一種高性能納米水基鉆井液的室內(nèi)研究與評(píng)價(jià)*

王學(xué)力，許明標(biāo)，由福昌，秦國(guó)川，潘永功，肖 霞

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000）

一種高性能納米水基鉆井液的室內(nèi)研究與評(píng)價(jià)*

王學(xué)力1，許明標(biāo)1，由福昌2，秦國(guó)川1，潘永功1，肖 霞1

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.嘉華科技有限公司，湖北 荊州 434000）

主要針對(duì)頁(yè)巖氣水基鉆井液難點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種納米材料鉆井液體系。我們主要通過添加混合好的納米材料復(fù)合劑和少量高效潤(rùn)滑劑來(lái)達(dá)到鉆井液封堵性和潤(rùn)滑性優(yōu)良的目的。同時(shí)評(píng)價(jià)了該體系流變性能和熱穩(wěn)定性等基本性能，對(duì)比了該鉆井液體系封堵抑制性能、潤(rùn)滑性能和抗侵污性能，其綜合性能接近油基鉆井液，具備了頁(yè)巖氣開發(fā)水基鉆井液所需的各種重要性能，同時(shí)也達(dá)到了降本增效的目的。

納米鉆井液；封堵抑制性能；潤(rùn)滑性能；抗侵污性能

TE245

A

1 頁(yè)巖氣水基鉆井液技術(shù)難點(diǎn)

由于開發(fā)頁(yè)巖氣水平井的水平段較長(zhǎng)，鉆井過程中容易發(fā)生井漏、井塌、卡鉆等井下復(fù)雜事故。目前，開發(fā)頁(yè)巖氣使用的水基鉆井液有如下難點(diǎn)[3-5]：

（1）井壁失穩(wěn) 頁(yè)巖地層層理和微裂縫發(fā)育，使得鉆井液中的液相在液柱壓力的作用下侵入地層，導(dǎo)致地層頁(yè)巖膨脹和地層孔隙壓力增加。隨著鉆井的進(jìn)行，井壁與鉆井液接觸時(shí)間增加，地層壓力也隨之增加，當(dāng)孔隙壓力大于液柱壓力時(shí)，井壁圍巖的應(yīng)力超過巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生剪切破壞。最終井壁周圍泥頁(yè)巖分散和剝落，造成井壁失穩(wěn)坍塌。因此，確保井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵是水基鉆井液必須具有較強(qiáng)的抑制性和封堵性，減少濾液在頁(yè)巖地層的進(jìn)出，降低頁(yè)巖水化作用。

（2）潤(rùn)滑防卡 在水平井開始鉆造斜井段時(shí)，隨著井斜角逐漸增加以及鉆至水平井段時(shí)摩阻和扭矩會(huì)越來(lái)越大，這樣對(duì)井眼軌跡控制等一系列鉆井作業(yè)造成嚴(yán)重影響。鉆遇不同井段時(shí)，鉆桿可能出現(xiàn)不同的卡鉆情況：高密度井段的壓差卡鉆、井壁掉落塊造成的砂橋卡鉆以及起、下鉆阻力大導(dǎo)致的卡鉆。這些復(fù)雜的情況需要頁(yè)巖氣水基鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性和防卡、減阻性能。

（3）清洗巖屑 因?yàn)樗骄煨倍尉弊兓?，井眼清洗難度大；同時(shí)，水平段的頁(yè)巖塌和鉆屑存在重力效應(yīng)，使得井眼清潔難度加大；再者，在小井眼環(huán)空中，空間和排量受到限制，鉆井過程中容易形成巖屑床，進(jìn)一步增加磨阻、扭矩和井下復(fù)雜情況發(fā)生的機(jī)率。所以頁(yè)巖水基鉆井液需要具有較好的流變性和攜巖清砂的性能。

2 納米材料作用機(jī)理

2.1 封堵抑制機(jī)理

在鉆井液液柱與地層的壓差作用下，納米級(jí)固體粒子材料隨著濾液侵入地層，納米級(jí)固體顆粒通過在井壁表面的機(jī)械截留、吸附截留、架橋和井壁內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)截留實(shí)現(xiàn)地層封堵。而納米材料粒徑介于微-納米之間，可以封堵發(fā)育的微裂縫，從而降低頁(yè)巖孔隙毛細(xì)管力，侵入井壁巖石內(nèi)部的鉆井液液相含量將會(huì)減少，削弱水力尖劈，井壁穩(wěn)定性可以得到有效提高[6]。

