鉆井液中納米材料研究現狀及展望范文

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摘要：納米材料是指至少一個維度在1～100nm范圍內的工程材料。由于納米材料具備良好的熱傳導及封堵性，在鉆井液中可起到降濾失、頁巖抑制、流型調節、熱傳導及井壁穩定強化的作用，在鉆井液行業展現出了良好的應用前景。納米材料的研發，為非常規鉆井條件下性能優良的鉆井液的開發提供了新的捷徑。最近國外在油田用納米材料的研發方面取得了若干成果，本文綜述了近年國外納米材料在在鉆井液中的研究進展并對其發展進行了展望。

關鍵詞：水基鉆井液；納米材料；頁巖抑制劑；降濾失劑；頁巖氣

納米材料是指至少一個維度在1～100nm范圍內的工程材料。基于納米技術，近來國外提出了智能鉆井液概念，由于獨特的物理化學性質，納米顆粒被認為是智能鉆井液體系極佳的處理劑，如降濾失劑、頁巖抑制劑和流型調節劑等。本文綜述了近幾年國外納米材料在鉆井液中的研究進展并對其發展進行了展望，以期促進相關鉆井液及相關技術的發展。

1納米降濾失劑和流型調節劑的研究進展

納米材料在鉆井液中的應用研究表明，納米水基鉆井液體系在高溫高壓（HP／HT）條件下具有優異的流變性能和降濾失性能。Vryzas等［1～4］研究了不同加量納米Fe2O3和納米SiO2對7％（質量分數，下同）鈉基膨潤土基漿的影響。結果表明，在HP／HT條件下，納米Fe2O3在低濃度下即體現出了優異的降濾失性能，當添加量為0．5％時，相對于基漿，濾失量降低了42．5％。但納米SiO2的加入卻增大了基漿的濾失量。此外，Vryzas［5～6］還發現在60℃以下，含有顆粒大小為8nm的Fe3O4水基鉆井液體系在各個剪切速率下的屈服值、表觀黏度呈現直線上升趨勢，并表現出很強的溫度敏感性。通過對濾餅進行掃描發現，基漿濾餅光滑且無明顯凸起，而添加Fe3O4的基漿濾餅呈現出了交聯結構，此交聯結構的存在增大了濾餅的有效表面積，并有效覆蓋于泥餅表面，從而大大降低了濾失量。Li等［7］使用膨潤土、氯化鉀（KCl）、黃原膠（XC）和納米SiO2配置了一種水基鉆井液體系。發現納米SiO2粒子改善了體系流變特性的同時，還形成了一個薄而質地良好的泥餅，從而大大降低了基漿濾失量。Salih等［8］指出納米SiO2的質量添加量在0．1％～0．3％范圍內對鉆井液性能影響最為顯著。基于納米SiO2的智能水基鉆井液可以降低濾失量和大量縮短非作業時間，從而可替代水平井、定向井和頁巖氣鉆井中的油基鉆井液。但Salih［8］指出，納米SiO2對鉆井液的pH值非常敏感，在高pH條件下可以使得鉆井液發生絮凝。Ismail等［9］研究了多碳納米管（MWCNT）和納米SiO2對水基鉆井液流變性、降濾失性和潤滑性的影響，結果表明，MWCNT和納米SiO2可大大增強體系的流變特性，并可將體系的失水量降至最低。Abdo等［10］研究了粒度大小為10～20nm的改性凹凸棒石（一種天然水化的具有纖維狀棒狀微結構的粘土礦物）對鉆井液高溫高壓流變性的影響，結果發現凹凸棒石的細長針形結構使得鉆井液膠體體系具有獨特的抗高濃度電解質膠體特性，納米凹凸棒石顆粒保證了鉆井液體系在高溫高壓環境下穩定的流變性，可以用作流型調節劑取代其它價格昂貴的聚合物添加劑。Kosynkin等［11］研究了納米氧化石墨烯（GO）在高性能水基鉆井液中的降濾失性能。結果發現，當GO∶XC＝3∶1并且加量為0．2％時，鉆井液體系的常溫常壓失水量（FLAPI）濾失量最低可降低至6．1mL，此時泥餅厚度僅為20μm。和常規聚合物降濾失劑相比，GO鉆井液體系表現出了高溫剪切稀釋穩定性，GO有望在鉆井液中得到應用。Nasser等［12］研究開發出一種由納米石墨和納米硅組成的納米流體，發現在90℃下，它可使納米基漿可保持良好的流變性能，在90～150℃范圍內納米基漿的黏度比常規泥漿的黏度要高。Saboori等［13］和Fereydounil等［14］分別研究了納米羧甲基纖維素（CMC）和聚陰離子纖維素（PAC）對基漿泥餅厚度和基漿體系濾失性的影響。結果發現，與常規聚合物相比，納米CMC和PAC基漿所得泥餅雖然較厚，但仍可起到理想的降濾失效果。Li等［15］研究了納米晶須纖維素（CNC）和聚陰離子纖維素（PAC）復合材料在膨潤土基漿中的應用性能。結果發現，CNC和PAC／CNC可顯著改善基漿流變性能，但PAC對體系流變性的影響相對較小。Li等［16］研究了納米纖維素（CNPs）、微纖化纖維素（MFC）和纖維素納米晶體（CNCs）對水基鉆井液流變性和降濾失性能的影響。結果發現，MFC和CNCs可以增強水基鉆井液體系的流變性并表現出了極強的鉆屑攜帶性能。由于體系黏度的增加、核－殼結構的構筑以及CNC聚合物膜的形成，基漿的濾餅厚度和濾失量都有了顯著的降低。但是，MFC對體系降濾失性能影響不大且會顯著增加濾餅厚度。Sadeghalvaad等［17］研究了TiO2／聚丙烯酰胺（PAM）納米復合材料對水基鉆井液性能的影響。結果發現，納米水基鉆井液（NWBF）的塑性粘度和動切力等流變參數有了顯著增強，隨著納米復合材料用量的增加，體系的抗剪切稀釋性能也隨之增強。SEM掃描結果發現，純的PAM基漿泥餅表面表面細膩光滑，而TiO2則同時出現在了泥餅的內外表面。Taha等［18］考查了一種含有改性表面活性劑／納米石墨烯的水基鉆井液在陸地高溫高壓鉆井中的應用情況，結果發現，納米顆粒可極大提高鉆井液體系的熱傳導和潤滑性。相對于傳統水基鉆井液，該體系濾失量降低了30％、泥餅滲透率降低了125％、實際扭矩減少20％，鉆頭壽命增加75％以上。

