頁巖地層核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑研制及應(yīng)用

王偉吉

(中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101)

頁巖地層納米級(jí)微裂縫、層理等弱面結(jié)構(gòu)極其發(fā)育。鉆井過程中，鉆井液濾液沿微裂縫、層理等弱面結(jié)構(gòu)優(yōu)先侵入頁巖內(nèi)部，發(fā)生強(qiáng)烈的局部水化作用，降低巖石強(qiáng)度[1-4]。同時(shí)，頁巖孔隙度、滲透率極低(10-12～10-6μm2)，少量濾液侵入即可顯著增加近井壁附近的孔隙壓力，削弱液柱壓力對(duì)井壁的有效力學(xué)支撐作用，易導(dǎo)致井壁坍塌失穩(wěn)[5-7]。鉆井液常用瀝青類、聚合醇類封堵防塌材料粒徑較大(微米級(jí))，難以進(jìn)入頁巖納米級(jí)孔縫結(jié)構(gòu)，形成致密封堵層。因此，維持頁巖井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵是采用高性能納米封堵劑加強(qiáng)對(duì)微孔、微裂縫及層理等結(jié)構(gòu)的致密封堵，減少濾液侵入及壓力傳遞效應(yīng)[8-10]。

近年來，中外研究者針對(duì)鉆井液用納米封堵劑開展了一系列研究，取得了一定成果。研究主要集中在無機(jī)納米粒子、有機(jī)納米粒子和無機(jī)/有機(jī)復(fù)合納米粒子。無機(jī)納米粒子具有高表面能、剛性強(qiáng)、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，最早被嘗試用于制鉆井液納米處理劑，如石墨、二氧化硅、碳酸鈣、鐵氧化物等；有機(jī)納米粒子彈性強(qiáng)，在一定溫度和壓力下可壓縮變形進(jìn)入地層進(jìn)行封堵，主要為苯乙烯、丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯等一種或多種單體合成的納米聚合物微球或納米乳液；無機(jī)/有機(jī)復(fù)合納米粒子主要采用聚合物對(duì)無機(jī)納米粒子進(jìn)行表面改性修飾，將無機(jī)材料的剛性、尺寸穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性與聚合物的韌性、加工性及節(jié)點(diǎn)性能結(jié)合，充分利用各組分間的協(xié)同、互補(bǔ)效應(yīng)，可獲得性能優(yōu)異的聚合物納米復(fù)合材料[11-14]。

圖1 核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑合成路線Fig.1 Synthetic route of core-shell structure nano plugging agent

無機(jī)納米粒子比表面積大，表面能高，極易團(tuán)聚、分散性差，顯著影響納米復(fù)合材料的性能[15]。首先采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米SiO2進(jìn)行表面改性處理，增強(qiáng)其分散穩(wěn)定性，進(jìn)而通過表面接枝聚合反應(yīng)將苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯單體接枝到納米SiO2表面，制得了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的納米封堵劑。該納米封堵劑具有納米SiO2剛性內(nèi)核和聚合物彈性外殼，這種硬核軟殼結(jié)構(gòu)可擠壓變形進(jìn)入頁巖微孔、微裂縫內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)致密封堵，降低頁巖滲透率，有效提高裂縫性頁巖井壁穩(wěn)定性。

1 核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑制備

1.1 主要原料與試劑

納米SiO2(粒徑為10～20 nm)，工業(yè)品，上海迪科實(shí)業(yè)有限公司；甲基丙烯酸甲酯(MMA)、苯乙烯(St)，化學(xué)純，南京化學(xué)試劑股份有限公司；硅烷偶聯(lián)劑KH570、過硫酸鉀(KPS)、無水乙醇、丙酮、異丙醇、苯、甲醇，分析純，阿拉丁試劑(上海)有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 納米SiO2表面改性處理