2.2 潤(rùn)滑機(jī)理

由于納米復(fù)合劑中的微小納米顆粒，很容易分散在鉆井液中并且成分穩(wěn)定，同時(shí)鉆井過程中容易吸附在摩擦表面，在摩阻較大的表面形成較大且更厚的表面膜，導(dǎo)致將鉆具和井底巖石隔離起來(lái)，減少其摩擦系數(shù)，從而提升減摩抗磨效果；而納米粒子表面活性高，伴隨粒徑小而圓，可以直接吸附填充到摩擦表面的劃痕和微坑處，使得摩擦表面形成滾珠軸承效應(yīng)，將磨損更大的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)槟ψ栎^小的滾動(dòng)摩擦，這樣不僅大大提高鉆頭的耐摩性，也起到降低扭矩的作用[7，8]。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)材料及基本配方

實(shí)驗(yàn)材料：堿（NaOH和NaCO3），高端有機(jī)土（B-DE、B-EWVA、B-LT），增粘劑 PAC-LV，降濾失劑MT068，高溫穩(wěn)定劑STBHT，消泡劑，納米乳液2709，乳化劑MT150，表面活性劑LAP-3，納米材料R816，頁(yè)巖抑制劑（UHIB-B），醇類降失水劑MT014，江漢產(chǎn)重晶石。

基于室內(nèi)優(yōu)選評(píng)價(jià)出該體系配方：水+0.1%NaOH+0.25%Na2CO3+1%STBHT+1%B-DE+10%納米復(fù)合劑+2%納米乳劑2709+1%UHIB-B+重晶石（1.35g·cm-3）。

3.2 基本性能及熱穩(wěn)定性

測(cè)定鉆井液在老化前后的基本熱穩(wěn)定性能，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 納米鉆井液體系基本性能Tab.1 Basic properties of nano drilling fluid system

由表1可見，該鉆井液體系在未加熱的情況下流變性能良好和濾失量也較低，裝入老化罐后在90℃下老化16h后，其各黏度和動(dòng)切力都有所下降，但下降值都比較小。其中壓濾失量和高溫高壓濾失量基本無(wú)變化；結(jié)果顯示其熱穩(wěn)定性較好。

3.3 抑制性能測(cè)定

表2 不同鉆井液體系的滾動(dòng)回收率對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（90℃，16 h）Tab.2 Comparison experimental data of rolling recovery of different drilling fluid systems（90℃，16 h）

表3 不同鉆井液體系膨脹率對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data of expansion ratio of different drilling fluid systems

從表2、3可知，納米材料水基鉆井液的巖心滾動(dòng)回收率和膨脹率明顯好于聚合醇鉆井液，與油基鉆井液接近。由此可以說(shuō)明，該體系能有效地抑制頁(yè)巖的水化膨脹，有利于井壁穩(wěn)定和保護(hù)儲(chǔ)層。

3.4 潤(rùn)滑性能

表4是鉆井液體系加入納米復(fù)合劑和潤(rùn)滑劑，與未加潤(rùn)滑劑鉆井液體系、國(guó)外高性能水基鉆井液體系對(duì)比的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 不同鉆井液體系的潤(rùn)滑性能數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.4 Data comparison of different drilling fluid system's lubricity

由表4結(jié)果可以看出，加入復(fù)合納米劑后，鉆井液潤(rùn)滑性能明顯提高，與少量高效潤(rùn)滑劑混合使用，不僅使泥漿潤(rùn)滑性更加優(yōu)越，而且也降低鉆具磨損和鉆井液成本。

