纳米钻井液技术现状

王宝堂

(中国石化西南石油工程有限公司井下作业分公司，四川德阳618000)



纳米钻井液技术现状

王宝堂

(中国石化西南石油工程有限公司井下作业分公司，四川德阳618000)

纳米技术是最近发展起来的前沿新兴科学技术，将纳米技术与钻井液技术结合，利用纳米材料的独特功能，能起到降低摩阻、增强滤饼质量、协助成膜等作用。针对国内外对纳米钻井液的研究做深入调研，总结当今纳米钻井液类型及各种纳米钻井液的应用。结果表明，纳米钻井液外加材料主要包括各种处理剂及纳米碳酸钙(CaCO3)，纳米级硅酸盐等。国内目前研究的纳米钻井液主要为纳米胶乳液，包括PMMA纳米胶乳钻井液、SLNR纳米乳液、纳米钻井液GY-2。国外纳米钻井液研究与应用集中在纳米基堵漏钻井液、提高钻井液对页岩和裂缝的封堵能力等方面。提高纳米钻井液密度、抗温能力及分散能力，纳米重晶石的研究及改性，以纳米钻井液为依托形成页岩气钻井具有普适性的水基钻井液是未来纳米钻井液的几大方向。

纳米技术；钻井液；纳米处理剂；降低摩阻；滤饼质量

1 纳米技术与纳米材料

1.1 纳米技术

纳米技术是最近发展起来的新兴科学技术，纳米技术与信息技术、生物技术一起并列为当代三大技术。将纳米技术与钻井液技术结合，利用纳米材料的独特功能，能起到降低摩阻、增强滤饼质量、协助成膜、封堵微小孔隙等作用，必将对钻井液技术的发展起到革命性的推动作用。国内外学者已经开始了有益的探索，开展了尝试性的应用技术研究，且研究多集中在钻井液纳米处理剂的研发和应用中。这标志着纳米技术已经开始向钻井液领域渗透，具有非常重要的意义[1]。

1.2 纳米材料常用表征方法

纳米材料的化学结构及组成是决定其性能的主要因素，从原子尺度和纳米尺度对纳米材料进行表征是非常重要的。纳米材料的测试包括以下几个方面：纳米材料的化学成分、纳米材料的物理指标(粒度大小、粒度分布、粒子形状、材料形貌、晶体结构等)、纳米粒子表面分析等，这些分析的结构也称为纳米材料的表征(表1)。

表1 纳米材料表征方法分类表[2]

2 纳米钻井液外加材料研究现状

纳米钻井液的外加材料很多，如各种处理剂、纳米碳酸钙(CaCO3)、纳米级硅酸盐等，其在钻井液中所起的作用和机理各不相同。

2.1 纳米碳酸钙

纳米碳酸钙是指尺寸在纳米数量级的碳酸钙，从晶型上可分为纺锤体、针形、球形、立方形、链状等，是于20世纪80年代发展起来的一种新型超细固体无机化工材料。由于纳米碳酸钙粒子的超细化，其晶体结构和表面电子结构发生了变化，产生了普通碳酸钙所不具有的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，在磁性、催化剂、光热阻和熔点等方面具有比常规材料更优越的性能[3]。纳米碳酸钙的表面改性方法有局部化学反应改性、表面包覆改性、胶囊化改性、高能表面改性及机械化学改性等[4]。纳米碳酸钙用于钻井液中可起到封堵孔隙，提高滤饼质量的作用。

2.2 纳米重晶石

天然重晶石是一种重要的硫酸盐类含钡化合物，具有密度大、硬度低、性脆等特点，且化学性质稳定、无磁性、无毒性，能吸收X射线和γ射线[5]。

实验采用两步法制备纳米重晶石粉体：第一步，将纳米重晶石粉体、水、分散剂按一定比例混合在高速分散机上分散30min，制成浓缩浆液；第二步，在桶内壁为合金材料并带有夹套冷却装置的研磨机中加入水和球磨珠，预热约10min后加入微米级浓缩浆进行研磨处理，研磨一定时间后把产品过滤、洗涤和干燥[6]。实验发现纳米重晶石表面电性为正，当体系pH值增加时表面电荷降低，粒度变大时zeta电位下降。

