納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用進(jìn)展

陳斌 趙雄虎 李外 李書煉

中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用進(jìn)展

陳斌 趙雄虎 李外 李書煉

中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

納米材料添加劑是當(dāng)前鉆井液領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。在鉆井液中添加納米材料可以實(shí)現(xiàn)控制流變性、提高抗溫性能、降低濾失量、提高潤滑性等效果。通過分析納米SiO2、納米CaCO3、C納米材料、納米乳液等納米材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，簡述了它們在鉆井液中的作用機(jī)理、使用效果、現(xiàn)場實(shí)例及應(yīng)用現(xiàn)狀。提出了根據(jù)材料獨(dú)特理化性質(zhì)針對性使用、構(gòu)建數(shù)學(xué)模型預(yù)測納米添加劑效果以及通過復(fù)配降低納米添加劑成本等建議。

納米材料；鉆井液；納米技術(shù)；應(yīng)用

納米材料是指材料的幾何尺寸達(dá)到納米級尺度水平（10-9m）并且具有特殊性能的材料［1］。它所具有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特殊性能吸引了各領(lǐng)域的研究工作者。如今納米材料逐漸應(yīng)用于航天、生物、醫(yī)藥、化工、微電子等各個(gè)行業(yè)，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具有應(yīng)用前景的新材料［2-3］。如果能將其優(yōu)異性能合理應(yīng)用于鉆井液中，無疑會(huì)使鉆井液技術(shù)提升到一個(gè)新的高度。

現(xiàn)有研究表明，在鉆井液中添加適合的納米材料，能夠起到在高溫高壓下穩(wěn)定鉆井液黏度［4］、封堵地層微裂縫、潤滑鉆具等一系列效果［5］。目前在鉆井液中使用的納米材料主要有2類：一類是納米固體顆粒材料，可以直接加入鉆井液中使用［6］，另一類是納米乳液體系，先制備納米乳液，再加入鉆井液中使用［7］。筆者從材料分類入手，介紹了各類納米材料的研究進(jìn)展、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并對現(xiàn)階段研究所存在的問題提出了建議。

1　鉆井液中常用的納米材料

Nano-materials commonly used in drilling fluids

1.1固體顆粒納米材料

Solid particulate nano-materials

1.1.1納米SiO2納米SiO2呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過游滲作用與聚合物分子的π鍵電子云重合，發(fā)生鍵合作用，提高分子間鍵力，從而大幅度提高高分子化合物的綜合力學(xué)性能［8］。在不分散低固相聚合物鉆井液體系中，往往需要對其中的高分子化合物進(jìn)行改性。加入納米SiO2材料，可以將有機(jī)高分子材料的柔性與無機(jī)材料的剛性結(jié)合在一起，改善處理劑性能，從而改善鉆井液性能。此外，納米SiO2分子表面存在大量不飽和殘鍵和不同鍵合狀態(tài)的羥基，在水基鉆井液中有良好的親和性，從而增強(qiáng)體系的懸浮穩(wěn)定性。

蘇俊霖等［9］配制的含有SiO2納米顆粒的NFL-1降濾失劑，加入鉆井液中能夠改善高分子化合物的特性。實(shí)驗(yàn)表明在3%膨潤土基漿中添加3% 的NFL-1降濾失劑后，其API濾失量為6.2 mL，在220 ℃下熱滾16 h，其API濾失量仍然能夠控制在7.8 mL，添加該降濾失劑能夠使體系具有良好的降濾失效果。

袁野等［10］將納米二氧化硅分散液分別加入淡水基漿、膨潤土基漿和低固相基漿中，實(shí)驗(yàn)表明在室溫及升溫過程中，納米二氧化硅分散液在淡水基漿和膨潤土基漿中的降濾失效果顯著。室溫下的降失水幅度可以達(dá)到56.25%，升溫過程中可以達(dá)到78%。而在低固相基漿中的表現(xiàn)效果一般，作者認(rèn)為納米二氧化硅在膨潤土濃度較高的情況下才可以充分發(fā)揮其降濾失能力。

