纳米二氧化硅改善钻井液滤失性能的实验研究

袁 野 蔡记华 王济君 肖长波

（中国地质大学，湖北武汉 430074）

纳米二氧化硅改善钻井液滤失性能的实验研究

袁 野 蔡记华 王济君 肖长波

（中国地质大学，湖北武汉 430074）

泥页岩地层井壁失稳的主要原因是泥页岩吸水后发生膨胀和掉块。针对这种情况提出了使用纳米二氧化硅封堵泥页岩纳米级孔喉、降低其渗透率从而减缓水分侵蚀的思路。在前期研究基础上，通过透射电镜分析、钻井液常规性能测试和扫描电镜分析等手段，评价了不同温度下纳米二氧化硅对钻井液滤失性的改善效果。结果表明：纳米二氧化硅可以有效地降低淡水基浆和膨润土基浆在升温过程中的失水量：室温下失水量降低率为56.25%，140 ℃时失水量降低率为78%，而对低固相基浆则效果一般；相对于纳米二氧化硅的质量浓度5%，其质量浓度为10%时可以使钻井液形成较为连续而致密的滤饼，封堵能力加强。由此可见，纳米二氧化硅可以有效改善淡水基浆和膨润土基浆的降滤失性能，且在温度升高过程中（室温～160 ℃）表现较好。

纳米二氧化硅；钻井液；滤失性；泥页岩；井壁稳定

据统计，钻井的地层中泥页岩占据75%以上，其中70%的井壁失稳都与页岩失稳有关［1］。所以泥页岩地层的钻进给石油天然气钻井工业中带来了巨大的挑战。钻井液与泥页岩的相互作用和钻井液的抑制性低是井壁失稳的［2］的主要原因。钻井液与泥页岩接触时，容易吸水导致页岩松散垮塌、缩径等井下复杂情况［1-2］。前人主要通过使用抑制性和防塌能力强的处理剂来防止泥页岩的井壁失稳［3-5］。

泥页岩渗透率是决定其吸水能力强弱的关键因素，而渗透率主要取决于其孔喉大小及分布规律。国内页岩气储层的孔隙范围为5～300 nm，主体为80～200 nm，北美地区页岩气储层纳米级孔隙孔径主体为8～100 nm［6］。而目前广泛使用的降滤失剂不能在纳米孔发育的泥页岩层孔喉处架桥继而形成薄而致密的滤饼，所以只有纳米材料才有封堵孔喉的可能性。

笔者将非改性纳米二氧化硅材料添加在膨润土钻井液和低固相钻井液中，发现可降低泥页岩渗透率并有效减缓水侵入Atoka页岩［7］。在此基础上，通过钻井液常规性能测试、透射电镜分析和扫描电镜分析等实验手段，综合评价了2种纳米二氧化硅材料改善3种钻井液在高温下（室温～160℃）的滤失性，这3种基浆分别是淡水基浆（FWM）、膨润土基浆（BM）和低固相基浆（LSM）。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

膨润土：钠膨润土（山东华潍产）、钙膨润土（湖北应城产）。

处理剂：木质素磺酸钠、褐煤树脂、低黏度羧甲基纤维素、改性淀粉；纳米二氧化硅分散液（编号分别为NP-A和NP-B），基本性能见表1。

表1 两种纳米二氧化硅分散液基本信息

1.2 实验方法

1.2.1 透射电镜分析 使用CM12/STEM透射电子显微镜观察分散液中纳米二氧化硅颗粒的形态以及尺寸。

1.2.2 钻井液常规性能测试 按照配方配制3种基浆，FWM、BM和LSM三种基浆的基本性能参数如表2所示。

表2 基浆的基本性能

分别加入纳米二氧化硅，使其质量浓度分别为10%和5%（纳米二氧化硅在钻井液中的质量浓度，全文均同）。由于二氧化硅分散液中含有70%的水，所以分别在基浆中加入等量的水，以便研究纳米二氧化硅材料对基浆性能的影响，按公式（1）～（2）计算。若钻井液pH较低，加适量碳酸钠，调节pH至9～10。

