纳米颗粒对高温高压钻井液性能的影响

孙珊珊, 曲瑞雪, 佘跃惠, 张凡

(1. 长江大学石油工程学院, 武汉 430100; 2. 非常规油气湖北省协同创新中心, 武汉 430100;3. 中国地质大学(北京)能源学院, 北京 100083)

近年来,随着对石油与天然气能源的深度开发,石油工业不断探索新的油气来源,其中高温高压(high-temperature and high-pressure, HTHP)油藏是重要的待开采储层[1-3]。国内外对高温高压井的定义不相同,根据哈里伯顿公司给出的对地层温度和压力的划分,可分为常温常压、HTHP、超HTHP和极高HTHP储层[4]。温度高于150 ℃,压力超过70 MPa即为HTHP油藏。通常认为储层压力和温度随着其深度的增加而增加,HTHP油田的钻探具有极大的风险和挑战。

由于钻井液的流变性和密度会受到温度和压力的显著影响,在HTHP条件下,钻井液漏失量的增加和溢流容易造成井涌,很难高精度地对钻井控压。而且,受到高压的影响,钻头的切削效率会降低,钻速下降,会增加钻井成本。可根据不同的井下应用情况定制相应的钻井液体系,以完成钻头表面的冷却和润滑,通过将岩石碎块运输出井眼来清洁井筒,稳定井壁,同时通过在井壁上形成适当的滤饼来尽量减少对地层的损害,并控制地下压力,防止地层流体侵入井筒,从而最大限度地降低井喷风险。因此,针对HTHP油藏研究设计出合适的具有特定性能的钻井液对于石油行业具有重要意义[5]。

随着纳米材料技术的发展,纳米颗粒(nanoparticles, NPs)已被广泛应用于油气行业的各个领域。NPs大的比表面积增加了与相邻材料或表面的反应性和相互作用,同时具有特殊的物理化学性质以及胶体稳定性、热化学稳定性[6-8],因此,NPs在开发新型钻井液方面表现出巨大潜力。NPs不仅可以提高钻井液的传热效率,有效冷却钻头和钻具,而且在井壁与钻杆之间还可以起到润滑剂的作用,有利于进一步钻井作业[9]。研究发现,在钻井过程中,利用NPs替代传统材料作为添加剂可以减少环境危害,降低生态风险[10-11]。

现对近年来用于HTHP钻井液添加剂的NPs进行简要概述。主要从改善流变性、滤失性和提高热稳定性、润滑性4个方面介绍NPs对钻井液的性能影响。最后,讨论NPs 应用于HTHP钻井液的挑战,并提出相关建议,以期为促进HTHP钻井液体系研究提供新方向。

1 HTHP钻井液中NPs的类型

过去的研究中,常使用聚合物作为钻井液配方的常用添加剂,可以提高黏度和降低滤失量。然而,在深井HTHP环境下聚合物易发生降解,导致钻井液性能不稳定,甚至造成严重的环境污染[12-13]。近年来钻井液添加剂材料的相关研究已转向了NPs[14-18]。NPs的尺寸在1～100 nm,最小粒径可以与细菌的大小相比较,同储层中的小的孔喉比要小得多[19],能有效封堵钻孔滤饼和地下地层中的孔隙,在一定程度上减少颗粒堵塞,调节传热和密度[15],由此可以替代传统聚合物添加剂来配制性能更优的钻井液。应用于HTHP钻井液中的NPs大致可以分为金属、碳和硅基纳米粒子,对此也进行了详细论述。但在大量实验中是以高于80 ℃的温度为测试温度对添加NPs的钻井液进行测试的,测试结果均能表明NPs作为添加剂能够优化钻井液的不同性能。

1.1 金属纳米颗粒

金属纳米颗粒(metal nanoparticles, MNPs)可以提高钻井液热导率,同时调节钻井液黏度,可作为优化HTHP钻井液的添加剂。William等[1]研究了黄原胶中CuO和ZnO纳米流体对水基钻井液热、电和高压流变性的影响,结果表明,在HTHP条件下铜基和锌基纳米颗粒在钻井液中的热导率分别可以提高53%和23%。低浓度Al2O3NPs的HTHP钻井液具有良好的热稳定性,随浓度增加滤失性增强[20]。ZnO NPs作为热稳定剂和流变稳定剂应用于HTHP水基钻井液(water-based drilling fluid, WBDF)中,低浓度的MNPs比高浓度更能改善其流变性能[21]。Alvi等[22]将合成的疏水性氧化铁NPs添加在HTHP钻井液中,使其滤失性、滤饼厚度、摩阻系数均有不同程度的降低。由于氧化铁NPs还具有良好的超顺磁性,将其作为添加剂的钻井液,可通过施加外部磁场在原位改变钻井液的黏度,改善流变性,以应对井下环境条件变化[23]。磁性纳米颗粒作为钻井液添加剂掺入,能够通过在外加磁场作用下具有原位流变可控性的智能钻井液的巨大潜力。

