鉆井液用納米封堵劑研究進(jìn)展

馬成云， 宋碧濤， 徐同臺(tái)， 彭芳芳， 宋濤濤， 劉作明

鉆井液用納米封堵劑研究進(jìn)展

馬成云1， 宋碧濤2， 徐同臺(tái)1， 彭芳芳1， 宋濤濤1， 劉作明3

（1.北京石大胡揚(yáng)石油科技發(fā)展有限公司，北京 102200；2.中國石化江蘇油田分公司石油工程技術(shù)研究院，江蘇揚(yáng)州 225000；3.渤海鉆探定向井技術(shù)服務(wù)分公司，天津300280）

馬成云，宋碧濤，徐同臺(tái)，等.鉆井液用納米封堵劑研究進(jìn)展[J].鉆井液與完井液，2017，34（1）：1-8.

MA Chengyun， SONG Bitao， XU Tongtai， et al. Progresses in studying drilling fl uid nano material plugging agents[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（1）：1-8.

分析了硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)的原因，介紹了納米材料特點(diǎn)及其應(yīng)用，并概述了國內(nèi)外鉆井液用納米封堵劑的研究進(jìn)展，包括有機(jī)納米封堵劑、無機(jī)納米封堵劑、有機(jī)/無機(jī)納米封堵劑，以及納米封堵劑現(xiàn)場應(yīng)用案例。筆者認(rèn)為：利用無機(jī)納米材料剛性特征以及有機(jī)聚合物可任意變形、支化成膜等特性，形成的一種核殼結(jié)構(gòu)的無機(jī)/聚合物類納米封堵劑，能夠很好地分散到鉆井液中，且對鉆井液黏度和切力影響較小，這種類型的納米封堵劑能夠在低濃度下封堵泥頁巖孔喉，建立一種疏水型且具有一定強(qiáng)度的泥頁巖人工井壁，這不僅能夠阻止鉆井液侵入，而且還能提高地層承壓能力，無機(jī)納米材料與有機(jī)聚合物的結(jié)合是未來鉆井液防塌劑的發(fā)展方向。

納米封堵劑；硬脆性泥頁巖；井壁穩(wěn)定；防塌；綜述

隨著石油天然氣資源勘探開發(fā)范圍的擴(kuò)大，特別是非常規(guī)油氣資源頁巖氣和致密油的開發(fā)，硬脆性泥頁巖井壁失穩(wěn)問題成了亟需解決的問題[1-2]。國外學(xué)者研究表明[3]：泥頁巖孔喉大小在5～50 nm之間，平均孔喉直徑在10～30 nm，且易引發(fā)井壁失穩(wěn)的硬脆性泥頁巖，大多存在閉合或開啟的層理和微裂縫，毛管作用力較強(qiáng)。在正壓差與毛管壓力作用下，鉆井液容易侵入，導(dǎo)致泥頁巖沿著裂縫面或?qū)永砻骈_裂，并且不斷沿著裂縫面縱向橫向發(fā)展。此外，侵入的濾液會(huì)使裂縫面或?qū)永砻嬷g的摩擦系數(shù)減小，從而增大井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。因此封堵泥頁巖納米級孔喉和裂縫成為了解決泥頁巖井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵。但是Al-Bazali等人研究表明：常規(guī)鉆井液處理劑的顆粒粒徑在0.1～100 μm之間，主要適用于封堵0.1～1 mm的地層孔喉和裂縫，說明鉆井液中的常規(guī)處理劑在泥頁巖地層難以形成泥餅。Chenevert教授2009年[4-9]將未改性的納米SiO2加入到水基鉆井液中，研究發(fā)現(xiàn)加入納米SiO2的鉆井液降低了泥頁巖地層滲透率，延緩孔隙壓力傳遞，于是他們認(rèn)為納米封堵劑能夠封堵泥頁巖孔喉。隨后，國內(nèi)外學(xué)者也相繼開展了大量關(guān)于納米封堵劑的研究。

1 鉆井液用納米封堵劑

1.1 有機(jī)納米封堵劑

有機(jī)納米粒子在一定溫度和壓力下，具有可壓縮變形性，能夠?qū)诘奈⒖紫缎纬芍旅芊舛?，適用于蒙脫石含量較高的地層，特別是在易造漿、易水化膨脹、穩(wěn)定性差的地層。