毛惠等［11］以疏水締合聚合物為基體，納米二氧化硅為填料，采用反相乳液聚合法研制了一種微納米降濾失劑FLR-1，該降濾失劑不僅能夠顯著降低濾失量，而且能夠有效控制鉆井液體系的流變性。在淡水基漿中加入1.2%的FLR-1降濾失劑，經(jīng)180℃老化后其API濾失量為5.2 mL；在10%NaCl鹽水基漿中，經(jīng)180 ℃下老化后其API濾失量為7.6 mL。在常規(guī)單劑測試中，在4%基漿中分別加入4%SMP、4%SPNH、4%PSC等各種降濾失劑，經(jīng)180℃老化，API濾失量大致在8～12 mL的范圍內(nèi)，而加入0.5%的FLR-1降濾失劑，濾失量僅為5.4 mL。以上的數(shù)據(jù)都表明添加了納米二氧化硅的降濾失劑具有較優(yōu)異的抗鹽抗高溫降濾失能力。毛惠等認(rèn)為其優(yōu)異的抗高溫能力除了來自于高分子黏度增大之外，還因?yàn)榧{米顆粒的高比表面積提高了處理劑的比熱，使之相比于常規(guī)處理劑能吸收更多熱量，以及二氧化硅納米顆粒自身的熱穩(wěn)定性，這些都增強(qiáng)了鉆井液體系在高溫下的穩(wěn)定性，從而保證鉆井液在高溫條件下仍然具有較為優(yōu)異的降濾失能力。

趙雄虎等［12-14］在鉆井液中添加經(jīng)表面改性后的納米SiO2材料GY-2，并配合使用常規(guī)化學(xué)試劑，取得了良好的效果。實(shí)驗(yàn)表明隨著GY-2加量的增加，鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力均有提高，濾失量降低。在加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，API濾失量降至4.6 mL。此外，該體系還有良好的頁巖抑制性和潤滑性，是一種優(yōu)良的水基鉆井液處理劑。

在國外，含有納米SiO2的鉆井液體系也被廣泛研究。Meghan Riley等［15］針對水基鉆井液在頁巖層中無法形成泥餅的問題開發(fā)出含SiO2納米顆粒處理劑。當(dāng)添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到29%時(shí)，通過壓力測試手段證明頁巖的孔隙幾乎被完全堵住，實(shí)現(xiàn)了有效封堵。

從以上研究中可以看出，SiO2納米材料常被用于和高分子聚合物相結(jié)合來提高聚合物的強(qiáng)度，以達(dá)到增黏、降濾失、抗高溫等目的或改性后直接添加，實(shí)現(xiàn)對巖層的封堵。

1.1.2納米CaCO3納米CaCO3作為一種新型無機(jī)功能性填料，除了大多數(shù)納米材料所具有的共性之外，與常規(guī)CaCO3粉末相比具有特殊的增韌性、補(bǔ)強(qiáng)性、流變性和殺菌能力等物理、化學(xué)特性。由于其粒徑小，導(dǎo)致畸變程度大，未配對的原子多，同時(shí)其比表面積大，這兩方面的綜合因素都促進(jìn)納米CaCO3與基料的結(jié)合，從而更好地發(fā)揮其增韌性。由于宏觀量子隧道效應(yīng)的存在，使得納米CaCO3在自然光的照射及一定濕度下可以分解出電子，留下化學(xué)活性較高的電子空穴，使其極易與有機(jī)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在不分散低固相聚合物鉆井液體系中，可以利用其上述特性，通過有效合成手段，實(shí)現(xiàn)高分子化合物與納米CaCO3的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)高分子化合物的韌性等物理特性，從而改善鉆井液性能。然而，納米CaCO3的耐熱性能不高，并且具有疏油親水性，很難直接與有機(jī)高分子材料發(fā)生反應(yīng)，因此在使用前需要針對這兩方面的不足進(jìn)行表面改性［16］。韓躍新等［17］用硬脂酸等試劑對納米CaCO3進(jìn)行表面改性，在改性溫度達(dá)到90 ℃時(shí)其活化指數(shù)達(dá)到了0.94。通過紅外光譜分析證明，硬脂酸與納米碳酸鈣之間形成牢固的化學(xué)鍵，從而使改性后的納米碳酸鈣具有疏水親油性。這種改性后的納米CaCO3易于與高分子化合物發(fā)生反應(yīng)。

