石蠟納米乳液在鉆井液中的應(yīng)用及作用機(jī)理探討

劉振東，李公讓，趙懷珍

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井液技術(shù)服務(wù)中心，山東 東營 257000)

納米乳液因其具有良好的抑制性能、潤滑性能、防塌性能，在鉆井液中廣泛使用。目前，文獻(xiàn)記載的納米乳液作用機(jī)理為，乳液滴能夠較好地抑制地層黏土的水化膨脹和分散，而且小顆粒的乳液滴還能夠?qū)紫缎纬梢欢ǖ姆舛?，能較快地在井筒表面附近形成一定強(qiáng)度的封堵層，進(jìn)而控制鉆井液流體及濾液進(jìn)入井壁巖石，形成暫堵作用，較好保護(hù)油氣層。同時(shí)，由于乳液滴可以吸附在井筒表面，發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)，使井筒表面成為親油表面，導(dǎo)致乳液滴在鉆具以及井筒表面形成一層油膜，使得乳液的潤滑作用進(jìn)一步增強(qiáng)[1-5]。筆者借助實(shí)驗(yàn)手段，對含有石蠟納米乳液的鉆井液體系進(jìn)行評(píng)價(jià)，并探討納米乳液對表面張力、潤濕性及對鉆井液封堵、潤滑性能的影響，分析其表現(xiàn)原因和機(jī)理。

1 含納米乳液鉆井液體系性能評(píng)價(jià)及作用

1.1 鉆井液體系配方

在聚合物鉆井液的基礎(chǔ)上，通過加入超細(xì)碳酸鈣、納米乳液以及重晶石，考察含納米乳液鉆井液體系性能在加入納米材料前后以及加重后的變化，分析納米乳液對鉆井液性能的影響。鉆井液基漿配方如下： 5%膨潤土漿+0.2%IND30+0.4%銨鹽+0.75%DSP-2+0.5%LV-CMC+2.5%聚合醇。

配方1：基漿+(2～4)%超細(xì)碳酸鈣(6.5 μm)；

配方2：基漿+(2～4)%納米乳液；

配方3：基漿+(2～4)%納米乳液+15%重晶石( 4.5 μm)+ (2～4)%超細(xì)碳酸鈣(6.5 μm)。

1.2 鉆井液流變性能評(píng)價(jià)

納米乳液對鉆井液常規(guī)性能的影響見表1。

表1 納米乳液對鉆井液常規(guī)性能的影響

從表1可知，納米乳液對鉆井液體系的流變性能有一定的影響，體系黏切有增加的趨勢，但影響有限，主要原因是納米乳液滴具有較高的活化能，本身易于團(tuán)聚，且極易吸附與黏土和處理劑分子表面，從而增加體系的膠體結(jié)構(gòu)，引起黏切增加。

1.3 鉆井液濾失性能

納米乳液對鉆井液濾失量的影響見圖1。

圖1 納米乳液對鉆井液體系濾失量的影響

從圖1可知，加入納米乳液后，濾失量降低不明顯，一方面原因是納米顆粒的封堵方法還有待探討，因?yàn)槟壳八脼V失量測定標(biāo)準(zhǔn)中的濾紙孔徑明顯大于納米顆粒，可能是導(dǎo)致濾失量評(píng)價(jià)效果不明顯的原因之一；另外降低濾失量還需要不同粒徑的顆粒進(jìn)行復(fù)配，達(dá)到合理的粒度級(jí)配后，效果才比較理想。

1.4 鉆井液潤滑性能

納米乳液對鉆井液潤體系滑性系數(shù)的影響見圖2。

圖2 納米乳液對鉆井液體系潤滑系數(shù)的影響

從圖2可知，加入納米乳液后，潤滑系數(shù)明顯降低，說明納米乳液具有較好的潤滑作用。

1.5 鉆井液粒度變化

納米乳液對鉆井液體系粒度級(jí)配的影響見圖3。

從圖3可知，隨著不同粒徑固體顆粒的加入， 體系粒度級(jí)配趨于優(yōu)化，說明納米乳液有較好調(diào)節(jié)粒度級(jí)配的作用，可用于鉆井液體系對井壁的封堵。