1.1.1 納米聚合物類

目前，國內(nèi)外有機(jī)納米封堵劑主要以聚合物納米復(fù)合材料為主。由于高分子量聚合物非極性部分的伸展， 使水等極性分子無法通過這層非極性分子組成的膜， 同時(shí)納米聚合物能夠聚集在泥餅內(nèi)，降低泥餅的滲透率， 從而達(dá)到降低鉆井液濾失量的目的。貝克休斯公司開發(fā)了一種可變形的納米級封堵聚合物MAX-SHIELD[10]， 其主要組分為平均粒度小于0.2 μm的羧基丁苯乳膠或磺化丁苯乳膠，加量為3%時(shí)， 即可在井壁表面形成一層致密膜結(jié)構(gòu)，達(dá)到良好的封堵效果和井壁穩(wěn)定作用。林梅欽[11]研制了納米級水溶脹交聯(lián)聚丙烯酰胺微球， 原始粒徑約為30～150 nm，呈多分散性分布，其形態(tài)接近球形， 具有一定的變形性，其分散體系能夠?qū)?.4 μm孔喉形成有效封堵。王偉吉[12]以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯為單體， 過硫酸鉀為引發(fā)劑， 采用乳液聚合法制備了納米聚合物微球封堵劑SD-seal，其分散性好，平均粒徑在20 nm左右， 能抗402.5 ℃高溫， 阻緩孔隙壓力傳遞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SD-seal可使龍馬溪組頁巖巖心滲透率降低95%。

1.1.2 鋁絡(luò)合物類

孫強(qiáng)等[13]研制了一種絡(luò)合鋁化學(xué)封堵劑PFChemSeal，能夠封堵0.5～3.1 μm的孔隙和微裂縫。加有PF-ChemSeal的鉆井液能在微裂縫中形成層狀封堵，在泥頁巖表面形成與微裂縫方向垂直的致密絡(luò)合鋁化學(xué)沉淀層。Arambulo V. H.[14]研發(fā)了一種鋁基高性能水基鉆井液體系，解決了泥頁巖地層井壁難以形成泥餅問題。該體系主要添加劑由可變形封堵聚合物和鋁復(fù)合材料構(gòu)成，其中可變形封堵聚合物能夠架橋封堵泥頁巖孔喉，阻止孔隙壓力傳遞，而鋁復(fù)合材料能夠滲透到泥頁巖內(nèi)部，產(chǎn)生沉淀、封堵裂縫，且已有現(xiàn)場成功應(yīng)用案例。

1.1.3 納米級的膠束類封堵劑[15]

漢科公司使用納米級的膠束封堵劑HSM（嵌段共聚聚醚高分子表面活性劑）和微米級的納微固壁劑HGW（憎水性微交聯(lián)的丙烯酸酯）作為頁巖封堵材料。HSM膠束在水溶液中可呈球狀、層狀、棒狀，其尺寸在1～100 nm之間，膠束粒子在孔喉中相互聚集并產(chǎn)生疏水膠團(tuán)，能夠快速封堵泥頁巖納米孔喉，阻止自由水向泥頁巖深部侵入。微米級固壁劑HGW顆粒尺寸在100～1 000 nm之間。當(dāng)其覆蓋在井壁巖石表面后，在壓力作用下可變形粒子緊密堆積形成一層憎水膜，阻止水與巖石的接觸，防止泥頁巖的水化，并加固井壁。加入3%HGW+2%HSM時(shí)能顯著提高鉆井液體系的封堵性能。已在冀東油田應(yīng)用，具有良好的封堵性。

1.1.4 納米乳液

納米乳液[16]（nanoemulsion）又稱微乳液（microemulsion），是一種由水、油、表面活性劑和助表面活性劑等自發(fā)形成的透明或半透明的多分散相體系，具有熱穩(wěn)定性和分散性，液滴粒徑為50～500 nm。由于納米乳液的這種特殊性，其對鉆井液的性能影響較小，可作為納米封堵劑使用。

納米石蠟乳液[17-18]是采用反相乳化法研制的一種納米乳液，具有較好的抑制防塌性、潤滑性和油氣層保護(hù)性能。在乳化劑的作用下，納米石蠟乳液會(huì)分離成一種微小液滴，具有較低的油水界面張力，會(huì)使巖石表面潤濕性發(fā)生改變。由于納米乳液具有較高的擴(kuò)散滲透性，當(dāng)其與泥頁巖作用時(shí)，能夠在黏土水化膨脹前封堵孔隙，阻止水侵入。此外，隨著溫度升高，當(dāng)溫度升到一定程度后乳液開始破乳，含有的有機(jī)質(zhì)會(huì)吸附在井壁上，形成油膜，阻止水的侵入。

但是由于乳化石蠟強(qiáng)度有限，在高壓差作用下，容易擠入地層深部而失去封堵能力。因此，王金榮等[19]選用高軟化點(diǎn)的陽離子軟化瀝青RHJ-3，復(fù)配不同粒徑的超細(xì)碳酸鈣提高了乳液的穩(wěn)定性和體系的封堵能力。

王琳， 錢曉琳[20]以丙烯酰胺、丙烯酸鉀及陽離子單體為原料，采用反相乳液聚合方法合成了一系列共聚物乳液，加入到鉆井液中會(huì)增加鉆井液黏度和切力，但能極大地降低鉆井液濾失量。當(dāng)乳液加量為0.2%時(shí)，可使濾失量降低49.33%。

白小東[16]利用種子乳液聚合法合成了一種鉆井液用納米膠乳PMMA，平均粒徑在73 nm，加入2%PMMA，可使砂床濾失量降低50%，砂床滲透性濾失量降低71%，說明納米膠乳PMMA能夠在壓力作用下擠入細(xì)小孔隙中形成封堵。

