多功能納米材料在鉆井液中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張 亞,吳 宇,2*,侯珊珊,2

(1.荊州嘉華科技有限公司,湖北 荊州 434000;2.長江大學(xué) 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430100)

21世紀(jì)以來,納米技術(shù)發(fā)展迅速,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、電子、機械、工程等領(lǐng)域[1-2]。隨著全球能源消耗持續(xù)增長,納米技術(shù)在石油和天然氣開發(fā)領(lǐng)域不斷革新。由于納米材料自身的獨特性質(zhì)[3],常用于鉆井液新型添加劑的開發(fā)[4-5],以改善鉆井液的剪切稀釋性[6-7]、封堵性[8-9]、傳熱效率[10],推動鉆井技術(shù)不斷發(fā)展。在此,作者主要對無機納米材料(包括金屬、金屬/非金屬氧化物、粘土、碳基材料)、有機納米材料(包括天然/合成聚合物材料)以及有機/無機復(fù)合納米材料在鉆井液中的應(yīng)用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為新型納米鉆井液的研發(fā)提供技術(shù)參考。

1 無機納米材料在鉆井液中的應(yīng)用

無機納米材料是最早開發(fā)的一類納米材料,其中用作鉆井液添加劑的無機納米材料主要包括金屬(鐵基、鈣基、銀基等)、金屬氧化物(氧化鋅、氧化鈦、氧化銅、氧化鋯、氧化鋁等)類,非金屬(石墨烯、碳納米管等)、非金屬氧化物(以納米二氧化硅為主)類及其它(粘土、坡縷石、石灰石等)類納米材料。

1.1 金屬納米材料的應(yīng)用

金屬納米材料通常采用光化學(xué)、電化學(xué)、化學(xué)程序等方法制備,已用于生物分子成像、生化分析、環(huán)境科學(xué)和鉆井液等領(lǐng)域[11]。Contreras等[12]研究了不同濃度鐵基納米顆粒在高溫高壓(121 ℃、3.5 MPa)和陶瓷滲透介質(zhì)情況下對鉆井液性能的影響,結(jié)果表明,添加鐵基納米顆粒后鉆井液濾失量降低了76%;此外,還發(fā)現(xiàn),將石墨與鐵基納米顆粒和鈣基納米顆粒聯(lián)合使用時,鉆井液濾失量降低率可達(dá)100%。Alvi等[13]也研究了鐵基納米顆粒對鉆井液性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),鐵基納米顆粒不僅能降低鉆井液的API濾失量,還能減小鉆井液的力學(xué)摩擦系數(shù)。此外,Husin等[14]研究了銀基納米顆粒對水基鉆井液性能的影響,發(fā)現(xiàn)添加銀基納米顆粒的水基鉆井液的塑性黏度提高了64%,動切力和濾失量均有一定程度的下降。

為避免金屬單質(zhì)在暴露的空氣中或者強氧化性環(huán)境中被氧化侵蝕,金屬納米材料一般由金屬單質(zhì)的核和非金屬或金屬氧化物材質(zhì)的殼構(gòu)成,制備工藝較為復(fù)雜,成本居高不下。此外,在鉆井過程中因測錄井需求,鐵基納米材料等磁性金屬納米材料在鉆井液中的應(yīng)用受到限制。未來,鉆井液用金屬納米材料應(yīng)朝無磁方向發(fā)展,并著力于簡化生產(chǎn)工藝以降低成本。

1.2 金屬氧化物納米材料的應(yīng)用

金屬氧化物納米材料種類繁多,其中在鉆井液中應(yīng)用較多的有氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiO2)、氧化銅(CuO)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(Al2O3)等。