含納米乳液的水基鉆井液體系在勝利油田大北區(qū)塊、永553區(qū)塊、樁129區(qū)塊的多口井進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，通過實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)控鉆井液中固相粒度分布并利用協(xié)同封堵技術(shù)，大大提高了鉆井液的封堵性能，解決了沙三段含油泥頁巖的坍塌問題，取得較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果。

圖3 納米乳液對鉆井液體系粒度級(jí)配的影響

2 納米乳液的表面張力作用

鉆井使得地層巖石原來呈現(xiàn)出平衡狀態(tài)的物化、應(yīng)力等各種因素發(fā)生變化，井壁失穩(wěn)就是其中一種。研究發(fā)現(xiàn)，鉆井流體會(huì)在壓差作用下侵入發(fā)育的地層裂縫以及孔隙，特別是硬脆性質(zhì)的泥頁巖，毛細(xì)管效應(yīng)明顯。地層裂縫以及孔隙發(fā)生毛細(xì)管效應(yīng)后，外部流體的進(jìn)入加劇了地層黏土的水化膨脹，而水化膨脹又導(dǎo)致更多的裂縫出現(xiàn)，誘導(dǎo)擴(kuò)展，最終在該區(qū)域形成裂縫較發(fā)育的狀態(tài)，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平衡被打破，巖石的強(qiáng)度降低，逐步分散、剝蝕，形成掉塊坍塌，直至井壁失穩(wěn)。因此，在充分認(rèn)識(shí)井壁失穩(wěn)機(jī)理的基礎(chǔ)上，對納米乳液的表面張力等特性進(jìn)行分析，幫助找到解決問題的方法。

納米乳液具有強(qiáng)抑制性、井壁穩(wěn)定性、油層保護(hù)性能，原因是其可有效降低鉆井液的表面張力，延緩或阻止濾液的侵入，降低或解除低滲油氣田水鎖效應(yīng)的影響。通過對納米乳液表面張力的測定，分析納米乳液降低表面張力的原因。

2.1 樣品的制備

分別按0.02、0.1 、0.4、1、2、5、10、20、50、100、200 g/L的質(zhì)量濃度稱量處理劑加入水溶液中，充分?jǐn)嚢枋蛊渚鶆蚍稚?，控制溶液的pH在8～9。

2.2 表面張力分析

使用德國Kruss公司processor tensiometer-K12表面張力儀，測定處理劑水溶液在25 ℃下的表面張力納米乳液的表面張力曲線見圖4。

從圖4可以看出，不同加量納米乳液水溶液的表面張力等溫線顯示出表面活性劑的典型特征。由于納米乳液制備需要相當(dāng)量的表面活性劑，在低加量條件下就可以顯著地降低溶液表面張力，可以從72 mN/m降到32 mN/m，加量大于5%達(dá)到一個(gè)平臺(tái)。游離乳化劑的界面吸附是表面張力下降的原因，但由于不同納米乳液制備時(shí)所選擇乳化劑種類、配比以及用量不同，曲線中表現(xiàn)出的表面張力值可能會(huì)有變化，但整體變化趨勢是相同的。

圖4 納米乳液表面張力曲線

3 納米乳液的潤濕性能

巖石潤濕性能夠影響到巖石的濾液侵入速度和吸水膨脹程度，因此改變潤濕性能夠起到穩(wěn)定井壁的效果。納米乳液的井壁穩(wěn)定性和潤滑性能與其具有的潤濕反轉(zhuǎn)特性是分不開的。因此探討納米乳液對巖石(實(shí)驗(yàn)使用泥頁巖)潤濕性的影響，通過測定水滴與樣品的接觸角，考查鉆井液處理劑—泥頁巖巖屑分散體系與水的潤濕性。

