納米鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀

王寶堂

(中國石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川德陽618000)

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納米鉆井液技術(shù)現(xiàn)狀

王寶堂

(中國石化西南石油工程有限公司井下作業(yè)分公司，四川德陽618000)

納米技術(shù)是最近發(fā)展起來的前沿新興科學技術(shù)，將納米技術(shù)與鉆井液技術(shù)結(jié)合，利用納米材料的獨特功能，能起到降低摩阻、增強濾餅質(zhì)量、協(xié)助成膜等作用。針對國內(nèi)外對納米鉆井液的研究做深入調(diào)研，總結(jié)當今納米鉆井液類型及各種納米鉆井液的應(yīng)用。結(jié)果表明，納米鉆井液外加材料主要包括各種處理劑及納米碳酸鈣(CaCO3)，納米級硅酸鹽等。國內(nèi)目前研究的納米鉆井液主要為納米膠乳液，包括PMMA納米膠乳鉆井液、SLNR納米乳液、納米鉆井液GY-2。國外納米鉆井液研究與應(yīng)用集中在納米基堵漏鉆井液、提高鉆井液對頁巖和裂縫的封堵能力等方面。提高納米鉆井液密度、抗溫能力及分散能力，納米重晶石的研究及改性，以納米鉆井液為依托形成頁巖氣鉆井具有普適性的水基鉆井液是未來納米鉆井液的幾大方向。

納米技術(shù)；鉆井液；納米處理劑；降低摩阻；濾餅質(zhì)量

1 納米技術(shù)與納米材料

1.1 納米技術(shù)

納米技術(shù)是最近發(fā)展起來的新興科學技術(shù)，納米技術(shù)與信息技術(shù)、生物技術(shù)一起并列為當代三大技術(shù)。將納米技術(shù)與鉆井液技術(shù)結(jié)合，利用納米材料的獨特功能，能起到降低摩阻、增強濾餅質(zhì)量、協(xié)助成膜、封堵微小孔隙等作用，必將對鉆井液技術(shù)的發(fā)展起到革命性的推動作用。國內(nèi)外學者已經(jīng)開始了有益的探索，開展了嘗試性的應(yīng)用技術(shù)研究，且研究多集中在鉆井液納米處理劑的研發(fā)和應(yīng)用中。這標志著納米技術(shù)已經(jīng)開始向鉆井液領(lǐng)域滲透，具有非常重要的意義[1]。

1.2 納米材料常用表征方法

納米材料的化學結(jié)構(gòu)及組成是決定其性能的主要因素，從原子尺度和納米尺度對納米材料進行表征是非常重要的。納米材料的測試包括以下幾個方面：納米材料的化學成分、納米材料的物理指標(粒度大小、粒度分布、粒子形狀、材料形貌、晶體結(jié)構(gòu)等)、納米粒子表面分析等，這些分析的結(jié)構(gòu)也稱為納米材料的表征(表1)。

表1 納米材料表征方法分類表[2]

2 納米鉆井液外加材料研究現(xiàn)狀

納米鉆井液的外加材料很多，如各種處理劑、納米碳酸鈣(CaCO3)、納米級硅酸鹽等，其在鉆井液中所起的作用和機理各不相同。

2.1 納米碳酸鈣

納米碳酸鈣是指尺寸在納米數(shù)量級的碳酸鈣，從晶型上可分為紡錘體、針形、球形、立方形、鏈狀等，是于20世紀80年代發(fā)展起來的一種新型超細固體無機化工材料。由于納米碳酸鈣粒子的超細化，其晶體結(jié)構(gòu)和表面電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，產(chǎn)生了普通碳酸鈣所不具有的小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，在磁性、催化劑、光熱阻和熔點等方面具有比常規(guī)材料更優(yōu)越的性能[3]。納米碳酸鈣的表面改性方法有局部化學反應(yīng)改性、表面包覆改性、膠囊化改性、高能表面改性及機械化學改性等[4]。納米碳酸鈣用于鉆井液中可起到封堵孔隙，提高濾餅質(zhì)量的作用。

