鉆井液中納米顆粒添加劑的應(yīng)用*

鄒 岳，趙萬春

（東北石油大學(xué) 教育部陸相頁巖成藏與開發(fā)重點實驗室a.石油工程學(xué)院；b.非常規(guī)油氣研究院，黑龍江 大慶 163318）

鉆井液是一種涉及到乳液、曝氣和懸浮顆粒的復(fù)雜液體，針對不同開采儲層應(yīng)有不同種的鉆井液。為了便于鉆采施工過程中鉆井液從地面與鉆頭處往返帶出巖屑并能重復(fù)利用，鉆井液須具備特殊的、適當(dāng)?shù)奶匦?，有利于進行高效開發(fā)。

添加劑使得鉆井液具備了鉆采過程中遇到惡劣儲層急需的特性，目前，有很多學(xué)者的研究表明，納米顆粒添加劑增強了鉆井液某些關(guān)鍵特性，由于納米顆粒具有表面積和體積比大、良好的導(dǎo)熱性、顆粒尺寸比一般的孔吼道小和能夠去除重金屬和有毒化合物的特點，作為添加劑使得鉆井液獲得耐受高溫高壓、良好的傳熱效率、高效地堵塞地層孔隙和減少對環(huán)境的污染等多方面的關(guān)鍵特性，能夠改善整個鉆采過程。

本文介紹了以納米顆粒為添加劑的鉆井液，使得鉆井液改善了自身的流變特性、過濾性和熱穩(wěn)定性等多方面的特性，以供參考和應(yīng)用。

1 聚合物納米顆粒鉆井液

通過制造可降解生物的聚合單體，如氰基丙烯酸烷基酯可合成聚合物納米顆粒，基于聚合物的納米顆粒鉆井液可以改善其流變性，可減少鉆井開采中鉆井液的損失，提高堵塞效率。

在水基流體中添加聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯丙烯酸/粘土添加劑，穩(wěn)定了鉆井液的流變特性，與基礎(chǔ)鉆井液相比，流體濾失量減少了65%；由于粘土納米顆粒會與水基質(zhì)中帶電聚合物相互作用，從而為鉆井液提供更大的流動阻力[1]；在水基流體中加入合成聚合物與CuO/ZnO結(jié)合成的納米復(fù)合材料，在高溫高壓條件下，由于此時納米顆粒尺寸非常小，具有表面積大、良好的導(dǎo)熱性和流動性等特點，鉆井液的流變性能提高了14%，濾液量降低了25%，展現(xiàn)出穩(wěn)定的流變特性和較小的濾失量[2]；以木質(zhì)素磺酸鹽/丙烯酰胺接枝共聚物（LS-gPAM）為添加劑的鉆井液，能夠改善自身的流變特性控制自身的pH值和濾液量，具有極強的穩(wěn)定性和耐酸耐堿性[3]；以納米羧基甲基纖維素/聚苯乙烯為添加劑的鉆井液，由于該種聚合物納米顆粒有著較大的表面積和體積比，在低濃度條件下，鉆井液可以改善自身的物理和化學(xué)性質(zhì)，可以減少30%的濾失量[4]；以改性聚合物（疏水）/SiO2為添加劑的鉆井液有著穩(wěn)定的流變特性和濾失損傷量，由于該種納米顆粒的吸附作用，使得儲層巖石表面更加疏水，增強了儲層的穩(wěn)定性，便于鉆采某些不穩(wěn)定的儲層[5]。

2 金屬納米顆粒鉆井液

由至少一個金屬核，無機金屬和金屬氧化物能夠合成金屬納米顆粒，該顆粒通常由非金屬或金屬氧化物外殼包裹，過渡金屬納米顆粒作為添加劑可以有效的改善鉆井液的熱傳導(dǎo)率。

2.1 鐵基納米顆粒

最常見的金屬氧化物納米顆粒是Fe2O3納米顆粒，由于其具有強磁性和成本較低的特點，該種納米顆粒鉆井液在高溫高壓條件下，具有良好的流變特性和對濾餅的高過濾性，BWBF的研究結(jié)果表明，在Fe2O3納米顆粒鉆井液中由于靜水壓力，納米顆粒進入了較小的孔吼中，降低了濾餅的空隙，減少了濾液量[6]。

2.2 鈣納米顆粒

鈣納米顆粒具有與油基鉆井液非常好的相容性、相對便宜和較低的毒害等特點；Contreeas等人[7]分別在高溫高壓和低溫低壓條件下比較了鈣納米顆粒鉆井液和鐵納米顆粒鉆井液的性能差異，發(fā)現(xiàn)在低溫低壓條件下鈣納米顆粒鉆井液的性能優(yōu)于鐵納米顆粒鉆井液，而在高溫高壓條件下結(jié)果相反。

2.3 銀納米顆粒

銀納米顆粒因具有非常好的導(dǎo)熱/導(dǎo)電性和整體穩(wěn)定性的特點而被廣泛使用，對高溫下添加了銀納米顆粒的油基鉆井液進行熱傳導(dǎo)率的測試，結(jié)果表明，銀納米顆粒的濃度越高，其鉆井液熱傳導(dǎo)率越好；對分別添加了銀納米顆粒和石墨烯納米顆粒的水基鉆井液進行了粘度測試，發(fā)現(xiàn)兩種鉆井液的塑性粘度分別提高了65%和90%，這將有助于提高水基質(zhì)的穩(wěn)定性[8]。

