[发明专利]石墨烯组合物以及源自该组合物的钻井液

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年1月8日提交的美国临时专利申请第61/026,765号，2008年2月4日提交的第61/026049号，以及2008年2月5日提交的第61/026,377号的优先权，这些专利全文参考结合入本文中。

关于联邦资助研究的声明

本申请的工作是在以下基金资助下进行的：NASA基金NNX07AI65G，联邦航空行政基金2007G010，空军部门发起的研究/空军研究实验室，以及高能协会。

背景技术

矿藏，主要是石油和天然气，但是还包括例如水和各种无机矿物的勘探和生产经常包括用旋转切割器形成钻孔。在挖掘过程中，岩石碎屑不断地从钻孔移出。在较浅的钻孔(深度小于数百英尺)中，人们通过例如空心钻杆喷射压缩空气来除去岩石。通过钻杆和钻孔之间的圆环形空间除去岩石碎屑。在较深的钻孔或者地质形貌中容纳有水或其它流体的钻孔中，通过类似的方式使用液体除去岩石碎屑。人们通常将这些液体称为“钻井液”。人们经常在钻井液中加入重晶石之类的添加剂以增大密度，使得某一深度处钻井液的流体静压力大于相同深度下地质结构中流体的静压力。钻井液密度的增大有助于防止地质组成物进入钻孔并在钻井过程中遇到高压的沉积矿物时抑制井喷。

尽管钻井液为钻井工艺提供了大量的优点，但是钻井液的压力经常足以侵入可渗透性的岩层。人们不希望发生这种渗透，因为这会影响石油的回收。人们经常在钻井液中加入一些材料，这些材料会形成使得钻井液无法渗透的滤饼，从而堵塞可渗透性岩层中的孔。例如，人们通常将膨润土(一种黏土)用于该目的。有时候，人们还加入其它的添加剂，例如纤维素、聚合物、沥青、和碳酸钙以改进滤饼的性质。尽管膨润土和类似的材料能够减小岩层的渗透性，但是滤饼并不是对钻井液完全不渗透的，这会带来一些问题。例如，渗水会使得粘土地层结构溶胀，导致减产。页岩之类的岩石会由于吸收的钻井液累积压力梯度，使得岩层会剥落进入钻井液中。这些‘冲落物’会堵塞钻杆，形成粗糙的表面，增大摩擦。或者钻孔会被堵塞。另外，当钻井液渗入岩石的时候，岩石中原来的流体被代替。当使用测井装置对生产前景进行评估的时候，由于钻井液替代了石油，潜在的生产区可能会被错过。另外，当使用现有的添加剂的时候，会累积形成很厚的滤饼，这会增大钻杆上的摩擦，减小钻井液流过的环形空间的尺寸。当添加剂没有能够阻止钻井液渗入高渗透性的大孔岩层的时候，也会发生故障。钻井液快速流入这些岩层会使得钻杆与岩石表面发生流体力学卡死，导致所谓的“钻杆被卡”现象。

鉴于以上内容，人们非常希望开发改进的钻井液组合物，该组合物能够防止或者显著减少钻井液渗入岩层的发生。这种钻井液组合物能够在钻井操作中提供以下优点，例如减少地层的破坏，形成较薄的滤饼，减少进入岩层芯内的钻井液损失，保持初始的岩层压力，减少钻井设备的磨损，以及减少钻杆发生液压粘着或者钻杆被卡的可能。

发明内容

在各个实施方式中，本发明揭示了包含石墨烯(graphene)的钻井液。在其它的各个实施方式中，本发明揭示了制备包含石墨烯的钻井液的方法。所述方法包括提供石墨烯，提供钻井液，然后将石墨烯分散在钻井液中。在各个实施方式中，本发明揭示了包含纳米薄片添加剂的钻井液。

在各种实施方式中，本发明揭示了衍生的石墨烯。所述衍生的石墨烯是化学转化的石墨烯。所述化学转化的石墨烯用多种官能团进行衍生。在其它的各种实施方式中，本发明揭示了制备衍生的石墨烯的方法。所述方法包括提供化学转化的石墨烯，用大量官能团对所述化学转化的石墨烯进行衍生。

在另外的实施方式中，本发明提供制备氧化石墨的方法。所述方法包括将元素态碳源悬浮在包含次氯酸钠的溶液中，加热该溶液，提供反应后的混合物，对反应后的混合物进行分离，提供上清液相。所述元素态碳源选自下组：例如石墨、炭黑、及其组合。在一些实施方式中，对所述上清液相进行酸化，制得粗氧化石墨，任选通过渗析对所述粗氧化石墨进行纯化。

前述内容相当宽泛地描述了本发明内容的特征和技术优点，使得能够更好地理解以下的详细说明。以下描述的本发明内容的附加特征和优点构成本发明要求的主题。

附图说明

为了更完全地理解本发明及其优点，结合附图参照以下描述来描述本发明的具体实施方式，图中：

图1显示了提出的机理的示意图，包含石墨烯的钻井液可以通过该机理防止或显著减少钻井液渗入岩层中；

图2显示了制备官能化的化学转化的石墨烯的合成历程；

图3显示了用表面活性剂稳定化的化学转化的石墨烯的冷冻-TEM图(比例尺＝50纳米)；