随着社会和经济的快速发展,对能源的需求越来越多,能源短缺问题日益突出,因此页岩气及低渗透储层等非常规油气资源的开采越来越受到重视。页岩气储层中黏土含量高,裂缝数量多且易水化膨胀而使钻井井壁失稳;同时,页岩岩层中存在数量多而尺寸小的孔隙,流体的渗透将导致储层稳定性的下降。水基钻井液在钻井施工过程中对储层微孔隙进行有效封堵,是保障井壁稳定的重要措施之一。因此将纳米技术与钻井液体系相结合,研制水基钻井液急需的纳米材料是页岩气高效、安全开发的重要保障之一。本论文围绕页岩气开发用水基钻井液的要求,制备了一系列用于改性钻井液性能的CaCO3颗粒和聚合物修饰的CaCO3纳米颗粒,并详细考察纳米颗粒对水基钻井液流变性能、封堵性等性能的影响规律。聚合物的修饰一方面可以控制CaCO3颗粒的尺寸大小,利用聚合物提供的静电斥力和和空间排斥提高纳米颗粒的分散性,同时借助表面修饰作用赋予纳米颗粒特殊的表面功能,有利于改善水基钻井液的流变性能和封堵性能。主要研究内容如下:(1)采用复分解法制备了 CaCO3颗粒,并将CaCO3颗粒作为处理剂用于改性水基钻井液。对CaCO3颗粒的形貌、组成进行了表征,并考察其对钻井液性能的影响。实验结果表明,与钻井液基浆相比,CaCO3颗粒对水基钻井液流变性能影响不大。随着CaCO3颗粒浓度增大,水基钻井液滤失量先减小后增大,且在浓度为0.1 wt%时,滤失量最小。通过滤饼微观形貌分析可知,CaCO3微米颗粒能够进入泥饼中,但是由于其尺寸较大,难以对微纳米孔隙进行有效封堵,所以滤失量较大。(2)采用原位自由基聚合法制备了聚丙烯酸(PAA)修饰的CaCO3纳米颗粒(CaCO3/PAA)。对产物进行了红外光谱分析、扫描电子显微镜、热失重测试及Zeta电位表征。将所得CaCO3/PAA作为纳米处理剂,改善水基钻井液的流变及滤失性能。结果表明,加入0.05-0.1 wt%CaCO3/PAA纳米颗粒,钻井液在低剪切速率下的黏度得到提高,剪切稀释性能得到改善。加入0.1 wt%纳米颗粒使水基钻井液的动切力从0.18 Pa上升至0.43 Pa,提高了体系的凝胶强度。同时,加入纳米颗粒可以降低钻井液滤失量,在添加浓度为0.1 wt%时,滤失量最小,比基浆降低了 10.4%,滤失性能得到提高并改善了滤饼质量滤饼微观。形貌分析照片显示,CaCO3/PAA纳米颗粒封堵膨润土片层间的微纳米孔隙而阻止流体的通过,从而降低滤失量。(3)通过原位自由基聚合制备了阴离子聚丙烯酰胺修饰的纳米颗粒(CaCO3/APAM),并作为纳米处理剂,考察对水基钻井液性能的影响。结果表明,加入纳米颗粒CaCO3/APAM后,低剪切速率下的体系黏度得到提高,剪切稀释性显著增强。除常温条件,还考察了钻井液在高温条件下的性能。在80℃高温下,改性水基钻井液的流变行为符合Herschel-Bulkley流体模型,CaCO3/APAM的加入使流型指数n明显下降。滤失实验结果表明,随着纳米颗粒浓度的升高,滤失量下降,并在1 wt%时得到最佳添加浓度,110℃下使滤失量从32.5 mL下降到24.6 mL,滤失量降低了 24.3%。耐盐滤失实验表明,纳米颗粒的加入显著降低了水基钻井液的滤失量,表明纳米颗粒在含盐的水基钻井液中是有效的封堵剂。(4)通过原位自由基聚合制备了聚2-丙烯酰胺基-2甲基丙磺酸(PAMPS)修饰的碳酸钙纳米颗粒(CaCO3/PAMPS),并将其加入到水基钻井液中改性水基钻井液性能。钻井液流变测试表明,CaCO3/PAMPS纳米颗粒的加入提高了钻井液剪切稀释性。当添加量为1 wt%时,80℃高温下的剪切稀释性能显著增强;钻井液滤失测试表明纳米颗粒的加入可有效降低滤失量,且当添加量为1 wt%时达到最小的滤失量和最低的滤失速率。滤饼微观形貌研究表明,纳米颗粒在滤饼中微孔隙的封堵形成了更致密的滤饼,有效提高了封堵效果。本论文围绕水基钻井液用碳酸钙颗粒进行了研究,制备了 CaCO3微米颗粒,以及CaCO3/PAA、CaCO3/APAM和CaCO3/PAMPS纳米颗粒,并用这些颗粒改性水基钻井液。实验结果表明,CaCO3微米颗粒无法有效提高水基钻井液性能,而采用聚合物表面修饰后的碳酸钙纳米颗粒,能够有效改善水基钻井液的流变性能、封堵性能,以及耐温耐盐性能。