2.4 鋯納米顆粒

由于ZrO2的表面極具極性，ZrO2納米顆粒鉆井液被施工現(xiàn)場證明能夠?qū)⒂蜐駜痈脑鞛樗疂駜?，利于開發(fā)；ZrO2納米顆粒鉆井液也能夠通過和生物聚合物結(jié)合進而提高鉆井液的粘度，減少濾失量，增強其流體流變特性，提高鉆井液穩(wěn)定性。

3 碳基納米顆粒鉆井液

3.1 石墨烯納米顆粒

由于氧化石墨烯極薄，厚度約為1nm，尺寸大小可以涉及到納米，其物理和化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，適用于鉆井液的添加劑，氧化石墨烯鉆井液比常規(guī)的鉆井液具有更好的過濾效果、潤滑效果和穩(wěn)定性，由于氧化石墨烯顆粒更小且致密，鉆井液能夠改善鉆采過程中井筒出現(xiàn)的流體分散不良的現(xiàn)象。

以石墨/改性正構(gòu)烷烴為添加劑的鉆井液改善了自身的流體粘度，濾失損失體積減少了約20%，有利于穩(wěn)定天然氣水合物儲層[9]；以石墨和鋁混合為添加劑的鉆井液改善了自身的凝膠結(jié)構(gòu)，增強了熱/電導(dǎo)率，減少了濾失損失[10]；由于石墨烯納米顆粒尺寸小，從而納米顆粒在鉆井液中高度分散，以石墨烯納米片（GNP）為添加劑的鉆井液，在低應(yīng)力條件下流體粘度得以改善，在高應(yīng)力條件下流體粘度變小[11]。

3.2 碳納米顆粒

碳納米顆粒作為鉆井液的添加劑，能夠提高鉆井液的流變性能和儲層穩(wěn)定性。

以多壁碳納米管（MWCNT）為添加劑的鉆井液，在常規(guī)鉆井液的基礎(chǔ)上提高了自身5倍的粘度[12]；以碳加聚合物的形式為添加劑的鉆井液增強了自身裂縫密封能力，降低了傳遞的孔隙壓力[13]；在油基流體中添加多壁碳納米管能夠增強鉆井液的導(dǎo)熱性、流體穩(wěn)定性和過濾性，提高了流體粘度。

4 陶瓷納米顆粒鉆井液

4.1 SiO2納米顆粒

SiO2納米顆粒具有極好的穩(wěn)定性、毒性較小且成本低廉的特點，能與聚合物結(jié)合，有效的發(fā)生作用，作為添加劑能夠有效的改善鉆井液的流變性。

在水基流體中添加SiO2納米顆粒作為添加劑，在高溫高壓條件下，無論納米顆粒是低濃度還是高濃度，鉆井液均呈現(xiàn)出極強的穩(wěn)定性[14]；當(dāng)SiO2納米顆粒直徑為5.7nm時，無論是在高溫高壓還是低溫低壓的條件下，鉆井液的流變特性均得到了改善[15]；當(dāng)添加疏水SiO2納米顆粒時，在鉆采過程中濾失體積減少，增強了其穩(wěn)定性，有利于鉆采天然氣水合物儲層[16]。

4.2 TiO2納米顆粒

TiO2納米顆粒具有良好的導(dǎo)電性、磁性和抗菌性，添加到鉆井液中能夠增強鉆井液的熱轉(zhuǎn)變特性。

在水基流體中添加TiO2納米顆粒作為添加劑，增強了鉆井液的凝膠強度，減少了對儲層的傷害[18]；低濃度的該種添加劑，能夠增強鉆井液的流變特性和潤滑性[17]；當(dāng)將基液靜置4周時，TiO2納米顆粒尺寸變大，能夠減少鉆井液的濾失損失[19]。研究結(jié)果表明，以TiO2納米顆粒作為添加劑的鉆井液增強了對儲層的保護。

4.3 CuO納米顆粒

CuO具有良好的導(dǎo)熱性能，作為添加劑能夠顯著地增強水基流體中的導(dǎo)熱率。

在水基流體中添加CuO納米顆粒作為添加劑，當(dāng)與ZnO納米顆粒結(jié)合共同作為添加劑時，可使鉆井液的熱/電導(dǎo)率均提高了50%[20]；在高溫高壓條件下，CuO納米顆粒添加劑能夠有效的增強鉆井液的凝膠強度，在低溫低壓條件下，濾失損失體積減少了30%[21]；當(dāng)CuO納米顆粒的尺寸為50nm時，不同濃度下，該納米顆粒添加劑對鉆井液的改善情況不同，在高濃度下，能夠降低24%的酸堿度，減少鉆井液的濾失損失[22]。

4.4 黏土納米顆粒

由于粘土具有在干燥時會變硬、強度變大的現(xiàn)象，添加了粘土納米顆粒的鉆井液，其電阻率會相應(yīng)的降低。

在膨潤土基液中添加黏土納米顆粒，該種鉆井液在添加劑低濃度和常溫條件下的電阻率降低了21%，極大的減少了流體的損失[23]；在油基流體中添加改性黏土納米顆粒，該種鉆井液有效地改善了自身的流變特性和凝膠強度，在所有溫度和濃度的條件下，鉆井液能夠有效的穩(wěn)定水乳液[24]；在水基流體中添加黏土/SiO2納米復(fù)合材料，不同添加劑濃度下，該種鉆井液由于添加劑納米顆粒尺寸較小，在高溫和低溫條件下都能夠有效的緩解堵塞問題[25]。

5 結(jié)語

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)了以聚合物納米顆粒、金屬納米顆粒、碳基納米顆粒和陶瓷納米顆粒在鉆井液中作為添加劑的應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，建議進一步研究不同種類納米顆粒組合作為鉆井液添加劑，以使鉆井液具有多種所需的特性，來解決鉆采過程中出現(xiàn)的各種問題。