维持页岩井眼稳定的纳米钻井液特性

  为了解决页岩地层井眼失稳问题，M-I SWACO公司的 Meghan Riley 等人研发了一种改性纳米硅水基钻井液，它配方简单，维护方便，具有好的流变特性，能够保持井眼稳定，且环境保护性能好。纳米粒子能够物理封堵纳米级孔隙，从而降低页岩渗透性。

 

  纳米硅材料工业来源丰富，经过改造可以满足地层要求。下面介绍该钻井液在 Marcellus 页岩的应用情况。

 

  Marcellus页岩特性.

 

  Marcellus 是美国重要的页岩气田。通过测定取 自 井 深 2 045.53～2 045.70 m 处 的 岩 样， 得 到Marcellus 页岩的矿物组成和性质为 ：含 4% 蒙脱石、25% 伊利石、47% 石英、10% 长石、5% 黄铁矿、6%绿泥石、3% 铁白云石，CEC 值为 3 meq/100 g 膨润土，在 20.7 和 41.4 MPa 下测得的渗透率分别为 19×10-9和 6×10-9μm2，孔隙度为 10%，总有机质含量为 9%。

 

  饱和度和低渗透率的结合，使得只有很少量的滤液渗透进入地层，导致近井地带孔隙流体压力增加，因此造成了较不稳定的井眼条件。实验中，将保存完好的 Marcellus 岩心暴露在 65.5 ℃的淡水中，数天之后产生了宽 5～45 ?m 的平行于层理面的裂缝。该结果说明 Marcellus 页岩与水几乎不发生反应，但是易于产生裂缝，能够导致井眼失稳，特别是在长水平井段。

 

  纳米硅的生产方法.

 

  近几年对纳米硅土的定义一直有争议。纳米粒子被定义为直径小于 100 nm 的物体。最近，提出更多的其它定义是基于表面积而不是直径，也不存在明确尺寸的界限。硅土是二氧化硅的俗名，有以下几种存在形式 ：非晶和晶态、多孔和无孔、无水和羟基化。

 

  从结构的观点看，硅原子处于与 4 个氧原子四面体配位，可以由此形成众多不同的结构。硅土主要从水溶液中合成，通过分离单体硅酸，或者从某种硅化合物的蒸汽中分离得到 ；还有许多其它合成路线。传统纳米硅土的分散体系由分散相和连续相组成。如果形成的分散体系不稳定，那么粒子将凝聚、沉淀。通常，在被吸附到分散粒子上之后，分散剂可以通过空间位阻或静电方法防止相分离。在钻井液中应用纳米硅粒子作封堵材料来减小水向纳米级孔隙的渗透，添加剂的设计需考虑 2 个因素 ：成本和配伍性。纳米硅的生产成本要尽量低，且必须与其他钻井液添加剂配伍，热力学稳定性良好，能够抗固相污染。

 

  页岩膜试验.

 

  用页岩膜试验（SMT）研究纳米硅粒子对页岩的封堵作用。SMT的实验原理见图5，在恒压（P2，P3）下，实验流体被泵送流过页岩样品的上表面，同时应用小部分恒定体积来测量容器底部的压力恢复值。试验用页岩样品的渗透率可以通过底部压力恢复值（P1）来体现。与初始盐水相比，水基钻井液渗透率下降得越显著，固体和纳米粒子的物理封堵效果越好。

 

  实验步骤如下 ：将水活度与页岩孔隙流体相同的盐水装入容器；应用回压为0.35 MPa，最高压力为2.07MPa ；测量盐水（孔隙流体）压 力 传递的底部压力，得到初始页岩渗透率 ；用钻井液驱替上游流体，测量流体压力传递的底部压力，得到页岩封堵后的渗透率。

 

  可以看出，随着纳米硅浓度从 5% 增加到 29%（m/m），封堵效果越来越好，同时渗透率降低。