納米二氧化硅對微泡沫鉆井液體系的影響

張兵

摘 要：【目的】微泡沫鉆井液是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。在復(fù)雜的地層環(huán)境中，鉆井液的穩(wěn)定性會(huì)下降，導(dǎo)致微泡沫鉆井液的使用范圍受到限制。為了穩(wěn)定微泡沫鉆井液，通常使用穩(wěn)泡劑來增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性。隨著對納米顆粒研究的深入，發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅顆粒具有穩(wěn)定泡沫的作用。本研究通過試驗(yàn)來對納米二氧化硅顆粒進(jìn)行研究。【方法】首先，以泡沫半衰期和發(fā)泡量為指標(biāo)來驗(yàn)證納米二氧化硅對泡沫穩(wěn)定性的影響。其次，將納米二氧化硅添加到微泡沫鉆井液中，用來研究納米二氧化硅對微泡沫鉆井液性能的影響?！窘Y(jié)果】由試驗(yàn)結(jié)果可知，納米二氧化硅能極大增強(qiáng)微泡沫的穩(wěn)定性，與未添加納米二氧化硅的表面活性劑溶液相比，添加納米二氧化硅后的半衰期增加60 min。在微泡沫鉆井液中加入納米二氧化硅后，鉆井液的穩(wěn)定性增加、流變性良好、黏度增加、失水降低。【結(jié)論】納米二氧化硅在增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性上具有顯著作用，將其應(yīng)用到微泡沫鉆井液中，能有效提高鉆井液的穩(wěn)定性，降低鉆井液的失水量，從而發(fā)揮出鉆井液的良好性能。未來可以使用納米二氧化硅來代替鉆井液材料，能有效降低鉆井液成本。

關(guān)鍵詞：微泡沫鉆井液；納米二氧化硅；穩(wěn)定性；流變性

中圖分類號(hào)：O613.72；O647.2；TE357 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1003-5168（2024）03-0073-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.015

Effect of Nanosilica on Microfoam Drilling Fluid Systems

ZHANG Bing

（China Oilfield Services Limited，Shanghai Branch， Shanghai 200335，China）

Abstract： [Purposes] Micro-foam drilling fluid is a thermodynamically unstable system. In the complex formation environment， the stability of drilling fluid will decrease， resulting in the limited use of micro-foam drilling fluid. In order to stabilize the micro-foam drilling fluid， foam stabilizers are usually used to enhance the stability of the foam. With the in-depth study of nanoparticles， it has been found that nano-silica particles have the effect of stabilizing foam. In this study， nano-silica particles were studied by experiments. [Methods] Firstly， the effect of nano-silica on foam stability was verified by foam half-life and foaming amount. Secondly， nano-silica was added to micro-foam drilling fluid to study the effect of nano-silica on the performance of micro-foam drilling fluid. [Findings] The results showed that nano-silica could greatly enhance the stability of micro-foam. Compared with the surfactant solution without nano-silica， the half-life of nano-silica increased by 60 min. After adding nano-silica to the micro-foam drilling fluid， the stability of the drilling fluid increases， the rheology is good， the viscosity increases， and the water loss decreases.[Conclusions] Nano-silica has a significant effect on enhancing foam stability， so applying it to micro-foam drilling fluid can effectively improve the stability of high drilling fluid and reduce the water loss of drilling fluid， thus exerting the good performance of drilling fluid. In the future， nano-silica can be used instead of drilling fluid materials， which can effectively reduce the cost of drilling fluid.