ZnO納米顆粒粒徑一般小于100 nm,其物化性質(zhì)取決于其制備工藝[15-16]。Sayyadnejad等[17]研究了ZnO納米顆粒對水基鉆井液中硫化氫的去除性能,發(fā)現(xiàn)ZnO納米顆粒粒徑為14～25 nm、比表面積為44～56 m2·g-1時,對水基鉆井液中硫化氫的去除效果最佳。Ahasan等[1]將制備的ZnO納米顆粒添加于水基鉆井液中,研究其分別在40 ℃和80 ℃下對水基鉆井液性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),ZnO納米顆粒改善了水基鉆井液的流變性能,當(dāng)其加量為0.1%時,40 ℃下屈服點提高了61.54%;當(dāng)其加量為0.05%時,80 ℃下屈服點提高了60.00%。 此外,還發(fā)現(xiàn),水基鉆井液中添加ZnO納米顆粒對其API(室溫,0.7 MPa)濾失量沒有顯著影響,但泥餅厚度隨著ZnO納米顆粒加量的增加而減小。Dejtaradon等[18]研究了ZnO納米顆粒分別在25 ℃、50 ℃和80 ℃下對水基鉆井液流變性能的影響,結(jié)果表明,添加ZnO納米顆粒后水基鉆井液的流變性能顯著改善,表現(xiàn)為黏度、切力隨著ZnO納米顆粒加量的增加而增大;此外,HTHP(100 ℃,3.5 MPa)過濾實驗顯示,當(dāng)ZnO納米顆粒加量為0.8%時,濾液體積和泥餅厚度分別降低了18.6%和24.6%,展現(xiàn)出一定的降濾失特性。

TiO2納米顆粒具有獨特的磁性、離子性、抗菌性和導(dǎo)電性,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和光電領(lǐng)域[19],但在鉆井液中的研究還處于探索階段。Beg等[20]研究了TiO2納米顆粒對水基鉆井液性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),基礎(chǔ)鉆井液在110 ℃滾動老化16 h后,API濾失量提高了56%,受溫度影響明顯;而添加0.5%TiO2納米顆粒的水基鉆井液在相同條件下的API濾失量僅提高了28%,抗溫降濾失效果明顯;采用掃描電鏡對泥餅進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)TiO2納米顆粒分布在泥餅表面,填充了泥餅多孔結(jié)構(gòu)中的微納米間隙,從而降低了濾失量。Parizad等[21]研究了TiO2納米顆粒對水基鉆井液的流變性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的影響,結(jié)果表明,TiO2納米顆粒表現(xiàn)出一定的增黏特性,并改善了水基鉆井液的剪切稀釋性;此外,添加TiO2納米顆粒的水基鉆井液的導(dǎo)熱率和電導(dǎo)率分別提高了25%、41%,濾失量降低了27%,且頁巖回收率高達(dá)97.2%。

CuO納米顆粒與ZnO納米顆粒的性質(zhì)相似,但在增黏方面更為緩和。Ponmani等[22]研究了CuO納米顆粒對水基鉆井液的流變性能及500 psi、100 ℃下過濾性能的影響,發(fā)現(xiàn)相比于基礎(chǔ)鉆井液,添加CuO納米顆粒的水基鉆井液的流變性能顯著改善;當(dāng)CuO納米顆粒加量為0.8%時,鉆井液HTHP(100 ℃,3.5 MPa)濾失量降低了30.2%,泥餅厚度降低了27.6%,展現(xiàn)出高效濾失控制添加劑的潛力。另外,Singh等[23]研究了CuO納米顆粒對高密度完井液性能的影響,結(jié)果顯示,CuO納米顆?？梢燥@著提高完井液的屈服應(yīng)力和凝膠強度,特別是在高溫下表現(xiàn)出增稠特性,不會出現(xiàn)降解而導(dǎo)致黏度下降的現(xiàn)象,能夠保證完井作業(yè)安全。

ZrO2表面具有顯著的陽離子交換性能,有利于提高原油采收率[24],而在鉆井液中的作用還處于研究階段。Paul等[25]研究發(fā)現(xiàn),將ZrO2納米顆粒添加到水基鉆井液中時,泥餅厚度和濾失量隨著ZrO2納米顆粒加量的增加而降低。Sajjadian等[26]研究發(fā)現(xiàn),在水基鉆井液中添加ZrO2納米顆?？捎行Ц纳扑@井液的流變性能并小幅降低濾失量,當(dāng)ZrO2納米顆粒加量為0.5%時,水基鉆井液塑性黏度提高了75.0%,動切力提高了25.0%,終切力提高了66.7%,API濾失量降低了26.2%,HTHP(176.7 ℃,6.9 MPa)濾失量降低了28.0%。

