石蜡纳米乳液在钻井液中的应用及作用机理探讨

刘振东，李公让，赵怀珍

(中石化胜利石油工程有限公司 钻井液技术服务中心，山东 东营 257000)

纳米乳液因其具有良好的抑制性能、润滑性能、防塌性能，在钻井液中广泛使用。目前，文献记载的纳米乳液作用机理为，乳液滴能够较好地抑制地层黏土的水化膨胀和分散，而且小颗粒的乳液滴还能够对孔隙形成一定的封堵，能较快地在井筒表面附近形成一定强度的封堵层，进而控制钻井液流体及滤液进入井壁岩石，形成暂堵作用，较好保护油气层。同时，由于乳液滴可以吸附在井筒表面，发生润湿反转，使井筒表面成为亲油表面，导致乳液滴在钻具以及井筒表面形成一层油膜，使得乳液的润滑作用进一步增强[1-5]。笔者借助实验手段，对含有石蜡纳米乳液的钻井液体系进行评价，并探讨纳米乳液对表面张力、润湿性及对钻井液封堵、润滑性能的影响，分析其表现原因和机理。

1 含纳米乳液钻井液体系性能评价及作用

1.1 钻井液体系配方

在聚合物钻井液的基础上，通过加入超细碳酸钙、纳米乳液以及重晶石，考察含纳米乳液钻井液体系性能在加入纳米材料前后以及加重后的变化，分析纳米乳液对钻井液性能的影响。钻井液基浆配方如下： 5%膨润土浆+0.2%IND30+0.4%铵盐+0.75%DSP-2+0.5%LV-CMC+2.5%聚合醇。

配方1：基浆+(2～4)%超细碳酸钙(6.5 μm)；

配方2：基浆+(2～4)%纳米乳液；

配方3：基浆+(2～4)%纳米乳液+15%重晶石( 4.5 μm)+ (2～4)%超细碳酸钙(6.5 μm)。

1.2 钻井液流变性能评价

纳米乳液对钻井液常规性能的影响见表1。

表1 纳米乳液对钻井液常规性能的影响

从表1可知，纳米乳液对钻井液体系的流变性能有一定的影响，体系黏切有增加的趋势，但影响有限，主要原因是纳米乳液滴具有较高的活化能，本身易于团聚，且极易吸附与黏土和处理剂分子表面，从而增加体系的胶体结构，引起黏切增加。

1.3 钻井液滤失性能

纳米乳液对钻井液滤失量的影响见图1。

图1 纳米乳液对钻井液体系滤失量的影响

从图1可知，加入纳米乳液后，滤失量降低不明显，一方面原因是纳米颗粒的封堵方法还有待探讨，因为目前所用滤失量测定标准中的滤纸孔径明显大于纳米颗粒，可能是导致滤失量评价效果不明显的原因之一；另外降低滤失量还需要不同粒径的颗粒进行复配，达到合理的粒度级配后，效果才比较理想。

1.4 钻井液润滑性能

纳米乳液对钻井液润体系滑性系数的影响见图2。

图2 纳米乳液对钻井液体系润滑系数的影响

从图2可知，加入纳米乳液后，润滑系数明显降低，说明纳米乳液具有较好的润滑作用。

1.5 钻井液粒度变化

纳米乳液对钻井液体系粒度级配的影响见图3。

从图3可知，随着不同粒径固体颗粒的加入， 体系粒度级配趋于优化，说明纳米乳液有较好调节粒度级配的作用，可用于钻井液体系对井壁的封堵。

含纳米乳液的水基钻井液体系在胜利油田大北区块、永553区块、桩129区块的多口井进行现场应用，通过实时优化调控钻井液中固相粒度分布并利用协同封堵技术，大大提高了钻井液的封堵性能，解决了沙三段含油泥页岩的坍塌问题，取得较好的现场应用效果。

图3 纳米乳液对钻井液体系粒度级配的影响

2 纳米乳液的表面张力作用

钻井使得地层岩石原来呈现出平衡状态的物化、应力等各种因素发生变化，井壁失稳就是其中一种。研究发现，钻井流体会在压差作用下侵入发育的地层裂缝以及孔隙，特别是硬脆性质的泥页岩，毛细管效应明显。地层裂缝以及孔隙发生毛细管效应后，外部流体的进入加剧了地层黏土的水化膨胀，而水化膨胀又导致更多的裂缝出现，诱导扩展，最终在该区域形成裂缝较发育的状态，岩石内部结构的平衡被打破，岩石的强度降低，逐步分散、剥蚀，形成掉块坍塌，直至井壁失稳。因此，在充分认识井壁失稳机理的基础上，对纳米乳液的表面张力等特性进行分析，帮助找到解决问题的方法。

纳米乳液具有强抑制性、井壁稳定性、油层保护性能，原因是其可有效降低钻井液的表面张力，延缓或阻止滤液的侵入，降低或解除低渗油气田水锁效应的影响。通过对纳米乳液表面张力的测定，分析纳米乳液降低表面张力的原因。

