有机/无机复合纳米水基钻井液体系研究

白小东 蒲晓林

(西南石油大学材料科学与工程学院,四川成都 610500)

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有机/无机复合纳米水基钻井液体系研究

白小东 蒲晓林

(西南石油大学材料科学与工程学院,四川成都 610500)

利用有机和无机纳米粒子作为功能处理剂(架桥、封堵),结合常规聚合物处理剂组成了有机/无机复合纳米水基钻井液体系,评价了该钻井液体系的隔离层效应、抗温性、抑制性、抗污染能力和沉降稳定性。评价结果表明:有机/无机复合纳米水基钻井液体系具有较强的隔离层效应,120 min后动滤失量几乎为零;抗温达到180℃;具有较强的抑制泥页岩水化膨胀的能力,页岩在纳米水基钻井液中的线膨胀率仅为17.92%,滚动回收率为95.00%;抗盐和钻屑污染能力强,抗NaCl和CaCl2可达15%和7%,抗钻屑污染可达15%;沉降稳定性好,能满足现场施工要求。

纳米级材料;水基钻井液;钻井液性能;抗盐特性

1 概 述

水分子的直径约为0.4 nm,钻井液中的黏土颗粒粒径多数在悬浮体范围(0.1～2.0μm)内,而泥页岩是所有地层岩石中孔径最小的岩石类型,其孔径分布在0.001～0.010μm,因此,对于井壁岩石的最后一级封堵材料,其颗粒尺寸必须处于纳米级,而且加入的纳米材料必须同时有刚性粒子和可变形粒子。有机/无机复合纳米水基钻井液体系中,无机纳米粒子是一种具有不变形特点的刚性粒子,刚性粒子对处于纳米级的孔隙进行架桥;有机纳米粒子是一种在一定温度下具有变形变软功能的可变形粒子,可变形粒子对刚性粒子架桥形成的不规则孔隙进行变形填充,最终形成完全阻止水进入地层的隔离层,起稳定井壁和保护储层的作用。根据刚性粒子紧密堆积理论,再小的刚性粒子相互堆积仍然会存在剩余空间,因此,要求最后一级封堵粒子必须是具有变形变软功能的封堵材料(有机纳米粒子),而单独使用有机纳米粒子又无法实现架桥作用,因为其变形变软的特点使其容易向地层孔隙中渗滤,找不到支撑点,所以有机、无机纳米处理剂必须同时存在。

从国内外文献[1-8]可知,人们努力研制出了一些纳米材料,并将其应用于水基钻井液中,并取得了不错的效果。笔者在此优选出了一种有机/无机复合纳米水基钻井液体系,并对其性能进行了评价,以期为现场应用纳米水基钻井液提供室内试验支持。

2 纳米钻井液基本配方

以纳米胶乳NM-1、无机纳米材料NMTO为主要处理剂,以4.0%钠膨润土+0.3%KHPAN+ 3.0%SMP-Ⅱ+1.5%SPNH+1.0%SMC+2.0% XY-27为基浆,通过优选NM-1和NMTO的加量来优选有机/无机复合纳米水基钻井液配方。表1为优选NM-1和NMTO加量的试验数据。

表1 NM-1与NMTO的复配效果

从表1可看出,纳米乳液NM-1具有一定的降滤失性能,而NMTO加量较少时能降低API滤失量,加量超过3.0%时,API滤失量增大,但两者都具有不明显的增黏效果。因此,确定NM-1和NMTO的加量分别为0.1%和1.0%,从而优选出纳米水基钻井液体系配方为:4.0%钠膨润土+0.3%NM-1+1.0% NMTO+0.3%KHPAN+3.0%S MP-Ⅱ+1.5% SPNH+1.0%SMC+2.0%XY-27。

3 性能评价

3.1 隔离层效果评价

测定纳米水基钻井液的高温高压动滤失量,其结果如图1所示。利用电镜扫描测动滤失用的隔离膜,观察其微观结构,结果见图2。

图1 纳米水基钻井液高温高压动滤失量随时间的变化趋势

图2 隔离膜内部微观结构

从图1可看出,纳米水基钻井液动滤失量在90 min后随时间的延长增量几乎为零。而120 min后将钻井液倒出,换成清水,滤失量几乎为零,这表明水基纳米钻井液具有隔离层效应。由图2可以看出,纳米水基钻井液所形成的泥饼非常致密,胶粒互相粘合在一起,起到了防止泥页岩坍塌和保护储层的作用。

3.2 抗高温性能

将纳米水基钻井液在100、120、150、180和200℃温度下热滚16 h,测定纳米水基钻井液老化前后流变性及滤失量的变化,结果见表2。

表2 纳米水基钻井液抗高温性能

从表2可看出:随老化温度的升高,总的规律是纳米水基钻井液的黏度和动切力都有所下降,API滤失量和泥饼厚度增大;当老化温度低于180℃时钻井液流变性和滤失造壁性比较稳定,变化幅度不大;当老化温度高于180℃后,随着温度的升高, API滤失量剧增,黏度大幅度下降,其性能较差。从机理上分析,纳米乳液NM-1本身是一种热力学稳定体系,其抗温能力在250℃以上,聚磺处理剂的抗温能力也较强,但由于在高温下分散剂失去了作用,作为堵剂的无机纳米粉体NMTO发生了解吸附作用,部分无机纳米粉体NMTO发生了团聚,导致API滤失量增大。

