鉆井液用納米封堵劑的研究與進(jìn)展

摘 " " "要： 頁巖氣地層具有微納米尺度的孔縫結(jié)構(gòu)，只有微納米級(jí)別的封堵顆粒才能形成有效封堵，維持井壁穩(wěn)定，因此納米材料作為鉆井液封堵劑成為近年來研究的重點(diǎn)。分析了納米封堵劑的封堵原理，闡述了納米封堵劑的封堵性能評(píng)價(jià)方法，概括了納米封堵劑的研究現(xiàn)狀，探討了納米封堵劑的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向。筆者認(rèn)為，目前封堵實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法多是基于實(shí)驗(yàn)完成的，因此有必要開展相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)研究，探討顆粒封堵過程及封堵微觀機(jī)制等；此外引入智能材料，實(shí)現(xiàn)納米顆粒的智能化，根據(jù)不同地層條件來滿足對(duì)頁巖孔縫的致密封堵效果，阻緩濾液侵入，維持井壁穩(wěn)定，納米封堵劑的智能化將是未來鉆井液封堵劑的發(fā)展方向。

關(guān) "鍵 "詞：納米封堵劑； 井壁穩(wěn)定； 智能化； 模擬實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TE254 " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）03-0436-04

隨著非常規(guī)油氣資源的不斷勘探與開發(fā)，頁巖氣資源成為近年來研究的重點(diǎn)。頁巖氣地層巖性主要以石英礦物為主，脆性指數(shù)大，巖石層理、微孔縫發(fā)育，井底壓力下沿層理孔縫易發(fā)生脆性劈裂破壞，造成井壁失穩(wěn)等。當(dāng)出現(xiàn)井下復(fù)雜情況時(shí)，給鉆井施工帶來極大困難與經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響地層鉆進(jìn)和石油開采的進(jìn)展[1-3]。實(shí)現(xiàn)對(duì)頁巖氣地層微孔縫的致密封堵，阻緩壓力傳遞，能夠有效解決井壁失穩(wěn)問題。頁巖氣地層多為微納米級(jí)別的孔縫結(jié)構(gòu)，只有微納米尺度的封堵材料才能有效進(jìn)行充填封堵，使巖石結(jié)構(gòu)更加致密，提高物理力學(xué)性能，有效解決鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的井壁失穩(wěn)問題，因此納米封堵劑成為近年來研究的重點(diǎn)[3-6]。本文分析了納米封堵劑的封堵原理、闡述了納米封堵劑的封堵性能評(píng)價(jià)方法，為優(yōu)選封堵材料提供基礎(chǔ)，并總結(jié)了納米封堵劑未來的發(fā)展方向。

1 "納米封堵劑封堵原理

納米材料粒徑小，在一定壓差作用下，堆積在頁巖孔縫處，使巖石表面更加致密，有效阻緩壓力傳遞，降低滲透率，維持井壁穩(wěn)定性。無機(jī)納米材料因其剛性過大不能發(fā)生形變，難以對(duì)復(fù)雜的孔縫形狀形成致密封堵，只有鉆井液具有粒徑較小且分布均勻的封堵顆粒，無機(jī)納米封堵劑起到良好的封堵效果[7-8]。相比于無機(jī)納米粒子的剛性，有機(jī)納米粒子多為柔性材料，封堵過程中，封堵材料會(huì)發(fā)生形變并相互結(jié)合在一起，在巖石表面形成一層致密堅(jiān)韌的薄膜，使巖石表面變得光滑，增強(qiáng)濾餅質(zhì)量，阻止濾液進(jìn)入微孔縫，但有機(jī)粒子強(qiáng)度較低，在壓差作用下易被擠入地層深處，不能形成良好封

堵[9-10]。有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料由無機(jī)納米材料和有機(jī)納米材料復(fù)合而成，無機(jī)納米材料對(duì)頁巖孔縫進(jìn)行架橋封堵，有機(jī)納米材料對(duì)孔縫進(jìn)行充填，加強(qiáng)封堵，最后在巖石表面形成一層致密的封堵層，阻緩濾液侵入維持井壁穩(wěn)定[11-12]。

