钻井液中纳米颗粒添加剂的应用*

2022-02-15赵万春

化学工程师 2022年11期

邹岳，赵万春

（东北石油大学教育部陆相页岩成藏与开发重点实验室a.石油工程学院；b.非常规油气研究院，黑龙江大庆 163318）

钻井液是一种涉及到乳液、曝气和悬浮颗粒的复杂液体，针对不同开采储层应有不同种的钻井液。为了便于钻采施工过程中钻井液从地面与钻头处往返带出岩屑并能重复利用，钻井液须具备特殊的、适当的特性，有利于进行高效开发。

添加剂使得钻井液具备了钻采过程中遇到恶劣储层急需的特性，目前，有很多学者的研究表明，纳米颗粒添加剂增强了钻井液某些关键特性，由于纳米颗粒具有表面积和体积比大、良好的导热性、颗粒尺寸比一般的孔吼道小和能够去除重金属和有毒化合物的特点，作为添加剂使得钻井液获得耐受高温高压、良好的传热效率、高效地堵塞地层孔隙和减少对环境的污染等多方面的关键特性，能够改善整个钻采过程。

本文介绍了以纳米颗粒为添加剂的钻井液，使得钻井液改善了自身的流变特性、过滤性和热稳定性等多方面的特性，以供参考和应用。

1 聚合物纳米颗粒钻井液

通过制造可降解生物的聚合单体，如氰基丙烯酸烷基酯可合成聚合物纳米颗粒，基于聚合物的纳米颗粒钻井液可以改善其流变性，可减少钻井开采中钻井液的损失，提高堵塞效率。

在水基流体中添加聚苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯丙烯酸/粘土添加剂，稳定了钻井液的流变特性，与基础钻井液相比，流体滤失量减少了65%；由于粘土纳米颗粒会与水基质中带电聚合物相互作用，从而为钻井液提供更大的流动阻力[1]；在水基流体中加入合成聚合物与CuO/ZnO结合成的纳米复合材料，在高温高压条件下，由于此时纳米颗粒尺寸非常小，具有表面积大、良好的导热性和流动性等特点，钻井液的流变性能提高了14%，滤液量降低了25%，展现出稳定的流变特性和较小的滤失量[2]；以木质素磺酸盐/丙烯酰胺接枝共聚物（LS-gPAM）为添加剂的钻井液，能够改善自身的流变特性控制自身的pH值和滤液量，具有极强的稳定性和耐酸耐碱性[3]；以纳米羧基甲基纤维素/聚苯乙烯为添加剂的钻井液，由于该种聚合物纳米颗粒有着较大的表面积和体积比，在低浓度条件下，钻井液可以改善自身的物理和化学性质，可以减少30%的滤失量[4]；以改性聚合物（疏水）/SiO2为添加剂的钻井液有着稳定的流变特性和滤失损伤量，由于该种纳米颗粒的吸附作用，使得储层岩石表面更加疏水，增强了储层的稳定性，便于钻采某些不稳定的储层[5]。

2 金属纳米颗粒钻井液

由至少一个金属核，无机金属和金属氧化物能够合成金属纳米颗粒，该颗粒通常由非金属或金属氧化物外壳包裹，过渡金属纳米颗粒作为添加剂可以有效的改善钻井液的热传导率。

2.1 铁基纳米颗粒

最常见的金属氧化物纳米颗粒是Fe2O3纳米颗粒，由于其具有强磁性和成本较低的特点，该种纳米颗粒钻井液在高温高压条件下，具有良好的流变特性和对滤饼的高过滤性，BWBF的研究结果表明，在Fe2O3纳米颗粒钻井液中由于静水压力，纳米颗粒进入了较小的孔吼中，降低了滤饼的空隙，减少了滤液量[6]。

2.2 钙纳米颗粒

钙纳米颗粒具有与油基钻井液非常好的相容性、相对便宜和较低的毒害等特点；Contreeas等人[7]分别在高温高压和低温低压条件下比较了钙纳米颗粒钻井液和铁纳米颗粒钻井液的性能差异，发现在低温低压条件下钙纳米颗粒钻井液的性能优于铁纳米颗粒钻井液，而在高温高压条件下结果相反。

2.3 银纳米颗粒

银纳米颗粒因具有非常好的导热/导电性和整体稳定性的特点而被广泛使用，对高温下添加了银纳米颗粒的油基钻井液进行热传导率的测试，结果表明，银纳米颗粒的浓度越高，其钻井液热传导率越好；对分别添加了银纳米颗粒和石墨烯纳米颗粒的水基钻井液进行了粘度测试，发现两种钻井液的塑性粘度分别提高了65%和90%，这将有助于提高水基质的稳定性[8]。