式中，VSi为纳米二氧化硅悬浮液的体积，mL；ρSi为纳米二氧化硅悬浮液的密度，g/cm3；Vm为相应钻井液的体积，mL；ρm为相应钻井液的密度，g/cm3。

对比钻井液中等量水的加量按公式（2）式计算。

式中，Vw为对比钻井液中加入等量水的体积，mL。

使用OFITE滚子加热炉进行热滚（室温～160℃），冷却后测试钻井液失水量。“FWM＋水（NPA）”表示在FWM基浆中加入与NP-A分散液中相应等量的水，“FWM＋水（NP-B）”表示在FWM基浆中加入与NP-B分散液中相应等量的水，在BM和LSM中亦相同。

1.2.3 场发射扫描电镜分析 实验目的是为了对比观察滤饼的微观形貌，分析运用纳米颗粒对滤饼孔隙及孔喉的封堵情况，据此模拟并判断泥页岩钻进的过程中井壁稳定问题。配制“基浆+NP-A”，在室温下获得滤饼，正常风干，使用Quanta 450 FEG型场发射扫描电子显微镜扫描其微观结构。

2 结果与讨论

2.1 三组基浆的配方

（1）FWM： 350 g水+22.5 g钠膨润土+10 g钙膨润土+3 g木钠 +3 gSPNH；（2）BM： 350 g水 +30 g钠膨润土；（3）LSM： 350 g水+10.5 g钠膨润土+ 3.5 g LV-CMC+3.5 g DFD-140。

2.2 透射电镜分析

使用CM12/STEM透射电子显微镜观察分散液中纳米二氧化硅颗粒的形态以及尺寸。由图1可以看出，2种纳米二氧化硅颗粒直径为10～20 nm，对于纳米孔发育的泥页岩才有可能起到有效的封堵效果，是比较理想的架桥粒子。

图1 纳米悬浮液透射电镜（TEM）效果图

2.3 纳米二氧化硅在室温下降滤失效果分析

室温下，无论是5%还是10%浓度的纳米二氧化硅的加入都显著降低了基浆失水量（如图2、图3所示），尤其对FWM和BM体系降低的幅度较大，10%NP-A对FWM基浆失水量的降低幅度高达56.25%，而对LSM的效果不是很明显，原因是LSM基浆失水量较小，纳米二氧化硅材料对其失水量影响不大。

图2 10%纳米二氧化硅在室温下对基浆失水量的影响

图3 5%纳米二氧化硅在室温下对基浆失水量的影响

2.4 纳米二氧化硅在升温过程中降滤失效果分析

使用纳米二氧化硅NP-A时的失水量降低率=100%×（FL基浆+水（NP-A）-FL基浆+NP-A）/FL基浆+水（NP-A）； 使用纳米二氧化硅NP-B时的失水量降低率=100%×（FL基浆+水（NP-B）-FL基浆+NP-B）/FL基浆+水（NP-B）。

2.4.1 FWM基浆 （1）失水量降低率表示含有纳米二氧化硅的FWM体系的失水量相对“FWM+水”的降低幅度，随着温度的升高，失水量降低率保持在一个较高的水平（如图4所示）。在120 ℃情况下，10%纳米二氧化硅对FWM基浆的失水量降低幅度也有28%，表明纳米二氧化硅在高温作用下仍能增强基浆的造壁能力；（2）总体上看，失水量降低幅度先增后减，说明纳米二氧化硅改善FWM基浆的降滤失性能存在温度极限，120 ℃以后降失水幅度开始减小；（3）两种纳米材料对基浆的降失水能力基本相当；（4）纳米二氧化硅能沉积在滤纸上并有效封堵滤饼及滤纸的孔隙，从而形成薄、连续、致密的滤饼（图 5）。