白小東等［18］通過超聲分散獲得了分散均勻的納米碳酸鈣鉆井液體系，并針對加入表面活性劑改性納米CaCO3和加入未改性的納米CaCO3添加劑2種情況對鉆井液體系進(jìn)行了流變性、降濾失性的測試以及泥餅的觀察。結(jié)果表明，2種情況下的鉆井液黏度、動(dòng)切力都有所降低，而改性后的納米CaCO3添加劑使其降低的幅度更大；API濾失量在2種情況下分別由4%基漿的22 mL降到了9.5 mL和10.5 mL，也證明了改性后的納米CaCO3降濾失能力更好。同樣，未改性的納米CaCO3形成的泥餅表面有明顯的堆積顆粒，說明納米CaCO3發(fā)生團(tuán)聚，使納米添加劑無法發(fā)揮其應(yīng)有的特性。而改性后的納米CaCO3使形成的泥餅致密，且厚度小于1 mm，證明添加劑對泥餅孔隙具有良好的封堵效果。

張婷等［19］對水基鉆井液用納米碳酸鈣分散技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。通過電鏡掃描、測試吸光度等方法篩選分散劑，選擇使用羧酸鹽，并確定其最佳加量為2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），pH值為9是最佳分散環(huán)境。加入納米CaCO3及分散劑的鉆井液能夠有效抑制頁巖水化膨脹，增強(qiáng)降濾失性并表現(xiàn)出良好的乳化性能。通過對其耐溫性能測試表明隨著溫度從25 ℃上升到140 ℃，其API濾失量從6 mL升高至12.7 mL，但是超過140 ℃后，濾失量顯著上升，說明該體系抗溫可達(dá)140 ℃。

Oscar Contreras等［20］成功制備鈣基納米顆粒添加劑NP1應(yīng)用于油基鉆井液以降低濾失量，控制流變性。在加入的納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)到達(dá)1.0%時(shí)，形成厚度為0.62～0.68 mm的薄而致密的泥餅，API濾失量幾乎為0，有效降低油基鉆井液對儲層的損害。

改性后的納米CaCO3可發(fā)揮其獨(dú)特性能，又由于其價(jià)格上的優(yōu)勢，使納米CaCO3具有較好的發(fā)展前景，但如何增強(qiáng)其耐熱性仍是需要考慮的問題。

1.1.3C類納米材料 自納米技術(shù)發(fā)展以來，C（碳）納米材料一直受到廣泛的關(guān)注。迄今為止，已經(jīng)研制出零維的納米碳球、一維的碳納米管、二維的石墨烯等各類材料。對于納米碳球，除了一般納米材料都具有的納米效應(yīng)之外，還具有獨(dú)特的性能，如熱穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕等，同時(shí)，納米碳球的石墨化程度低，表面存在大量的羥基和羧基，使之親水能力強(qiáng)，可以在水基鉆井液中使用。對于石墨烯，作為近年來研究最為熱門的研究材料，除了其導(dǎo)電能力極強(qiáng)外，還可以阻止幾乎所有流體的通過［21］，將其這一特性應(yīng)用于降濾失劑成為了許多研究者的目標(biāo)。碳納米管同樣也擁有導(dǎo)電能力強(qiáng)的特性，但至今很少有文獻(xiàn)報(bào)道將這種特性應(yīng)用于鉆井液當(dāng)中。

