钻井液中纳米材料研究现状及展望范文

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摘要：纳米材料是指至少一个维度在1～100nm范围内的工程材料。由于纳米材料具备良好的热传导及封堵性，在钻井液中可起到降滤失、页岩抑制、流型调节、热传导及井壁稳定强化的作用，在钻井液行业展现出了良好的应用前景。纳米材料的研发，为非常规钻井条件下性能优良的钻井液的开发提供了新的捷径。最近国外在油田用纳米材料的研发方面取得了若干成果，本文综述了近年国外纳米材料在在钻井液中的研究进展并对其发展进行了展望。

关键词：水基钻井液；纳米材料；页岩抑制剂；降滤失剂；页岩气

纳米材料是指至少一个维度在1～100nm范围内的工程材料。基于纳米技术，近来国外提出了智能钻井液概念，由于独特的物理化学性质，纳米颗粒被认为是智能钻井液体系极佳的处理剂，如降滤失剂、页岩抑制剂和流型调节剂等。本文综述了近几年国外纳米材料在钻井液中的研究进展并对其发展进行了展望，以期促进相关钻井液及相关技术的发展。

1纳米降滤失剂和流型调节剂的研究进展

纳米材料在钻井液中的应用研究表明，纳米水基钻井液体系在高温高压（HP／HT）条件下具有优异的流变性能和降滤失性能。Vryzas等［1～4］研究了不同加量纳米Fe2O3和纳米SiO2对7％（质量分数，下同）钠基膨润土基浆的影响。结果表明，在HP／HT条件下，纳米Fe2O3在低浓度下即体现出了优异的降滤失性能，当添加量为0．5％时，相对于基浆，滤失量降低了42．5％。但纳米SiO2的加入却增大了基浆的滤失量。此外，Vryzas［5～6］还发现在60℃以下，含有颗粒大小为8nm的Fe3O4水基钻井液体系在各个剪切速率下的屈服值、表观黏度呈现直线上升趋势，并表现出很强的温度敏感性。通过对滤饼进行扫描发现，基浆滤饼光滑且无明显凸起，而添加Fe3O4的基浆滤饼呈现出了交联结构，此交联结构的存在增大了滤饼的有效表面积，并有效覆盖于泥饼表面，从而大大降低了滤失量。Li等［7］使用膨润土、氯化钾（KCl）、黄原胶（XC）和纳米SiO2配置了一种水基钻井液体系。发现纳米SiO2粒子改善了体系流变特性的同时，还形成了一个薄而质地良好的泥饼，从而大大降低了基浆滤失量。Salih等［8］指出纳米SiO2的质量添加量在0．1％～0．3％范围内对钻井液性能影响最为显著。基于纳米SiO2的智能水基钻井液可以降低滤失量和大量缩短非作业时间，从而可替代水平井、定向井和页岩气钻井中的油基钻井液。但Salih［8］指出，纳米SiO2对钻井液的pH值非常敏感，在高pH条件下可以使得钻井液发生絮凝。Ismail等［9］研究了多碳纳米管（MWCNT）和纳米SiO2对水基钻井液流变性、降滤失性和润滑性的影响，结果表明，MWCNT和纳米SiO2可大大增强体系的流变特性，并可将体系的失水量降至最低。Abdo等［10］研究了粒度大小为10～20nm的改性凹凸棒石（一种天然水化的具有纤维状棒状微结构的粘土矿物）对钻井液高温高压流变性的影响，结果发现凹凸棒石的细长针形结构使得钻井液胶体体系具有独特的抗高浓度电解质胶体特性，纳米凹凸棒石颗粒保证了钻井液体系在高温高压环境下稳定的流变性，可以用作流型调节剂取代其它价格昂贵的聚合物添加剂。Kosynkin等［11］研究了纳米氧化石墨烯（GO）在高性能水基钻井液中的降滤失性能。结果发现，当GO∶XC＝3∶1并且加量为0．2％时，钻井液体系的常温常压失水量（FLAPI）滤失量最低可降低至6．1mL，此时泥饼厚度仅为20μm。和常规聚合物降滤失剂相比，GO钻井液体系表现出了高温剪切稀释稳定性，GO有望在钻井液中得到应用。Nasser等［12］研究开发出一种由纳米石墨和纳米硅组成的纳米流体，发现在90℃下，它可使纳米基浆可保持良好的流变性能，在90～150℃范围内纳米基浆的黏度比常规泥浆的黏度要高。Saboori等［13］和Fereydounil等［14］分别研究了纳米羧甲基纤维素（CMC）和聚阴离子纤维素（PAC）对基浆泥饼厚度和基浆体系滤失性的影响。结果发现，与常规聚合物相比，纳米CMC和PAC基浆所得泥饼虽然较厚，但仍可起到理想的降滤失效果。Li等［15］研究了纳米晶须纤维素（CNC）和聚阴离子纤维素（PAC）复合材料在膨润土基浆中的应用性能。结果发现，CNC和PAC／CNC可显着改善基浆流变性能，但PAC对体系流变性的影响相对较小。Li等［16］研究了纳米纤维素（CNPs）、微纤化纤维素（MFC）和纤维素纳米晶体（CNCs）对水基钻井液流变性和降滤失性能的影响。结果发现，MFC和CNCs可以增强水基钻井液体系的流变性并表现出了极强的钻屑携带性能。由于体系黏度的增加、核－壳结构的构筑以及CNC聚合物膜的形成，基浆的滤饼厚度和滤失量都有了显著的降低。但是，MFC对体系降滤失性能影响不大且会显著增加滤饼厚度。Sadeghalvaad等［17］研究了TiO2／聚丙烯酰胺（PAM）纳米复合材料对水基钻井液性能的影响。结果发现，纳米水基钻井液（NWBF）的塑性粘度和动切力等流变参数有了显著增强，随着纳米复合材料用量的增加，体系的抗剪切稀释性能也随之增强。SEM扫描结果发现，纯的PAM基浆泥饼表面表面细腻光滑，而TiO2则同时出现在了泥饼的内外表面。Taha等［18］考查了一种含有改性表面活性剂／纳米石墨烯的水基钻井液在陆地高温高压钻井中的应用情况，结果发现，纳米颗粒可极大提高钻井液体系的热传导和润滑性。相对于传统水基钻井液，该体系滤失量降低了30％、泥饼渗透率降低了125％、实际扭矩减少20％，钻头寿命增加75％以上。