图4 不同浓度纳米二氧化硅对FWM基浆失水量降低率的影响

图5 120 ℃滚动后淡水基浆的滤饼

2.4.2 BM基浆 （1）总体上看，失水量降低率呈上升趋势（如图6所示），主要是由于BM体系无处理剂保护，高温作用使基浆失水量剧增，纳米二氧化硅起到稳定作用，降失水幅度较大。在140 ℃时，10%纳米二氧化硅对BM基浆失水量的降低率高达78%；（2）纳米二氧化硅能沉积在滤纸上并有效封堵滤饼及滤纸的孔隙，从而形成薄、密、韧的滤饼（图7）。

室温下，BM滤饼放大到比例尺寸为300 nm，“BM+NP-A”所获得的滤饼扫描结果，粒径在10～20 nm的粒子均匀而致密地沉积在滤饼表面以及填充在孔隙中（图8）。

图6 不同浓度纳米二氧化硅对BM基浆失水量降低率的影响

图7 120 ℃滚动后膨润土基浆的滤饼

图8 室温下BM+NP-A滤饼的SEM图像

2.4.3 LSM基浆 （1）对LSM的失水量降低率一直保持在较低的水平，且当温度高于120 ℃时，LSM中CMC、DFD等处理剂逐渐失效［8］，失水量急剧上升（图9），10%纳米二氧化硅起到了稳定作用，此时降失水幅度明显；（2）5%纳米二氧化硅对LSM基本没影响，到160 ℃时，失水量降低率出现了负值，表明比基浆的效果较差（图9）；（3）从滤饼的质量对比来看（图10），纳米二氧化硅对LSM失水量影响不大。

图9 不同浓度纳米二氧化硅对LSM基浆失水量降低率的影响

图10 120 ℃滚动后低固相基浆的滤饼

2.4.4 纳米二氧化硅浓度对基浆失水量降低率的效果分析 （1）纳米二氧化硅的浓度对FWM和BM失水量影响具有一致规律，浓度越高其相对基浆的降失水幅度越大（如图4、图6所示）。原因是更多的纳米颗粒沉积在滤饼表面并封堵滤饼及滤纸孔隙，起到降滤失效果（与文献［9］研究结果一致）；（2）如同前面提到的，纳米二氧化硅对LSM体系滤失量降低效果一般（如图9所示）。只不过当LSM在120 ℃条件时开始破坏，10%纳米二氧化硅对其具有一定的稳定作用。而5%纳米二氧化硅基本没作用，160 ℃反而出现负效应，表明纳米二氧化硅增强钻井液的封堵能力是有适宜范围的，需要其与钻井液材料配伍。

综合来看，钻井液中的水渗透入页岩地层，意味着水和离子侵入页岩，会导致井壁页岩孔隙压力增加和强度降低，从而引起井壁失稳［10］。使用纳米二氧化硅颗粒封堵页岩孔喉，降低减缓水侵入页岩，并且在室温～160 ℃范围内仍表现良好（尤其是对于淡水基浆和膨润土基浆而言），增强泥页岩井壁稳定［9］。

3 作用机理分析

纳米二氧化硅颗粒可以明显地降低钻井液的滤失量，其原因是，滤失时纳米颗粒能有效地封堵泥页岩的纳米级孔喉，从而降低泥页岩渗透率［7］。同时，钻井液中的高分子和膨润土颗粒吸附在泥页岩表面，并渗透到微裂隙中，形成高强度的屏蔽环，阻止水分的进一步渗入地层，并且还具备胶结松散泥页岩的作用。

4 结论

（1）室温下，纳米二氧化硅可以有效降低FWM和BM的失水量，降低幅度最高可达56.25%。

（2）升温过程中，纳米二氧化硅对FWM和BM基浆的降失水幅度一直保持较高水平，最高可达78%，原因是其可在滤纸表面形成更加连续而致密的滤饼，但是对LSM效果一般，这是因为纳米二氧化硅增强钻井液的封堵能力需要其与膨润土浓度较高的体系配伍。

（3）纳米二氧化硅浓度10%比5%有更好的封堵效果。

（4）对于储层钻进，可考虑将纳米二氧化硅替换成纳米碳酸钙进行暂时封堵［11］，以保护储层。

5 进一步研究方向

（1）测试纳米二氧化硅对3种基浆的摩阻因数的影响，分析其对润滑性的改善。

（2）评价含有纳米二氧化硅的钻井液的抗盐能力。

（3）使用压力传递实验系统评价其对泥页岩样品的作用，进一步分析钻井液与泥页岩相互作用过程中的化学和力学作用机理。

［1］MANOHAR Lal. Shale stability: drilling fl uid interaction and shale strength［R］. SPE 54356, 1999.