2 "納米封堵劑封堵性能評(píng)價(jià)方法

2.1 "實(shí)驗(yàn)測試方法

在鉆井液中加入納米封堵劑是解決井壁失穩(wěn)問題的一種方法，因此高性能的納米材料成為科研人員的研究對(duì)象。簡單可靠的封堵評(píng)價(jià)方法有助于納米材料的優(yōu)選，國內(nèi)最常使用的有微孔濾膜、人造泥餅、壓力傳遞實(shí)驗(yàn)等來評(píng)價(jià)封堵能力。

張洪偉等[13]針對(duì)目前測量鉆井液濾失量采用的濾紙孔徑較大，與頁巖氣地層納微孔縫尺度不匹配等，引入了一種新型混合纖維素濾膜，并通過實(shí)驗(yàn)測試不同粒徑處理劑溶液通過濾膜的濾失量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明封堵材料粒徑越小，瞬時(shí)濾失量就越小，隨時(shí)間增加，泥餅逐漸形成，濾失量也趨于穩(wěn)定。因此可以看出微孔濾膜能有效的模擬鉆井液在頁巖氣地層的濾失，通過對(duì)比瞬時(shí)濾失量的大小，可有效評(píng)價(jià)單一處理劑對(duì)濾膜的封堵效果，從而近似模擬對(duì)泥頁巖微孔縫的封堵作用。付艷等[14]考慮到泥頁巖地層微孔縫發(fā)育、滲透率低、易吸水膨脹等，未有合適的介質(zhì)來模擬井下真實(shí)的地層狀況，為此通過制備泥餅來模擬頁巖氣地層，并測定了不同濃度的納米封堵劑溶液在泥餅上的濾失流量，并在室溫條件下求出了相應(yīng)的滲透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著濃度的不斷升高，泥餅的滲透率明顯下降，通過人工泥餅來考察鉆井液中納米封堵材料的封堵能力具有一定的可行性。

2.2 "模擬測試方法

實(shí)驗(yàn)方法對(duì)于納米顆粒在巖石孔縫中的運(yùn)移過程和封堵規(guī)律尚未被認(rèn)識(shí)，此外哪些參數(shù)可以影響封堵效果尚不明確，因此近年來基于流體動(dòng)力學(xué)和離散元法相繼開展物理封堵模擬實(shí)驗(yàn)研究。

楊現(xiàn)禹[15]通過建立頁巖孔縫模型，采用CFD和DEM方法模擬納米顆粒封堵頁巖孔縫，通過物理模擬測試顆粒直徑、顆粒濃度、顆粒形狀對(duì)頁巖孔縫封堵效率的影響，模擬結(jié)果通過理論計(jì)算及第三方實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證增加了其可靠性，結(jié)果表明顆粒大小、濃度以及流體物性對(duì)于封堵效果具有一定影響。薄克浩[16]通過引入離散元法，構(gòu)建了納米顆粒接觸碰撞模型，能夠相應(yīng)的描述出納米顆粒在頁巖孔縫中的運(yùn)移過程及封堵規(guī)律，提出了顆粒堵卡孔喉準(zhǔn)則，建立了新的封堵效果評(píng)價(jià)體系，基于流體動(dòng)力學(xué)與離散元法構(gòu)建一種納米顆粒封堵頁巖孔縫物理模擬方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬方法的可行性，為封堵顆粒的優(yōu)選設(shè)計(jì)提供了參考。