楊芳等［22］對將納米碳球應(yīng)用于鉆井液高溫潤滑劑中進(jìn)行了深入的研究。作者認(rèn)為，納米碳球具有高強(qiáng)度特性，在鉆井液體系中不易被清除和打碎，且其表面光滑，能夠起到很好的潤滑作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該材料具有很好的抗高溫性能，在250 ℃下仍然能夠起到很好的潤滑作用。隨著納米碳球加量的增多，潤滑系數(shù)顯著降低，當(dāng)加量為0.4%時(shí)，潤滑系數(shù)的下降率到達(dá)最大22.8%，說明在該加量下體系的潤滑效果最佳。此外，添加該潤滑劑后，形成泥餅的黏附系數(shù)也有所增大，在180 ℃的條件下處理16 h，濾餅黏附系數(shù)相較與鉆井液基漿增大了6.9%，起到了降濾失作用。

宣揚(yáng)等［23］將氧化石墨烯應(yīng)用于降濾失劑中，制備了一種高效降濾失劑。在無膨潤土的情況下，氧化石墨烯的加量由0.2%增大到0.6%時(shí)，API濾失量由137 mL減小到14.7 mL，效果顯著。通過掃描電鏡照片可以看出，當(dāng)石墨烯濃度到達(dá)0.6%時(shí)，石墨烯濾餅僅有微小孔隙，說明泥餅較為致密，從而達(dá)到降濾失的目的。將石墨烯與CMC進(jìn)行復(fù)配，在CMC濃度為0.4%、石墨烯濃度為0.2%時(shí)，無膨潤土的情況下，其API濾失量為24.4 mL?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素，由于CMC的價(jià)格較低，這是一種更為實(shí)用的降濾失劑。

Scomi公司［24］對石墨烯添加劑進(jìn)行了現(xiàn)場評價(jià)測試。加入2%的石墨烯添加劑，對鉆具可以起到良好的潤滑作用，扭矩阻力下降了70%～80%，使鉆頭壽命延長了75%，鉆速增加了125%，且通過井下觀測發(fā)現(xiàn)對鉆屑擁有良好的懸浮效果。

C類納米材料種類繁多，應(yīng)用的范圍也比較廣泛，從潤滑到降濾失等作用都能夠發(fā)揮其特性。此外，如何能夠?qū)⑵鋬?yōu)異的導(dǎo)電性能也應(yīng)用于鉆井液工藝中將是今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1.1.4其他納米材料 除了上述幾類鉆井液用納米顆粒外，對其他納米材料在鉆井液中的應(yīng)用也進(jìn)行了嘗試，如Zn（鋅）、Ti（鈦）、Fe（鐵）類化合物等。

朱阿成等［25］針對低黏鈉羧甲基纖維素（CMC）抗溫性不高的缺陷，使用Zn類納米材料ZZ，采取以溶液共混法和乳液共混法為主、機(jī)械共混法為輔的共混方法對其進(jìn)行改性。表征評價(jià)表明，納米材料ZZ與CMC發(fā)生了物理/化學(xué)作用而緊密結(jié)合。在密度為1.208 g/cm3的膨潤土基漿中分別加入1%的CMC和1%的ZZ-CMC，經(jīng)180 ℃熱滾16 h，加入1%的ZZ-CMC的鉆井液表觀黏度為9.5 mPa·s，塑性黏度為6 mPa·s，動(dòng)切力為3.5 Pa，相比于直接添加CMC的鉆井液體系都有所提高。加入ZZ-CMC后，鉆井液API濾失量為8.1 mL，而直接添加CMC時(shí)的API濾失量為14.8 mL。因此，ZZ-CMC材料在高溫下能夠顯著提高鉆井液動(dòng)切力，降低濾失量。

