钻井液用纳米封堵剂研究进展

马成云， 宋碧涛， 徐同台， 彭芳芳， 宋涛涛， 刘作明

钻井液用纳米封堵剂研究进展

马成云1， 宋碧涛2， 徐同台1， 彭芳芳1， 宋涛涛1， 刘作明3

（1.北京石大胡扬石油科技发展有限公司，北京 102200；2.中国石化江苏油田分公司石油工程技术研究院，江苏扬州 225000；3.渤海钻探定向井技术服务分公司，天津300280）

马成云，宋碧涛，徐同台，等.钻井液用纳米封堵剂研究进展[J].钻井液与完井液，2017，34（1）：1-8.

MA Chengyun， SONG Bitao， XU Tongtai， et al. Progresses in studying drilling fl uid nano material plugging agents[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（1）：1-8.

分析了硬脆性泥页岩井壁失稳的原因，介绍了纳米材料特点及其应用，并概述了国内外钻井液用纳米封堵剂的研究进展，包括有机纳米封堵剂、无机纳米封堵剂、有机/无机纳米封堵剂，以及纳米封堵剂现场应用案例。笔者认为：利用无机纳米材料刚性特征以及有机聚合物可任意变形、支化成膜等特性，形成的一种核壳结构的无机/聚合物类纳米封堵剂，能够很好地分散到钻井液中，且对钻井液黏度和切力影响较小，这种类型的纳米封堵剂能够在低浓度下封堵泥页岩孔喉，建立一种疏水型且具有一定强度的泥页岩人工井壁，这不仅能够阻止钻井液侵入，而且还能提高地层承压能力，无机纳米材料与有机聚合物的结合是未来钻井液防塌剂的发展方向。

纳米封堵剂；硬脆性泥页岩；井壁稳定；防塌；综述

随着石油天然气资源勘探开发范围的扩大，特别是非常规油气资源页岩气和致密油的开发，硬脆性泥页岩井壁失稳问题成了亟需解决的问题[1-2]。国外学者研究表明[3]：泥页岩孔喉大小在5～50 nm之间，平均孔喉直径在10～30 nm，且易引发井壁失稳的硬脆性泥页岩，大多存在闭合或开启的层理和微裂缝，毛管作用力较强。在正压差与毛管压力作用下，钻井液容易侵入，导致泥页岩沿着裂缝面或层理面开裂，并且不断沿着裂缝面纵向横向发展。此外，侵入的滤液会使裂缝面或层理面之间的摩擦系数减小，从而增大井壁失稳现象。因此封堵泥页岩纳米级孔喉和裂缝成为了解决泥页岩井壁失稳的关键。但是Al-Bazali等人研究表明：常规钻井液处理剂的颗粒粒径在0.1～100 μm之间，主要适用于封堵0.1～1 mm的地层孔喉和裂缝，说明钻井液中的常规处理剂在泥页岩地层难以形成泥饼。Chenevert教授2009年[4-9]将未改性的纳米SiO2加入到水基钻井液中，研究发现加入纳米SiO2的钻井液降低了泥页岩地层渗透率，延缓孔隙压力传递，于是他们认为纳米封堵剂能够封堵泥页岩孔喉。随后，国内外学者也相继开展了大量关于纳米封堵剂的研究。

1 钻井液用纳米封堵剂

1.1 有机纳米封堵剂

有机纳米粒子在一定温度和压力下，具有可压缩变形性，能够对井壁的微孔隙形成致密封堵，适用于蒙脱石含量较高的地层，特别是在易造浆、易水化膨胀、稳定性差的地层。

1.1.1 纳米聚合物类

目前，国内外有机纳米封堵剂主要以聚合物纳米复合材料为主。由于高分子量聚合物非极性部分的伸展， 使水等极性分子无法通过这层非极性分子组成的膜， 同时纳米聚合物能够聚集在泥饼内，降低泥饼的渗透率， 从而达到降低钻井液滤失量的目的。贝克休斯公司开发了一种可变形的纳米级封堵聚合物MAX-SHIELD[10]， 其主要组分为平均粒度小于0.2 μm的羧基丁苯乳胶或磺化丁苯乳胶，加量为3%时， 即可在井壁表面形成一层致密膜结构，达到良好的封堵效果和井壁稳定作用。林梅钦[11]研制了纳米级水溶胀交联聚丙烯酰胺微球， 原始粒径约为30～150 nm，呈多分散性分布，其形态接近球形， 具有一定的变形性，其分散体系能够对0.4 μm孔喉形成有效封堵。王伟吉[12]以苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯为单体， 过硫酸钾为引发剂， 采用乳液聚合法制备了纳米聚合物微球封堵剂SD-seal，其分散性好，平均粒径在20 nm左右， 能抗402.5 ℃高温， 阻缓孔隙压力传递。实验结果表明，SD-seal可使龙马溪组页岩岩心渗透率降低95%。