2納米頁巖抑制劑的研究進展

Aftab等［19］研究了納米ZnO／丙烯酰胺（ZnO－Am）復合材料對水基鉆井液流變性和頁巖抑制性的影響。結果表明，體系的流變性略有升高，常溫常壓失水量降低了14％，高溫高壓失水量略有下降，但是頁巖的膨脹率卻由16％降低到了9％。Sensoy等［20］使用頁巖膜測試儀裝置測試了納米處理過的2種不同的頁巖（Atoka和GulfofMexico頁巖）。由于納米顆粒主要是堵塞與其本身體積大小相匹配的孔隙，然而聚集在一塊的納米粒子卻可以堵塞空隙更大的地層。結果表明，至少添加量為10％（質量分數）的納米粒子（20nm）才能有效封堵頁巖空隙。納米粒子的加入可以使得水基鉆井液在Atoka頁巖中的浸入深度減少16％～72％，在GulfofMexico頁巖中的浸入深度減少17％～27％。Taraghikhah等［21］研究了納米SiO2對頁巖井壁穩定性能的影響，確定了納米SiO2的質量最佳添加量＜1％，并得出了納米鉆井液抑性大大超過普通鉆井液抑制性能的結論。通過對滾動回收實驗后的頁巖樣品進行SEM掃描，發現納米SiO2主要是過物理堵塞頁巖孔隙的方式發揮抑制作用。Hoelscher等［22］研究了納米SiO2水基鉆井液在非常規頁巖儲層中的應用性能，研究中所用納米顆粒在5～100nm，其中10～30nm具有最好的降濾失效果（根據1／3架橋規則）。作者使用頁巖膜效率儀器來研究頁巖孔隙堵塞機理，結果證實SiO2納米粒子是通過物理封堵、而非化學抑制的方式來減小頁巖滲透率，從而阻止水在儲層－井筒之間的流動，減小頁巖水化膨脹和儲層垮塌掉塊等現象的發生。Sharma［23］研究了粒徑為20nm的納米SiO2在水基鉆井液體系的應用性能，結果發現，該鉆井液體系在高溫高壓條件下具有良好的流變性能和潤滑性。發現納米鉆井液比普通水基鉆井液在頁巖中的入侵深度減少了10～100倍。通過對裂縫性頁巖氣進行測試發現，在沒有微裂紋存在的情況下，單獨使用納米SiO2顆粒即可有效地封堵頁巖孔隙。Akhtarmanesh等［24］研究了3種含或者不含納米粒子的鉆井液，結果發現想要成功封堵住頁巖空隙，至少需要添加質量分數為10％的粒度大小為35nm的納米顆粒。與傳統鉆井液相比，納米鉆井液在Gurpi頁巖中的浸入深度最高可降低68％。