Al2O3納米顆粒根據(jù)生產(chǎn)工藝不同可獲得α、β、γ、δ、η、θ、κ、χ等11種晶體結(jié)構(gòu),各結(jié)構(gòu)間的功能特性也有所區(qū)別。Hassanzadeh等[27]研究了α-Al2O3納米顆粒、γ-Al2O3納米顆粒對頁巖穩(wěn)定性的影響,其中α-Al2O3納米顆粒硬度更高,比表面積偏小,通常稱為剛玉;而γ-Al2O3納米顆粒質(zhì)地偏軟,多孔性更強,比表面積更大。2種納米材料均通過物理堵孔來阻止水分子進(jìn)入頁巖孔隙,從而實現(xiàn)頁巖穩(wěn)定。通過對回收頁巖樣品進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn),覆蓋在頁巖表面和孔隙中的α-Al2O3納米顆粒平均粒徑為25～35 nm,而覆蓋在頁巖表面和孔隙中的γ-Al2O3納米顆粒平均粒徑為20～30 nm。與γ-Al2O3納米顆粒相比,加入了α-Al2O3納米顆粒的頁巖樣品中殘余的孔隙更多,說明γ-Al2O3納米顆粒的頁巖封堵效果更佳,這與其多孔特征及軟性質(zhì)地有關(guān),吸附和擠壓變形能力更強。

相比于金屬納米材料,金屬氧化物納米材料的研究更深入,在改善鉆井液流變性能、降濾失性能等方面展示出明顯優(yōu)勢。應(yīng)進(jìn)一步挖掘金屬氧化物納米材料的特性,提高其在鉆井液中的適用溫度,為高溫復(fù)雜井用材料提供新選擇。

1.3 非金屬納米材料的應(yīng)用

在鉆井液中應(yīng)用最廣的非金屬納米材料為碳基納米材料,由于其強度較高,主要用于增強復(fù)合材料的結(jié)構(gòu),一般包括2大類：石墨烯和碳納米管[28]。

石墨烯是單層碳原子緊密堆積而成的二維納米材料,分單層和多層石墨烯,其巨大的比表面積可通過類似于瓷磚的連接方式形成薄而堅韌的集成膜,從而改善鉆井液的流變性、乳液穩(wěn)定性、潤滑性以及熱穩(wěn)定性等[29]。Ho等[30]研究了石墨烯納米片對氫化油基鉆井液流變性能的影響,發(fā)現(xiàn)石墨烯納米片可以提高氫化油基鉆井液的黏度;當(dāng)石墨烯納米片加量為25 mg·L-1時,氫化油基鉆井液平均黏度提高了16%;當(dāng)其加量增至100 mg·L-1時,平均黏度提高了約50%。經(jīng)化學(xué)改性后的氧化石墨烯在水中具有一定的分散性,可應(yīng)用于水基鉆井液。Kosynkin等[31]研究表明,氧化石墨烯改善了水基鉆井液的降濾失性能,當(dāng)氧化石墨烯加量為4 g·L-1時,鉆井液的濾失量僅6.1 mL,泥餅厚度僅20 μm;而添加12 g·L-1低黏聚陰離子纖維素的鉆井液濾失量為7.2 mL,泥餅厚度達(dá)280 μm,說明氧化石墨烯比傳統(tǒng)降濾失劑具有更優(yōu)的降濾失性和改善泥餅質(zhì)量的效果。為增強材料的功能特性,Lv等[32]采用烷基胺對氧化石墨烯進(jìn)行接枝改性制備了烷基胺改性氧化石墨烯(JAGO),并評價了其對頁巖的抑制效果,結(jié)果表明,JAGO加量僅0.2%時,頁巖回收率和頁巖防膨率可分別達(dá)到75.2%、75.1%;因JAGO具備納米粒徑及封堵納米孔隙的能力,濾失量降低率達(dá)73.1%。說明JAGO在抑制頁巖分散和膨脹以及封堵頁巖微孔喉方面具有一定潛力。