1.1.2 铝络合物类

孙强等[13]研制了一种络合铝化学封堵剂PFChemSeal，能够封堵0.5～3.1 μm的孔隙和微裂缝。加有PF-ChemSeal的钻井液能在微裂缝中形成层状封堵，在泥页岩表面形成与微裂缝方向垂直的致密络合铝化学沉淀层。Arambulo V. H.[14]研发了一种铝基高性能水基钻井液体系，解决了泥页岩地层井壁难以形成泥饼问题。该体系主要添加剂由可变形封堵聚合物和铝复合材料构成，其中可变形封堵聚合物能够架桥封堵泥页岩孔喉，阻止孔隙压力传递，而铝复合材料能够渗透到泥页岩内部，产生沉淀、封堵裂缝，且已有现场成功应用案例。

1.1.3 纳米级的胶束类封堵剂[15]

汉科公司使用纳米级的胶束封堵剂HSM（嵌段共聚聚醚高分子表面活性剂）和微米级的纳微固壁剂HGW（憎水性微交联的丙烯酸酯）作为页岩封堵材料。HSM胶束在水溶液中可呈球状、层状、棒状，其尺寸在1～100 nm之间，胶束粒子在孔喉中相互聚集并产生疏水胶团，能够快速封堵泥页岩纳米孔喉，阻止自由水向泥页岩深部侵入。微米级固壁剂HGW颗粒尺寸在100～1 000 nm之间。当其覆盖在井壁岩石表面后，在压力作用下可变形粒子紧密堆积形成一层憎水膜，阻止水与岩石的接触，防止泥页岩的水化，并加固井壁。加入3%HGW+2%HSM时能显著提高钻井液体系的封堵性能。已在冀东油田应用，具有良好的封堵性。

1.1.4 纳米乳液

纳米乳液[16]（nanoemulsion）又称微乳液（microemulsion），是一种由水、油、表面活性剂和助表面活性剂等自发形成的透明或半透明的多分散相体系，具有热稳定性和分散性，液滴粒径为50～500 nm。由于纳米乳液的这种特殊性，其对钻井液的性能影响较小，可作为纳米封堵剂使用。

纳米石蜡乳液[17-18]是采用反相乳化法研制的一种纳米乳液，具有较好的抑制防塌性、润滑性和油气层保护性能。在乳化剂的作用下，纳米石蜡乳液会分离成一种微小液滴，具有较低的油水界面张力，会使岩石表面润湿性发生改变。由于纳米乳液具有较高的扩散渗透性，当其与泥页岩作用时，能够在黏土水化膨胀前封堵孔隙，阻止水侵入。此外，随着温度升高，当温度升到一定程度后乳液开始破乳，含有的有机质会吸附在井壁上，形成油膜，阻止水的侵入。

但是由于乳化石蜡强度有限，在高压差作用下，容易挤入地层深部而失去封堵能力。因此，王金荣等[19]选用高软化点的阳离子软化沥青RHJ-3，复配不同粒径的超细碳酸钙提高了乳液的稳定性和体系的封堵能力。

王琳， 钱晓琳[20]以丙烯酰胺、丙烯酸钾及阳离子单体为原料，采用反相乳液聚合方法合成了一系列共聚物乳液，加入到钻井液中会增加钻井液黏度和切力，但能极大地降低钻井液滤失量。当乳液加量为0.2%时，可使滤失量降低49.33%。

白小东[16]利用种子乳液聚合法合成了一种钻井液用纳米胶乳PMMA，平均粒径在73 nm，加入2%PMMA，可使砂床滤失量降低50%，砂床渗透性滤失量降低71%，说明纳米胶乳PMMA能够在压力作用下挤入细小孔隙中形成封堵。

Spisak B J[21]研究发现，纳米颗粒NPs不仅能够增加泡沫的稳定性，而且还能够对Atoka页岩孔喉和裂缝形成物理封堵。图1为含5%纳米颗粒NPs的泡沫钻井液压力传递测试结果。由图1可以看出，在泡沫钻井液中加入纳米颗粒NPs后，很大程度地降低了页岩渗透率，达83%～97%，同时也能降低处理剂使用量、节省作业成本。