3 "納米封堵劑研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向

3.1 "有機(jī)納米封堵劑

有機(jī)納米材料具有一定的可壓縮性，在一定壓力下發(fā)生形變被擠入巖石孔縫中形成有效封堵，最常用的主要有聚合物類和乳液類等。劉凡等[17]研制出一種納米封堵劑LDP，直徑約為30 nm，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)分散性和剪切稀釋性遠(yuǎn)高于納膨潤土，并且可在頁巖微納米孔縫表面形成一層濃度較高的凝膠結(jié)構(gòu)，封堵效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于納膨潤土和二氧化硅。景岷嘉等[18]制備了一種聚合物微球，通過粒徑分析儀測試該封堵劑粒徑較小，吸附能力強(qiáng)，粒子平均尺寸在80 nm左右。經(jīng)過封堵性能測試，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該納米聚合物微球能有效阻止孔縫壓力的傳遞。同時(shí)該聚合物分散性好，表現(xiàn)較強(qiáng)的黏彈性行為。

3.2 "無機(jī)納米封堵劑

無機(jī)納米材料硬度大，抗壓能力強(qiáng)，鉆井液用無機(jī)納米封堵材料主要為納米二氧化硅、納米碳酸鈣等。岳秋地等[19]通過Fe3O4納米粒子研制一種性能優(yōu)于的封堵劑，通過透射電子顯微鏡（TEM）分析表明粒子粒徑在10 nm左右。通過壓力傳遞實(shí)驗(yàn)可知，頁巖滲透率下降明顯，壓力穿透巖心需要的時(shí)間明顯提高，表明該封堵劑封堵效果優(yōu)越。白小東[20]針對(duì)頁巖氣地層微孔縫封堵不理想現(xiàn)象，研制一種改性的納米碳酸鈣，加入有改性的納米碳酸鈣鉆井液，具有一定的降濾失性且流變性能變好。通過對(duì)泥餅的微觀形態(tài)分析，泥餅致密厚度小于1毫米，對(duì)微納米孔吼形成了有效封堵。

3.3 "有機(jī)/無機(jī)復(fù)合納米封堵劑

有機(jī)/無機(jī)復(fù)合納米封堵材料由有機(jī)柔性材料和無機(jī)剛性材料復(fù)合而成，無機(jī)材料對(duì)頁巖孔縫進(jìn)行架橋封堵，有機(jī)材料在一定壓力下發(fā)生形變對(duì)無機(jī)材料架橋封堵所產(chǎn)生的孔縫進(jìn)行充填，加強(qiáng)封堵，從而提高封堵效果。褚奇等[21]以納米SiO2為原材料，四苯基芐基三乙氧基硅烷為表面改性劑，制備了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的改性納米SiO2。通過人工模擬微納米級(jí)別的地層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)加入該納米粒子的鉆井液封堵性可達(dá)98.93%，與工業(yè)納米SiO2相比，具有更好的分散穩(wěn)定性，更有利于對(duì)微孔縫進(jìn)行封堵。Huang等[22]利用無機(jī)納米材料SiO2和高分子材料丙烯酸樹脂合成了復(fù)合材料AR/SiO2，該材料具有納米級(jí)的粒度，適用于頁巖氣地層微納米孔縫的封堵。在高溫的地下AR/SiO2處于橡膠態(tài)，在壓差作用下被擠入頁巖孔縫形成封堵，此外丙烯酸樹脂顆粒之間相互滲透結(jié)合成一種薄膜，增強(qiáng)了封堵性能。

3.4 "納米封堵劑發(fā)展方向

基于智能材料的快速發(fā)展，為鉆井液用封堵材料提供新的發(fā)展方向。智能材料能夠根據(jù)外界環(huán)境變化做出響應(yīng)，具有自我執(zhí)行能力的新型材料，響應(yīng)行為主要包括溫度響應(yīng)、pH響應(yīng)、磁響應(yīng)、CO2響應(yīng)等。

凝膠材料流動(dòng)性好，在井底壓差作用下易被擠入巖石孔縫中，隨著智能凝膠材料的不斷增加，在石油鉆井中的應(yīng)用也較為廣泛，主要包括溫敏型凝膠、自適應(yīng)凝膠等。溫敏型凝膠能夠?qū)ν饨鐪囟茸兓龀鲰憫?yīng)，受外界溫度環(huán)境改變，能夠在溶膠-凝膠之間相互轉(zhuǎn)變，從而達(dá)到封堵效果，具有一定的可控性，此外溫敏凝膠交聯(lián)后強(qiáng)度高，不易解堵，封堵能力出色[23]。