Keywords： micro-foam drilling fluids; nano-silica; stability; rheology

0 引言

微泡沫鉆井液主要應(yīng)用于壓力系數(shù)小于1的低壓易漏地層中。相較于常規(guī)的水基鉆井液，微泡沫鉆井液具有密度低、可循環(huán)使用、成本低、配制簡單等優(yōu)點(diǎn)［1］。目前，微泡沫鉆井液技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于鉆井項(xiàng)目中，在實(shí)際應(yīng)用過程中具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)、提高機(jī)械轉(zhuǎn)速、增強(qiáng)攜巖攜水能力等優(yōu)勢，可以有效減少壓差卡鉆等事故的發(fā)生［2］。然而，微泡沫屬熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，在高溫、高壓、高鹽的地層環(huán)境中，泡沫穩(wěn)定性會(huì)急劇下降，而傳統(tǒng)的穩(wěn)泡劑不能滿足微泡沫鉆井液的使用需求，嚴(yán)重阻礙了微泡沫鉆井技術(shù)的發(fā)展［3］。學(xué)者們對如何提高泡沫穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并提出通過添加固體顆粒來解決這一問題［4-5］。Vatanparast等［6］研究了存在親水納米二氧化硅時(shí)的陰離子表面活性劑的界面行為，研究發(fā)現(xiàn)即便存在表面活性劑，納米顆粒仍保持其非表面活性，表面活性劑的表面活性會(huì)隨納米顆粒濃度的增加而增加，但這歸因于帶負(fù)電荷的納米粒子與陰離子表面活性劑分子之間的靜電排斥作用。本研究將具有綠色環(huán)保的納米二氧化硅顆粒作為一種特殊的穩(wěn)泡劑，并將其使用在微泡沫鉆井液中［7］，通過對納米顆粒與表面活性劑的協(xié)同性進(jìn)行研究，從而分析納米二氧化硅與表面活性劑的作用機(jī)理及納米二氧化硅對微泡沫鉆井液穩(wěn)定性、濾失性、流變性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用到的試驗(yàn)材料具體情況如下：α-烯基磺酸鈉（AOS，上海阿拉丁試劑公司）、親水性納米SiO2（上海麥克林生化科技有限公司）、黃原膠XC（上海麥克林生化科技有限公司）、親水納米SiO2（上海麥克林生化科技有限公司）、鈉基膨潤土（荊州嘉華科技有限公司）。

1.2 試驗(yàn)儀器

本研究所用到的試驗(yàn)儀器具體情況如下：電子天平（METTLER-TOLEDO ME104E）、高速攪拌器（中國青島同春石油儀器有限公司）、量筒（長征化學(xué)玻璃儀器）、超聲波粉碎儀（LAWSONSCIENTIFIC）、水浴加熱鍋（常州國宇優(yōu)器制造有限公司）、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)（ZNN-D6）、滾子加熱爐（OFITE）、變頻高速攪拌器（HAITONGDA）、中壓濾失儀（青島海通達(dá)）、超聲波粉碎儀（LAWSON SCIENTIFIC）、光學(xué)顯微鏡（永新光學(xué)股份有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 基液制備。稱取一定質(zhì)量的二氧化硅顆粒，先將二氧化硅顆粒放入磁力攪拌器中攪拌30 min，再將納米顆粒溶液放入超聲波粉碎儀中分散處理5 h，配制出的納米顆粒濃度為9%。根據(jù)需要用清水對納米顆粒進(jìn)行稀釋，并加入一定量的黃原膠穩(wěn)泡劑和發(fā)泡劑，最終配制成鉆井液基液。使用攪拌（Waring-Blender）法對泡沫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，用量筒稱取100 ml配制好的泡沫基液，倒入高速攪拌杯中，并將其放到高速攪拌器上以8 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 min，然后立即將泡沫倒入到量筒中并計(jì)時(shí)。泡沫的起泡體積為基液的發(fā)泡量，量筒中泡沫隨時(shí)間變化而析出的液體為總基液一半時(shí)所用的時(shí)間為該泡沫基液的半衰期，利用泡沫的半衰期來評(píng)價(jià)該泡沫的穩(wěn)定性。

1.3.2 微泡沫鉆井液濾失性能評(píng)價(jià)。分別配制常溫、80 ℃、100 ℃的未加入納米二氧化硅及不同濃度（濃度分別為1%、2%、3%、4%）納米二氧化硅顆粒的微泡沫鉆井液，將配制好的鉆井液倒入中壓濾失儀中，靜置30 min后觀察不同鉆井液的失水量，并評(píng)價(jià)不同濃度的納米二氧化硅顆粒對微泡沫鉆井液產(chǎn)生的影響及高溫環(huán)境下納米二氧化硅顆粒對微泡沫鉆井液產(chǎn)生的影響。