3.1 樣品制備

配制質(zhì)量濃度為2 g/L或20 g/L的巖屑—納米乳液分散體系：首先將巖屑制備成分散體系，然后分別加入一定量的納米乳液，得到質(zhì)量濃度為1、2、20、100 g/L的巖屑—納米乳液分散體系，充分?jǐn)嚢枋蛊浞稚⒕鶆?。?shí)驗(yàn)選用的泥頁巖巖屑為“濱435區(qū)塊沙四段泥頁巖”，并研磨粉碎。

3.2 潤濕性測定

使用Tracker界面流變儀(法國泰克利斯儀器公司)，在載玻片上均勻涂抹分散體系，靜置于室溫下，每隔24 h稱量一次，直到兩次重量之差小于0.001 g。按接觸開始,接觸2 s、接觸5 s，觀察記錄水滴與載玻片接觸后的形態(tài)。做水滴與水平面基線接觸點(diǎn)沿水滴方向的切線，并量取該切線與水平面基線所形成的角度，該角度即為接觸角。然后取各時(shí)間點(diǎn)角度平均值，作為接觸角用于評(píng)價(jià)潤濕性。

3.3 結(jié)果與分析

不同質(zhì)量濃度納米乳液接觸角測定結(jié)果見表2、圖5。

表2 不同質(zhì)量濃度納米乳液的接觸角測定結(jié)果

圖5 不同濃度納米乳液接觸角

從表2和圖5可以看出，泥頁巖潤濕性能夠很好地被納米乳液改變。低質(zhì)量濃度時(shí)，可使泥頁巖變?yōu)槿跤H水性；較高質(zhì)量濃度時(shí)，可使泥頁巖發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，呈現(xiàn)親油性。原因是石蠟納米乳液中既含有疏水的瀝青和石蠟，又有乳化劑或分散劑，因此該類鉆井液添加劑不僅具有表面活性劑的典型表面張力等溫線，而且能夠顯著地改變泥頁巖的潤濕性，存在潤濕反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

4 納米乳液對鉆井液的封堵及潤滑作用

4.1 泥餅質(zhì)量

使用掃描電鏡對加入納米乳液前后的泥餅進(jìn)行分析，結(jié)果見圖6。

圖6 不同配方體系泥餅SEM圖像

4.2 結(jié)果分析

由圖6可知， SEM圖像分析表明泥餅中的納米乳液能夠?qū)δ囡灥目紫哆M(jìn)行有效充填，有一定的封堵作用，但納米乳液分散不均勻，易團(tuán)聚，泥餅中孔吼仍發(fā)育，泥餅還不夠致密，使其具有一定的降濾失效果，但降濾失效果有限，這也是需要進(jìn)一步優(yōu)化粒度級(jí)配的主要原因之一。納米乳液潤滑作用主要表現(xiàn)在，納米乳液顆粒粒徑較小，可有效分散在鉆井液中，并有一定團(tuán)聚的趨勢，可在鉆具和巖石表面形成一層表面膜，有助于在與鉆具和巖石表面摩擦過程中提升潤滑效果；同時(shí)納米乳液顆粒表面能高，易發(fā)生吸附，能夠在摩擦表面出現(xiàn)的劃痕和凹陷處進(jìn)行填充，在摩擦表面呈現(xiàn)“滾珠”作用，形成局部滾動(dòng)摩擦，從而降低扭矩[6～7]。

5 結(jié) 論

(1)納米乳液對鉆井液體系的流變性能有一定的影響，可增加鉆井液的黏切；對濾失量的影響有限；可優(yōu)化鉆井液的粒度級(jí)配。

(2)納米乳液含有的表面活性劑，可降低表面張力、實(shí)現(xiàn)巖石的潤濕反轉(zhuǎn)。

(3)納米乳液對泥餅孔隙有一定的填充封堵，但單獨(dú)使用納米乳液并不能形成致密的泥餅，封堵作用有限。

(4)納米乳液存在潤濕反轉(zhuǎn)作用和“滾珠軸承”效應(yīng)，具有良好的潤滑性能。