2.1 样品的制备

分别按0.02、0.1 、0.4、1、2、5、10、20、50、100、200 g/L的质量浓度称量处理剂加入水溶液中，充分搅拌使其均匀分散，控制溶液的pH在8～9。

2.2 表面张力分析

使用德国Kruss公司processor tensiometer-K12表面张力仪，测定处理剂水溶液在25 ℃下的表面张力纳米乳液的表面张力曲线见图4。

从图4可以看出，不同加量纳米乳液水溶液的表面张力等温线显示出表面活性剂的典型特征。由于纳米乳液制备需要相当量的表面活性剂，在低加量条件下就可以显著地降低溶液表面张力，可以从72 mN/m降到32 mN/m，加量大于5%达到一个平台。游离乳化剂的界面吸附是表面张力下降的原因，但由于不同纳米乳液制备时所选择乳化剂种类、配比以及用量不同，曲线中表现出的表面张力值可能会有变化，但整体变化趋势是相同的。

图4 纳米乳液表面张力曲线

3 纳米乳液的润湿性能

岩石润湿性能够影响到岩石的滤液侵入速度和吸水膨胀程度，因此改变润湿性能够起到稳定井壁的效果。纳米乳液的井壁稳定性和润滑性能与其具有的润湿反转特性是分不开的。因此探讨纳米乳液对岩石(实验使用泥页岩)润湿性的影响，通过测定水滴与样品的接触角，考查钻井液处理剂—泥页岩岩屑分散体系与水的润湿性。

3.1 样品制备

配制质量浓度为2 g/L或20 g/L的岩屑—纳米乳液分散体系：首先将岩屑制备成分散体系，然后分别加入一定量的纳米乳液，得到质量浓度为1、2、20、100 g/L的岩屑—纳米乳液分散体系，充分搅拌使其分散均匀。实验选用的泥页岩岩屑为“滨435区块沙四段泥页岩”，并研磨粉碎。

3.2 润湿性测定

使用Tracker界面流变仪(法国泰克利斯仪器公司)，在载玻片上均匀涂抹分散体系，静置于室温下，每隔24 h称量一次，直到两次重量之差小于0.001 g。按接触开始,接触2 s、接触5 s，观察记录水滴与载玻片接触后的形态。做水滴与水平面基线接触点沿水滴方向的切线，并量取该切线与水平面基线所形成的角度，该角度即为接触角。然后取各时间点角度平均值，作为接触角用于评价润湿性。

3.3 结果与分析

不同质量浓度纳米乳液接触角测定结果见表2、图5。

表2 不同质量浓度纳米乳液的接触角测定结果

图5 不同浓度纳米乳液接触角

从表2和图5可以看出，泥页岩润湿性能够很好地被纳米乳液改变。低质量浓度时，可使泥页岩变为弱亲水性；较高质量浓度时，可使泥页岩发生润湿反转现象，呈现亲油性。原因是石蜡纳米乳液中既含有疏水的沥青和石蜡，又有乳化剂或分散剂，因此该类钻井液添加剂不仅具有表面活性剂的典型表面张力等温线，而且能够显著地改变泥页岩的润湿性，存在润湿反转现象。

4 纳米乳液对钻井液的封堵及润滑作用

4.1 泥饼质量

使用扫描电镜对加入纳米乳液前后的泥饼进行分析，结果见图6。

图6 不同配方体系泥饼SEM图像

4.2 结果分析

由图6可知， SEM图像分析表明泥饼中的纳米乳液能够对泥饼的孔隙进行有效充填，有一定的封堵作用，但纳米乳液分散不均匀，易团聚，泥饼中孔吼仍发育，泥饼还不够致密，使其具有一定的降滤失效果，但降滤失效果有限，这也是需要进一步优化粒度级配的主要原因之一。纳米乳液润滑作用主要表现在，纳米乳液颗粒粒径较小，可有效分散在钻井液中，并有一定团聚的趋势，可在钻具和岩石表面形成一层表面膜，有助于在与钻具和岩石表面摩擦过程中提升润滑效果；同时纳米乳液颗粒表面能高，易发生吸附，能够在摩擦表面出现的划痕和凹陷处进行填充，在摩擦表面呈现“滚珠”作用，形成局部滚动摩擦，从而降低扭矩[6～7]。

5 结 论

(1)纳米乳液对钻井液体系的流变性能有一定的影响，可增加钻井液的黏切；对滤失量的影响有限；可优化钻井液的粒度级配。

(2)纳米乳液含有的表面活性剂，可降低表面张力、实现岩石的润湿反转。

(3)纳米乳液对泥饼孔隙有一定的填充封堵，但单独使用纳米乳液并不能形成致密的泥饼，封堵作用有限。

(4)纳米乳液存在润湿反转作用和“滚珠轴承”效应，具有良好的润滑性能。