Spisak B J[21]研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒NPs不僅能夠增加泡沫的穩(wěn)定性，而且還能夠?qū)toka頁巖孔喉和裂縫形成物理封堵。圖1為含5%納米顆粒NPs的泡沫鉆井液壓力傳遞測試結(jié)果。由圖1可以看出，在泡沫鉆井液中加入納米顆粒NPs后，很大程度地降低了頁巖滲透率，達(dá)83%～97%，同時(shí)也能降低處理劑使用量、節(jié)省作業(yè)成本。

圖1 泡沫中加入5%納米顆粒NPs前后壓力傳遞測試結(jié)果

1.2 無機(jī)納米封堵劑

當(dāng)前鉆井液用無機(jī)納米材料主要以納米氧化物為主，主要包括納米二氧化硅、納米碳酸鈣、納米氧化鐵和鐵基/鈣基納米材料。

1.2.1 納米SiO2

納米SiO2是一種無機(jī)化工材料，俗稱白碳黑，為無定形白色粉末，無毒無味無污染，微結(jié)構(gòu)呈球形，不溶于水。納米SiO2被賦予了特殊的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表面存在大量的不飽和殘鍵，從而改變了體系的懸浮穩(wěn)定性和流變性，可以通過化學(xué)氣相沉積（CVD）、液相法、離子交換法和溶膠凝膠法制得。

M. E. Chenevert[22]對7種粒徑為5～22 nm的未改性SiO2進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，基本參數(shù)見表1。首先將10%的7種納米SiO2分別加入到水基鉆井液（FWM）中，在80 ℃熱滾24 h后，測試其性能，結(jié)果見表2。從表2可以看出，只有NP-G導(dǎo)致鉆井液性能變差、鉆井液持續(xù)濾失之外，其他6種納米SiO2對鉆井液性能影響較小，且能夠封堵濾紙孔喉，降低濾失量。

表1 7種商業(yè)未改性納米SiO2的基本參數(shù)

表2 7種未改性納米SiO2對水基鉆井液（FWM）性能影響

筆者將上述的6種納米SiO2分別加入到膨潤土鉆井液（BM）和低固相鉆井液（LSM）中，并分別測試了鉆井液流變性及其對Atoka頁巖的封堵效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：粒徑在7～22 nm之間的納米SiO2能夠降低Atoka頁巖的滲透率，且對鉆井液流變性能影響較小。

1.2.2 改性納米SiO2

由于納米SiO2表面存在大量活性羥基，使納米SiO2表面呈現(xiàn)親水疏油的特性，易于團(tuán)聚，在有機(jī)質(zhì)中或聚合物中很難分散，填料與聚合物之間很難形成偶聯(lián)鍵，從而限制了納米SiO2的作用。為此，國內(nèi)外研究者對納米SiO2進(jìn)行了改性，即在納米SiO2表面接枝疏水基團(tuán)，減少其表面的羥基數(shù)，使之由親水疏油變?yōu)槭杷H油，增強(qiáng)納米SiO2與有機(jī)質(zhì)之間的相容性[23]。

表3 6種未改性納米SiO2對BM鉆井液性能影響

表4 未改性納米SiO2對頁巖滲透率的影響

姚如鋼[24]對納米SiO2進(jìn)行了改性，合成一種白色蓬松粉體改性納米SiO2，其平均粒徑在20 nm左右，比表面積大于600 m2/g，具有較強(qiáng)的親水性，能在黏土顆粒和處理劑分子不飽和殘鍵上形成牢固的物理化學(xué)吸附，從而顯著改善鉆井液潤滑性，降低體系的黏度和切力，增強(qiáng)泥餅的致密性，降低體系的濾失量。閆麗麗[25]使用硅烷偶聯(lián)劑對納米SiO2疏水改性，研制了納米封堵材料，其粒徑分布為40～150 nm，具有良好的抑制性和封堵性，對鉆井液流變性影響較小，封堵率由71%提高至88%。此外，一些研究者將超支化聚合物[26-27]或疏水締合聚合物[28-29]接枝到納米SiO2表面，形成一種具有核殼結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料，提高了納米SiO2的分散性和相容性。由于超支化聚合物具有特殊的支化結(jié)構(gòu)和疏水性，能夠滲透到泥頁巖孔喉或裂縫中實(shí)行封堵。

1.2.3 納米碳酸鈣

張虹[30]基于早期提出的自解堵屏蔽暫堵理論，研發(fā)了一種疏水改性納米碳酸鈣，平均粒徑在20～100 nm，相比超細(xì)碳酸鈣更細(xì)，具有顯著的表面效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在屏蔽暫堵鉆井液中加入1.5%疏水碳酸鈣后，濾失量由2.6降為1.2 mL，泥餅厚度由0.4變?yōu)?.28 mm，說明疏水暫堵鉆井液能夠快速形成外泥餅，降低瞬時(shí)濾失量。

