納米材料增強頁巖氣水基鉆井液的性能

李冰玉，譚 臻，郭建智

1.中國石油華北油田公司二連分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下作業(yè)分公司，河北 任丘 062552；3.中國石油華北油田公司第一采油廠，河北 任丘 062552

我國頁巖氣資源極為豐富，從2009 年中國第一口頁巖氣開發(fā)井——威201 井開鉆以來，我國的頁巖氣產(chǎn)量正在穩(wěn)步增長［1］。2012 年，焦頁1HF 井［2］獲得高產(chǎn)頁巖氣流，2018 年我國頁巖氣產(chǎn)量突破百億立方米［3］，2022 年國內(nèi)頁巖氣產(chǎn)量達到240 億立方米［4］，比2018 年的產(chǎn)量增加120%。雖然我國頁巖氣開發(fā)規(guī)模發(fā)展迅速，但是其生產(chǎn)大部分來自中淺層頁巖氣，深部頁巖氣資源尚有待開發(fā)。

油氣田開發(fā)的主要成本來源于鉆井作業(yè)，特別是頁巖氣井的鉆井成本遠高于常規(guī)的陸地鉆井作業(yè)。在頁巖鉆井中，最常見的鉆井液體系是油基和合成基鉆井液［5］，但這2種鉆井液體系成本昂貴、環(huán)保性能差。因此，找到一種適用于頁巖氣井鉆井的水基鉆井液體系，對于鉆井降本增效具有重要意義。從現(xiàn)有的鉆井實踐來看，水基鉆井液雖然具有環(huán)保和成本低廉的優(yōu)點，但是常規(guī)的水基鉆井液易滲漏至地層，極易造成井壁不穩(wěn)定等問題［6-7］。所以，強化水基鉆井液性能的關(guān)鍵是提高鉆井液的濾失性能，常規(guī)的鉆井液性能強化方法是向鉆井液中添加封堵防塌劑。常用的封堵防塌劑如瀝青、聚醇等均為微米級，難以進入頁巖微孔隙中，無法形成有效封堵［8］。

納米材料具有粒徑?。?～100 nm）的特點［9］，根據(jù)封堵架橋理論［10-11］，納米級顆?？梢赃M入頁巖中的毛細管和微小縫隙，在頁巖微處架橋，對納米裂縫實現(xiàn)有效封堵，從而達到穩(wěn)定井壁、保護儲層和阻止壓力傳遞的目的。雖然納米材料強化鉆井液性能的研究成果較多，但目前還存在體系和加量不明確等問題。因此，本文針對頁巖氣井水基鉆井液性能強化的需要，在分析4 種納米材料對頁巖氣水基鉆井液封堵能力影響的基礎上，通過實驗研究優(yōu)選納米材料種類和加量，以確定鉆井液體系的配方，進一步評價納米材料對鉆井液性能的影響，以期為解決水基鉆井液在頁巖油氣田開發(fā)中的井壁失穩(wěn)問題提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

去離子水，自制；膨潤土，山東華濰膨潤土有限公司；純堿（分析純），湖北雙環(huán)科技股份有限公司；重晶石（密度4.3 g/cm3），貴州利坤礦業(yè)有限公司；黃原膠（XC，分析純），梅花集團；羧甲基纖維素（CMC-HV，分析純），常熟威怡科技有限公司。目前，在生產(chǎn)實踐中應用的納米材料種類較多，根據(jù)文獻［9，12-15］調(diào)研的情況，結(jié)合現(xiàn)場的應用現(xiàn)狀，擬選用以下4 種納米材料：Al2O3、ZnO、Fe3O4和SiO2（廣州宏武材料科技有限公司），這4種納米材料的基本性能如表1所示，粒徑分布如圖1所示。

圖1 4種納米材料的粒徑分布

表1 4種納米材料的基本性能

DF101S型集熱式磁力攪拌器，上海予華儀器設備有限公司；GRL-BX3 型熱滾爐、高溫高壓濾失儀，青島恒泰達機電設備有限公司；BSA2201型電子天平，河南信陵儀器設備有限公司；六速旋轉(zhuǎn)黏度計，天津?qū)庂惪萍加邢薰?；Bettersize 2000型激光粒度儀，丹東百特儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 水基鉆井液配制