2纳米页岩抑制剂的研究进展

Aftab等［19］研究了纳米ZnO／丙烯酰胺（ZnO－Am）复合材料对水基钻井液流变性和页岩抑制性的影响。结果表明，体系的流变性略有升高，常温常压失水量降低了14％，高温高压失水量略有下降，但是页岩的膨胀率却由16％降低到了9％。Sensoy等［20］使用页岩膜测试仪装置测试了纳米处理过的2种不同的页岩（Atoka和GulfofMexico页岩）。由于纳米颗粒主要是堵塞与其本身体积大小相匹配的孔隙，然而聚集在一块的纳米粒子却可以堵塞空隙更大的地层。结果表明，至少添加量为10％（质量分数）的纳米粒子（20nm）才能有效封堵页岩空隙。纳米粒子的加入可以使得水基钻井液在Atoka页岩中的浸入深度减少16％～72％，在GulfofMexico页岩中的浸入深度减少17％～27％。Taraghikhah等［21］研究了纳米SiO2对页岩井壁稳定性能的影响，确定了纳米SiO2的质量最佳添加量＜1％，并得出了纳米钻井液抑性大大超过普通钻井液抑制性能的结论。通过对滚动回收实验后的页岩样品进行SEM扫描，发现纳米SiO2主要是过物理堵塞页岩孔隙的方式发挥抑制作用。Hoelscher等［22］研究了纳米SiO2水基钻井液在非常规页岩储层中的应用性能，研究中所用纳米颗粒在5～100nm，其中10～30nm具有最好的降滤失效果（根据1／3架桥规则）。作者使用页岩膜效率仪器来研究页岩孔隙堵塞机理，结果证实SiO2纳米粒子是通过物理封堵、而非化学抑制的方式来减小页岩渗透率，从而阻止水在储层－井筒之间的流动，减小页岩水化膨胀和储层垮塌掉块等现象的发生。Sharma［23］研究了粒径为20nm的纳米SiO2在水基钻井液体系的应用性能，结果发现，该钻井液体系在高温高压条件下具有良好的流变性能和润滑性。发现纳米钻井液比普通水基钻井液在页岩中的入侵深度减少了10～100倍。通过对裂缝性页岩气进行测试发现，在没有微裂纹存在的情况下，单独使用纳米SiO2颗粒即可有效地封堵页岩孔隙。Akhtarmanesh等［24］研究了3种含或者不含纳米粒子的钻井液，结果发现想要成功封堵住页岩空隙，至少需要添加质量分数为10％的粒度大小为35nm的纳米颗粒。与传统钻井液相比，纳米钻井液在Gurpi页岩中的浸入深度最高可降低68％。