1.2.4 氧化鐵類

Omar Mahmoud 等[31-32]研發(fā)了一種Fe3O4納米材料，能夠在低濃度下發(fā)揮很好的降濾失效果。當(dāng)Fe3O4納米材料加量為0.5%時(shí)，能夠使泥餅滲透率降低76.4%，累積濾失量降低42.7%。岳秋地等[33]通過熱分解法制備了Fe3O4納米封堵劑，具有磁場響應(yīng)性，在鉆井過程中，可以對特定地層進(jìn)行選擇性封堵，提高封堵效率。

1.2.5 鈣基/鐵基納米顆粒（FeNP/CaNP）

Contreras O.等[34]研究發(fā)現(xiàn)，增加鐵基納米顆粒（FeNP）/鈣基納米顆粒（CaNP）到油基鉆井液中，能夠降低高溫高壓濾失量，增強(qiáng)地層承壓能力。表5為鐵基/鈣基納米顆粒壓裂測試結(jié)果。

表5 加有FeNP/CaNP的油基鉆井液承壓能力測試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，0.5%的石墨與0.5%的FeNP/ CaNP混合以后作用效果最為有效，分別可以提高地層承壓能力達(dá)39%和63%，且對鉆井液流變性幾乎沒有影響。圖2展示鈣基納米材料沿裂縫面形成的封堵層。

圖2 鈣基納米材料沿著裂縫形成的封堵層

1.3 有機(jī)/無機(jī)納米封堵劑

有機(jī)/無機(jī)納米封堵劑是由一種無機(jī)剛性材料和一種或幾種有機(jī)可變形納米材料復(fù)合而成，其中無機(jī)剛性納米材料具有很好的高溫穩(wěn)定性，能夠架橋封堵頁巖納米級孔隙，而有機(jī)可變形納米材料可在高溫和壓差作用下發(fā)生任意變形，填充剛性架橋納米顆粒形成的孔隙，最終能夠在巖石表面形成一種膜效率達(dá)58.2%[35]左右的半透膜，阻止濾液的侵入，起到保護(hù)井壁的作用。

Sadeghalvaad M[36]將二氧化鈦納米顆粒與聚丙烯酰胺發(fā)生聚合反應(yīng)，合成了一種水溶性的納米復(fù)合材料（TiO2/PAM），加入到膨潤土基漿中能夠顯著改善鉆井液流變性和濾失性，使濾失量降低64%。賀明敏[35]以改性納米SiO2為無機(jī)結(jié)構(gòu)單體，以AMPS、AM、AA和St為有機(jī)結(jié)構(gòu)單體進(jìn)行合成；Srivatsa J T[37]以納米SiO2、生物聚合物、表面活性劑為材料合成凍膠。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：聚合物基納米顆粒能夠滲透到泥頁巖中，架橋封堵泥頁巖孔隙，有利于加固井眼。也有人以無機(jī)納米材料和納米膠乳為原料，通過在無機(jī)納米材料表面覆蓋一層疏水型非離子有機(jī)物[38-40]，能夠達(dá)到成膜封堵作用。

孫迎勝[41]利用無機(jī)納米材料的高化學(xué)活性特點(diǎn)，將其與膠凝材料發(fā)生水化鍵合，生成以納米材料為核心的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)無機(jī)納米材料極易進(jìn)入水化產(chǎn)物的毛細(xì)孔及其微裂縫等缺陷結(jié)構(gòu)中，使封堵劑固化后體積不收縮，析水量少，并改善封堵劑的物理力學(xué)性能，生成的微觀結(jié)構(gòu)更加致密均勻，封堵率達(dá)99.9%。

中海油服研制[42]了一種高效納米封堵劑Green-seal，它是一種環(huán)保型水基鉆井液用可變形封堵防塌劑， 由微米級不可變形材料、 納米級可變形可再分散聚合物顆粒和天然高分子改性材料組成，粒徑主要集中在80 nm和800 nm左右。在正壓差作用下能夠迅速擠入近井壁的微裂縫和孔喉中， 形成致密隔離層帶，減緩壓力傳遞，延長了井壁穩(wěn)定時(shí)間。該納米材料已在現(xiàn)場得到了成功應(yīng)用，減少了起下鉆時(shí)間。從滲透性封堵測試結(jié)果可以看出，基漿中加入Green-seal 以后濾失量降低75%左右，在陶瓷盤上形成了薄而致密的泥餅。

2 鉆井液用納米封堵劑現(xiàn)場應(yīng)用案例

2.1 PF-ChemSeal在渤海鉆井中的應(yīng)用[13]

PF-ChemSeal是由中海油服研制的高效微納米級絡(luò)合鋁化學(xué)封堵劑。針對泥頁巖地層井壁穩(wěn)定情況，在渤海海域常用的KCl/PHPA水基鉆井液中加入2%PF-ChemSeal，加強(qiáng)了鉆井液對泥頁巖孔隙和微裂縫的封堵作用。加入PF-ChemSeal的X井φ216 mm井段鉆井液性能比較穩(wěn)定。通過PFChemSeal對Pieer Ⅱ頁巖膜效率改善實(shí)驗(yàn)結(jié)果和X井φ216 mm井段井徑曲線可以看出，化學(xué)封堵劑PF-ChemSeal能夠提高泥頁巖“膜效率”、減少泥頁巖中孔隙壓力傳遞、起到維持井壁穩(wěn)定的作用。