3 国内外纳米钻井液研究与应用

纳米材料具有良好的物理、化学特性，应用到钻井液中对钻井液的流变性、造壁性和保护油气层都有很明显的提升。

3.1 国内纳米钻井液研究与应用

国内目前研究的纳米钻井液主要为纳米胶乳液，其润滑性和流变性都较好，现场应用具有良好效果。

3.1.1 PMMA纳米胶乳钻井液

纳米胶乳一般指粒子尺寸在几纳米到1μm范围内、由合成聚合物和天然高分子构成的亚微米级的胶体体系，或点阵、微点阵体系[7]。实验发现其有较强的抑制性，原因是纳米胶乳呈电中性或正电性，当其和黏土接触时，阳离子表面活性剂起活性作用的阳离子和非离子表面活性剂的亲水基团均可吸附在黏土表面，可以中和黏土表面负电荷并排斥具有较厚水化膜的层间阳离子，而且这种吸附可以使黏土表面润湿性发生改变，有时甚至转换为亲油表面[8]。

3.1.2 SLNR纳米乳液

SLNR纳米乳液是中国石化胜利石油管理局钻井泥浆公司与山东大学胶体化学研究所联合研制出的钻井液新型处理剂，与普通乳状液相比，其液滴小、分散均匀、稳定性好，与微乳液相比则大大节省了乳化剂的用量，具有很好的实际应用价值。

胜利油田将SLNR纳米乳液应用在高难度大位移水平井中，测得SLNR纳米乳液具有良好的钻井液润滑能力，钻井过程中能降低摩阻和扭矩，确保了大位移井钻井的顺利施工。且其具有良好的抑制黏土矿物水化膨胀和分散的能力，对保持井壁稳定起到了一定的作用。SLNR纳米乳液配合硅钾基防塌剂、BPS 黑色正电胶和聚合物形成的硅聚纳米润滑钻井液满足了胜利油田上部浅地层大位移钻井的需要[9]。

3.1.3 纳米钻井液GY-2

中国石油大学(北京)化工学院将纳米材料表面改性，用适当分散方法制备了悬浮介稳体系GY-2，该纳米复合材料为白色乳状液体，呈正电性[10-11]。实验研究得出，GY-2 纳米钻井液在水中的分散性好，可有效改善钻井液流变性和滤失性，润滑性好，抑制黏土水化膨胀能力强，有利于井壁稳定和油气层保护，可用作水基钻井液处理剂。GY-2 颗粒具有小尺寸及表面与界面效应、用量少、效果好，符合钻井液向低固相或无固相发展的趋势，GY-2纳米钻井液处理剂发展潜力巨大[12]。

3.2 国外纳米钻井液研究与应用

3.2.1 纳米基堵漏钻井液

密苏里科学技术大学和卡尔加里大学联合研究了一种新型LCM钻井液，该钻井液可替代水基或油基钻井液用于低渗透或致密性地层中并保持井眼稳定。纳米颗粒易于进入最小的孔洞和孔喉，对所有组成类型的地层和浅水层都有很好的密封作用。

实验室将纳米石墨、纳米碳酸钙与钻井液相混合来阻止漏失、增强井眼稳定性。实验发现，低浓度的铁基纳米颗粒与高浓度的纳米石墨混合构成的水基钻井液承压能力增加11.5MPa，漏失量减少70%；油基钻井液与高浓度的铁基纳米颗粒和高浓度的纳米石墨混合能提高4MPa的承压能力，漏失量减少36%以上[13]。

另一种纳米基钻井液也是利用纳米颗粒的小尺寸效应和表面效应，用于改进流变性，形成优质滤饼及页岩抑制剂，油基钻井液能很好地控制井壁稳定，敏感性较强的地层使用纳米钻井液具有很好的抑制作用。研究表明，纳米颗粒通过进入较小的孔喉封堵孔隙，防止漏失并形成致密滤饼，创建一个非渗透性的页岩表面，通过加入表面活性剂能有效控制具羟基基团(-OH)的纳米颗粒表面结块[14]。

3.2.2 提高对页岩和裂缝的封堵能力

页岩钻井孔不稳定一直是困扰全世界的难题，确定页岩钻井孔稳定性最重要的因素是裂纹在硬脆页岩中的分布和扩张。避免页岩钻井孔崩塌最常用的方法主要包括增加钻井液滤液的抑制、改善钻井液滤饼的质量、密封在井筒表面附近的孔和裂纹等。一种纳米材料的应用可快速形成密封膜、提高密封饼的强度和降低滤饼的渗透率。

3.2.2.1 滤失性测试

页岩渗透率和孔隙度远低于砂岩，在相同的压差下，页岩的渗滤速度比砂岩速度低很多，而且在页岩段钻井液滤饼更难形成。钻井液泥饼的形成要求孔喉大小和屏蔽/封堵粒子大小相匹配，已开发出一种新型的纳米添加剂，该纳米添加剂可以吸附在黏土颗粒表面形成浓重的水化膜以排除阳离子，还可以减少黏土的膨胀和分散。因为纳米添加剂尺寸小，可以形成一个粗糙并且致密的滤饼，显著降低钻井液损失和保持井眼稳定。实验室通过一系列对比实验来比较分析纳米材料加入后对钻井液各方面性能的影响。