这些案例的成功实施,证明了MNPs作为添加剂的钻井液在热导性、滤失性以及稳定性方面具有优异的性能。MNPs良好的催化性、金属特性以及特殊的物化性质都将有利于合成新的使用于不稳定储层的钻井液体系。

1.2 碳基纳米颗粒

由于碳基纳米颗粒(carbon-based nanoparticles, CNPs)具有更广泛的来源,以及更好的生物相容性,近年来受到越来越多的关注。CNPs能够提高HTHP钻井液化学稳定性,有效改善流变性,目前用于钻井液的碳基纳米颗粒有碳纳米管(carbon nanotube, CNT)、纳米石墨烯(graphene nanoplatelets, GNP)、多壁碳纳米管(multi-wall carbon nanotube, MWCNT)等。

CNT具有显著的拉伸强度、导热性、高弹性模量,并且可以进一步功能化,多应用于HTHP钻井液,以提高流变性和滤失控制。CNT的添加可以改变WBDF的流变性,高温高压条件下,低浓度的CNT使钻井液黏度明显增加,并随着压力的增加而增加。然而,浓度过高会达到反向效果[24]。膨润土钻井液中添加低浓度的CNT可以降低其滤失量。高温条件下CNT吸附在膨润土表面,增加了膨润土颗粒间的空间位阻,膨润土能够保持小尺寸分布,有效支撑钻井液中的膨润土网格结构,形成致密的泥饼,从而使滤失量降低[25]。同样,GNP也有较好的降滤失效果,与含高浓度KCl和聚合物的WBDF相比,含GNP的低浓度KCl可以缓解页岩膨胀[26],说明纳米颗粒的加入不仅能够改善高温条件下的流变性和页岩抑制作用,还有效解决了高浓度钻井添加剂破坏地层环境的问题。因此,GNP是提高WBDF性能的较好选择,也是钻井液中较理想的控制滤失量添加剂。

MWCNT可通过对CNT共价功能化改性,在表面增加了化学基团,达到提高分散性和反应活性的目的。比如用聚合物包覆的方法合成的表面改性碳纳米管复合物(phosphate-modified carbon nanotube, PoCNT),由于改性MWCNT制成的泥饼结构增强,并被改性的聚二乙醇(polyethylene glycol, PEG)包覆,能较好地降低滤饼的渗透性,滤失速率远低于常规基础液。此外,由于PoCNT体积小、表面积大、长径比高,形成了低渗透性的薄泥饼,从而减少了钻井过程中的摩擦,能够降低压差卡钻的风险[27-28]。

1.3 二氧化硅纳米颗粒

二氧化硅纳米颗粒(SiO2nanoparticles, SNPs)廉价易得,且在化学上是惰性的,不会与储层岩石和流体发生反应,现已有大量有关SNPs用于钻井液处理剂的研究[29-31]。

SNPs能够有效地与聚合物协同作用以改善钻井液流变性。Mao等[32]合成了一种新型疏水缔合聚合物基核壳结构二氧化硅纳米粒子(polymer based nano-silica composite, SDFL),在230 ℃热老化后,1.0% SDFL基WBDF表现出稳定的流变性。将SNPs通过硅烷化偶联技术嫁接到Welan胶上,形成纳米复合材料增稠剂,16 h热滚测试发现其同时表现出优异的抗流变和耐温性,添加该纳米材料的WBDF耐温高达220 ℃。NPs具有增强机械强度和热导率等物化特性,在聚合物中引入刚性纳米颗粒,能够增强分子结构的空间位阻和稳定性,使钻井液保持流变性,且有利于提高其耐高温性能[33]。有实验证实利用纳米二氧化硅对纳米黏土改性后制备的反相乳化钻井液,在HTHP条件下,钻井液的流变性和乳液的热稳定性均得到改善[34]。

SNPs除了可以改善钻井液的流变性,还对滤失控制有一定作用。实验研究表明,利用阴离子纤维素与SNPs通过自由基共聚形成PAC-DDAS-SiO2,在260 ℃下老化后的滤液体积仅为8 mL[35]。因此,利用SNPs形成杂化纳米材料应对滤失问题有重要意义。HTHP钻井液中不同种类的纳米颗粒如表1所示。

表1 HTHP钻井液中不同种类的纳米颗粒Table 1 Different kinds of nanoparticles in HTHP drilling fluid