2.2 Green-seal在東海和渤海鉆井中的應(yīng)用[42]

Green-seal是由中海油服公司研制的一種高效納米封堵劑。東海NB區(qū)域一直存在嚴(yán)重坍塌、起下鉆遇阻等井下復(fù)雜事故。為此，引入了高效封堵劑Green-seal，大大減少了起下鉆時(shí)間，見表6。

表6 加入Green-seal后起下鉆情況對比

2.3 改性納米SiO2在KL3-2油田的應(yīng)用[43]

改性納米SiO2封堵劑HSM是采用硅烷偶聯(lián)劑對SiO2納米粒子進(jìn)行表面處理，將溫敏性聚N-異丙基丙烯酰胺高分子接枝到納米SiO2表面，獲得的溫敏型納米封堵劑。當(dāng)HSM作用在井壁附近時(shí)，在壓差作用下能夠被擠入到井壁孔隙中，在巖石表面形成良好的封堵層，同時(shí)隨著溫度升高，HSM表面的溫敏性聚合物從親水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷疇顟B(tài)，進(jìn)而在巖石表面形成疏水膜，進(jìn)一步起到阻水作用。

KL3-2油田某井是一口調(diào)整井，該井東營組下段和沙河街組地層為典型的硬脆性泥頁巖地層，基質(zhì)孔隙在100～300 nm，裂縫寬度在100～500 nm，鉆井過程中，坍塌掉塊嚴(yán)重。為此，該井三開轉(zhuǎn)用PEM鉆井液體系，并加入了0.5%的頁巖抑制劑和一定量的微納米封堵劑（HSM），后期鉆井中未出現(xiàn)井壁掉塊等井下復(fù)雜情況?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：HSM能夠減少鉆井液向地層微裂縫中侵入。

2.4 納米乳液SDJ-2在臨盤區(qū)塊的應(yīng)用[44]

雙保型納米乳液SDJ-2在勝利油田街206/207井得到了成功應(yīng)用，全井段平均井徑擴(kuò)大率由街2井的150%降低到了6.7%。主要由于SDJ-2在鉆井液中具有很好的分散性，易滲入和吸附在井壁上，起到成膜封堵效果。

3 認(rèn)識(shí)與建議

1.有機(jī)聚合物/無機(jī)納米封堵劑既克服了有機(jī)納米封堵劑低強(qiáng)度的劣勢，又解決了無機(jī)納米封堵劑在鉆井液中容易發(fā)生聚沉等問題，是未來鉆井液防塌處理劑的發(fā)展方向。

2.納米封堵劑作用機(jī)理是納米顆粒吸附在裂縫面或者孔喉處，改變了巖石表面潤濕性，進(jìn)而延緩了鉆井液侵入，當(dāng)大量的納米顆粒聚集在裂縫面時(shí)會(huì)起到架橋封堵作用，結(jié)合常規(guī)鉆井液封堵劑可封堵一定尺寸泥頁巖微裂縫，達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。

3.隨著納米技術(shù)的發(fā)展及推廣，納米技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到石油鉆井各個(gè)環(huán)節(jié)，但是對于鉆井液用納米封堵劑的作用機(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠清楚，大多鉆井液用納米封堵劑研究僅僅停留于室內(nèi)研究階段，現(xiàn)場應(yīng)用較少。建議今后加強(qiáng)泥頁巖封堵性評價(jià)方法和納米封堵劑作用機(jī)理的研究，為今后非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)提供技術(shù)支持。

[1]張洪偉， 左鳳江， 李洪俊， 等.微裂縫封堵劑評價(jià)新方法及強(qiáng)封堵鉆井液配方優(yōu)選[J]. 鉆井液與完井液，2015， 32（6）： 43-45.

ZHANG Hongwei，ZUO Fengjiang，LI Hongjun，et al.Method for evaluation of plugging of nano-micron fracture[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2015， 32（6）： 43-45.

[2]閆麗麗， 李叢俊， 張志磊，等. 基于頁巖氣“水替油”的高性能水基鉆井液技術(shù)[J]. 鉆井液與完井液， 2015，32（5）：1-6.

YAN Lili，LI Congjun，ZHANG Zhilei，et al.High performance water-base drilling fluid for shale gas drilling[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（5）：1-6.

[3]SENSOY T. Use of nanoparticles for maintaining shale stability[J]. University of Texas at Austin， Austin， 2009.

[4]CHENEVERT M E， SHARMA M M. Maintaining shale stability by pore plugging： U.S. Patent 8，783，352[P]. 2014-7-22.