2.2 納米重晶石

天然重晶石是一種重要的硫酸鹽類含鋇化合物，具有密度大、硬度低、性脆等特點，且化學性質(zhì)穩(wěn)定、無磁性、無毒性，能吸收X射線和γ射線[5]。

實驗采用兩步法制備納米重晶石粉體：第一步，將納米重晶石粉體、水、分散劑按一定比例混合在高速分散機上分散30min，制成濃縮漿液；第二步，在桶內(nèi)壁為合金材料并帶有夾套冷卻裝置的研磨機中加入水和球磨珠，預(yù)熱約10min后加入微米級濃縮漿進行研磨處理，研磨一定時間后把產(chǎn)品過濾、洗滌和干燥[6]。實驗發(fā)現(xiàn)納米重晶石表面電性為正，當體系pH值增加時表面電荷降低，粒度變大時zeta電位下降。

3 國內(nèi)外納米鉆井液研究與應(yīng)用

納米材料具有良好的物理、化學特性，應(yīng)用到鉆井液中對鉆井液的流變性、造壁性和保護油氣層都有很明顯的提升。

3.1 國內(nèi)納米鉆井液研究與應(yīng)用

國內(nèi)目前研究的納米鉆井液主要為納米膠乳液，其潤滑性和流變性都較好，現(xiàn)場應(yīng)用具有良好效果。

3.1.1 PMMA納米膠乳鉆井液

納米膠乳一般指粒子尺寸在幾納米到1μm范圍內(nèi)、由合成聚合物和天然高分子構(gòu)成的亞微米級的膠體體系，或點陣、微點陣體系[7]。實驗發(fā)現(xiàn)其有較強的抑制性，原因是納米膠乳呈電中性或正電性，當其和黏土接觸時，陽離子表面活性劑起活性作用的陽離子和非離子表面活性劑的親水基團均可吸附在黏土表面，可以中和黏土表面負電荷并排斥具有較厚水化膜的層間陽離子，而且這種吸附可以使黏土表面潤濕性發(fā)生改變，有時甚至轉(zhuǎn)換為親油表面[8]。

3.1.2 SLNR納米乳液

SLNR納米乳液是中國石化勝利石油管理局鉆井泥漿公司與山東大學膠體化學研究所聯(lián)合研制出的鉆井液新型處理劑，與普通乳狀液相比，其液滴小、分散均勻、穩(wěn)定性好，與微乳液相比則大大節(jié)省了乳化劑的用量，具有很好的實際應(yīng)用價值。

勝利油田將SLNR納米乳液應(yīng)用在高難度大位移水平井中，測得SLNR納米乳液具有良好的鉆井液潤滑能力，鉆井過程中能降低摩阻和扭矩，確保了大位移井鉆井的順利施工。且其具有良好的抑制黏土礦物水化膨脹和分散的能力，對保持井壁穩(wěn)定起到了一定的作用。SLNR納米乳液配合硅鉀基防塌劑、BPS 黑色正電膠和聚合物形成的硅聚納米潤滑鉆井液滿足了勝利油田上部淺地層大位移鉆井的需要[9]。

3.1.3 納米鉆井液GY-2

中國石油大學(北京)化工學院將納米材料表面改性，用適當分散方法制備了懸浮介穩(wěn)體系GY-2，該納米復合材料為白色乳狀液體，呈正電性[10-11]。實驗研究得出，GY-2 納米鉆井液在水中的分散性好，可有效改善鉆井液流變性和濾失性，潤滑性好，抑制黏土水化膨脹能力強，有利于井壁穩(wěn)定和油氣層保護，可用作水基鉆井液處理劑。GY-2 顆粒具有小尺寸及表面與界面效應(yīng)、用量少、效果好，符合鉆井液向低固相或無固相發(fā)展的趨勢，GY-2納米鉆井液處理劑發(fā)展?jié)摿薮骩12]。