2 NPs对HTHP钻井液性能的影响

对于高温高压的地下环境,钻井液需达到以下标准:①具有优异的流变性能,清除井底岩屑并将其运输到地面,达到井清洗的目的;②维持良好的热稳定性,起到润滑和冷却钻头的作用;③控制滤失,避免破坏地层,影响钻采作业;④提高润滑性,降低钻具与井筒摩阻和钻杆扭矩,提高钻井效率。目前,大量研究证实,NPs有利于改善钻井液的性能,使钻井液在HTHP环境下保持良好稳定性,实现HTHP油藏钻井工程的安全性和高效性。

2.1 流变性

表观黏度、塑性黏度、屈服点和凝胶强度是评价钻井液流变性的主要参数,在HTHP下控制钻井液的流变特性至关重要[42-45]。陈彬等[46]通过构建合成基钻井液高温高压流变动力学模型的研究结果显示温度对剪切应力的影响显著大于压力,也说明了良好流变性的钻井液体系应具有温度响应效性。

纳米颗粒具有较大的表面能,在氢键、静电斥力和范德华力的共同作用下,与钻井液中的固体颗粒形成合适的空间网架结构,提升钻井液的稳定性。另外,钻井液的纳米颗粒可以嵌入膨润土的孔隙结构,产生强的空间位阻效应,降低泥浆中分子之间的相互作用,显著增加钻井液的动塑比,保持钻井液的悬浮稳定性和流变性[47-48]。Dutta等[43]的研究证明了CuO NPs在高压高温条件下,可以增强钻井液的流变性。SNPs作为添加剂能够使常规水基钻井液的黏度和屈服点增加50%以上,同时也改善了其流变性能[49]。

由于各流变参数间具有内部联系,当NPs添加在钻井液中,也不会固定改变某一个参数。钻井液黏度也与钻井液类型、纳米颗粒种类以及添加量有关。

通过调节NPs的浓度,钻井液体系的流变性也会随之变化。Medhi等[37]在添加1%的ZrO2NPs的情况下,钻井液由流体转变为黏弹性流体,具有较高的动态屈服点,且在中高温范围内具有较稳定的黏度。在钻井液体系中加入最适浓度的NPs,可以在保持纳米粒度的同时促进泥浆凝胶化。Mahmood等[44]研究了不同浓度的石墨烯、TiO2和MgO纳米粒子对膨润土水基钻井液流变性的影响。结果表明,钻井液的表观黏度和屈服点随NPs浓度的增加而增加。NPs过少不足以使固体颗粒解絮凝和降低吸引力、摩擦力,但浓度超过最优值可能会出现各参数下降趋势,流变性能减弱。

综上所述,NPs作为添加剂的钻井液其流变性可以受到不同类型纳米材料以及NPs浓度的影响,这对于HTHP钻井液体系实验室研究有着重大意义。

2.2 滤失性

纳米颗粒可以堵塞滤饼中的纳米孔和微孔,降低滤饼的失水率,是HTHP钻井液中优良的降滤失剂[50]。在地层高温高压的环境中,静水压力会迫使NPs进入小孔隙并有效堵塞井壁,这使滤饼的孔隙空间减小,最终形成致密封堵层,降低了渗透性,从而减少了滤液体积[50-52],如图1所示。

图1 NPs堵塞小孔隙,降低滤饼渗透率的原理[51]Fig.1 The principle of NPs plugging small pores and reducing filter cake permeability[51]

钻井过程中钻井液滤失形成高质量泥饼有利于顺利钻进,那么需要综合考虑地层条件对其影响[53]。通过研究压力对纳米石墨基钻井液和普通钻井液滤失量的影响,发现纳米基钻井液滤失量受压力增加的影响较小[51]。形状和尺寸不同的NPs对钻井液滤失的影响程度不同,而且纳米颗粒与滤饼孔隙较大的相容性和相互作用对滤失控制极其重要。Sadeghalvaad等[36]对比了初始基液与四周后的基液中NPs的粒径分布,结果表明平均粒径为79 nm的纳米颗粒比18 nm的纳米颗粒滤失控制效果更好。这是由于水泥浆中4～9 nm的膨润土纳米颗粒分布较差,或者纳米颗粒很小,刚好通过滤饼,会导致滤失增加[52]。为了应对此类问题,纳米复合材料被应用于HTHP钻井液中。Bai等[54]制备了二氧化硅可膨胀复合微球,微球的软壳在高温下变形,能够封闭不规则形状的孔隙,进一步减少滤失量。此外,微球的长链分子相互缠绕和聚集形成大微球,有助于密封大孔,减少滤失。同样,Aftab[55]也通过实验证实,添加了ZnO NPs复合材料的钻井液相较于单一使用聚合物作为滤失剂的钻井液,滤失量要大大降低。复合材料中的聚丙烯酰胺能够封堵大孔隙,ZnO NPs堵塞了井筒的纳米孔隙,提高了流体的稳定性和亲水性。