2.4 锆纳米颗粒

由于ZrO2的表面极具极性，ZrO2纳米颗粒钻井液被施工现场证明能够将油湿储层改造为水湿储层，利于开发；ZrO2纳米颗粒钻井液也能够通过和生物聚合物结合进而提高钻井液的粘度，减少滤失量，增强其流体流变特性，提高钻井液稳定性。

3 碳基纳米颗粒钻井液

3.1 石墨烯纳米颗粒

由于氧化石墨烯极薄，厚度约为1nm，尺寸大小可以涉及到纳米，其物理和化学性质非常稳定，适用于钻井液的添加剂，氧化石墨烯钻井液比常规的钻井液具有更好的过滤效果、润滑效果和稳定性，由于氧化石墨烯颗粒更小且致密，钻井液能够改善钻采过程中井筒出现的流体分散不良的现象。

以石墨/改性正构烷烃为添加剂的钻井液改善了自身的流体粘度，滤失损失体积减少了约20%，有利于稳定天然气水合物储层[9]；以石墨和铝混合为添加剂的钻井液改善了自身的凝胶结构，增强了热/电导率，减少了滤失损失[10]；由于石墨烯纳米颗粒尺寸小，从而纳米颗粒在钻井液中高度分散，以石墨烯纳米片（GNP）为添加剂的钻井液，在低应力条件下流体粘度得以改善，在高应力条件下流体粘度变小[11]。

3.2 碳纳米颗粒

碳纳米颗粒作为钻井液的添加剂，能够提高钻井液的流变性能和储层稳定性。

以多壁碳纳米管（MWCNT）为添加剂的钻井液，在常规钻井液的基础上提高了自身5倍的粘度[12]；以碳加聚合物的形式为添加剂的钻井液增强了自身裂缝密封能力，降低了传递的孔隙压力[13]；在油基流体中添加多壁碳纳米管能够增强钻井液的导热性、流体稳定性和过滤性，提高了流体粘度。

4 陶瓷纳米颗粒钻井液

4.1 SiO2纳米颗粒

SiO2纳米颗粒具有极好的稳定性、毒性较小且成本低廉的特点，能与聚合物结合，有效的发生作用，作为添加剂能够有效的改善钻井液的流变性。

在水基流体中添加SiO2纳米颗粒作为添加剂，在高温高压条件下，无论纳米颗粒是低浓度还是高浓度，钻井液均呈现出极强的稳定性[14]；当SiO2纳米颗粒直径为5.7nm时，无论是在高温高压还是低温低压的条件下，钻井液的流变特性均得到了改善[15]；当添加疏水SiO2纳米颗粒时，在钻采过程中滤失体积减少，增强了其稳定性，有利于钻采天然气水合物储层[16]。

4.2 TiO2纳米颗粒

TiO2纳米颗粒具有良好的导电性、磁性和抗菌性，添加到钻井液中能够增强钻井液的热转变特性。

在水基流体中添加TiO2纳米颗粒作为添加剂，增强了钻井液的凝胶强度，减少了对储层的伤害[18]；低浓度的该种添加剂，能够增强钻井液的流变特性和润滑性[17]；当将基液静置4周时，TiO2纳米颗粒尺寸变大，能够减少钻井液的滤失损失[19]。研究结果表明，以TiO2纳米颗粒作为添加剂的钻井液增强了对储层的保护。

4.3 CuO纳米颗粒

CuO具有良好的导热性能，作为添加剂能够显著地增强水基流体中的导热率。

在水基流体中添加CuO纳米颗粒作为添加剂，当与ZnO纳米颗粒结合共同作为添加剂时，可使钻井液的热/电导率均提高了50%[20]；在高温高压条件下，CuO纳米颗粒添加剂能够有效的增强钻井液的凝胶强度，在低温低压条件下，滤失损失体积减少了30%[21]；当CuO纳米颗粒的尺寸为50nm时，不同浓度下，该纳米颗粒添加剂对钻井液的改善情况不同，在高浓度下，能够降低24%的酸碱度，减少钻井液的滤失损失[22]。

4.4 黏土纳米颗粒

由于粘土具有在干燥时会变硬、强度变大的现象，添加了粘土纳米颗粒的钻井液，其电阻率会相应的降低。

在膨润土基液中添加黏土纳米颗粒，该种钻井液在添加剂低浓度和常温条件下的电阻率降低了21%，极大的减少了流体的损失[23]；在油基流体中添加改性黏土纳米颗粒，该种钻井液有效地改善了自身的流变特性和凝胶强度，在所有温度和浓度的条件下，钻井液能够有效的稳定水乳液[24]；在水基流体中添加黏土/SiO2纳米复合材料，不同添加剂浓度下，该种钻井液由于添加剂纳米颗粒尺寸较小，在高温和低温条件下都能够有效的缓解堵塞问题[25]。