图1 泡沫中加入5%纳米颗粒NPs前后压力传递测试结果

1.2 无机纳米封堵剂

当前钻井液用无机纳米材料主要以纳米氧化物为主，主要包括纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化铁和铁基/钙基纳米材料。

1.2.1 纳米SiO2

纳米SiO2是一种无机化工材料，俗称白碳黑，为无定形白色粉末，无毒无味无污染，微结构呈球形，不溶于水。纳米SiO2被赋予了特殊的空间网状结构，表面存在大量的不饱和残键，从而改变了体系的悬浮稳定性和流变性，可以通过化学气相沉积（CVD）、液相法、离子交换法和溶胶凝胶法制得。

M. E. Chenevert[22]对7种粒径为5～22 nm的未改性SiO2进行了实验研究，基本参数见表1。首先将10%的7种纳米SiO2分别加入到水基钻井液（FWM）中，在80 ℃热滚24 h后，测试其性能，结果见表2。从表2可以看出，只有NP-G导致钻井液性能变差、钻井液持续滤失之外，其他6种纳米SiO2对钻井液性能影响较小，且能够封堵滤纸孔喉，降低滤失量。

表1 7种商业未改性纳米SiO2的基本参数

表2 7种未改性纳米SiO2对水基钻井液（FWM）性能影响

笔者将上述的6种纳米SiO2分别加入到膨润土钻井液（BM）和低固相钻井液（LSM）中，并分别测试了钻井液流变性及其对Atoka页岩的封堵效果，实验结果见表3和表4。实验结果表明：粒径在7～22 nm之间的纳米SiO2能够降低Atoka页岩的渗透率，且对钻井液流变性能影响较小。

1.2.2 改性纳米SiO2

由于纳米SiO2表面存在大量活性羟基，使纳米SiO2表面呈现亲水疏油的特性，易于团聚，在有机质中或聚合物中很难分散，填料与聚合物之间很难形成偶联键，从而限制了纳米SiO2的作用。为此，国内外研究者对纳米SiO2进行了改性，即在纳米SiO2表面接枝疏水基团，减少其表面的羟基数，使之由亲水疏油变为疏水亲油，增强纳米SiO2与有机质之间的相容性[23]。

表3 6种未改性纳米SiO2对BM钻井液性能影响

表4 未改性纳米SiO2对页岩渗透率的影响

姚如钢[24]对纳米SiO2进行了改性，合成一种白色蓬松粉体改性纳米SiO2，其平均粒径在20 nm左右，比表面积大于600 m2/g，具有较强的亲水性，能在黏土颗粒和处理剂分子不饱和残键上形成牢固的物理化学吸附，从而显著改善钻井液润滑性，降低体系的黏度和切力，增强泥饼的致密性，降低体系的滤失量。闫丽丽[25]使用硅烷偶联剂对纳米SiO2疏水改性，研制了纳米封堵材料，其粒径分布为40～150 nm，具有良好的抑制性和封堵性，对钻井液流变性影响较小，封堵率由71%提高至88%。此外，一些研究者将超支化聚合物[26-27]或疏水缔合聚合物[28-29]接枝到纳米SiO2表面，形成一种具有核壳结构的纳米复合材料，提高了纳米SiO2的分散性和相容性。由于超支化聚合物具有特殊的支化结构和疏水性，能够渗透到泥页岩孔喉或裂缝中实行封堵。

1.2.3 纳米碳酸钙

张虹[30]基于早期提出的自解堵屏蔽暂堵理论，研发了一种疏水改性纳米碳酸钙，平均粒径在20～100 nm，相比超细碳酸钙更细，具有显著的表面效应。实验结果表明：在屏蔽暂堵钻井液中加入1.5%疏水碳酸钙后，滤失量由2.6降为1.2 mL，泥饼厚度由0.4变为0.28 mm，说明疏水暂堵钻井液能够快速形成外泥饼，降低瞬时滤失量。

1.2.4 氧化铁类

Omar Mahmoud 等[31-32]研发了一种Fe3O4纳米材料，能够在低浓度下发挥很好的降滤失效果。当Fe3O4纳米材料加量为0.5%时，能够使泥饼渗透率降低76.4%，累积滤失量降低42.7%。岳秋地等[33]通过热分解法制备了Fe3O4纳米封堵剂，具有磁场响应性，在钻井过程中，可以对特定地层进行选择性封堵，提高封堵效率。