3存在問題

納米技術在鉆井液中的發展非常迅速，由于納米顆粒本身粒徑特殊及良好的熱傳導性，納米顆粒在鉆井液中可起到降濾失、頁巖抑制、流型調節及井壁穩定的作用，并在鉆井液行業展現出了良好的應用前景。但目前納米技術仍然存在諸多問題，主要表現在以下幾個方面：（1）納米顆粒在水基鉆井液中的分散穩定性問題仍然沒有有效解決。納米粒子均勻的分散于液體中是保證其發揮納米粒徑優勢的前提。現已有分散固體納米顆粒的設備，如超聲波浴，磁性攪拌器，高剪切混合器和均化器等。然而，納米顆粒在經過高剪切被分散為目標尺寸后，由于顆粒之間強列范德華力的吸引及高比表面積，納米顆粒仍傾向于重新團聚，從而極大的顯著的限制了其在工程領域的應用。Sidik等［25］指出，在不添加表面活性劑或無表面活性物質的情況下，則不可能獲得穩定的納米流體。Choi等［26］表示表面活性劑加量應適中，因為過量的表面活性劑可能會對納米流體的黏度和化學穩定性產生不利的影響。（2）已經很確定納米粒子在極低的濃度下（質量分數＜0．5％）即可影響鉆井液體系的流變性，因此如何確定納米粒子的最佳加量是應用納米鉆井液技術的關鍵。低濃度納米粒子的使用可消除鉆井液中化學處理劑的使用的潛在危害，從而有利于環境的保護和鉆井費用的極大降低。（3）室內研究結果表明納米鉆井液具有諸多優點的同時，也面臨著諸多實際應用上的挑戰。從目前研究結果來看，一些納米粒子已經實現工業化（例如氧化鐵），并可用來代替鉆井液中的一些添加劑，但納米材料的高昂費用卻大大的阻礙了其在石油工業中的大規模應用［27～28］。（4）納米鉆井液的配制和測定也是一項較大難題。美國石油學會（API）鉆井液測試的程序和規范標準只適合于普通鉆井液［29～31］，不適用于特殊條件下新型鉆井液處理劑的評價［32］。因此，在研究納米鉆井液技術時，如何統一及制定合理的標準，也是充分發揮納米鉆井液的一個關鍵。

4展望

納米流體因具有不同于以往流體的特性，在鉆井液中可起到降濾失、頁巖抑制、流型調節及井壁穩定強化的作用，并在鉆井液行業展現出了良好的應用前景。納米流體的研究應用，有助于苛刻鉆井條件下性能良好的鉆井液的開發，但納米技術在鉆井液中的大規模應用仍然面臨著技術、成本及環保等因素的挑戰。為促進石油工業和鉆井液以及相關處理劑的健康發展，今后需從尋找新原料、新方法上突破傳統納米科技的結構，集中力量研究新產品，豐富現有納米鉆井液劑評價手段且應與現場充分結合。

作者：馬毅超 單位：南充職業技術學院農業科學技術系