頁巖油合成基鉆井液納米封堵劑制備及評價

陳二丁，趙紅香，張海青，邱春陽

(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 257078)

在頁巖油資源開發(fā)過程中，由于頁巖地層巖石非均質(zhì)性及微裂縫發(fā)育，呈低孔隙度、低滲透率的物性特征，在井底壓差、毛細管力、化學勢差等驅(qū)動下，鉆井液濾液進入微裂縫后，造成井壁周圍地層孔隙壓力升高，井壁穩(wěn)定性變差。因此選用適用于微納米級的封堵材料，有效封堵微納米級孔縫，減少液相對地層的損害[1-2]。納米二氧化硅因其綠色環(huán)保，價格低廉，且具有優(yōu)越的化學性能、機械性能、熱力學性能等特點，因而被廣泛運用于各個領(lǐng)域。但是納米二氧化硅因表面自由能較高、表面有多個羥基、親水性強，極易在分散介質(zhì)中發(fā)生團聚，不利于其在有機溶劑中分散，難以發(fā)揮納米尺寸優(yōu)勢，大大限制了其應(yīng)用范圍[3]。因此，需要對納米二氧化硅進行表面改性，實現(xiàn)納米SiO2由親水轉(zhuǎn)為親油，提高其在有機溶劑中的穩(wěn)定分散性能。本文針對頁巖油鉆探中合成基鉆井液封堵微納米孔隙裂縫的技術(shù)需求，研制了一種納米材料LNS，并系統(tǒng)考察了LNS材料對鉆井液流變性能、納米孔隙封堵和巖石強度等方面的影響。

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

納米二氧化硅，分析純，阿拉丁試劑有限公司；無水乙醇、甲醇和硅烷偶聯(lián)劑，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

傅里葉變換紅外光譜儀，美國尼高力公司； JEM-2100UHR型透射電子顯微鏡，日本電子JEOL； Mastersizer3000超高速智能粒度分布儀，英國馬爾文儀器有限公司；ZNN—D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計，青島海通達儀器有限公司；GGS71-B高溫高壓失水儀，青島海通達儀器有限公司；ZNS-1中壓失水儀，青島海通達儀器有限公司；XGRL-4數(shù)顯式滾子加熱爐，青島海通達儀器有限公司；巖石單軸抗壓實驗機，美國GCTS公司。

1.2 納米材料改性原理

納米SiO2具有親水疏油特性，不能在合成基液中有效分散。選用硅烷偶聯(lián)劑對其改性，與納米SiO2表面的羥基反應(yīng)，形成牢固的共價鍵，在SiO2表面嫁接上疏水鏈，實現(xiàn)納米SiO2由親水轉(zhuǎn)為親油[4-5]，解決納米SiO2材料在合成基鉆井液中的分散性問題。

1.3 制備步驟

R-Si-OH+OH-Si→R-Si-O-Si+H2O

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析

利用傅里葉變換紅外光譜儀測試表征納米材料分子結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示。

圖1中，3 439 cm-1處出現(xiàn)了-OH伸縮振動峰，1 628 cm-1處出現(xiàn)了-OH的彎曲振動吸收峰，2 927 cm-1處出現(xiàn)了-CH不對稱伸縮振動峰，1 102 cm-1為Si-O-Si的不對稱收縮振動吸收峰、847 cm-1為Si-O-Si對稱收縮振動吸收峰、472 cm-1為Si-O-Si的彎曲振動吸收峰，說明偶聯(lián)劑成功嫁接到納米二氧化硅顆粒表面。

2.2 微觀形態(tài)表征

采用JEM-2100UHR型透射電子顯微鏡觀察親油納米二氧化硅微觀形貌，將LNS用乙醇溶解，滴于碳膜型銅網(wǎng)上，待溶劑揮發(fā)完后置于透射掃描電鏡中，結(jié)果如圖2所示。

制備的親油納米材料LNS聚集程度明顯減緩，顆粒近似呈球形分布，形態(tài)規(guī)則，粒度均勻。

2.3 粒徑測試

采用馬爾文Mastersizer3000超高速智能粒度分布儀對LNS的粒徑分布進行測試，測試前，將樣品稀釋至濃度為0.05%并超聲分散。測試結(jié)果如圖3所示。

從圖3可出，親油納米SiO2粒徑范圍在70～300 nm，平均有效粒徑在157.2 nm。zeta電位平均值-44.60 mV(見表1)，zeta電位絕對值大于30 mV，認為親油納米SiO2分散穩(wěn)定性良好。

表1 zeta電位值

2.5 親油化度測試

利用親油化度的大小作為評價LNS親油效果的標準，說明納米材料在有機介質(zhì)中分散程度的好壞。將1 g表面修飾的LNS加入到50 mL去離子水中，然后逐滴加入甲醇。當漂浮于水面上的粉體完全潤濕時，記錄甲醇的加入量V(mL)，則親油化度計算公式[4-5]：