将纳米添加剂混合到基础钻井液中，评价其对流变性和滤失性的影响。3%的纳米添加剂混合到基础钻井液中的测试数据见表2。

表2 流变性和滤失性测试结果表

实验结果表明，添加碳酸钙和纳米添加剂都能有效降低钻井液的过滤速度，但是纳米添加剂的效果更加明显，这是因为纳米添加剂更容易在井孔壁上形成一层抗侵蚀较强的不透膜[15]。

3.2.2.2 滤饼质量测试

对形成的滤饼进行了强度评价对比，通过实验测定纳米钻井液滤饼的高温高压抗剪强度。在动态过滤过程中，沉积在滤饼表面的固体颗粒同时受到两种力:一是滤饼上的压差产生的力，另一个是钻井液和完井液的剪切力。随着滤饼厚度增加，作用在滤饼任何部位由压差所产生的力将逐渐降低，直至与剪切力相等。这时，滤饼中粒子的沉积速率与逃逸速率相等，所以滤饼的厚度将不再增加。当滤饼的厚度不再改变时，增加剪切力会冲毁部分甚至全部滤饼，侵蚀程度取决于钻井液和完井液的组成。通过实验测定滤饼剪切强度系数的主要实验步骤是：在120℃和3.5MPa下，分别在400s-1，100s-1，400s-1的剪切速率下测定高温高压过滤的过滤量：

(1)

式中SH——高温高压下滤饼的剪切强度系数；

q3——400s-1的剪切速率下，第2个90min内的过滤量；

q1——400s-1的剪切速率下，第1个90min内的过滤量；

q2——100s-1的剪切速率下，90min内的过滤量。

用式(1)测定钻井液系统的剪切强度系数SH，SH是一个无量纲因子，其值越大，滤饼质量越好。

实验结果(表3)可知，纳米基钻井液有更大的剪切强度系数，表明其形成的滤饼有更高的密度和更强的抗侵蚀性，能更好地保持钻井孔的稳定。

表3 不同钻井液的剪切强度系数表

4 结 论

国内外对纳米钻井液技术的研究处于起步阶段，由于纳米材料表现出的优异性能及纳米科技的不断发展，纳米钻井液必将在石油钻探领域得到更广泛的应用。

(1)当今国内对纳米钻井液的研究以纳米胶乳或乳液为主，纳米添加剂也多是胶乳液，体系比较单一。国外研究大多将纳米钻井液应用到致密页岩的封堵中，在深井、超深井钻井越来越多的趋势下，如何提高纳米钻井液密度、抗温能力等仍是今后的重点和难点。

(2)作为钻井液的加重材料，纳米重晶石有较高的活性及表面效应，对纳米重晶石的研究及改性也是纳米钻井液的一个研究方向。

(3)纳米CaCO3及纳米SiO2的高表面活性和尺寸效应对钻井液造壁形成高质量滤饼具有很大影响，提高其分散能力是需要突破的问题。

(4)纳米钻井液配制水基钻井液应用于页岩气钻井也是以后研究的热门。若能以纳米钻井液为依托形成页岩气钻井中具有普适性的水基钻井液，将会是目前世界页岩油气开发中的巨大突破。

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Status of Nano Drilling Fluid Technology

Wang Baotang

(DownholeOperationBranchofSinopecXinanOilfieldServiceCorporation,Deyang,Sichuan618000,China)

Nanotechnology is a new frontier science and technology that has been developed recently, its unique features have been intrduced to drilling fluids to reduce friction, enhance the mud cake quality and form the film.Through investigation of nano drilling fluid technology from domestic and abroad, the paper described the types and application of nano drilling fluids currently.The results showed that the additives of nano drilling fluids mainly included the treatment agents and nano- CaCO3as well as nano-silicate, etc. At present, the research of nano drilling fluid is mainly for nano latex, including PMMA nano latex drilling fluid, SLNR nano emulsion, nano drilling fluid GY-2. Research and application of nano drilling fluid in foreign countries mainly focused on nano plugging fluid to improve the sealing ability of drilling fluid for shale and fracture. The water based drilling fluids that used for shale drilling in the future need to research on several aspects, including raising the density, temperature resistance and dispersing ability of nano drilling fluid,research on nano barite and its modification, etc.

Nanotechnology；Drilling fluid；Nano- treatment agent；Reduce friction；Quality of mud cake

王宝堂(1964年生)，男，工程师，从事测试、修井、试油、压裂等方面工作。邮箱：1346453051@qq.com。

TE254.3 文献识别码：A