1.2.5 钙基/铁基纳米颗粒（FeNP/CaNP）

Contreras O.等[34]研究发现，增加铁基纳米颗粒（FeNP）/钙基纳米颗粒（CaNP）到油基钻井液中，能够降低高温高压滤失量，增强地层承压能力。表5为铁基/钙基纳米颗粒压裂测试结果。

表5 加有FeNP/CaNP的油基钻井液承压能力测试结果

实验结果表明，0.5%的石墨与0.5%的FeNP/ CaNP混合以后作用效果最为有效，分别可以提高地层承压能力达39%和63%，且对钻井液流变性几乎没有影响。图2展示钙基纳米材料沿裂缝面形成的封堵层。

图2 钙基纳米材料沿着裂缝形成的封堵层

1.3 有机/无机纳米封堵剂

有机/无机纳米封堵剂是由一种无机刚性材料和一种或几种有机可变形纳米材料复合而成，其中无机刚性纳米材料具有很好的高温稳定性，能够架桥封堵页岩纳米级孔隙，而有机可变形纳米材料可在高温和压差作用下发生任意变形，填充刚性架桥纳米颗粒形成的孔隙，最终能够在岩石表面形成一种膜效率达58.2%[35]左右的半透膜，阻止滤液的侵入，起到保护井壁的作用。

Sadeghalvaad M[36]将二氧化钛纳米颗粒与聚丙烯酰胺发生聚合反应，合成了一种水溶性的纳米复合材料（TiO2/PAM），加入到膨润土基浆中能够显著改善钻井液流变性和滤失性，使滤失量降低64%。贺明敏[35]以改性纳米SiO2为无机结构单体，以AMPS、AM、AA和St为有机结构单体进行合成；Srivatsa J T[37]以纳米SiO2、生物聚合物、表面活性剂为材料合成冻胶。实验结果证明：聚合物基纳米颗粒能够渗透到泥页岩中，架桥封堵泥页岩孔隙，有利于加固井眼。也有人以无机纳米材料和纳米胶乳为原料，通过在无机纳米材料表面覆盖一层疏水型非离子有机物[38-40]，能够达到成膜封堵作用。

孙迎胜[41]利用无机纳米材料的高化学活性特点，将其与胶凝材料发生水化键合，生成以纳米材料为核心的三维网络结构，同时无机纳米材料极易进入水化产物的毛细孔及其微裂缝等缺陷结构中，使封堵剂固化后体积不收缩，析水量少，并改善封堵剂的物理力学性能，生成的微观结构更加致密均匀，封堵率达99.9%。

中海油服研制[42]了一种高效纳米封堵剂Green-seal，它是一种环保型水基钻井液用可变形封堵防塌剂， 由微米级不可变形材料、 纳米级可变形可再分散聚合物颗粒和天然高分子改性材料组成，粒径主要集中在80 nm和800 nm左右。在正压差作用下能够迅速挤入近井壁的微裂缝和孔喉中， 形成致密隔离层带，减缓压力传递，延长了井壁稳定时间。该纳米材料已在现场得到了成功应用，减少了起下钻时间。从渗透性封堵测试结果可以看出，基浆中加入Green-seal 以后滤失量降低75%左右，在陶瓷盘上形成了薄而致密的泥饼。

2 钻井液用纳米封堵剂现场应用案例

2.1 PF-ChemSeal在渤海钻井中的应用[13]

PF-ChemSeal是由中海油服研制的高效微纳米级络合铝化学封堵剂。针对泥页岩地层井壁稳定情况，在渤海海域常用的KCl/PHPA水基钻井液中加入2%PF-ChemSeal，加强了钻井液对泥页岩孔隙和微裂缝的封堵作用。加入PF-ChemSeal的X井φ216 mm井段钻井液性能比较稳定。通过PFChemSeal对Pieer Ⅱ页岩膜效率改善实验结果和X井φ216 mm井段井径曲线可以看出，化学封堵剂PF-ChemSeal能够提高泥页岩“膜效率”、减少泥页岩中孔隙压力传递、起到维持井壁稳定的作用。

2.2 Green-seal在东海和渤海钻井中的应用[42]

Green-seal是由中海油服公司研制的一种高效纳米封堵剂。东海NB区域一直存在严重坍塌、起下钻遇阻等井下复杂事故。为此，引入了高效封堵剂Green-seal，大大减少了起下钻时间，见表6。

表6 加入Green-seal后起下钻情况对比

2.3 改性纳米SiO2在KL3-2油田的应用[43]