納米SiO2比表面積大，表面含有大量硅羥基和硅氧烷基，羥基之間的存在強(qiáng)烈的氫鍵、范德華力等分子間作用力，導(dǎo)致納米SiO2極易團(tuán)聚，分散性差，顯著影響核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料的性能。納米SiO2表面進(jìn)行接枝聚合之前，要對(duì)其表面進(jìn)行改性處理，提高其分散穩(wěn)定性。目前，納米SiO2表面改性方法很多，硅烷偶聯(lián)劑改性是常用的傳統(tǒng)改性方法之一[16-17]。

稱取2 g納米SiO2粉末，于105 ℃恒溫干燥箱中烘干至恒重，將納米SiO2粉末和5 g硅烷偶聯(lián)劑KH570分散于100 mL無水乙醇中。將混合溶液至于超聲波分散儀中，800～1 000 W功率條件下超聲分散1.5～2 h。將混合溶液轉(zhuǎn)入三口燒瓶，75～80 ℃、通N2條件下反應(yīng)4～6 h。將反應(yīng)產(chǎn)物用丙酮提純，干燥研磨后備用，記為KH570-nano-SiO2。

1.3 核殼結(jié)構(gòu)納米粒子制備

用無皂乳液聚合法制備的納米膠乳粒子表面潔凈、分散均勻，具有很好的黏結(jié)性和抗水性，但其粒徑較大。溶劑熱法應(yīng)用于無皂乳液聚合是以助溶劑-水為分散介質(zhì)，讓單體在密閉體系中進(jìn)行聚合，可以同時(shí)提高反應(yīng)溫度和壓力，使粒子的粒徑顯著降低，乳液穩(wěn)定性提高[18-20]。

在100 mL內(nèi)襯聚四氟乙烯水熱合成反應(yīng)釜中依次加入異丙醇-水分散介質(zhì)50 mL、甲基丙烯酸甲酯944 mg、苯乙烯900 mg及適量的改性納米SiO2粒子KH570-nano-SiO2，通入氮?dú)?0 min，加入過硫酸鉀引發(fā)劑80 mg，磁力攪拌30 min。密閉、50 ℃條件下反應(yīng)3 h，制得具有核殼結(jié)構(gòu)的納米封堵劑NP-1，圖1所示為產(chǎn)品的合成路線。將產(chǎn)物溶于適量苯中，然后用甲醇沉淀、洗滌，除去未反應(yīng)的單體及可能的均聚物，烘干粉碎備用，記為P(St-MMA)/nano-SiO2。

2 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征及性能測(cè)試

2.1 納米封堵劑結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 紅外光譜(FT-IR)表征

采用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)定產(chǎn)物的FT-IR圖譜，表征其分子結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

a、b分別為納米SiO2表面改性前后的紅外光譜曲線;c為核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑P(St-MMA)/nano-SiO2的紅外光譜曲線圖2 產(chǎn)物的紅外光譜Fig.2 Infrared spectrogram of products

2.1.2 透射電鏡(TEM)表征

采用透射電鏡觀察產(chǎn)物在水溶液中的分散形態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3為納米SiO2改性前后的透射電鏡圖。從圖3可以看出，表面處理前納米SiO2形狀不規(guī)則，邊界模糊，粒度分布為210～540 nm，粒徑較大且不均勻，團(tuán)聚、黏連現(xiàn)象嚴(yán)重，密集成塊狀；采用KH570表面改性后，納米SiO2分散性好，形狀規(guī)則(基本為球形)，粒徑較小且均勻(15～20 nm)，粒子邊界清晰，不存在團(tuán)聚、黏連現(xiàn)象，分散性好。

圖3 納米SiO2表面改性前后透射電鏡圖Fig.3 TEM photos of nano-SiO2 before and after surface modification

圖4所示為核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑透射電鏡圖。由圖4可知，納米封堵劑粒徑較均勻(200～250 nm)、邊界清晰可見，在水溶液中具有較好的分散性。粒子中間黑色剛性納米SiO2球狀內(nèi)核清晰可見，表面則覆蓋一層較厚的灰色聚合物外殼，說明高分子鏈P(St-MMA)已成功地包覆在無機(jī)納米SiO2表面，形成了“核殼”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了納米SiO2表面的物化改性，驗(yàn)證了產(chǎn)物的合成實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑透射電鏡圖Fig.4 TEM photos of core-shell structure nano plugging agent