1.3.3 微泡沫鉆井液流變性能評(píng)價(jià)。利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)來測試未添加納米二氧化硅顆粒與添加納米二氧化硅顆粒的微泡沫鉆井液溶液的流變性，并評(píng)價(jià)納米二氧化硅顆粒對微泡沫鉆井液流變性產(chǎn)生的影響。

2 納米二氧化硅對微泡沫的作用機(jī)理

為了研究納米二氧化硅顆粒對泡沫的作用機(jī)理，需要先分析影響泡沫破裂的因素，包括重力因素（在重力作用下，泡沫中的液相會(huì)逐漸向下移動(dòng)，從而形成氣相在上、液相在下，氣泡的表層會(huì)逐漸變薄，最終導(dǎo)致泡沫破裂）、氣泡合并（在壓力作用下，導(dǎo)致小氣泡不斷被大氣泡聚并，使大氣泡越來越大，最終導(dǎo)致破裂）、泡沫歧化（小氣泡中的氣壓高于大氣泡中的氣壓，導(dǎo)致小氣泡中的氣體擴(kuò)散到大氣泡中，從而使泡沫發(fā)生破裂［8-9］）等因素。

微泡沫含有高粘雙層膜，內(nèi)層含有表面活性劑，內(nèi)層的疏水末端指向核心，內(nèi)層的親水末端位于外殼內(nèi)；外層具有表面活性劑，外層的親水末端指向外殼，外層的疏水末端位于基液中。加入納米顆粒后的微泡沫結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。在加入納米二氧化硅顆粒后，納米二氧化硅粒子被吸附于泡沫液膜的外層，導(dǎo)致泡沫的黏度增加，減緩了泡沫生成，并在重力作用下，導(dǎo)致排液速度減緩。同時(shí)，也延遲了泡沫的聚并和歧化，從而增加了泡沫的穩(wěn)定性［10］。

3 納米二氧化硅對微泡沫鉆井液性能的影響

3.1 納米二氧化硅對微泡沫鉆井液穩(wěn)定性的影響

在微泡沫鉆井液中，泡沫的穩(wěn)定性會(huì)影響到鉆井液整體的穩(wěn)定性，納米二氧化硅自身具有吸附性，使其吸附到氣泡的氣液界面上，從而增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性。然而，納米二氧化硅的加量會(huì)對泡沫的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定影響。為了研究納米二氧化硅能否增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性及納米二氧化硅加量對泡沫穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，需要分別對普通泡沫結(jié)構(gòu)和加入納米二氧化硅的泡沫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。顯微鏡下不同泡沫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

利用磁力攪拌器將納米二氧化硅顆粒進(jìn)行分散，將0.5%的陰離子表面活性劑AOS、0.3%的XC加入不同濃度的納米二氧化硅溶液中，使用高速攪拌器將溶液在8 000 r/min轉(zhuǎn)速下攪拌2 min，記錄溶液的發(fā)泡體積和泡沫半衰期。納米二氧化硅加量對發(fā)泡劑發(fā)泡性能的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著納米二氧化硅濃度的增加，起泡劑的半衰期也逐漸增加。當(dāng)納米二氧化硅濃度為3%時(shí)，泡沫半衰期為450 min，比未添加納米二氧化硅顆粒的泡沫半衰期增加了60 min，這充分說明納米二氧化硅能明顯增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性。從起泡體積來看，隨著納米二氧化硅濃度的增加，泡沫體積呈先上升后下降的趨勢。這是因?yàn)榧{米二氧化硅加量較少時(shí)，未對微泡沫產(chǎn)生較大的影響，而隨著納米顆粒增加，其對表面活性劑的吸附能力也越來越強(qiáng)［12］，這體現(xiàn)在逐漸上升的泡沫半衰期上。隨著納米二氧化硅顆粒加量繼續(xù)上升，表面活性劑被納米顆粒吸附得更強(qiáng)，導(dǎo)致基液表面活性劑分子減少，使泡沫的發(fā)泡體積降低。由此可知，納米二氧化硅具有增強(qiáng)泡沫穩(wěn)定性的能力，同時(shí)，納米二氧化硅的加量也會(huì)影響泡沫的發(fā)泡性能，納米二氧化硅加量過多，會(huì)導(dǎo)致大量表面活性劑被吸附，從而降低發(fā)泡量，不能滿足正常的起泡量要求。