改性纳米SiO2封堵剂HSM是采用硅烷偶联剂对SiO2纳米粒子进行表面处理，将温敏性聚N-异丙基丙烯酰胺高分子接枝到纳米SiO2表面，获得的温敏型纳米封堵剂。当HSM作用在井壁附近时，在压差作用下能够被挤入到井壁孔隙中，在岩石表面形成良好的封堵层，同时随着温度升高，HSM表面的温敏性聚合物从亲水状态转变为疏水状态，进而在岩石表面形成疏水膜，进一步起到阻水作用。

KL3-2油田某井是一口调整井，该井东营组下段和沙河街组地层为典型的硬脆性泥页岩地层，基质孔隙在100～300 nm，裂缝宽度在100～500 nm，钻井过程中，坍塌掉块严重。为此，该井三开转用PEM钻井液体系，并加入了0.5%的页岩抑制剂和一定量的微纳米封堵剂（HSM），后期钻井中未出现井壁掉块等井下复杂情况。现场应用表明：HSM能够减少钻井液向地层微裂缝中侵入。

2.4 纳米乳液SDJ-2在临盘区块的应用[44]

双保型纳米乳液SDJ-2在胜利油田街206/207井得到了成功应用，全井段平均井径扩大率由街2井的150%降低到了6.7%。主要由于SDJ-2在钻井液中具有很好的分散性，易渗入和吸附在井壁上，起到成膜封堵效果。

3 认识与建议

1.有机聚合物/无机纳米封堵剂既克服了有机纳米封堵剂低强度的劣势，又解决了无机纳米封堵剂在钻井液中容易发生聚沉等问题，是未来钻井液防塌处理剂的发展方向。

2.纳米封堵剂作用机理是纳米颗粒吸附在裂缝面或者孔喉处，改变了岩石表面润湿性，进而延缓了钻井液侵入，当大量的纳米颗粒聚集在裂缝面时会起到架桥封堵作用，结合常规钻井液封堵剂可封堵一定尺寸泥页岩微裂缝，达到稳定井壁的目的。

3.随着纳米技术的发展及推广，纳米技术已经应用到石油钻井各个环节，但是对于钻井液用纳米封堵剂的作用机理认识还不够清楚，大多钻井液用纳米封堵剂研究仅仅停留于室内研究阶段，现场应用较少。建议今后加强泥页岩封堵性评价方法和纳米封堵剂作用机理的研究，为今后非常规油气资源的勘探开发提供技术支持。

[1]张洪伟， 左凤江， 李洪俊， 等.微裂缝封堵剂评价新方法及强封堵钻井液配方优选[J]. 钻井液与完井液，2015， 32（6）： 43-45.

ZHANG Hongwei，ZUO Fengjiang，LI Hongjun，et al.Method for evaluation of plugging of nano-micron fracture[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2015， 32（6）： 43-45.

[2]闫丽丽， 李丛俊， 张志磊，等. 基于页岩气“水替油”的高性能水基钻井液技术[J]. 钻井液与完井液， 2015，32（5）：1-6.

YAN Lili，LI Congjun，ZHANG Zhilei，et al.High performance water-base drilling fluid for shale gas drilling[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（5）：1-6.

[3]SENSOY T. Use of nanoparticles for maintaining shale stability[J]. University of Texas at Austin， Austin， 2009.

[4]CHENEVERT M E， SHARMA M M. Maintaining shale stability by pore plugging： U.S. Patent 8，783，352[P]. 2014-7-22.

[5]SENSOY T， CHENEVERT M E， SHARMA M M. Minimizing water invasion in shales using nanoparticles[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers， 2009.

[6]AMANULLAH M， AL-TAHINI A M. Nano-technologyits significance in smart fluid development for oil and gas field application[C]//SPE Saudi Arabia Section Technical Symposium. Society of Petroleum Engineers， 2009.

[7]CAI J， CHENEVERT M E， SHARMA M M， et al. Decreasing water invasion into Atoka shale using nonmodified silica nanoparticles[J]. SPE Drilling & Completion， 2012， 27（01）： 103-112.

[8]JI L， GUO Q， FRIEDHEIM J E， et al. Laboratory evaluation and analysis of physical shale inhibition of an innovative water-based drilling fluid with nanoparticles for drilling unconventional shales[C]//SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers， 2012.

[9]CONTRERAS O， HARELAND G， HUSEIN M， et al. Wellbore strengthening in sandstones by means of nanoparticle-based drilling fluids[C]//SPE Deepwater Drilling and Completions Conference. Society of Petroleum Engineers， 2014.