低浓度的纳米颗粒足以降低滤失量,纳米颗粒最佳添加浓度为0.5%[56]。通过对比0.5%和1%氧化铁纳米颗粒处理的油基钻井液的高温高压滤液损失,证明0.5%的浓度条件下滤液损失降低幅度更大[22]。这可能是由于一定浓度下的团聚,形成无效滤饼,NPs不能堵塞滤饼中小孔隙,它们只是简单地流过滤饼[57]。Mahmoud等[58]研究了含氧化铁NPs的钻井液在HTHP井下条件产生的滤饼的特性,结果表明0.3%～0.5% NPs时产生滤饼的特性最好,NPs可以形成更光滑或孔隙更小的滤饼。

同常规钻井液相比,NPs在滤失控制方面更具优势,但还需通过大量实验选定最优颗粒尺寸和浓度以适应油藏实际温度和压力,配制滤失性能优异的钻井液。另外,能够在HTHP条件下有效控制滤失的因素包括钻井液所具有的热稳定性,未来可通过开发纳米复合材料,为设计耐高温滤失剂提供新思路。

2.3 热稳定性

在钻井过程中,不仅钻头和储层岩石之间的摩擦会产生大量的热量,钻井区域的高温也会增加该区域的温度,这都成为造成钻井设备寿命大大降低的原因。因此,在钻井作业过程中,迫切需要冷却工艺[4]。纳米颗粒作为稳定剂来抵御恶劣条件是有潜力的。由于NPs的比表面积更大,其本身本质上是氧化物,可以提高钻井液的热导率,改变常规钻井液的传热性能,保证其抵抗高温破坏的能力,更好地控制钻井工具的冷却[20]。

具有较高热导率的CNPs逐渐成为改善HTHP钻井液热稳定性的重要材料。石墨烯的热导率甚至比常规流体的热导率提高5 000倍[59]。Fazelabdolabadi等[60]通过实验研究了功能化CNTs对钻井液热导率的影响,发现含CNTs样品的热导率随温度升高而升高,对于油基钻井液,增加幅度更明显。而且,通过减小CNTs的尺寸,增加比表面积,可以为钻井液中的分子提供更多的储热表面[61]。在水基钻井液中,可以在MWCNT表面引入亲水官能团进行功能化处理,使其更有效地分散在钻井液中,从而使热导率进一步提高。

金属氧化物NPs普遍具有较高的热导率,在流体中分散NPs会增加流体的导热系数[62]。纳米流体热导率的提高吸引了研究人员在HTHP钻井泥浆中使用纳米材料[32-36]。已有研究结果证明体积分数为5%的CuO纳米材料可以提高溶液22.4%的传热效率[63]。CuO和ZnO基纳米钻井液的导热性能优于普通基液[64]。

NPs还可以防止钻井液中的聚合物添加剂在极端环境下降解,有效维持钻井液在高温条件下的流变性和滤失性。将阴离子聚合物SPMA接枝到MWCNTs,得到功能化复合材料MWCNTs-g-SPMA,在170 ℃下稳定24 h后结果表明,封堵效率可达50.96%[65]。Huang等[66]配制了含三元聚合物AAD和纳米Laponite的钻井液。实验表明纳米Laponite不仅延缓了AAD的降解过程,与AAD的联合使用还显著改善了钻井液超高温度下的黏度。如图2所示,圆盘状的Laponite纳米颗粒较好地分散在AAD溶液中,并与AAD建立强相互作用。纳米Laponite表面的负电荷与AAD的季铵盐阳离子基团之间存在静电吸引作用,带正电的纳米Laponite边缘与AAD的带负电的硫酸盐基团之间存在静电吸引作用,纳米Laponite的羟基与AAD的酰胺基团之间的氢键作用。两者之间的氢键作用和静电吸引作用降低了AAD链的运移能力,减缓了降解,由此提高钻井液的热稳定性。将纳米材料与聚合物交联已经成为了研究趋势,近期有研究显示,由纳米CaCO3与聚合物交联聚合的核壳结构纳米复合材料(core-shell structural nanocomposite, CSNC)能够降低膨润土悬浮液在220 ℃热老化后的HTHP滤失,这源于外表面聚合物与膨润土颗粒的相互作用对钻井液分散性和胶体稳定性的改善,有利于形成致密的滤饼。纳米颗粒也参与了滤饼形成,表面的聚合物延伸至孔隙空间,巨大的水结合能力使它们能够有效地堵塞滤饼的孔隙。另外,刚性核和交联聚合物结构也能够增强CSNC外表面聚合物的热稳定性[67]。