3.2 納米二氧化硅對微泡沫鉆井液流變性的影響

對加入納米二氧化硅顆粒的微泡沫鉆井液和未添加納米二氧化硅顆粒的微泡沫鉆井液在80 ℃下熱滾16 h，并測試鉆井液的流變性。對二者的流變性進(jìn)行對比，納米二氧化硅對微泡沫鉆井液流變性的影響見表1。該試驗(yàn)所用的微泡沫鉆井液配方為3%膨潤土漿+0.3%XC+0.5%CMC-LV+0.3%納米二氧化硅。

由表1可知，在加入納米二氧化硅后，鉆井液的黏度出現(xiàn)小幅度上升，這是因?yàn)榧{米顆粒吸附于泡沫的液膜上，使泡沫的黏度上升；鉆井液密度出現(xiàn)小幅度上升，但總體上微泡沫鉆井液仍具有良好的流變性。

3.3 納米二氧化硅對微泡沫鉆井液濾失性的影響

鉆井過程中，在壓差作用下，鉆井液濾液會(huì)不可避免地向地層滲入，導(dǎo)致井壁失穩(wěn)、儲(chǔ)層損害等問題。將納米二氧化硅顆粒加入到微泡沫鉆井液中，納米二氧化硅對微泡沫鉆井液的影響及高溫下納米二氧化硅對鉆井液失水的影響情況如圖4、圖5所示。

由圖4可知，隨著納米二氧化硅顆粒加量的增加，微泡沫鉆井液失水呈下降趨勢，出現(xiàn)這種情況的原因有兩個(gè)，一是納米二氧化硅顆粒的吸附作用會(huì)導(dǎo)致泡沫的液膜增厚，從而使泡沫的穩(wěn)定性增強(qiáng)；二是納米二氧化硅顆粒能增強(qiáng)泡沫的黏度，從而使鉆井液失水降低［13］。由圖5可知，在高溫下，納米顆粒加量為4%的納米二氧化硅對微泡沫鉆井液具有良好的穩(wěn)定和降濾失效果，此時(shí)鉆井液失水變化幅度較小。

4 結(jié)論

①納米二氧化硅顆粒能明顯增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性，當(dāng)納米顆粒加量為3%時(shí)，該基液的泡沫半衰期為450 min。但加量過多會(huì)導(dǎo)致基液中的表面活性劑分子減少，從而降低基液的發(fā)泡量。

②加入3%的納米二氧化硅后，鉆井液在高溫老化后的黏度上升，但其仍具有良好的流變性，這說明在合適的加量下，納米二氧化硅不會(huì)影響微泡沫鉆井液的流變性能。

③納米二氧化硅顆粒對微泡沫鉆井液具有一定的降濾失效果，這是因?yàn)榧{米顆粒的加入會(huì)增加泡沫的黏度，從而降低鉆井液的失水。由于泡沫屬熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，即在高溫下微泡沫體系呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。通過老化（100 ℃）試驗(yàn)證明，加入納米二氧化硅能有效增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性，使鉆井液失水降低。

總的來說，鉆井液中納米材料的使用可為鉆井作業(yè)各個(gè)方面帶來經(jīng)濟(jì)效益，通過納米顆粒來代替一些昂貴的鉆井液添加劑，可降低鉆井液的生產(chǎn)成本。

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