[10]XIANG T， CLAPPER D. Drilling fluid systems comprising latex particle（ s）： U.S. Patent Application 11/284，163[P]. 2005-11-21.

[11]林梅钦， 董朝霞， 彭勃， 等. 交联聚丙烯酰胺微球的形状与大小及封堵特性研究[J]. 高分子学报， 2011（ 1）：48-54.

LIN Meiqin，DONG Zhaoxia，PENG Bo，et al. Shape，size and plugging properties of crosslinked polyacryamide microspheres[J]. Acta Polymerica Sinica， 2011（ 1）： 48-54.

[12]王伟吉， 邱正松， 黄维安， 等. 纳米聚合物微球封堵剂的制备及特性[J]. 钻井液与完井液， 2016， 33（1）：33-36.

WANG Weiji，QIU Zhengsong，HUANG Weian，et al.Preparation and characteristics of nano polymer microspheres used as plugging agent in drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2016，33（1）：33-36.

[13]孙强， 胡进军， 张兴来， 等. 络合铝化学封堵剂 PFChemSeal评价与现场应用[J]. 钻井液与完井液， 2015，32（4）：28-31.

SUN Qiang，HU Jinjun，ZHANG Xinglai，et al.Performance evaluation and application of aluminum complex chemical sealing additive PF-Chemseal[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（4）：28-31.

[14]ARAMBULO V H， COLQUE J N， ALBAN E D， et al. Case studies validate the effectiveness of aluminum-based HPWBM in stabilizing micro-fractured shale formations：field experience in the peruvian amazon[C]//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers， 2015.

[15]王维，杨波，李占伟，等.抗高温聚束钻井液在南堡 3-15井的应用[J]. 钻井液与完井液， 2014， 31（4）：15-18.

WANG Wei，YANG Bo，LI Zhanwei，et al.Application of high temperature polymeric micelle drilling fluids in well Nanpu3-15[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2014， 31（4）： 15-18.

[16]白小东， 蒲晓林. PMMA 纳米胶乳在钻井液中的性能评价[J]. 钻井液与完井液， 2010， 27（1）： 8-10.

BAI Xiaodong，PU Xiaolin. Performance evaluation of pmmanano-latexin drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2010，27（ 1）：8-10.

[17]赵春花， 夏小春， 项涛， 等. 防冻型纳米乳化石蜡 PF-EPF的研制与应用[J]. 钻井液与完井液， 2016， 33（5）： 9-14.

ZHAO Chunhua， XIA Xiaoehun， XIANG Tao，et al.Development and application of antifreeze nano emulsified paraffin PF-EPF[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2016， 33（5）： 9-14.

[18]蓝强，苏长明， 刘伟荣，等. 乳液和乳化技术及其在钻井液完井液中的应用[J]. 钻井液与完井液， 2006， 23（2）： 61-69.

LAN Qiang，SU Chang-ming ，LIU WeiRong，et al. Emulsions and emulsifying technique and their application in drilling and completion fluid technology[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2006， 23（2）： 61-69.

[19]王金荣， 王立锋， 杨立， 等. 强抑制乳液钻井液在玛北1 井二开钻井中的应用[J]. 油气藏评价与开发， 2012， 2（3）： 53-57.

WANG Jinrong ，WANG Lifeng， YANG Li .Application of strong inhibitive emulsion drilling fluid in the second interval drilling of well MB1[J]. Reservoir Evaluation and Development， 2012， 2（3）： 53-57.

[20]王琳， 钱晓琳. 聚合物乳液的合成及其在钻井液中的应用[J]. 西部探矿工程， 2015， 27（12）： 44-45.

WANG Lin，QIAN Xiaolin. Synthesis of a polymer emulsion and its application in drilling fluid[J].West-China Exploration Engineering， 2015， 27（12）： 44-45.

[21]SPISAK B J. Using nanoparticle stabilized foam to achieve wellbore stability in shales[J]. 2011.

[22]CAI J，CHENEVERT M E，SHARMA M M，et al. Decreasing water invasion into Atoka shale using nonmodified silica nanoparticles[J].SPE Drilling & Completion， 2012， 27（01）： 103-112.

[23]褚奇， 杨枝， 李涛， 等. 硅烷偶联剂改性纳米 SiO2封堵剂的制备与作用机理[J]. 钻井液与完井液， 2016， 33（4）： 47-50.

CHU Qi， YANG Zhi， LI Tao，et al.Preparation and analyses of nano SiO2plugging agent modified with silane coupling agent[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2016， 33（4）： 47-50.