[5]SENSOY T， CHENEVERT M E， SHARMA M M. Minimizing water invasion in shales using nanoparticles[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers， 2009.

[6]AMANULLAH M， AL-TAHINI A M. Nano-technologyits significance in smart fluid development for oil and gas field application[C]//SPE Saudi Arabia Section Technical Symposium. Society of Petroleum Engineers， 2009.

[7]CAI J， CHENEVERT M E， SHARMA M M， et al. Decreasing water invasion into Atoka shale using nonmodified silica nanoparticles[J]. SPE Drilling & Completion， 2012， 27（01）： 103-112.

[8]JI L， GUO Q， FRIEDHEIM J E， et al. Laboratory evaluation and analysis of physical shale inhibition of an innovative water-based drilling fluid with nanoparticles for drilling unconventional shales[C]//SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers， 2012.

[9]CONTRERAS O， HARELAND G， HUSEIN M， et al. Wellbore strengthening in sandstones by means of nanoparticle-based drilling fluids[C]//SPE Deepwater Drilling and Completions Conference. Society of Petroleum Engineers， 2014.

[10]XIANG T， CLAPPER D. Drilling fluid systems comprising latex particle（ s）： U.S. Patent Application 11/284，163[P]. 2005-11-21.

[11]林梅欽， 董朝霞， 彭勃， 等. 交聯(lián)聚丙烯酰胺微球的形狀與大小及封堵特性研究[J]. 高分子學(xué)報(bào)， 2011（ 1）：48-54.

LIN Meiqin，DONG Zhaoxia，PENG Bo，et al. Shape，size and plugging properties of crosslinked polyacryamide microspheres[J]. Acta Polymerica Sinica， 2011（ 1）： 48-54.

[12]王偉吉， 邱正松， 黃維安， 等. 納米聚合物微球封堵劑的制備及特性[J]. 鉆井液與完井液， 2016， 33（1）：33-36.

WANG Weiji，QIU Zhengsong，HUANG Weian，et al.Preparation and characteristics of nano polymer microspheres used as plugging agent in drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2016，33（1）：33-36.

[13]孫強(qiáng)， 胡進(jìn)軍， 張興來， 等. 絡(luò)合鋁化學(xué)封堵劑 PFChemSeal評價(jià)與現(xiàn)場應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液， 2015，32（4）：28-31.

SUN Qiang，HU Jinjun，ZHANG Xinglai，et al.Performance evaluation and application of aluminum complex chemical sealing additive PF-Chemseal[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（4）：28-31.

[14]ARAMBULO V H， COLQUE J N， ALBAN E D， et al. Case studies validate the effectiveness of aluminum-based HPWBM in stabilizing micro-fractured shale formations：field experience in the peruvian amazon[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers， 2015.

[15]王維，楊波，李占偉，等.抗高溫聚束鉆井液在南堡 3-15井的應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液， 2014， 31（4）：15-18.

WANG Wei，YANG Bo，LI Zhanwei，et al.Application of high temperature polymeric micelle drilling fluids in well Nanpu3-15[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2014， 31（4）： 15-18.

[16]白小東， 蒲曉林. PMMA 納米膠乳在鉆井液中的性能評價(jià)[J]. 鉆井液與完井液， 2010， 27（1）： 8-10.

BAI Xiaodong，PU Xiaolin. Performance evaluation of pmmanano-latexin drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2010，27（ 1）：8-10.

[17]趙春花， 夏小春， 項(xiàng)濤， 等. 防凍型納米乳化石蠟 PF-EPF的研制與應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液， 2016， 33（5）： 9-14.

ZHAO Chunhua， XIA Xiaoehun， XIANG Tao，et al.Development and application of antifreeze nano emulsified paraffin PF-EPF[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2016， 33（5）： 9-14.

[18]藍(lán)強(qiáng)，蘇長明， 劉偉榮，等. 乳液和乳化技術(shù)及其在鉆井液完井液中的應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液， 2006， 23（2）： 61-69.

LAN Qiang，SU Chang-ming ，LIU WeiRong，et al. Emulsions and emulsifying technique and their application in drilling and completion fluid technology[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2006， 23（2）： 61-69.

[19]王金榮， 王立鋒， 楊立， 等. 強(qiáng)抑制乳液鉆井液在瑪北1 井二開鉆井中的應(yīng)用[J]. 油氣藏評價(jià)與開發(fā)， 2012， 2（3）： 53-57.

WANG Jinrong ，WANG Lifeng， YANG Li .Application of strong inhibitive emulsion drilling fluid in the second interval drilling of well MB1[J]. Reservoir Evaluation and Development， 2012， 2（3）： 53-57.

[20]王琳， 錢曉琳. 聚合物乳液的合成及其在鉆井液中的應(yīng)用[J]. 西部探礦工程， 2015， 27（12）： 44-45.

WANG Lin，QIAN Xiaolin. Synthesis of a polymer emulsion and its application in drilling fluid[J].West-China Exploration Engineering， 2015， 27（12）： 44-45.