羅明良等［26］以陰離子表面活性劑脂肪酸甲酯磺酸鹽（MES）為主要原料，加入銳鈦礦型納米TiO2（二氧化鈦），通過交聯(lián)作用使MES高分子材料形成較為穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將該體系應(yīng)用于壓裂液中并通過剪切黏度的測定確定了納米TiO2的最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%。作者認(rèn)為TiO2的吸附作用可以促使MES膠束相互纏繞從而增強(qiáng)溶液的黏彈性，提高壓裂液的熱穩(wěn)定性、降濾失性和攜砂性能，且不影響其破膠性能。筆者認(rèn)為由于納米TiO2具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，因此可以在抗高溫高壓鉆井液體系中對該材料進(jìn)行嘗試研究。

岳秋地等［27］采用熱分解法制備了Fe3O4納米粒子，可作為封堵劑使用，具有良好的封堵性能和耐鹽穩(wěn)定性。在人造泥餅的封堵測試實(shí)驗(yàn)中120 min的濾失量僅有11.3 mL，證明其對泥餅有良好的封堵性能。此外，該體系還具有良好的磁場響應(yīng)性能，納米粒子可以快速吸附于磁鐵附近且撤去磁鐵振蕩后仍能恢復(fù)分散狀態(tài)，因此作者認(rèn)為該體系在泥頁巖段的地層參數(shù)測量中具有廣泛的應(yīng)用前景。

C. O. Nwaoji等［28］用壓裂設(shè)備制備了一種由石墨、納米CaCO3、納米Fe（OH）3等復(fù)合而成的新型堵漏材料。與基漿相比，添加石墨和納米CaCO3復(fù)合而成的納米材料將破裂壓力提高了36%，添加石墨和納米Fe（OH）3復(fù)合而成的納米材料將破裂壓力提高了70%。通過解堵實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種新型封堵材料的封堵能力很強(qiáng)，以至于在解堵時(shí)封堵材料沒有被流體沖出來，而是在其附近形成了裂縫，證明了封堵材料與巖石的結(jié)合力十分強(qiáng)。

1.2納米乳液

Nano-emulsion

納米乳液是指一種液相以液滴形式分散于另一種液相的膠體分散體系［29-30］，是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，當(dāng)小液滴中的流體轉(zhuǎn)移到大液滴中會(huì)發(fā)生乳液的粗化。然而納米乳液在動(dòng)力學(xué)上是穩(wěn)定的，對于溫度變化和稀釋（即濃度變化）有較好的穩(wěn)定性［31］，其穩(wěn)定性與制備方法密切相關(guān)。目前制備方法主要分為高能乳化法和低能乳化法。高能乳化法的能量利用率較低，處理時(shí)間較長。低能乳化法可以有效地規(guī)避這些問題，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)方法，如輪流加液法、自乳化法、相轉(zhuǎn)變溫度法、D相乳化法等都是常見的低能乳化法［32］。目前，納米乳液在鉆井液中的應(yīng)用主要是石蠟納米乳液。

代禮楊等［33］采用反相乳化法制備出納米石蠟乳液，加入HLB值為10.5的乳化劑，在乳化劑濃度為8%、乳化時(shí)間為30 min時(shí)，乳液的平均粒徑最小，穩(wěn)定性最高，具有良好的潤滑性。在納米石蠟乳液加量由0.5%增至3%時(shí)，極壓潤滑系數(shù)降低率由15.83%變化到48.62%。該納米乳液還有良好的防止頁巖膨脹能力，當(dāng)加量為2%時(shí)，頁巖回收率達(dá)到95%左右。此外這種石蠟納米乳液具有優(yōu)異的油氣層保護(hù)效果、環(huán)保效果等特性。