將納米材料采用超聲分散后，加入鉆井液體系中，然后評價鉆井液的流變性和濾失性，從而優(yōu)選性能最好的納米材料。采用較為常用的膨潤土體系鉆井液作為基本體系，配方為水+4.0%膨潤土+0.2%純堿+0.3% XC+0.5% CMC-HV+2%聚胺抑制劑（UHIB）+3%KCl+200 g重晶石。

1.2.2 實驗方法

針對影響鉆井液性能的3 個關(guān)鍵參數(shù)納米材料種類、土漿加量以及納米材料加量進行實驗。在配制不同納米材料、土漿加量及納米材料加量的鉆井液體系后，分別采用六速黏度計、高溫高壓濾失儀測定鉆井液的流變性和濾失性，以此為標準優(yōu)選納米材料，確定土漿和納米材料的加量，同時評價納米材料強化前后鉆井液的性能差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉆井液體系優(yōu)選

2.1.1 納米材料優(yōu)選

以基本體系為空白組，向基本體系中分別加入含量為0.7%的4 種納米材料，充分攪拌后使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計測其流變性，結(jié)果如表2所示。

表2 25 ℃條件下5組鉆井液的流變性

由表2可知：以4種納米材料配制的鉆井液的黏度和動切力基本相同，其中ZnO組動切力略高。

將5 組實驗組分別放入API 失水試驗儀中，并放入濾紙，在25 ℃條件下測試5 組鉆井液在30 min內(nèi)的失水量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 25 ℃條件下5組鉆井液的濾失量

一般來說，30 min內(nèi)正常的API失水量為10～15 mL。由圖2 可知：5 組水基鉆井液的失水量均在正常范圍內(nèi)，其中，加入納米Al2O3組的濾失量最少，結(jié)合表1 和圖2 的實驗數(shù)據(jù)，納米材料選擇平均粒徑為52.1 nm的Al2O3。

2.1.2 膨潤土加量優(yōu)選

膨潤土的加量會對鉆井液性能產(chǎn)生重要影響，因此在優(yōu)選鉆井液體系時，必須優(yōu)選膨潤土的加量。配制2 組鉆井液體系：體系1 的配方為水+0.2% 純堿+0.3% XC+0.5% CMC-HV+2% UHIB+3% KCl+200 g重晶石；體系2的配方為水+0.2%純堿+ 0.3% XC+0.5% CMC-HV+2% UHIB+3% KCl+200 g 重晶石+0.7% Al2O3。向2 個鉆井液體系中分別添加含量為1.5%、3%、4%和5%的膨潤土，測定2 組鉆井液體系的流變性和濾失性，具體結(jié)果見表3。

表3 25 ℃條件下，8組鉆井液的流變性

由表3 可知：隨著膨潤土加量的增大，鉆井液的黏度和動切力均增大，但8 種水基鉆井液的黏度和動切力都在正常范圍內(nèi)。

圖3～4 為25 ℃條件下測得的8 組鉆井液的濾失量。由圖3～4可知：8組水基鉆井液的濾失量均在正常范圍內(nèi)，其中體系2+3%膨潤土的納米材料鉆井液失水量比體系1+3%膨潤土鉆井液的失水明顯減少；而其他納米材料改性組的失水量與未改性組的相比，失水并未減少。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)綜合分析，膨潤土的加量選用3%。

圖3 25 ℃條件下體系1中不同膨潤土加量鉆井液的濾失量

圖4 25 ℃條件下體系2中不同膨潤土加量鉆井液的濾失量

2.1.3 納米材料加量優(yōu)選

加入不同量的納米材料有可能改變鉆井液的性能，所以針對納米Al2O3含量進行細化優(yōu)選。以上述的膨潤土鉆井液為基本體系，分別向其中加入0.5%、0.8%、1.2%和1.5%的納米Al2O3，測定不同納米材料加量的鉆井液流變性和濾失性，結(jié)果見表4和圖5。

圖5 25 ℃條件下不同Al2O3加量鉆井液的濾失量

表4 25 ℃條件下不同Al2O3加量鉆井液的流變性

由表4 可知：隨著納米材料加量增加，所配制的水基鉆井液黏度增大，但動切力變化較小?？傮w來說，這5 組不同納米材料加量的鉆井液體系的黏度和動切力均滿足現(xiàn)場要求。