3.3 抑制性能

3.3.1 抑制膨胀试验

采用NP-01型页岩膨胀仪测试页岩在清水、纳米水基钻井液、硅酸盐钻井液和聚合物钻井液中的线性膨胀率,结果见表3。

表3 页岩在清水和不同钻井液中的线性膨胀率 %

从表3可看出,页岩在清水中16 h的线性膨胀率为36.29%,而在纳米水基钻井液中仅为17.92%,几乎降低了1/2,可见,纳米水基钻井液具有较强的抑制泥页岩水化膨胀的能力。

3.3.2 页岩滚动回收试验

滚动回收率是表征钻井液体系抑制泥页岩分散能力的重要指标,为此,笔者将钻屑加入到清水、纳米水基钻井液、硅酸盐钻井液和聚合物钻井液中进行了滚动回收试验,结果是钻屑在它们中的滚动回收率分别为30.0%、95.0%、80.6%和76.4%。由此可看出,纳米水基钻井液具有很强的抑制泥页岩钻屑水化分散的能力,与抑制膨胀试验得出的结论一致。

由以上试验结果可看出纳米水基钻井液体系具有较强的抑制性。分析其抑制机理为:由于纳米胶乳呈电中性或者正电性,当纳米乳液和黏土接触时,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,这样可以中和黏土表面的负电性,并可排斥具有较厚水化膜的层间阳离子,而且这种吸附可使黏土表面的亲水亲油性发生改变,有时甚至反转为亲油表面,再加上纳米水基钻井液中分散能力极强的两性离子聚合物XY-27的分散作用,使纳米水基钻井液具有更强的抑制性。

3.4 抗污染性能

3.4.1 抗盐性能

在纳米水基钻井液体系中加入不同质量分数的盐(NaCl、CaCl2和MgCl2),测定其在120℃温度下热滚后的流变性及滤失量的变化,结果见表4。

表4 纳米水基钻井液的抗盐性能

从表4可看出,在纳米水基钻井液体系中加入一定量的盐后,其表观黏度、塑性黏度及动切力均降低,滤失量增大,泥饼变厚。其中,NaCl质量分数超过15.0%,CaCl2质量分数超过7.0%,MgCl2质量分数超过2.5%后,纳米水基钻井液性能变差。这是因为纳米胶乳NM-1和无机纳米粉体NMTO主要是靠空间位阻和双电层斥力起稳定作用,加入无机电解质后产生同离子效应,压缩双电层,当同离子效应大于空间位阻和双电层斥力作用时,纳米颗粒絮凝成团,具体表现为滤失量增大,黏度和动切力降低。

3.4.2 抗钻屑污染性能

在纳米水基钻井液中加入5%、10%、15%和20%的钻屑后,测定其在120℃温度下热滚后的性能变化,结果见表5。

表5 纳米水基钻井液的抗钻屑污染性能

从表5可看出,在纳米水基钻井液中加入15%的钻屑后,其流变性及API滤失量变化不大,一旦超过20%,其性能变差,说明该钻井液具有较强的抗钻屑污染性能。

3.5 沉降稳定性评价

采用近红外液体稳定性分析仪对纳米水基钻井液体系进行了24 h近红外扫描,结果见图3。从图3可看出,反射光透过率的波动范围在2%以内,能满足钻井液沉降稳定性要求,适合现场钻井需要。

4 结 论

1)优选出了有机/无机复合纳米水基钻井液体系的基本配方:4.0%钠膨润土+0.3%NM-1+ 1.0%NMTO+0.3%KHPAN+3.0%SMP-Ⅱ+ 1.5%SPNH+1.0%SMC+2.0%XY-27。

图3 水基纳米钻井液体系24 h近红外扫描结果

2)有机/无机复合纳米水基钻井液体系具有较强的隔离层效应,动滤失量在120 min后几乎为零,抗温达到180℃。

3)有机/无机复合纳米水基钻井液具有较强的抑制泥页岩水化膨胀的能力,页岩16 h线膨胀率仅为17.92%,滚动回收率为95%。

4)有机/无机复合纳米水基钻井液抗盐和钻屑污染能力强,抗NaCl、CaCl2和钻屑污染分别可达15%、7%和15%。

5)有机/无机复合纳米水基钻井沉降稳定性好,能满足现场施工要求。

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[审稿 鄢捷年]

Study of Organic/Inorganic Composite Nano-Sized Water-Based Drilling Fluids

Bai Xiaodong Pu Xiaolin
(College of Materialand Engineering,SouthwestPetroleum University,Chengdu,Sichuan, 610500,China)

U sing organic nano-latex and inorganic particles as bridging and block agents along with the polymer additives,the organic/inorganic composite nanometer water-based mud system was developed.The isolation layer efficiency,temperature resistance,inhibitive ability,pollution resistance and sedimentation stability were evaluated.The investigation indicates that this mud system has higher isolation layer efficiency with zero filtration loss after 120 min.It is effective up to 180 ℃.The system has strong shale inhibitive ability with swell rate of 17.92%and the recovery rate of 95%.It has strong salt and bit cuttings resistance up to 15%NaCl,7%CaCl2and 15%bit cuttings.At last,the sedimentation stability of the system is good and meets requirements of in-situ drilling operations.

nanomaterials;water base drilling fluid;drilling fluid property;salt tolerant property

book=2010,ebook=125

TE254+.3

A

1001-0890(2010)02-0047-04

2009-04-02;改回日期:2010-01-28

国家自然科学基金项目“基于钻井液-井壁界面的膜形成技术与膜传递过程研究”(编号:50774065)资助

白小东(1980—),男,四川南充人,2002年毕业于西南石油学院应用化学专业,2004年获西南石油学院应用化学专业硕士学位,2007年获西南石油大学油气井工程专业博士学位,讲师,主要从事油气田材料方面的教学与科研工作。

联系方式:(028)83032299,xiaodongb2003@yahoo.com.cn