[24]姚如钢， 蒋官澄， 李威， 等. 新型抗高温高密度纳米基钻井液研究与评价[J]. 钻井液与完井液， 2013，30（ 2）：25-28.

YAO Rugang，JIANG Guancheng，LI Wei，et al.Reseach and evaluation on new high temperature and high desity of nano-based drilling fluid system[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2013， 30（2）： 25-28.

[25]闫丽丽，孙金声，季一辉，等.钻井液用纳米二氧化硅封堵剂的研制及性能评价[C]//2014年全国钻井液完井液技术交流研讨会论文集，北京：中国石化出版社，2014.

YAN Lili，SUN Jinsheng，JI Yihui，et al.Preparation and properties evaluation of silicananoplugging agent in drilling fluid[C]//The 2014 National Conference on Drilling Completion Fluid Technology Communication，Beijing：China Petrochemical Press，2014.

[26]XIE G， LUO P， DENG M， et al. Nanoplugging performance of hyperbranched polyamine as nanoplugging agent in oil-based drilling fluid[J]. Journal of Nanomaterials， 2015.

[27]LI X， HONG C Y， PAN C Y. Preparation and characterization of hyperbranched polymer grafted mesoporous silica nanoparticles via self-condensing atom transfer radical vinyl polymerization[J]. Polymer， 2010，51（1）： 92-99.

[28]毛惠， 邱正松， 沈忠厚，等.疏水缔合聚合物/纳米二氧化硅降滤失剂的研制及作用机理[J]. 石油学报，2014， 35（4）： 771-778.

MAO Hui，QIU Zhengsong，SHEN Zhonghou，et al.Synthesis and mechanism of hydrophobic associated polymer based nano-silica filtrate reducer[J].Acta Petrolei Sinica， 2014， 35（4）： 771-778.

[29]毛惠， 邱正松， 沈忠厚， 等. 两亲嵌段疏水缔合聚合物基纳米 SiO2的合成及溶液特性[J].高分子材料科学与工程， 2015（ 1）： 7-12.

MAO Hui，QIU Zhengsong，SHEN Zhonghou，et al.Synthetic and solution properties of amphoteric hydrophobic associate polymer based nano-silica[J]. Polymer Materials Science & Engineering， 2015（ 1）：7-12.

[30]张虹， 蓝强. 基于疏水改性纳米碳酸钙的钻井完井液[J]. 钻井液与完井液， 2015， 32（2）： 43-46.

ZHANG Hong， LAN Qiang. Study on hydrophobic nano calcium carbonate drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2015， 32（2）： 43-46.

[31]MAHMOUD O， NASR-EL-DIN H A， VRYZAS Z，et al. Nanoparticle-based drilling fluids for minimizing formation damage in HP/HT applications[C]//SPE International Conference and Exhibition on Formation Damage Control. Society of Petroleum Engineers， 2016.

[32]CONTRERAS PUERTO O. Wellbore strengthening by means of nanoparticle-based drilling fluids[D]. University of Calgary， 2014.

[33]岳秋地， 武元鹏， 吴江， 等. Fe3O4纳米封堵剂的制备，表征及封堵性能[J]. 油田化学， 2014（ 3）： 322-325.

YUE Qiudi，WU Yuanpeng，WU Jiang，et al.Preparation， characteriazation and plugging properties of Fe3O4nanoparticles for plugging agent[J].Oilfield Chemistry， 2014（ 3）： 322-325.

[34]CONTRERAS O， ALSABA M， HARELAND G， et al. Effect on fracture pressure by adding iron-based and calcium-based nanoparticles to a nonaqueous drilling fluid for permeable formations[J]. Journal of Energy Resources Technology， 2016， 138（3）： 032906.

[35]贺明敏， 蒲晓琳， 苏俊霖， 等. 钻井液用纳米复合乳液成膜剂 NCJ-1 的合成与评价[J]. 石油与天然气化工，2012， 41（2）： 187-190.

HE Mingmin，PU XiaoLin，SU Junlin，et at.Preparation and evaluation of nano-composite latex film former NCJ-1 for drilling fluid[J].Chemical Engineering of Oil and Gas，2012， 41（2）： 187-190.

[36]SADEGHALVAAD M， SABBAGHI S. The effect of the TiO2/polyacrylamide nanocomposite on water-based drilling fluid properties[J]. Powder Technology， 2015，272： 113-119.