2.1.3 熱重分析(TGA)

采用同步熱分析儀考察核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑的熱穩(wěn)定性，升溫速率5 ℃/min，N2氣氛，加熱范圍為30～500 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，200 ℃以內(nèi)的熱失重為少量吸附水和溶劑，含量為7.3%。核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑P(St-MMA)/nano-SiO2分子鏈起始分解溫度為300 ℃。500 ℃后測(cè)試樣品重量基本趨于穩(wěn)定，僅剩余剛性納米SiO2，含量為25.6%，表明產(chǎn)物具有較好的抗溫性。

圖5 產(chǎn)物熱重分析曲線Fig.5 TGA curve of product

2.2 封堵性能測(cè)試

采用自行研制的泥頁巖水化-力學(xué)耦合模擬實(shí)驗(yàn)裝置，通過壓力傳遞實(shí)驗(yàn)可評(píng)價(jià)封堵防塌劑或鉆井液體系阻緩頁巖壓力傳遞與濾液侵入的性能，并可測(cè)量泥頁巖極低滲透率與膜效率等關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)驗(yàn)原理如圖6所示。將龍馬溪組頁巖巖心放入巖心夾持器中，設(shè)定圍壓5 MPa，測(cè)試樣品由上游試液入口注入釜體，與頁巖上端面接觸，維持上游壓力2.1 MPa，下游試液選用4%NaCl，下游初始?jí)毫υO(shè)定為1 MPa，通過檢測(cè)下游壓力變化，可獲得巖心壓力傳遞速率曲線及巖心滲透率變化，評(píng)價(jià)其致密封堵性能。

圖6 頁巖壓力傳遞測(cè)試裝置原理Fig.6 Schematic of shale pressure transmission test apparatus

首先采用4%NaCl測(cè)試龍馬溪組頁巖的壓力傳遞曲線作為對(duì)比，然后依次測(cè)試2%核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑NP-1、2%納米封堵劑(市購(gòu))、2%納米石墨、2%納米碳酸鈣晶須對(duì)龍馬溪組頁巖的封堵能力，壓力傳遞曲線如圖7所示，巖心滲透率如表1所示。

圖7 龍馬溪頁巖壓力傳遞曲線Fig.7 Pressure transfer curves of Longmaxi shale

表1 不同測(cè)試液體下龍馬溪頁巖滲透率Table 1 Permeability of Longmaxi shale under different testing fluids

由圖7可知，4%NaCl溶液的壓力傳遞速率較快，10 min左右頁巖底壓基本與頂壓持平，壓力穿透巖心；納米封堵劑(市購(gòu))、納米石墨、納米碳酸鈣晶須均可顯著阻緩了頁巖壓力傳遞速率，壓力穿透巖心時(shí)間延長(zhǎng)200倍以上，頁巖滲透率下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。其中，核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑NP-1效果最優(yōu)，阻緩壓力傳遞效果更為明顯，下游壓力10 h后基本趨于穩(wěn)定，維持在1.2 MPa，完全阻止巖心的壓力傳遞，同時(shí)頁巖滲透率下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖8 頁巖封堵端面掃描電鏡圖Fig.8 SEM photos of the plugging faces of shale

采用掃描電鏡觀察了巖心封堵端面的微觀形貌，如圖8所示。由圖8可知，龍馬溪組頁巖微孔、微裂縫發(fā)育、層理等弱面結(jié)構(gòu)發(fā)育，孔隙尺寸為100～500 nm，裂縫寬度為100 nm～5 μm。納米封堵劑NP-1封堵后巖心端面較平整、密實(shí)，納米封堵劑緊密堆積在巖樣微孔、微裂縫處，巖心表面球狀顆粒邊界清晰可見，表明該納米封堵劑在溶液中分散性較好。核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑具有納米SiO2剛性內(nèi)核和聚合物彈性外殼，這種硬核軟殼結(jié)構(gòu)可擠壓變形進(jìn)入頁巖微孔、微裂縫內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)緊密封堵，這種填充、修復(fù)功能極大地提高了巖心的致密程度，滲透性得到了有效降低，封堵性能突出，可有效提高裂縫性頁巖井壁穩(wěn)定性。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