3.2 國外納米鉆井液研究與應(yīng)用

3.2.1 納米基堵漏鉆井液

密蘇里科學技術(shù)大學和卡爾加里大學聯(lián)合研究了一種新型LCM鉆井液，該鉆井液可替代水基或油基鉆井液用于低滲透或致密性地層中并保持井眼穩(wěn)定。納米顆粒易于進入最小的孔洞和孔喉，對所有組成類型的地層和淺水層都有很好的密封作用。

實驗室將納米石墨、納米碳酸鈣與鉆井液相混合來阻止漏失、增強井眼穩(wěn)定性。實驗發(fā)現(xiàn)，低濃度的鐵基納米顆粒與高濃度的納米石墨混合構(gòu)成的水基鉆井液承壓能力增加11.5MPa，漏失量減少70%；油基鉆井液與高濃度的鐵基納米顆粒和高濃度的納米石墨混合能提高4MPa的承壓能力，漏失量減少36%以上[13]。

另一種納米基鉆井液也是利用納米顆粒的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，用于改進流變性，形成優(yōu)質(zhì)濾餅及頁巖抑制劑，油基鉆井液能很好地控制井壁穩(wěn)定，敏感性較強的地層使用納米鉆井液具有很好的抑制作用。研究表明，納米顆粒通過進入較小的孔喉封堵孔隙，防止漏失并形成致密濾餅，創(chuàng)建一個非滲透性的頁巖表面，通過加入表面活性劑能有效控制具羥基基團(-OH)的納米顆粒表面結(jié)塊[14]。

3.2.2 提高對頁巖和裂縫的封堵能力

頁巖鉆井孔不穩(wěn)定一直是困擾全世界的難題，確定頁巖鉆井孔穩(wěn)定性最重要的因素是裂紋在硬脆頁巖中的分布和擴張。避免頁巖鉆井孔崩塌最常用的方法主要包括增加鉆井液濾液的抑制、改善鉆井液濾餅的質(zhì)量、密封在井筒表面附近的孔和裂紋等。一種納米材料的應(yīng)用可快速形成密封膜、提高密封餅的強度和降低濾餅的滲透率。

3.2.2.1 濾失性測試

頁巖滲透率和孔隙度遠低于砂巖，在相同的壓差下，頁巖的滲濾速度比砂巖速度低很多，而且在頁巖段鉆井液濾餅更難形成。鉆井液泥餅的形成要求孔喉大小和屏蔽/封堵粒子大小相匹配，已開發(fā)出一種新型的納米添加劑，該納米添加劑可以吸附在黏土顆粒表面形成濃重的水化膜以排除陽離子，還可以減少黏土的膨脹和分散。因為納米添加劑尺寸小，可以形成一個粗糙并且致密的濾餅，顯著降低鉆井液損失和保持井眼穩(wěn)定。實驗室通過一系列對比實驗來比較分析納米材料加入后對鉆井液各方面性能的影響。

將納米添加劑混合到基礎(chǔ)鉆井液中，評價其對流變性和濾失性的影響。3%的納米添加劑混合到基礎(chǔ)鉆井液中的測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 流變性和濾失性測試結(jié)果表

實驗結(jié)果表明，添加碳酸鈣和納米添加劑都能有效降低鉆井液的過濾速度，但是納米添加劑的效果更加明顯，這是因為納米添加劑更容易在井孔壁上形成一層抗侵蝕較強的不透膜[15]。

3.2.2.2 濾餅質(zhì)量測試

對形成的濾餅進行了強度評價對比，通過實驗測定納米鉆井液濾餅的高溫高壓抗剪強度。在動態(tài)過濾過程中，沉積在濾餅表面的固體顆粒同時受到兩種力:一是濾餅上的壓差產(chǎn)生的力，另一個是鉆井液和完井液的剪切力。隨著濾餅厚度增加，作用在濾餅任何部位由壓差所產(chǎn)生的力將逐漸降低，直至與剪切力相等。這時，濾餅中粒子的沉積速率與逃逸速率相等，所以濾餅的厚度將不再增加。當濾餅的厚度不再改變時，增加剪切力會沖毀部分甚至全部濾餅，侵蝕程度取決于鉆井液和完井液的組成。通過實驗測定濾餅剪切強度系數(shù)的主要實驗步驟是：在120℃和3.5MPa下，分別在400s-1，100s-1，400s-1的剪切速率下測定高溫高壓過濾的過濾量：