(1)

親油納米SiO2由親水轉(zhuǎn)變?yōu)橛H油所用的甲醇體積為211.8 mL，計算得出親油化度為80.9%，說明LNS在有機溶劑中分散良好。

將親油納米材料加入到合成基液中攪拌，LNS分散性良好，合成基液呈現(xiàn)透明狀。

3 親油納米材料在合成基鉆井液中的應(yīng)用

3.1 LNS對合成基鉆井液流變性能影響

配制密度為1.8 g/cm3的合成基鉆井液，分別加入1%～3%的親油納米二氧化硅LNS，測試對鉆井液流變性能的影響[8]，結(jié)果見表2。

表2 LNS對合成基鉆井液流變性能評價

從表2可以看出，LNS對鉆井液流變性能、電穩(wěn)定能影響不明顯，但能吸附在泥餅上，形成納米顆粒隔水層，降低高溫高壓濾失量(見圖4)。在現(xiàn)場施工中納米材料可以起到快速封堵的作用，打開新地層的瞬間進入微孔喉、微裂隙形成封堵內(nèi)層，阻止濾液進入地層。

3.2 LNS對合成基鉆井液封堵性能影響

采用微孔濾膜方法進行封堵性能評價，選擇不同孔徑的微孔濾膜(22 μm、45 μm)，利用中壓濾失儀測試壓差為0.69 MPa，記錄合成基鉆井液7.5 min時的濾失量[9]，評價納米材料對合成基鉆井液基漿、加2% LNS封堵劑的合成基鉆井液的濾失性能影響，結(jié)果見表3和圖5。

表3 不同濾膜封堵濾失實驗結(jié)果

通過對比看出，添加納米LNS封堵劑后的合成基鉆井液體系的濾失量明顯降低，濾失量降低>46.7%，說明納米材料顆粒依靠小尺寸效應(yīng)，能夠封堵微孔濾膜及后續(xù)形成的泥餅層。

3.3 LNS合成基鉆井液對巖石強度的影響

取同層相近的頁巖巖樣，分別用水基鉆井液、合成基鉆井液基漿、合成基鉆井液基漿+2% LNS體系模擬侵入巖石傷害實驗。將巖心放入巖心傷害反應(yīng)容器內(nèi)，加圍壓到5.5 MPa后，注入鉆井液體系，模擬鉆井液侵入巖石4 h，然后進行單軸抗壓實驗，測試不同鉆井液體系封堵前后對巖石強度的變化影響[10]，評價合成基鉆井液及封堵劑對井壁穩(wěn)定性的影響，并對比水基鉆井液體系對巖石強度的影響，結(jié)果見圖6～圖8。

圖7結(jié)果表明，頁巖樣品經(jīng)水基鉆井液作用后，其單軸抗壓強度由110.5 MPa降低至72.8 MPa，單軸抗壓強度下降幅度較大，強度下降34.1%。圖7結(jié)果表明，頁巖樣品經(jīng)合成基鉆井液基漿作用后，其單軸抗壓強度由110.5 MPa降低至88.6 MPa，單軸抗壓強度下降幅度為19.8%，明顯低于水基鉆井液體系對頁巖強度的影響，比水基鉆井液體系強度提高14.3%。圖8結(jié)果表明，頁巖樣品經(jīng)合成基鉆井液基漿+納米材料LNS作用后，其單軸抗壓強度由110.5 MPa降低至91.0 MPa，單軸抗壓強度下降幅度為17.6%，比合成基鉆井液基漿的強度傷害要小。

由于水基鉆井液容易導(dǎo)致頁巖膨脹,對巖樣強度影響最大，巖石強度下降34.1%。合成基鉆井液對巖樣的傷害主要是由于壓力傳遞導(dǎo)致，傷害率降低到19.8%，其中加入納米封堵劑的合成基鉆井液傷害最小，巖石強度傷害降低到17.6%，與水基鉆井液相比，封堵后的巖石強度提高了25%。

4 結(jié)論

通過脫醇縮合反應(yīng)合成了一種親油納米二氧化硅封堵劑，它將納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、剛性與親油的特性結(jié)合在一起，使其在合成基鉆井液有效分散。合成的親油納米二氧化硅，粒徑在70～300 nm，親油值達到80.9%，拓寬了合成基鉆井液封堵劑粒徑范圍，可以有效封堵納米級微孔隙。建議將納米封堵劑與超細碳酸鈣、樹脂類、瀝青類、纖維類等封堵材料復(fù)配使用，建立致密封堵技術(shù)，有效封堵頁巖地層微納米級微裂縫和孔隙，減少合成基鉆井液在地層中的滲漏。