四川盆地威遠(yuǎn)區(qū)塊頁巖氣藏目的層龍馬溪組埋深超3 800 m，屬深層頁巖氣藏。長(zhǎng)水平段鉆進(jìn)時(shí)，存在易垮塌失穩(wěn)、摩阻大、鉆井液流變性難以控制等技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)該頁巖地層特點(diǎn)，以核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑、高性能聚胺頁巖抑制劑、高效環(huán)保潤(rùn)滑劑、流型調(diào)節(jié)劑為關(guān)鍵處理劑構(gòu)建了一套高性能頁巖水平井水基鉆井液體系。

體系配方：1.5%～4%膨潤(rùn)土+0.5%KOH+0%～0.5%黃原膠XC+0.5%～1%流型調(diào)節(jié)劑+0.2%～0.5%聚陰離子纖維素PAC-LV+2%～3%SMP-2+2%～3%SPNH+1%～2%聚胺+2%～3%液體乳化瀝青+2%～4%高效潤(rùn)滑劑+1%～2%納米封堵劑NP-1+5%～7%KCl+重晶石。

體系性能如表2所示。由表2可知，該水基鉆井液體系的流變性范圍合理，表觀黏度和塑性黏度較高，初終切較高，能保持對(duì)巖屑地懸浮和攜帶，避免巖屑床堆積，保持井眼清潔。高溫高壓失水較低(≤5 mL)，可形成滲透率極低的泥餅，能大幅度降低鉆井液濾液侵入地層，起到了良好的井壁穩(wěn)定效果。同時(shí)體系具有良好的潤(rùn)滑能力，極壓潤(rùn)滑系數(shù)低于0.07，滿足了長(zhǎng)水平段頁巖鉆進(jìn)需求。

以核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑為關(guān)鍵處理劑構(gòu)建的頁巖高性能水基鉆井液體系在威遠(yuǎn)區(qū)塊X井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，完成了三開1 950 m長(zhǎng)裸眼井段的安全鉆井，其中水平段長(zhǎng)1 150 m。整個(gè)三開期間，鉆井液高溫高壓濾失量控制在5 mL以下，潤(rùn)滑系數(shù)在0.07以下，鉆時(shí)較快，定向段無拖壓顯示。井眼始終保持穩(wěn)定、無坍塌，振動(dòng)篩返出頁巖鉆屑棱角分明，完整度高?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該體系具有較好的致密封堵、抑制、潤(rùn)滑等關(guān)鍵性能，滿足頁巖氣水平井鉆井需求。

表2 頁巖水基鉆井液性能Table 2 Performance of shale water based drilling fluid

注：API為美國(guó)石油學(xué)會(huì)。

4 結(jié)論

(1)采用硅烷偶聯(lián)劑KH570對(duì)納米SiO2進(jìn)行了表面改性，采用乳液聚合法，以甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯為單體與表面改性納米SiO2進(jìn)行接枝共聚，制備了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的納米封堵劑NP-1，其粒徑均勻(200～250 nm)，分散穩(wěn)定性好。

(2)研制的核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑NP-1可擠壓變形進(jìn)入頁巖微孔、微裂縫內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)緊密封堵，這種填充、修復(fù)功能極大地提高了巖心的致密程度，可顯著阻緩頁巖壓力傳遞速率，頁巖滲透率降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，封堵性能突出，可有效提高裂縫性頁巖井壁穩(wěn)定性。

(3)以核殼結(jié)構(gòu)納米封堵劑NP-1為關(guān)鍵處理劑，構(gòu)建的高性能頁巖水平井水基鉆井液體系，具有較好的致密封堵、抑制、潤(rùn)滑等關(guān)鍵性能。成功應(yīng)用于威遠(yuǎn)區(qū)塊X井三開長(zhǎng)裸眼井段，井眼始終保持穩(wěn)定、無坍塌，摩阻低，定向段無拖壓顯示。