3存在问题

纳米技术在钻井液中的发展非常迅速，由于纳米颗粒本身粒径特殊及良好的热传导性，纳米颗粒在钻井液中可起到降滤失、页岩抑制、流型调节及井壁稳定的作用，并在钻井液行业展现出了良好的应用前景。但目前纳米技术仍然存在诸多问题，主要表现在以下几个方面：（1）纳米颗粒在水基钻井液中的分散稳定性问题仍然没有有效解决。纳米粒子均匀的分散于液体中是保证其发挥纳米粒径优势的前提。现已有分散固体纳米颗粒的设备，如超声波浴，磁性搅拌器，高剪切混合器和均化器等。然而，纳米颗粒在经过高剪切被分散为目标尺寸后，由于颗粒之间强列范德华力的吸引及高比表面积，纳米颗粒仍倾向于重新团聚，从而极大的显著的限制了其在工程领域的应用。Sidik等［25］指出，在不添加表面活性剂或无表面活性物质的情况下，则不可能获得稳定的纳米流体。Choi等［26］表示表面活性剂加量应适中，因为过量的表面活性剂可能会对纳米流体的黏度和化学稳定性产生不利的影响。（2）已经很确定纳米粒子在极低的浓度下（质量分数＜0．5％）即可影响钻井液体系的流变性，因此如何确定纳米粒子的最佳加量是应用纳米钻井液技术的关键。低浓度纳米粒子的使用可消除钻井液中化学处理剂的使用的潜在危害，从而有利于环境的保护和钻井费用的极大降低。（3）室内研究结果表明纳米钻井液具有诸多优点的同时，也面临着诸多实际应用上的挑战。从目前研究结果来看，一些纳米粒子已经实现工业化（例如氧化铁），并可用来代替钻井液中的一些添加剂，但纳米材料的高昂费用却大大的阻碍了其在石油工业中的大规模应用［27～28］。（4）纳米钻井液的配制和测定也是一项较大难题。美国石油学会（API）钻井液测试的程序和规范标准只适合于普通钻井液［29～31］，不适用于特殊条件下新型钻井液处理剂的评价［32］。因此，在研究纳米钻井液技术时，如何统一及制定合理的标准，也是充分发挥纳米钻井液的一个关键。

4展望

纳米流体因具有不同于以往流体的特性，在钻井液中可起到降滤失、页岩抑制、流型调节及井壁稳定强化的作用，并在钻井液行业展现出了良好的应用前景。纳米流体的研究应用，有助于苛刻钻井条件下性能良好的钻井液的开发，但纳米技术在钻井液中的大规模应用仍然面临着技术、成本及环保等因素的挑战。为促进石油工业和钻井液以及相关处理剂的健康发展，今后需从寻找新原料、新方法上突破传统纳米科技的结构，集中力量研究新产品，丰富现有纳米钻井液剂评价手段且应与现场充分结合。

作者：马毅超 单位：南充职业技术学院农业科学技术系