[21]SPISAK B J. Using nanoparticle stabilized foam to achieve wellbore stability in shales[J]. 2011.

[22]CAI J，CHENEVERT M E，SHARMA M M，et al. Decreasing water invasion into Atoka shale using nonmodified silica nanoparticles[J].SPE Drilling & Completion， 2012， 27（01）： 103-112.

[23]褚奇， 楊枝， 李濤， 等. 硅烷偶聯(lián)劑改性納米 SiO2封堵劑的制備與作用機(jī)理[J]. 鉆井液與完井液， 2016， 33（4）： 47-50.

CHU Qi， YANG Zhi， LI Tao，et al.Preparation and analyses of nano SiO2plugging agent modified with silane coupling agent[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2016， 33（4）： 47-50.

[24]姚如鋼， 蔣官澄， 李威， 等. 新型抗高溫高密度納米基鉆井液研究與評價(jià)[J]. 鉆井液與完井液， 2013，30（ 2）：25-28.

YAO Rugang，JIANG Guancheng，LI Wei，et al.Reseach and evaluation on new high temperature and high desity of nano-based drilling fluid system[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2013， 30（2）： 25-28.

[25]閆麗麗，孫金聲，季一輝，等.鉆井液用納米二氧化硅封堵劑的研制及性能評價(jià)[C]//2014年全國鉆井液完井液技術(shù)交流研討會(huì)論文集，北京：中國石化出版社，2014.

YAN Lili，SUN Jinsheng，JI Yihui，et al.Preparation and properties evaluation of silicananoplugging agent in drilling fluid[C]//The 2014 National Conference on Drilling Completion Fluid Technology Communication，Beijing：China Petrochemical Press，2014.

[26]XIE G， LUO P， DENG M， et al. Nanoplugging performance of hyperbranched polyamine as nanoplugging agent in oil-based drilling fluid[J]. Journal of Nanomaterials， 2015.

[27]LI X， HONG C Y， PAN C Y. Preparation and characterization of hyperbranched polymer grafted mesoporous silica nanoparticles via self-condensing atom transfer radical vinyl polymerization[J]. Polymer， 2010，51（1）： 92-99.

[28]毛惠， 邱正松， 沈忠厚，等.疏水締合聚合物/納米二氧化硅降濾失劑的研制及作用機(jī)理[J]. 石油學(xué)報(bào)，2014， 35（4）： 771-778.

MAO Hui，QIU Zhengsong，SHEN Zhonghou，et al.Synthesis and mechanism of hydrophobic associated polymer based nano-silica filtrate reducer[J].Acta Petrolei Sinica， 2014， 35（4）： 771-778.

[29]毛惠， 邱正松， 沈忠厚， 等. 兩親嵌段疏水締合聚合物基納米 SiO2的合成及溶液特性[J].高分子材料科學(xué)與工程， 2015（ 1）： 7-12.

MAO Hui，QIU Zhengsong，SHEN Zhonghou，et al.Synthetic and solution properties of amphoteric hydrophobic associate polymer based nano-silica[J]. Polymer Materials Science & Engineering， 2015（ 1）：7-12.

[30]張虹， 藍(lán)強(qiáng). 基于疏水改性納米碳酸鈣的鉆井完井液[J]. 鉆井液與完井液， 2015， 32（2）： 43-46.

ZHANG Hong， LAN Qiang. Study on hydrophobic nano calcium carbonate drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2015， 32（2）： 43-46.

[31]MAHMOUD O， NASR-EL-DIN H A， VRYZAS Z，et al. Nanoparticle-based drilling fluids for minimizing formation damage in HP/HT applications[C]//SPE International Conference and Exhibition on Formation Damage Control. Society of Petroleum Engineers， 2016.

[32]CONTRERAS PUERTO O. Wellbore strengthening by means of nanoparticle-based drilling fluids[D]. University of Calgary， 2014.

[33]岳秋地， 武元鵬， 吳江， 等. Fe3O4納米封堵劑的制備，表征及封堵性能[J]. 油田化學(xué)， 2014（ 3）： 322-325.

YUE Qiudi，WU Yuanpeng，WU Jiang，et al.Preparation， characteriazation and plugging properties of Fe3O4nanoparticles for plugging agent[J].Oilfield Chemistry， 2014（ 3）： 322-325.

[34]CONTRERAS O， ALSABA M， HARELAND G， et al. Effect on fracture pressure by adding iron-based and calcium-based nanoparticles to a nonaqueous drilling fluid for permeable formations[J]. Journal of Energy Resources Technology， 2016， 138（3）： 032906.

[35]賀明敏， 蒲曉琳， 蘇俊霖， 等. 鉆井液用納米復(fù)合乳液成膜劑 NCJ-1 的合成與評價(jià)[J]. 石油與天然氣化工，2012， 41（2）： 187-190.

HE Mingmin，PU XiaoLin，SU Junlin，et at.Preparation and evaluation of nano-composite latex film former NCJ-1 for drilling fluid[J].Chemical Engineering of Oil and Gas，2012， 41（2）： 187-190.