王佩平等［34］制備出正電膠/聚合醇/納米乳液水基鉆井液體系，通過實(shí)驗(yàn)分析，體系中加入的納米乳液SDJ-3具有非常強(qiáng)的封堵和隔離作用，在鉆井液中溶解分散后可以吸附和滲入井壁，形成隔離膜。成膜后抑制泥巖吸水膨脹，達(dá)到抑制垮塌、穩(wěn)定井壁的目的。在街207井的現(xiàn)場測試中，使用該體系的鉆井液后，返排巖屑的成巖性好，呈圓球狀且整個(gè)施工中都未發(fā)生該區(qū)塊其他井在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)垮塌、阻卡等現(xiàn)象。

蘇俊霖等［35］針對有機(jī)/無機(jī)納米復(fù)合乳液成膜劑進(jìn)行了深入研究，采用細(xì)乳化法合成了無機(jī)/有機(jī)納米復(fù)合乳液成膜劑NFR-1。與普通成膜劑進(jìn)行對比后，認(rèn)為該成膜劑納米復(fù)合乳液可以對泥頁巖的納米級孔隙進(jìn)行有效堆積和致密封堵，使該鉆井液體系具有較高的成膜效率，API濾失量由10 mL降低到5.5 mL，有效地降低了濾失量。

陳軍等［36］在W2P1井的鉆進(jìn)中加入了石蠟納米乳液，平均機(jī)械鉆速為10.08 m/h，在鉆遇濾失量大的地層時(shí)加入石蠟納米乳液與有機(jī)硅醇復(fù)配使用，形成了致密的泥餅，將濾失量控制在4.8～5.6 mL范圍。在水平井段增大石蠟納米乳液的加量至3%與有機(jī)硅醇的加量至2%起到了同樣的效果。

總結(jié)近年來的研究成果，納米乳液有以下優(yōu)勢：（1）熱穩(wěn)定性好，能改善鉆井液體系整體的穩(wěn)定性；（2）潤滑性能好，可對鉆具產(chǎn)生良好的潤滑作用；（3）與普通水基鉆井液相比，自由水的含量低，能減少鉆井液漏失，有利于井壁穩(wěn)定；（4）通過納米乳滴的填充作用可得到致密的泥餅，達(dá)到降濾失效果。

2　鉆井液中納米材料的選擇問題

Selection of nano-materials in drilling fluid

納米材料在鉆井液中的使用解決了一些之前難以突破的難題，然而如何針對不同問題，有效地篩選納米材料，筆者認(rèn)為應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手。

（1）加深對材料基礎(chǔ)性能的了解，主要分為2個(gè)方面：其一，應(yīng)深入了解納米材料的納米特性，即表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，從基本特性出發(fā)與鉆井液體系有機(jī)結(jié)合，對其所帶來的優(yōu)勢加以利用，比如其高活性，對于可能帶來的問題進(jìn)行規(guī)避，比如團(tuán)聚問題，其二，清楚認(rèn)識所研究納米材料的獨(dú)特化學(xué)特性后再嘗試應(yīng)用于鉆井液中。由于納米粒子的比表面積大，活性強(qiáng)，易于與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此，如果在不清楚其化學(xué)性質(zhì)的情況下添加，就很有可能造成納米材料與鉆井液中其他有效成分發(fā)生不可逆的反應(yīng)而導(dǎo)致納米材料配伍性差，使鉆井液原有性能下降，造成損失。

（2）目前，大多數(shù)文獻(xiàn)都在說明加入各類納米材料后，鉆井液的流變性、降濾失性、潤滑性等發(fā)生了顯著變化。然而對于其中涉及到的一些規(guī)律性的變化難以有效總結(jié)。針對該問題，可以從最基本的物質(zhì)作用力出發(fā)，用計(jì)算化學(xué)的方法建立納米顆粒懸浮體系模型，進(jìn)行模擬評價(jià)；其次，對于不同種類納米材料，可以通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與擬定模型結(jié)果對比，在模型中添加修正系數(shù)模擬其特定的化學(xué)特性，完善模型。得到模型后，在今后的實(shí)驗(yàn)初期都可以預(yù)測諸如流變性等性能的變化，并且材料選擇問題上有一個(gè)大致方向，避免科研工作者在前期試驗(yàn)中的盲目嘗試。

