纳米技术在钻井液中的应用

  在把纳米技术应用到钻井液领域之前，首先要考虑纳米技术能够解决哪些现有化学技术不能解决的钻井液问题，且在胶体或微型状态下纳米结构能给钻井液带来哪些好处。M-I SWACO 的 Jim Friedheim 等人对将氧化石墨烯、碳纳米管等纳米材料引入钻井液中进行了探讨，希望他们能在改善钻井液页岩稳定性、抗高温、流变性和滤失性等方面起到一定作用.

 

  氧化石墨烯.

 

  纳米技术一般用于改善钻井液的流变性和滤失性能。由于强烈的粒子与粒子间的相互作用，一些纳米材料可以作为增黏剂。将氧化石墨烯（GO）直接加入到加有重晶石的淡水膨润土浆中，测定该纳米粒子对钻井液黏度的影响，结果见表 5。

 

  表 5 氧化石墨烯对淡水膨润土浆 + 重晶石的影响GO/g/Lφ6φ3Gel10 s/PaGel10 min/PaPV/mPa·sYP/Pa0 1 0 0.5 1.0 4 -0.55.7 4 3 2.4 2.9 8 1.911.4 12 11 6.2 6.2 7 7.717.2 17 15 12.0 6.7 3 20.1注 ：基浆为 ：水 +28.6 g/L OCMA 黏土 +14.3 g/L 凝胶 +228.8 g/L 重晶石 +GO，测定温度为 49 ℃。

 

  由表 5 可知，GO 能够有效使钻井液增黏，甚至在加量很小（仅为 5.7 g/L）时，效果都非常明显。

 

  GO 的片状结构很容易变形，可以很好地适应地层的轮廓，很像塑料包装。进行了进一步的实验，以观察其滤失控制能力。表 6 给出了将 GO 加入淡水钻井液体系，在 65.5 ℃热滚老化 16 h 后的结果。GO 既影响流变性，又影响失水，相对来说效果明显。从表6 可以看出，加入 14.3 g/L 的凝胶与加入 2.85 g/L 的GO 效果相同，这样可以确定性能和成本的基准线。

 

  经研究发现，氧化石墨烯直接作为页岩抑制剂，对稳定页岩发挥的作用并不明显；而其作为运输工具，能将特定的页岩抑制剂携带到页岩表面的恰当位置，从而最大限度地稳定页岩。氧化石墨烯通过了糠虾环境保护实验，符合 HSE 要求。随着研究的深化，氧化石墨烯将在水基钻井液中得到更广泛的应用。

 

  表 6 加有 GO 的淡水钻井液老化后的性能GO/g/L凝胶 /g/Lφ6φ3Gel10 s/PaGel10 min/PaPV/mPa·sYP/PaFL/mL0 0 1 1.5 1.0 1.0 3 -0.5 83.00 14.3 5 5.0 3.4 4.3 4 1.0 23.62.8 0 9 9.0 4.8 7.2 8 5.3 23.44.3 0 28 27.0 12.9 18.2 9 17.7 16.8注 ：基浆为 ：159 g 水 +14.3 g/L OCMA 黏土 +111.5 g/L重晶石 + 凝胶 /GO，在 65.5 ℃热滚 16 h 后在 49 ℃下测定性能。

 

  碳纳米管.

 

  作为超高温高压无水反转稳定剂评价的碳纳米管（CNTs），有可能会解决钻井液在超过 200 ℃的温度条件下的流变性和滤失性能。在不同浓度下对众多类型的 CNTs 进行筛选之后，选出 2 种 CNTs 进行 315℃配方的最后评价（如下）。在超高温高压条件下，即使在很低的加量，2 种 CNTs 材料在稳定流变剖面上都表现出了积极的结果。

 

  1#388 g/L 合成基 +8.6 g/L 有机土 +28.6 g/L 石灰 +71.5 g/L HT 乳化剂 +14.3 g/L 润湿剂 +20 g/L 水 +71.5 g/L CaCl2+28.6 g/L HT 有机 FLC+42.9 g/L OCMA 黏土 +858 g/L 重晶石 +14.3g/LEMI1996+143g/L 微粒子2#358 g/L 合成基 +8.56 g/L 有机土 +28.6 g/L石灰 +71.5 g/L HT 乳化剂 +14.3 g/L 润湿剂 +18.6 g/L水 +67.2 g/L CaCl2+1.37 g/L CNT#1+32.95 g/L 补充基液+28.5 g/L HT有机FLC+42.80 g/L OCMA黏土+858g/L 重晶石 +14.3 g/L EMI 1996+143 g/L 微粒子3#358 g/L合成基+8.6 g/L有机土+28.6 g/L石灰+71.5 g/L HT 乳化剂 +14.3 g/L 润湿剂 +18.6 g/L 水 +67.2 g/L CaCl2+1.37 g/L CNT#2+32.95 g/L 补充基液 +28.6 g/L HT 有机 FLC+42.9 g/L OCMA 黏土 +858 g/L重晶石 +14.3 g/L EMI 1996+143 g/L 微粒子1#、2#、3#配方钻井液的密度均为 1.68 g/cm3，含油量分别为 80.9%、80.7% 和 80.7%，含水量分别为 19.1%、19.3% 和 19.3%。以上 3 种钻井液的实验结果见表 7。基液不能承受 315 ℃加热老化，丧失了全部低剪切流变性，导致重晶石全部沉降。与此相反，CNT#1 和 CNT#2 钻井液在老化后都比较稳定，特别是 CNT#1 钻井液表现出显著的低剪切黏度、动切力和凝胶强度。但是，钻井液的失水控制还存在问题，需进一步研究[19-20]

 

  。第 31 卷 第 6 期 邸伟娜等：国外页岩气钻井液技术新进展81表 7 应用 2 种 CNT 无水反转稳定剂钻井液热滚后的性能配方φ6φ3Gel10 s/PaGel10 min/PaPV/mPa·sYP/PaES/V1#2 1 1.44 1.44 25 -1.44 5532#9 11 7.66 7.66 36 3.83 1 2653#4 3 2.87 4.31 33 1.92 614注 ：在 315 ℃老化 16 h 后在 150 ℃测定性能。

 

  5 认识和建议1．卡尔加里大学开发了一种高性能防漏堵漏纳米钻井液体系，该体系封堵地层的能力较好，能够阻止滤失、减少地层伤害和污染，同时可减少压差卡钻事故，提高机械钻速，降低钻井成本。

 

  2．M-I SWACO 公司将纳米硅材料加入钻井液中，形成改性纳米硅水基钻井液，该钻井液配方和维护简单，表现出好的流变性，井眼稳定性好，且对环境友好。普遍且经济适用的新型纳米材料实现了钻井液所需的流变特性和页岩气储层的井眼稳定性。

 

  3．M-I SWACO 公司探讨了将氧化石墨烯、碳纳米管等纳米材料加入到钻井液中，结果表明氧化石墨烯在水基钻井液失水和流变性控制方面都有一定的作用，碳纳米管抗高温性能较强，在高温下具有较好的流变性控制能力，但失水控制能力有待进一步研究。

 

  4．为了降低成本，满足环境保护要求，全球钻井液研究人员都在寻求高性能水基钻井液。加拿大卡尔加里大学及哈里伯顿、斯伦贝谢公司都对纳米材料在钻井液中的应用研究投入了大量的人力、物力。目前中国页岩气井钻井几乎全部用油基钻井液，急需研发高性能水基钻井液，纳米技术将会发挥重要作用。