碳納米管是由卷起的單層碳原子片組成的圓柱形分子,分為單壁碳納米管和多壁碳納米管,因其出色的流變性、機械性和熱穩(wěn)定性,可用作水基鉆井液中的封堵劑[33]。Al-Ruqeishi等[34]研究了碳納米管對水基鉆井液性能的影響,發(fā)現(xiàn)碳納米管可以有效延長鉆井液均勻保持時間,延緩固相沉降,提高沉降穩(wěn)定性;當(dāng)碳納米管加量為1.67 g·L-1時,鉆井液濾失量降低了14%,黏度提高了18%;當(dāng)其加量增至3.33 g·L-1時,鉆井液濾失量降低了30.8%,說明碳納米管在一定程度上改善了鉆井液性能。Passade-Boupat等[35]在高溫條件下評估了碳納米管對鉆井液熱穩(wěn)定性的影響,發(fā)現(xiàn)添加碳納米管的鉆井液熱穩(wěn)定性高達(dá)325 ℃以上。Abduo等[36]研究了多壁碳納米管在高溫高壓條件下對水基鉆井液性能的影響,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)水基鉆井液相比,添加多壁碳納米管的鉆井液的熱穩(wěn)定性高達(dá)260 ℃。陳力力等[37]制備了一種氨基改性多壁碳納米管,并通過泥餅濾失和巖心濾失實驗評價了其對鉆井液封堵性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著氨基改性多壁碳納米管加量的增加,鉆井液的封堵率逐漸升高,當(dāng)其加量為3%時,人造泥餅、人造巖心的封堵率分別達(dá)到77.70%和79.41%,而相同條件下的微米級超細(xì)碳酸鈣的封堵率僅分別為45.28%和61.76%。分析發(fā)現(xiàn),納米級的氨基改性多壁碳納米管的主體能夠進(jìn)入介質(zhì)的納米微孔隙,從而形成架橋封堵,而其中的氨基則吸附于孔隙兩翼起到阻止濾液侵入的作用。

碳基納米材料在改善鉆井液熱穩(wěn)定性方面優(yōu)勢明顯,但由于其本身的疏水特性,應(yīng)用于水基鉆井液中時需進(jìn)行親水改性,而改性工藝是決定其在水基鉆井液中分散性和抗溫性的關(guān)鍵。

1.4 非金屬氧化物納米材料的應(yīng)用

非金屬氧化物納米材料以納米二氧化硅為主,俗稱白炭黑,可以輔助提高其它材料的耐溫性和機械強度等性能,廣泛應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域[38]。由于納米二氧化硅表面富含大量活性羥基基團,在表面效應(yīng)作用下容易團聚影響其功效,用作鉆井液添加劑時通常需進(jìn)行化學(xué)修飾以適應(yīng)環(huán)境需求[39]。An等[40]和Ma等[41]以親水改性納米二氧化硅作為鉆井液降濾失劑,發(fā)現(xiàn)改性納米二氧化硅有助于堵塞頁巖的納米孔隙并減少水分的損失。Li等[42]研究了疏水改性二氧化硅納米顆粒(HMN)對新疆油田水基鉆井液性能的影響機理,發(fā)現(xiàn)HMN主要通過靜電吸附使頁巖表面發(fā)生潤濕反轉(zhuǎn),從而阻止水進(jìn)入頁巖孔隙,進(jìn)而提升水基鉆井液抑制頁巖水化膨脹和分散的性能。田曉等[43]研究了不同官能團(氨基、雙鍵和環(huán)氧基)改性的納米二氧化硅對鉆井液用商業(yè)降濾失劑性能的影響,結(jié)果表明,含有雙鍵的納米二氧化硅與低黏羧甲基纖維素按質(zhì)量比2∶1復(fù)配后,其降濾失性能較單一低黏羧甲基纖維素提高了41%;而與腐殖酸鉀按質(zhì)量比1∶1復(fù)配后,降濾失性能提高了29%,說明改性納米二氧化硅在輔助提升其它材料性能方面具有較好的應(yīng)用前景。