[37]SRIVATSA J T， ZIAJA M B. An experimental investigation on use of nanoparticles as fluid loss additives in a surfactant-polymer based drilling fluids[C]// International Petroleum Technology Conference. International Petroleum Technology Conference， 2011.

[38]白小东， 蒲晓林.有机/无机复合纳米水基钻井液体系研究[J]. 石油钻探技术， 2010， 38（2）： 47-50.

BAI Xiaodong，PU Xiaolin. Study of organic/inorganic composite nano-sized water-based drilling fluids[J]. Petroleum Drilling Techniques， 2010， 38（2）： 47-50.

[39]白小东， 蒲晓林， 张辉. 纳米成膜剂 NM-1 的合成及其在钻井液中的应用研究[J]. 钻井液与完井液， 2007， 24（1）：13-14.

BAI Xiaodong，PU Xiaolin，ZHANG Hui.Synthesis of nano filming agent NM-1 and its application in drilling fluids[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2007， 24（1）： 13-14.

[40]陈二丁， 周辉. 成膜强抑制纳米封堵钻井液的研究[J].钻井液与完井液， 2011， 28（3）： 39-41.

CHEN Erding，ZHOU Hui.Research of high inhibition film-forming nano-sealing drilling fluid[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2011， 28（3）： 39-41.

[41]孙迎胜， 陈渊， 温栋良， 等. 纳米封堵剂性能评价及现场应用[J]. 精细石油化工进展， 2010（ 11）： 10-12.

SUN Yingsheng， CHEN Yuan， WEN Dongliang，et al. Evaluation and field application of nanometer plugging agent[J]. Advances in Fine Petrochemicals，2010（11）： 10-12.

[42]胡进军， 夏小春， 孙强，等. JFC 钻井液体系升级研究及应用[J]. 钻采工艺， 2013， 36（4）： 79-82.

HU Jinjun， XIA Xiaochun， SUN Qiang，et al.Research and field application of JFC drilling fluid system upgrate[J].Drilling & Production Technology， 2013， 36（4）： 79-82.

[43]邱正松，王伟吉，董兵强，等. 微纳米封堵技术研究及应用[J]. 钻井液与完井液，2015， 32（2）： 6-10.

QIU Zhengsong ，WANG Weiji， DONG Bingqiang，et al.Study and application of micro-nano plugging technology[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2015，32（2）： 6-10.

[44]王佩平. 聚磺纳米乳液钻井液在临盘街 206 井的应用[J]. 石油地质与工程， 2007， 21（2）： 75-77.

WANG Peiping.Application of polymer sulfonated emulsion drilling fluid in Jie-206 well in LinPan[J]. Petroleum Geology And Engineering， 2007，21（2）：75-77.

Progresses in Studying Drilling Fluid Nano Material Plugging Agents

MA Chengyun1, SONG Bitao2, XU Tongtai1, PENG Fangfang1, SONG Taotao1, LIU Zuoming3
(1.Beijing Shidahuyang Petroleum Scien-Tech Development Company Ltd., Beijing 102200; 2.Research Institute of Petroleum Engineering Technology, SINOPEC Jiangsu Oilf i eld Company, Yangzhou, Jiangsu 225000; 3.Directional Drilling Service Company, BHDC, Tianjin 300280)

This paper analyzes the mechanisms under which the hard and brittle shale formations destabilize, introduces the characteristics and application of nano materials, and summarizes the progresses made in the studies of drilling fl uid nano material plugging agents, including organic and inorganic nano plugging agents. Also discussed in this paper are several case histories of the application of nano plugging agents. The authors believe that plugging agents having core-shell structures, which take advantage of the rigidity of inorganic nano materials and the deformability and fi lming ability of organic polymers, do not heavily affect the viscosity and gel strength of the drilling fl uids in which the plugging agents can well dispersed. This kind of nano plugging agents can plug the pore throats of shales at low concentrations, thereby produce a pseudo hydrophobic “borehole wall” with some strength. This pseudo “borehole wall” not only hinders the invasion of drilling fl uids, it also increases the pressure bearing of formation. The authors thus believe that the combination of inorganic nano materials and organic polymers indicates the direction for the development of anti-collapse additives in the future.

Nano material Plugging agent; Hard and brittle mud shale; Borehole collapse; Anti collapse; Summarize

TE254.3

A

1001-5620（2017）01-0001-08

2016-11-25；HGF=1604N5；编辑 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.001

马成云，1987年生，2015年毕业于西安石油大学，现在主要从事钻井液技术相关的研究工作。电话13636810776；E-mail：mcy0000@163.com。