[36]SADEGHALVAAD M， SABBAGHI S. The effect of the TiO2/polyacrylamide nanocomposite on water-based drilling fluid properties[J]. Powder Technology， 2015，272： 113-119.

[37]SRIVATSA J T， ZIAJA M B. An experimental investigation on use of nanoparticles as fluid loss additives in a surfactant-polymer based drilling fluids[C]// International Petroleum Technology Conference. International Petroleum Technology Conference， 2011.

[38]白小東， 蒲曉林.有機(jī)/無機(jī)復(fù)合納米水基鉆井液體系研究[J]. 石油鉆探技術(shù)， 2010， 38（2）： 47-50.

BAI Xiaodong，PU Xiaolin. Study of organic/inorganic composite nano-sized water-based drilling fluids[J]. Petroleum Drilling Techniques， 2010， 38（2）： 47-50.

[39]白小東， 蒲曉林， 張輝. 納米成膜劑 NM-1 的合成及其在鉆井液中的應(yīng)用研究[J]. 鉆井液與完井液， 2007， 24（1）：13-14.

BAI Xiaodong，PU Xiaolin，ZHANG Hui.Synthesis of nano filming agent NM-1 and its application in drilling fluids[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2007， 24（1）： 13-14.

[40]陳二丁， 周輝. 成膜強(qiáng)抑制納米封堵鉆井液的研究[J].鉆井液與完井液， 2011， 28（3）： 39-41.

CHEN Erding，ZHOU Hui.Research of high inhibition film-forming nano-sealing drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2011， 28（3）： 39-41.

[41]孫迎勝， 陳淵， 溫棟良， 等. 納米封堵劑性能評價(jià)及現(xiàn)場應(yīng)用[J]. 精細(xì)石油化工進(jìn)展， 2010（ 11）： 10-12.

SUN Yingsheng， CHEN Yuan， WEN Dongliang，et al. Evaluation and field application of nanometer plugging agent[J]. Advances in Fine Petrochemicals，2010（11）： 10-12.

[42]胡進(jìn)軍， 夏小春， 孫強(qiáng)，等. JFC 鉆井液體系升級研究及應(yīng)用[J]. 鉆采工藝， 2013， 36（4）： 79-82.

HU Jinjun， XIA Xiaochun， SUN Qiang，et al.Research and field application of JFC drilling fluid system upgrate[J].Drilling & Production Technology， 2013， 36（4）： 79-82.

[43]邱正松，王偉吉，董兵強(qiáng)，等. 微納米封堵技術(shù)研究及應(yīng)用[J]. 鉆井液與完井液，2015， 32（2）： 6-10.

QIU Zhengsong ，WANG Weiji， DONG Bingqiang，et al.Study and application of micro-nano plugging technology[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2015，32（2）： 6-10.

[44]王佩平. 聚磺納米乳液鉆井液在臨盤街 206 井的應(yīng)用[J]. 石油地質(zhì)與工程， 2007， 21（2）： 75-77.

WANG Peiping.Application of polymer sulfonated emulsion drilling fluid in Jie-206 well in LinPan[J]. Petroleum Geology And Engineering， 2007，21（2）：75-77.

Progresses in Studying Drilling Fluid Nano Material Plugging Agents

MA Chengyun1, SONG Bitao2, XU Tongtai1, PENG Fangfang1, SONG Taotao1, LIU Zuoming3
(1.Beijing Shidahuyang Petroleum Scien-Tech Development Company Ltd., Beijing 102200; 2.Research Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Jiangsu Oilf i eld Company, Yangzhou, Jiangsu 225000; 3.Directional Drilling Service Company, BHDC, Tianjin 300280)

This paper analyzes the mechanisms under which the hard and brittle shale formations destabilize, introduces the characteristics and application of nano materials, and summarizes the progresses made in the studies of drilling fl uid nano material plugging agents, including organic and inorganic nano plugging agents. Also discussed in this paper are several case histories of the application of nano plugging agents. The authors believe that plugging agents having core-shell structures, which take advantage of the rigidity of inorganic nano materials and the deformability and fi lming ability of organic polymers, do not heavily affect the viscosity and gel strength of the drilling fl uids in which the plugging agents can well dispersed. This kind of nano plugging agents can plug the pore throats of shales at low concentrations, thereby produce a pseudo hydrophobic “borehole wall” with some strength. This pseudo “borehole wall” not only hinders the invasion of drilling fl uids, it also increases the pressure bearing of formation. The authors thus believe that the combination of inorganic nano materials and organic polymers indicates the direction for the development of anti-collapse additives in the future.

Nano material Plugging agent; Hard and brittle mud shale; Borehole collapse; Anti collapse; Summarize

TE254.3

A

1001-5620（2017）01-0001-08

2016-11-25；HGF=1604N5；編輯 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.001

馬成云，1987年生，2015年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，現(xiàn)在主要從事鉆井液技術(shù)相關(guān)的研究工作。電話13636810776；E-mail：mcy0000@163.com。