膨胀程度。 对改性前后纳米二氧化硅封堵剂在钻井液体系中流变性、降滤失性、润滑性以及抑制性进行评价。结果表明，改性纳米二氧化硅能够大幅度提高钻井液的表观粘度、略微提高塑性粘度、对动切力影响不大;改性纳米二氧化硅在钻井液体系中仍具有较好的降滤失作用;改性纳米二氧化硅封堵剂在钻井液体系中的润滑性较差一些;改性纳米二氧化硅在钻井液中表现出较好的抑制性。
页岩微裂缝;封堵剂;纳米二氧化硅;改性处理;HQSAR
西安石油大学
硕士
化学工程
焦龙
2023
中文
TQ127.2
2023-08-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）