（3）納米材料的成本偏高，不同種類的納米材料價(jià)格差異明顯。除考慮如何從生產(chǎn)工藝的角度降低成本外，還可以從復(fù)配的角度考慮問題。針對不同種類納米材料，可以考慮與高分子化合物、傳統(tǒng)無機(jī)材料混合使用以降低成本，比如前文提到的納米SiO2與高分子混合使用、納米Fe（OH）3與石墨粉混合使用、石墨烯與CMC混合使用等。因此，這就需要全面認(rèn)識不同種類納米材料的特性，保證在制備納米鉆井液添加劑時(shí)能夠找到性質(zhì)相似或能夠協(xié)同增益的材料進(jìn)行配合使用。

3　結(jié)論及建議

Conclusions and suggestions

納米技術(shù)已逐漸應(yīng)用于鉆井液中。隨著研究的深入，需要建立科學(xué)的理論模型和評價(jià)體系，為該方向的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

（1）目前鉆井液中常用的納米材料主要有納米SiO2、納米CaCO3、C納米材料、納米乳液，除此之外還有Zn、Ti、Fe等類化合物，然而所利用到的物質(zhì)性質(zhì)有限，沒有將材料充分利用。因此，應(yīng)該拓寬研究思路，探索材料各性質(zhì)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)納米技術(shù)與鉆井液技術(shù)的有效結(jié)合。

（2）加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，從微觀入手，考慮物質(zhì)間的相互作用，比如納米顆粒與黏土顆粒的相互作用、納米顆粒與鉆井液中聚合物的相互作用等，輔以計(jì)算化學(xué)的推導(dǎo)，建立合理的數(shù)學(xué)模型并針對不同種類納米材料進(jìn)行模型修正，為今后的科研工作提供一個(gè)可預(yù)測體系性能的模型，提高工作效率。

（3）綜合多學(xué)科內(nèi)容，重視學(xué)科間的交叉知識，不單純以油田化學(xué)思考問題。參考流體力學(xué)、量子化學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)等學(xué)科，分析納米材料在鉆井液應(yīng)用時(shí)遇到的問題。除了理論研究，還應(yīng)考慮成本問題，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

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（修改稿收到日期 2016-03-20）

〔編輯 朱 偉〕

Application of nano technology to drilling fluid

CHEN Bin， ZHAO Xionghu， LI Wai， LI Shulian
State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting， China Uniνersity of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China

Nano-additive is a hot research object in the field of drilling fluids now. When nano-materials are added into drilling fluids， they can control the rheological property， decrease filtration rate， and improve temperature resistance and lubricity of drilling fluids. This paper analyzed nano-materials （e.g. nano SiO2， nano CaCO3， C nano-material and nano-emulsion） in terms of material structure，physical property and chemical property. Then it introduced the working principles and field applications of nano-materials in drilling fluids. Finally， it proposed to build up a mathematical model based on the unique physical and chemical properties of nano-materials to predict the application results of nano-additives and to reduce the cost of nano-additives by means of combination.

nano-materials； drilling fluid； nano technology； application

趙雄虎（1964-），教授，主要從事鉆井液、完井液理論及技術(shù)研究。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號。E-mail: cpbzxh@cup.edu.cn

TE254

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0315- 07

10.13639/j.odpt.2016.03.008

CHEN Bin， ZHAO Xionghu， LI Wai， LI Shulian. Application of nano technology to drilling fluid［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（3）: 315-321.

陳斌（1992-），在讀碩士研究生，從事鉆井液、完井液理論技術(shù)研究。通訊地址：（102249）北京市昌平區(qū)府學(xué)路18號。E-mail: chenbin_spe@126.com

引用格式：陳斌，趙雄虎，李外，李書煉.納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.石油鉆采工藝，2016，38（3）：315-321.