由圖5 可知：5 組水基鉆井液均在正常范圍內(nèi)，其中加入0.8%Al2O3實驗組相比于其他實驗組失水明顯減少。因此，納米Al2O3的含量選用0.8%。

2.2 鉆井液性能評價

根據(jù)鉆井液體系優(yōu)選的研究，最終選定的納米材料改性水基鉆井液體系為3% 膨潤土+0.8%納米Al2O3+ 水+0.2% 純堿+0.3%XC+0.5%CMC-HV+2%UHIB+3%KCl+200 g重晶石，對照的常規(guī)水基鉆井液體系為3% 膨潤土+水+0.2%純堿+0.3%XC+0.5%CMC-HV+2%UHIB+3%KCl+200 g重晶石，分別評價常規(guī)水基鉆井液和納米材料改性水基鉆井液的流變性、抗溫性以及濾失性。

2.2.1 流變性能評價

使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計在室溫下測試2 個實驗組在不同轉(zhuǎn)速下的黏度，結(jié)果如表5所示。

表5 納米材料改性水基鉆井液和常規(guī)水基鉆井液流變性

由表5 可知：加入納米Al2O3后，鉆井液的表觀黏度提升了8.8%，塑性黏度提升了18.2%。

2.2.2 抗溫性能評價

分別配制500 mL 的2 種類型鉆井液，置于120 ℃滾子爐中高溫老化16 h 后取出，冷卻后使用六速旋轉(zhuǎn)黏度計測試各組鉆井液在不同轉(zhuǎn)速下的黏度，運用老化鉆井液的黏度來評價其抗溫性，結(jié)果見表6。

表6 老化后的納米材料改性水基鉆井液和常規(guī)水基鉆井液流變性

由表6可知：老化后2種鉆井液的表觀黏度和動切力均略有降低，但塑性黏度未發(fā)生明顯改變。可見，老化后的鉆井液性能仍可滿足鉆井需求。

2.2.3 濾失性評價

在25 ℃條件下，將2 個實驗組分別放入API失水試驗儀中，并放入濾紙，測試兩組鉆井液的API失水量，結(jié)果如圖6所示。配制500 mL的2個實驗組納米材料水基鉆井液，放入滾筒，置于120 ℃滾子爐中高溫老化16 h 后取出，冷卻后放入API失水試驗儀中，并放入濾紙，測試兩組鉆井液的失水量，結(jié)果如圖7所示。

圖6 25 ℃條件下納米材料改性水基鉆井液和常規(guī)水基鉆井液的濾失量

圖7 老化后納米材料改性水基鉆井液和常規(guī)水基鉆井液的濾失量

由圖6～7可知：老化前后，納米材料改性水基鉆井液的濾失量均小于常規(guī)水基鉆井液，這表明加入納米材料可以提高鉆井液的濾失性能。

將2 個實驗組分別放入高溫高壓失水儀中，并放入濾紙，在120 ℃、3.5 MPa條件下測試2組鉆井液的失水量，結(jié)果如圖8所示。

圖8 高溫高壓條件下納米材料改性水基鉆井液和常規(guī)水基鉆井液的濾失量

由圖8 可知：納米材料改性的水基鉆井液實驗組的高溫高壓失水量較小，說明加入納米材料后能夠提高鉆井液在高溫高壓條件下的濾失性能。

3 結(jié)論

1）結(jié)合水基鉆井液體系的結(jié)構(gòu)、組成及各項特點，通過納米材料優(yōu)選、膨潤土加量優(yōu)選以及納米材料加量優(yōu)選，確定了納米材料改性鉆井液體系的配方為3% 膨潤土+0.8%納米 Al2O3+水+0.2%純堿+0.3%XC+0.5% CMC-HV+2% UHIB+3%KCl+200 g重晶石。

2）對納米材料改性水基鉆井液和常規(guī)水基鉆井液的性能進行了室內(nèi)研究，結(jié)果表明：添加納米材料后，鉆井液的表觀黏度提升了8.8%，塑性黏度提升了18.2%；在120 ℃、3.5 MPa 條件下，其高溫高壓失水量遠小于常規(guī)水基鉆井液，鉆井液的抗溫性能和濾失性能有了顯著提升。