納米二氧化硅具備原料獲取簡單、制備工藝成熟、成本低、表面性質(zhì)活潑等特性,適用于規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用,符合鉆井液添加劑對原料成本控制和多功能要求。但對于納米二氧化硅的粒徑選擇及修飾改性劑種類的篩選還需進(jìn)一步研究,以期在鉆井液領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用效果。

1.5 其它無機納米材料的應(yīng)用

除金屬納米材料和金屬氧化物納米材料外,還有一類由這2種納米材料組合而成的無機納米材料,用于鉆井液的主要是粘土、坡縷石、石灰石、凹凸棒土、海泡石等,其中粘土使用最為廣泛。粘土因具有很強的吸水膨脹性能,常作為水基鉆井液筑構(gòu)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)材料。傳統(tǒng)粘土顆粒的粒徑通常在40 μm左右,而通過調(diào)整粘土粒徑至納米級得到的納米粘土具有更優(yōu)秀的性能。Cheraghian[44]研究了不同粒徑(1 nm、50 nm、500 nm)和不同加量(0.1%、1%)的納米粘土對水基鉆井液性能的影響,發(fā)現(xiàn)不同粒徑、不同加量的納米粘土均能增大鉆井液黏度、降低鉆井液濾失量及泥餅厚度;其中,粒徑1 nm的納米粘土具有更優(yōu)的增黏和降濾失特性,且其加量越多,效果越好。Khan等[45]制備了一種加有納米粘土的鉆井液,并研究了該鉆井液的對流傳熱現(xiàn)象,實驗發(fā)現(xiàn),添加納米粘土后鉆井液的導(dǎo)熱系數(shù)、黏度和沸點均有所提高,這為提高鉆井液的抗溫性能奠定了基礎(chǔ)。Jo等[46]采用均質(zhì)機工藝制備了納米粘土,該工藝無需24 h等待期,有利于在短時間內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)納米粘土;此外,3%納米粘土與5%普通粘土的剪切稀化性能相同,制備相同流變性能的粘土基漿所需的粘土量可以減少40%。

粘土對于膨潤土基鉆井液至關(guān)重要,納米粒徑的粘土在改善鉆井液流變性能、提高泥餅質(zhì)量、降低濾失量方面效果顯著,但其與傳統(tǒng)鉆井液添加劑之間的配伍性還需進(jìn)一步研究,可量產(chǎn)且成本可控的納米粘土具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 有機納米材料在鉆井液中的應(yīng)用

研究人員基于聚合物開發(fā)了大量的鉆井液用有機納米材料,主要包括天然聚合物納米材料和合成聚合物納米材料。

天然聚合物納米材料通常采用物理法(如超聲法、沉降法和機械粉碎法等)直接制備,或先采用化學(xué)法(酸處理、生物酶處理和氧化處理等)預(yù)處理,再通過物理法獲得,具有天然聚合物的無毒和可生物降解特性,適用于環(huán)保型鉆井液。馬鵬等[47]結(jié)合超聲法和沉降法制備了粒徑分布為10～100 nm的納米淀粉,并評價了其對鉆井液性能的影響,結(jié)果表明,隨著納米淀粉加量的增加,鉆井液的黏度和動切力增大,濾失量降低。瞿琳等[48]以天然木薯淀粉為原料,通過機械粉碎技術(shù)制備了一種天然納米降濾失劑,并評價了其對水基鉆井液降濾失性能和流變性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),天然納米降濾失劑可顯著提高水基鉆井液的黏度,并降低鉆井液的濾失量,且粒徑越小效果越明顯;其中,粒徑為920 nm的木薯淀粉加量為2.5%時,水基鉆井液的濾失量降低了64.2%,泥餅厚度降低了80.9%,濾失控制及泥餅質(zhì)量改善效果顯著。此外,Hall等[49]提到了一種纖維素納米纖維(CNF)和一種纖維素納米晶體(CNC),與傳統(tǒng)的散裝纖維素相比,CNF和CNC具有高度有序的結(jié)構(gòu),能提供更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性;且CNF和CNC的表面含有大量羥基,在水中具有更好的分散性,在相對較低的濃度下即可產(chǎn)生具有剪切稀化流變性和觸變性的流體[50]。