形狀記憶材料能夠根據(jù)外界環(huán)境變化使自身形狀發(fā)生相應(yīng)變化，主要包括形狀記憶合金、形狀記憶聚合物等。形狀記憶聚合物在石油工程領(lǐng)域已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，此類材料具有一定的初始形狀，在特定條件下發(fā)生形變固定后，能夠在外界條件刺激下恢復(fù)其初始形狀，如研究較為廣泛的熱致形狀聚合物在溫度刺激下可快速膨脹，根據(jù)內(nèi)部膠連組分含量控制響應(yīng)溫度，通過內(nèi)部孔縫含量調(diào)節(jié)膨脹率大小，能夠根據(jù)地層條件滿足應(yīng)用效果，具有良好的封堵可控性[24-25]。

磁流體作為智能材料，同時(shí)具有流動(dòng)性和磁性等性質(zhì)。在磁場環(huán)境下，磁性材料沿著磁場方向吸附聚集在一起，形成半固體的鏈條狀，抑制流體的流動(dòng)性，將外加磁場關(guān)閉后，磁性材料又分散開來，恢復(fù)到原始粘度。將磁性顆粒加入鉆井液中，在外加磁場作用下，可以迅速提高鉆井液的粘度和動(dòng)切力，此外磁性材料吸附聚集在一起，有望對(duì)孔縫形成致密封堵，達(dá)到一劑多用的效果[26]。

4 "結(jié)束語

1）納米封堵劑的封堵原理是納米顆粒在頁巖孔縫處形成堆積封堵，使巖石表面更加致密，有效阻緩壓力傳遞，降低滲透率，維持井壁穩(wěn)定性。

2）目前封堵實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法多是基于實(shí)驗(yàn)完成的，相關(guān)實(shí)驗(yàn)不能夠反映封堵過程，因此有必要開展相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)研究，探討顆粒封堵過程及封堵微觀機(jī)制等，對(duì)于穩(wěn)定井壁，促進(jìn)油氣高效開發(fā)具有重要意義。

3）隨著智能材料的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)納米封堵劑的智能化是未來的發(fā)展方向，能夠根據(jù)外部環(huán)境變化做出相應(yīng)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地層的致密封堵。

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Research Progress of Nano Plugging Agent for Drilling Fluid

HUANG Yu-hao1， XV Jian-gen2， BU Wen-yang1， ZHANG Dai-wei1， ZHU Qing-shuai1

（1. Chongqing University of Science and Technology， Chongqing 401331， China;

2. Great Wall Drilling Company First Drilling Branch， Panjin Liaoning 124010， China）

Abstract： "Shale gas formations have micro- and nano-scale pore-fracture structures. Only micro- and nano-scale plugging particles can form effective plugging and maintain wellbore stability. Therefore， nanomaterials as drilling fluid plugging agents have become the focus of research in recent years. In this paper， the blocking principle of nano-blocking agents was analyzed， the evaluation method of the blocking performance of nano-blocking agents was expounded， the research status of nano-blocking agents was summarized， and the future development directions of nano-blocking agents were discussed. It was pointed out that the current plugging experimental evaluation methods were mostly based on experiments. Therefore， it is necessary to carry out relevant simulation experiments to discuss the particle plugging process and the microscopic mechanism of plugging. In addition， smart materials should be introduced to realize the intelligence of nanoparticles. According to different formation conditions， the sealing and plugging effect of shale pores and fractures should be met to prevent filtrate intrusion and maintain wellbore stability. The intelligence of nano-plugging agents will be the development direction of drilling fluid plugging agents in the future.

Key words： "Nano blocking agent; Wellbore stabilization; Intelligent; Simulation experiment