图2 纳米Laponite提高聚合物热稳定性的机理[66]Fig.2 The mechanism of nano Laponite improving the thermal stability of polymer[66]

2.4 润滑性

在水平井和定向井的钻井中,由于钻杆柱与井筒之间的连续接触,易发生压差卡钻的情况。钻井液就起到减少钻具与井筒之间摩擦的作用。因此,钻井液应具有适当的润滑特性。水基钻井液虽然没有油基钻井液的润滑性好,但考虑环保问题,依然是更优的选择[55]。NPs可以作为水基钻井液添加剂来改善钻井液的润滑性,同时还可以提高钻井速度[48]。表2列出了石墨烯纳米颗粒[68]、SNPs[69]、氧化钛(TiN)[70]和MWCNTs[71]等应用于水基钻井液中改善润滑性的纳米粒子。如图3所示,使用常规钻井液时,在压差作用下泥浆滤液侵入渗透性地层,形成较厚的滤饼,已造成卡钻。在添加NPs的钻井液中,NPs在井筒和管壁界面形成连续而薄的润滑膜,降低摩擦阻力,为钻杆提供一个合适的滑动状态[32]。

图3 NPs密封井壁以提高润滑性能的微观图示[32]Fig.3 Microscopic illustration of NPs sealing shaft wall to improve lubrication performance[32]

表2 提高钻井液润滑性的NPs添加剂Table 2 NPs additives for improving drilling fluid lubricity

Pakdaman等[72]研究表明,在149 ℃和3.5 MPa的高温高压条件下,亲水性硬沥青NPs (hydrophilic gilsonite nanoparticles, HGNs)能使润滑系数和扭矩分别降低15%和13.63%,并通过积极影响塑性黏度,提高润滑性,从而将压差卡钻的风险降低61.5%。此外,与其他纳米颗粒相比,HGNs的生产方法简单,硬沥青矿在世界多地矿产丰富,这使生产成本大大降低,更具有潜力成为新型钻井润滑剂。

3 结论与展望

随着纳米颗粒在钻井液中的应用受到越来越多的关注,纳米技术将推动钻井液改性研究取得更大进展。纳米钻井液在高温高压下比常规钻井液表现出更优异的流变性、润滑性、滤失性和耐高温特性。NPs的种类、颗粒形状、尺寸及其在钻井液中的浓度的变化,是影响各性能的关键因素。同常规钻井液相比,添加低浓度(<0.5%)NPs的钻井液体系在HTHP环境条件下表现出更优异的性能。虽然纳米颗粒的使用具有显著的技术优势,但在钻井液中的挑战也不容忽视。

基于此对NPs应用于HTHP钻井液体系的研究提出了以下建议。

(1)大多数HTHP钻井液的开发是在实验室条件下进行的,既不能很好地达到实际地层极端条件,又没有考虑任何经济可行性研究。因此,有待在趋近HTHP条件下对添加不同种类NPs的钻井液进行严格测试,并对NPs可回收性进行中试评估。

(2)NPs会因强范德华力团聚,不易分散。即使在用超声波浴、磁力搅拌器或均质器进行高剪切后,也会重新团聚。其间也可能会破坏NPs的形状结构。未来可继续探索低成本、低污染、高效的表面活性剂来解决分散问题,可将生物表面活性剂同纳米颗粒制备体系结合进行研究以获得经济环保的纳米材料。

(3)纳米材料的生产具有复杂的工艺程序,这使得难以商业规模化生产以用于钻井液,所以致力于探索绿色方法来合成NPs,使其成为新一代低成本环保材料是未来重要研究方向。

(4)尽管纳米颗粒具有很大的潜力,但仍需要考虑其经济可行性和对HSE的影响。生产性能稳定、成本效益高的NPs对于优化钻井液体系,减少昂贵的钻井液添加剂的使用以及节约钻井成本将有重要意义。

(5)不同纳米颗粒与常用聚合物结合使用已经成为钻井液设计的重点,一些可生物降解材料(稻壳和石榴皮粉等)与纳米颗粒的组合也逐渐成为行业竞争力的新型材料,该方面研究还有待加强。

(6)对于高温高压钻井液体系,不应只注重于材料及性能的开发及优化,还应量化使用纳米基钻井液的不良影响,比如滤饼后续处理问题和纳米颗粒可持续性等。