(1)

式中SH——高溫高壓下濾餅的剪切強度系數(shù)；

q3——400s-1的剪切速率下，第2個90min內(nèi)的過濾量；

q1——400s-1的剪切速率下，第1個90min內(nèi)的過濾量；

q2——100s-1的剪切速率下，90min內(nèi)的過濾量。

用式(1)測定鉆井液系統(tǒng)的剪切強度系數(shù)SH，SH是一個無量綱因子，其值越大，濾餅質(zhì)量越好。

實驗結(jié)果(表3)可知，納米基鉆井液有更大的剪切強度系數(shù)，表明其形成的濾餅有更高的密度和更強的抗侵蝕性，能更好地保持鉆井孔的穩(wěn)定。

表3 不同鉆井液的剪切強度系數(shù)表

4 結(jié) 論

國內(nèi)外對納米鉆井液技術(shù)的研究處于起步階段，由于納米材料表現(xiàn)出的優(yōu)異性能及納米科技的不斷發(fā)展，納米鉆井液必將在石油鉆探領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

(1)當今國內(nèi)對納米鉆井液的研究以納米膠乳或乳液為主，納米添加劑也多是膠乳液，體系比較單一。國外研究大多將納米鉆井液應(yīng)用到致密頁巖的封堵中，在深井、超深井鉆井越來越多的趨勢下，如何提高納米鉆井液密度、抗溫能力等仍是今后的重點和難點。

(2)作為鉆井液的加重材料，納米重晶石有較高的活性及表面效應(yīng)，對納米重晶石的研究及改性也是納米鉆井液的一個研究方向。

(3)納米CaCO3及納米SiO2的高表面活性和尺寸效應(yīng)對鉆井液造壁形成高質(zhì)量濾餅具有很大影響，提高其分散能力是需要突破的問題。

(4)納米鉆井液配制水基鉆井液應(yīng)用于頁巖氣鉆井也是以后研究的熱門。若能以納米鉆井液為依托形成頁巖氣鉆井中具有普適性的水基鉆井液，將會是目前世界頁巖油氣開發(fā)中的巨大突破。

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Status of Nano Drilling Fluid Technology

Wang Baotang

(DownholeOperationBranchofSinopecXinanOilfieldServiceCorporation,Deyang,Sichuan618000,China)

Nanotechnology is a new frontier science and technology that has been developed recently, its unique features have been intrduced to drilling fluids to reduce friction, enhance the mud cake quality and form the film.Through investigation of nano drilling fluid technology from domestic and abroad, the paper described the types and application of nano drilling fluids currently.The results showed that the additives of nano drilling fluids mainly included the treatment agents and nano- CaCO3as well as nano-silicate, etc. At present, the research of nano drilling fluid is mainly for nano latex, including PMMA nano latex drilling fluid, SLNR nano emulsion, nano drilling fluid GY-2. Research and application of nano drilling fluid in foreign countries mainly focused on nano plugging fluid to improve the sealing ability of drilling fluid for shale and fracture. The water based drilling fluids that used for shale drilling in the future need to research on several aspects, including raising the density, temperature resistance and dispersing ability of nano drilling fluid,research on nano barite and its modification, etc.

Nanotechnology；Drilling fluid；Nano- treatment agent；Reduce friction；Quality of mud cake

王寶堂(1964年生)，男，工程師，從事測試、修井、試油、壓裂等方面工作。郵箱：1346453051@qq.com。

TE254.3 文獻識別碼：A