［2］FRIEDHEIM J, GUO Q, YOUNG S, et al. Testing and evaluation techniques for drilling fl uids-shale interaction and shale stability［R］. ARMA 11-502, 2011.

［3］王军义，王在明，王栋.生物聚合物甲基葡萄糖甙钻井液抑制机理［J］.石油钻采工艺，2006，28（6）：24-26.

［4］徐加放，邱正松，刘庆来，等.塔河油田井壁稳定机理与防塌钻井液技术研究［J］.石油钻采工艺，2005，27（4）：33-36.

［5］刘晓栋，王宇宾，宋有胜，等.活性泥页岩快速钻井钻井液技术［J］.石油钻采工艺，2011，33（2）：56-61.

［6］邹才能，朱如凯，白斌，等.中国油气储层中纳米孔首次发现及其科学价值［J］. 岩石学报，2011，27（6） ：1857-1864.

［7］CAI Jihua, CHENEVERT Martin E, SHARMA Mukul M, et al. Decreasing water invasion into atoka shale using nonmodified silica nanoparticles［J］. SPE Drilling &Completion, 2012, 27 （1）： 103-112.

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［9］SENSOY T, CHENEVERT M E, SHARMA MUKUL M.Minimizing water invasion in shales using nanoparticles［R］. SPE 124429, 2009.

［10］VAN OORT Eirc. A novel technique for the investigation of drilling fl uid induced borehole instability in shales［R］.SPE 28064, 1994.

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（修改稿收到日期 2013-03-10）

Experimental study on improving fi ltration properties of drilling fl uid using silica nano-particles

YUAN Ye, CAI Jihua, WANG Jijun, XIAO Changbo
（China University of Geosciences,Wuhan430074,China）

The main reason causing clay shale formation wellbore instability is that the expansion and sloughing of clay shale after water absorption. The thought was proposed that silicon dioxide nano-particles was used to plug the nano-size pores and throats of shale to reduce the permeability of shale, resulting in decreasing and delaying water invasion into shale. On the basis of preliminary studies,the paper evaluated the improvement effect of three types of drilling mud with two brands of silica nano-particles at different temperature, by means of transmission electron microscopy analysis, regular performance test of drilling fl uid and scanning electron microscope analysis. Results show that silica nano-particles could effectively reduce the fi ltration of Fresh Water Mud （FWM） and Bentonite Mud（BM）with temperature increase. It could reduce the loss of water by 56.25% at room temperature and 78% at 140 ℃. It has little effect on Low Solid Mud （LSM）. Finally, to the drilling mud with the weight concentration of 10% had better plugging capacity than that with the weight concentration of 5% because of forming more continuous and tight mud cake. Based on the experiment results, FWM and BM’s fi ltration properties could be improved using nano-particles with temperature increase（from room temperature to 160 ℃）.

nano silicon dioxide; drilling fl uid; fi ltration; shale; wellbore stability

袁野，蔡记华，王济君，等.纳米二氧化硅改善钻井液滤失性能的实验研究［J］. 石油钻采工艺，2013，35（3）：30-33，41.

TE254

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0030 – 04

国家自然科学基金项目“纳米架桥材料在低孔低渗煤层气藏钻完井过程中的暂堵机理研究”（编号：41072111）和“可降解钻井液在松软煤层瓦斯抽采孔钻进中的护孔和储层保护机理研究”（编号：40802031）的部分内容。

袁野，1988年生。中国地质大学（武汉）地质工程专业在读硕士研究生，现从事钻井液、井壁稳定与储层保护研究。E-mail：cugyuan@126.com。通讯作者：蔡记华，1978年生。博士、副教授。E-mail： catchercai@126.com。

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薛改珍〕