合成聚合物納米材料通常采用單體聚合方式獲得,在生物降解性方面表現(xiàn)一般,但具有較高的耐溫性能。Elochukwu等[51]研究了粒徑為25 nm的納米聚苯乙烯對水基鉆井液性能的影響,發(fā)現(xiàn)納米聚苯乙烯加量僅0.01%時,鉆井液10 min凝膠強度提高了87.5%,API濾失量降低了29.0%,HTHP(150 ℃,3.5 MPa)濾失量降低了44.4%,表現(xiàn)出良好的流變控制和濾失控制特性。An等[52]合成了一種柔性納米聚合物,其中52.7%的顆粒粒徑為2.857 nm,12.1%的顆粒粒徑為18.810 nm,35.1%的顆粒粒徑為331.900 nm;其聚合物分子通過氫鍵和離子鍵連接,具有強吸附作用,通過顆粒匹配進(jìn)入到頁巖微孔隙后能吸附于孔隙兩翼,起到高效封堵作用。An等[53]以丙烯酰胺(AM)、2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸(AMPS)、N-乙烯基-吡咯烷酮(NVP)為原料,采用水溶液自由基聚合法合成了納米三元共聚物,并研究了其在水基鉆井液中的濾失控制性能,結(jié)果顯示,納米三元共聚物處理后天然巖石的比表面積減小,表明三元共聚物通過吸附和粒徑匹配進(jìn)入到頁巖的納米孔中;且膜效率測試結(jié)果發(fā)現(xiàn),添加三元共聚物后,頁巖滲透率顯著降低。

合成聚合物納米材料在有機聚合物納米材料中占據(jù)主導(dǎo)地位,可依據(jù)單體性質(zhì)的不同設(shè)計合成路線,獲得特定功能,與鉆井液對多功能的需求高度匹配。但相比于無機納米材料,有機聚合物納米材料的抗溫性能還有較大提升空間,這也是未來需要進(jìn)一步研究的方向。

3 有機/無機復(fù)合納米材料在鉆井液中的應(yīng)用

有機/無機復(fù)合納米材料將有機納米材料與無機納米材料相結(jié)合,兼具有機材料的柔性及無機材料的剛性特點,使有機/無機復(fù)合納米材料具有更多的可能性,是未來新型鉆井液領(lǐng)域的重點研究方向之一。