3.5 抗侵污性能

對(duì)該納米鉆井液體系進(jìn)行抗污染實(shí)驗(yàn)，測(cè)定其流變性能是否穩(wěn)定。分別加入不同量搬土、NaCl2、不同量的巖屑，老化后測(cè)定納米鉆井液體系的流變性能，與空白對(duì)比基本性能變化不大，中壓濾失量稍微增加，高溫高壓濾失量隨著有害固相含量的增加而增加，最高僅為13mL，其穩(wěn)定的基本性能，方便后期鉆井液的優(yōu)化調(diào)整，同時(shí)其試驗(yàn)液表明該體系具有較強(qiáng)的抗侵污能力。

表5 不同污染物對(duì)納米鉆井液性能影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Experimental data on the influence of different pollutants on the properties of nano drilling fluid

4 結(jié)論

（1）通過研究納米材料的封堵和潤(rùn)滑機(jī)理，研制出與鉆井液其他材料配伍性良好的納米復(fù)合劑，其優(yōu)化后的鉆井液體系流變性穩(wěn)定和濾失量低，其封堵性和抑制性明顯優(yōu)于常規(guī)水基鉆井液體系。

（2）該納米鉆井液體系潤(rùn)滑性能較好，通過對(duì)比其他鉆井液體系潤(rùn)滑性，結(jié)果表明在潤(rùn)滑劑加量只有0.05%的情況下，其潤(rùn)滑系數(shù)及黏附系數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)油基泥漿性能接近，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

（3）通過采用不同污染物對(duì)該體系進(jìn)行抗侵污實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示該體系具有較強(qiáng)的抗侵污性能，流變性能、中壓失水及高溫高壓濾失量在加入污染物后變化不大，其高效的穩(wěn)定性能方便現(xiàn)場(chǎng)鉆井過程中鉆井液性能的調(diào)整，提高效率節(jié)約鉆井成本。

［1］ 閆麗麗，李叢俊，張志磊,等.基于頁(yè)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,（5）:1-6；101.

［2］ 王森,陳喬,劉洪,王麗莎.頁(yè)巖地層水基鉆井液研究進(jìn)展［J］.科學(xué)技術(shù)與工程,2013,（16）:4597-4602；4613.

［3］ 方靜,肖緒玉.新型水基鉆井液體系在頁(yè)巖氣鉆井中應(yīng)用探討［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程）,2016,（7）:96-102.

［4］ 王中華.頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)及選用原則［J］.中外能源,2012,（4）:43-47.

［5］ 何斌.頁(yè)巖氣水平井鉆井液技術(shù)的難點(diǎn)及選用原則［J］.化工管理,2016,（2）:49.

［6］ 王波.頁(yè)巖微納米孔縫封堵技術(shù)研究［D］.西南石油大學(xué),2015.

［7］ 周治平,謝炳光.納米材料在鉆井液中的應(yīng)用［J］.安全與環(huán)境工程,2012,（6）:144-147.

［8］ 賈云剛.納米潤(rùn)滑材料及表面改性的研究［D］.大慶石油學(xué)院,2006.

Laboratory study and evaluation of a high performance nano water base drilling fluid*

WANGXue-li1，XUMing-biao1，YOUFu-chang2，QINGuo-chuan1，PANYong-gong1，XIAOXia1
（1.College of petroleum engineering,Yangtze University,Wuhan 430100，China；2.JiahuaKeji Co.,Let.,Jingzhou 434000，China）

A drilling fluid system of nanometer material is designed for the difficulty of shale water based drilling fluid.The purpose of plugging and lubricity of drilling fluid is achieved by adding a good combination of nano-material,composite agent and a small amount of high efficiency lubricant.At the same time,evaluated the performance of the basic rheological properties and thermal stability,compared the drilling fluid plugging suppression,lubrication and anti contamination performance,its comprehensive performance is close to the oil based drilling fluid has various important properties of water-based drilling fluid shale gas development needs,but also achieve the cost reduction objective.

nano-drilling fluid；plugging inhibition property；lubricating property；anti fouling property

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171034

2017-07-31

黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510214051）

王學(xué)力（1992-），男，湖北省潛江市人，長(zhǎng)江大學(xué)在讀研究生，研究方向：主要從事鉆完井液技術(shù)研究。

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：許明標(biāo)（1962-），男，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)江大學(xué)海洋油氣工程系主任,研究工作主要集中在鉆完井液和水泥漿技術(shù)研究。