Mohamadian等[54]制備了一種聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)/粘土復(fù)合納米材料,并評價了其對鉆井液性能的影響,結(jié)果表明,該復(fù)合納米材料具有明顯的降濾失作用,使膨潤土基流體、聚合物基流體、納米粘土基流體的濾失量分別降低了50%、65%、22%。Aftab等[55]制備了一種ZnO-丙烯酰胺復(fù)合納米材料,并評價了其對傳統(tǒng)水基鉆井液流變性能和頁巖抑制性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在65.6 ℃下,鉆井液10 min凝膠強度、表觀黏度和塑性黏度等流變性能略有提高;此外,該條件下潤滑性能提高了25%,API濾失量降低了14%,頁巖膨脹率降低了43.8%,傳統(tǒng)水基鉆井液各方面性能均有所改善。Mao等[56]以丙烯酰胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙烷磺酸、馬來酸酐和苯乙烯為原料,采用逆微乳液聚合法制備了一種新型核殼結(jié)構(gòu)的疏水伴生聚合物基納米SiO2復(fù)合材料P(AM-NaAMPS-MA-b-St),該復(fù)合材料粒徑范圍為280～320 nm,具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、流變性和潤滑性等性能;能有效堵塞地層,顯著提高地層承壓能力。這主要是由于,該復(fù)合材料含有的高度支化結(jié)構(gòu)的聚合物基體提供了較大的空間位阻,并利用微交聯(lián)結(jié)構(gòu)將納米SiO2的剛性和熱穩(wěn)定性與聚合物的疏水特性結(jié)合在一起;同時微納米顆粒的熵比熱貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于常規(guī)鉆井液添加劑,可以吸收更多的熱量,以提高鉆井液體系的抗溫性能;此外,該復(fù)合材料表面的Si-OH通過縮聚反應(yīng)與粘土表面的Si-OH反應(yīng)形成強烈的化學(xué)吸附,導(dǎo)致高溫高壓下水化膜增稠,水化膜排斥力增大,從而有效防止了高溫高壓下粘土顆粒之間的絮凝,使顆粒在鉆井液中保持合理的分布,進(jìn)而形成薄而致密的泥餅。Saleh等[57]測試了疏水性較低的丙烯酸-丙烯酰胺-活性炭-戊酯(AA-AAm-C-戊基)和疏水性較強的丙烯酸-丙烯酰胺-十八烯-活性炭-戊酯(AA-AAm-OD-C-戊基)復(fù)合材料的頁巖抑制性,并與KCl進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,AA-AAm-C-戊基和AA-AAm-OD-C-戊基復(fù)合材料能有效穩(wěn)定井筒,抗膨脹率分別為95.2%和93.7%,頁巖回收率分別為97.0%和95.2%。主要抑制機理為：碳芯納米孔堵塞和材料的高分子組分通過包封和氫鍵在粘土表面的強吸附作用,形成了致密而有韌性的濾餅,從而阻止水侵。Sadeghalvaad等[58]合成了一種TiO2-聚丙烯酰胺復(fù)合納米材料(TiO2/PAM),并評價了其在水基鉆井液中的作用效果,發(fā)現(xiàn)該復(fù)合納米材料能有效降低鉆井液濾失量,并改善泥餅質(zhì)量、降低泥餅厚度。Huang等[59]研究了引入SiO2-丙烯酸樹脂核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米材料(SiO2/AR)對水基鉆井液濾失特性和熱穩(wěn)定性能的影響,結(jié)果表明,該復(fù)合納米材料的熱分解溫度達(dá)250 ℃,其可變形殼體保證了良好的頁巖吸附性能,同時其剛性核心起支撐作用,能有效提高頁巖微孔隙封堵效率,改善泥餅質(zhì)量,減少濾液侵入地層,從而提高井筒穩(wěn)定性。Xu等[60]制備了一種SiO2-聚乙二醇復(fù)合納米材料(SiO2/PEG),并評價了其在水基鉆井液中的作用效果,結(jié)果顯示,該復(fù)合納米材料可作為水基鉆井液用頁巖穩(wěn)定劑,起到抑制頁巖膨脹的作用;此外,還可用作封堵劑來封堵頁巖微孔隙和微裂縫。

4 展望

分別從無機納米材料、有機納米材料以及有機/無機復(fù)合納米材料等3方面介紹了納米材料在鉆井液中的應(yīng)用研究進(jìn)展?？偨Y(jié)如下：

(1)無機納米材料以納米金屬氧化物、納米二氧化硅和納米碳基材料研究最為廣泛,除具備納米材料自身屬性所帶來的功能特性外,還具備輔助提升鉆井液其它類型材料的能力;但無機納米材料改性修飾空間有限,實現(xiàn)特定多功能屬性的難度較大。

(2)有機納米材料則以合成聚合物納米材料為主,其比天然聚合物納米材料具有更高的熱穩(wěn)定性,可根據(jù)功能需求設(shè)計合成路線,但其抗溫性能與無機納米材料相比還有較大的提升空間。

(3)兼具有機材料及無機材料特性的有機/無機復(fù)合納米材料是未來鉆井液添加劑的研究方向。這類材料在功能屬性方面更全面,如強度、吸附性、分散性等,更適合新型鉆井液對材料功能多元化的需求。但相比于單一納米材料,復(fù)合納米材料的制備工藝更復(fù)雜,成本更高,這也限制了其進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

未來還需加強對納米材料生產(chǎn)工藝方面的研究,在保證其性能的前提下簡化工藝流程,降低成本,推動石油和天然氣開發(fā)技術(shù)向前發(fā)展,進(jìn)而為我國能源安全保障添一份力量。