PMMA纳米胶乳在钻井液中的性能评价.pdf

第 2 7卷 第 1 期 2 0 1 0年 1月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D ＆ COM PLET1 0N FLUI D V_O l _ 2 7 No ．1 J a n ．201 0 文章编 号1 0 0 1 - 5 6 2 0 2 0 1 0 0 1 0 0 0 8 0 3 P MMA纳米胶乳在钻井液中的性能评价 白小东 ， 蒲晓林 1 ． 西南石油大学材料科学与工程学院，成都 ； 2 ． 西南石油大学石油工程学院，成都 摘要在油气勘探钻井过程中，如在钻井液中添加纳米胶乳，利用纳米粒子的 “ 球轴承”作用，可以降低摩 阻，防止卡钻 ；同时利用纳米胶粒在一定温度下的可变形特性，可以更好地封堵地层微孔隙，形成致密泥饼，降 低钻井液滤失量。利用种子乳液聚合法合成了一种钻井液用纳米胶乳 P MMA ，其平均粒径为7 3 n m。透射电镜 分析结果表明，P MMA纳米乳胶颗粒大致呈球状，分散均匀。性能评价结果表明，1 ％P MMA纳米胶乳溶液的页 岩 回收率为 6 8 ％，且与 KC 1 复配使 用后 效果 更好 ； 在 4 ％ 膨润土浆 中加入 1 ％P MMA后 ，黏度略有降低 ，滤失量 降低 了约 4 0 ％，润滑 系数 降低 了 8 0 ％ 左右 ，泥饼黏 附系数降低 了约 4 0 ％ ； 加 有 2 ％P MMA的聚磺钻井液 的砂床 封堵滤失量和膜结构密封度滤失量分别为 1 0 mL和 2 mE，在 1 8 0。 C 下仍具有良好的沉降稳定性。以上结果表明， P MMA纳米胶乳具 有一定的降黏、降滤失性 能，较强的封堵能力， 良好 的抑制性、润滑性能和高温稳定性能。 关键词纳米胶乳 ； 钻井液添加剂 ； 钻 井液性能 中图分类号 T E 2 5 4 ． 3 文献标识码 A 纳米胶乳一般指粒子尺寸在几纳米到 1 p m 范 围内、由合成 聚合物 或天然高分 子构成的亚微米 级的胶体体系，或点阵 、微点阵体系 [ 1 - 2 ] o纳米胶 乳不仅具有较 强的井壁稳定能力，而且还具 有较 好 的润 滑 和 油层 保 护性 能 [ 3 1 o J o h n T ． P u r s l e y和 G l e n n P e n n y等人发 明了一种纳米胶乳 ，其用量为 0 ． 1 ％～ 0 ． 5 ％，在保护储层和提高采收率方面有较 好 的效果 [ 4 - 5 ] 0中国石油勘探开发研究院利用有机阳离 子盐作为插层剂对钠型膨润土进行直接插层改性， 制得了纳米膨润土，其 在降滤失、增黏等方面性能 优异，且其在钻井液中具有良好的配伍性能 ] 。由 此可见，钻井液处理剂的纳米化已成为提高石油和 天然气勘探开发效益的必然趋势。利用种子乳液聚 合法合成了一种钻井液用纳米胶乳 P MMA ，激光 粒度仪 的检测结果表明，该纳米胶乳粒子的平均粒 径为 7 3 n m。对其在钻井液中的性能进行了评价。 1 P MMA 纳 米胶 乳 的表征 1 ． 1 乳胶粒形态 将 P MMA纳米胶乳 自制 稀释至一定浓度， 置于涂有 P V A膜 的铜网上，用磷 钨酸染色 ，室温 干燥 ，利用透射电子显微镜观察胶粒形态 ，见图 1 。 从显微镜下可以观察到 ，P MMA乳胶粒大致呈球形 颗粒状，粒径差别不大 ，分散均匀，基本未出现成 团黏结现象 ，其 中的块状薄层为胶乳 中未分离的乳 化剂所形成的细小泡沫。 图 1 P MMA纳米胶乳在显微镜下 的胶粒形态 1 ． 2 粒度分布 用 Ma s t e r s i z e r 2 0 0 0型激光粒度仪 对合成 出的 纳米胶乳进行表征 ，测定 P MMA纳米胶粒 的粒径 分布范围，结果见 图 2 。通过统计计算，胶粒平均 基金项目 受国家 自然科学基金 “ 基于钻井液一 井壁界面的膜形成技术与膜传递过程研究” 5 0 7 7 4 0 6 5 资助。 第一作者简介 白小东，讲师，博士，主要从事钻井完井液和高分子材料方面的教学和研究工作。地址 四川省成都 市新都 区新都大道 8号西南石油大学材料科学与工程学院 ；邮政编码 6 1 0 5 0 0；电话 1 3 2 1 9 0 1 0 1 0 5； E - ma 订 x i a o d o n g b 2 O 0 3 y a h o o ． c o m ．c n。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 1 期 白小东等 P MMA纳米胶乳在钻井液 中的性能评价 9 粒径 中值粒径 为 7 3 n m，粒径分布较窄。 籁 粒度／ g m 图 2 P MMA纳米胶乳的粒度 分布情况 2 P MMA 纳米胶 乳性 能评价 2 ． 1 抑 制性 2 ． 1 ． 1 线性膨胀量 采用 N P 一 0 1 型页岩膨胀仪测试页岩在纳米胶乳 溶液中的线性膨胀率 。页岩 8 h膨胀高度随 P MMA 纳 米 胶乳 浓 度 的 变化 情 况 见 图 3 。 由 图 3可 知， P MMA纳米胶乳浓度 为 0 ． 5 ％时 ，页岩膨胀 高度 已 大 幅度降低 ，浓度达到 1 ． 0 ％ 时 ，其抑制页岩膨胀 的效果达到最好 ，降低率达到 4 2 ． 3 ％。 墨 l迢 P MMA 纳米胶乳浓度／ ％ 图 3 页岩膨胀高度随 P MMA 纳米胶乳浓度 的变化 2 ． 1 ． 2 页岩回收率 将页岩粉碎后，称 5 0 g粒径为 0 ． 9 0 - 2 ． 0 mm的 页岩，在 7 0。 C 下热滚 1 6 h 。待 自然冷却后，将老化 罐 中的页岩过孑 L 径为 0 ． 4 5 mm 的筛，干燥 、称重 ， 计算页岩回收率，不同体系的页岩回收率见表 1 。由 表 1 可以看 出，加入 0 ． 5 ％ P MMA胶乳的页岩回收 率与 7 ％KC 1 的页岩 回收率接近 ，1 ％MMA胶乳 的 回收率则高于 7 ％K C 1 ，P MMA胶乳与 K C 1 和N a C 1 的复配效果更好。 通过页岩线性膨胀率和滚动 回收实验得 出，纳 米胶乳具有较强的抑制性 ，从抑制机理分析得知 ， 由于纳米胶乳呈电中性或者正电性 ，当纳米胶乳和 黏土接触时 ，阳离子表面活性剂起活性作用 的阳离 子和非离子表面活性剂的亲水基团均可吸附在黏土 表面 ，这样就可以中和黏土表面的负电性并可排斥 具有较厚水化膜 的层间阳离子 ，而且这种吸附可使 黏土表面的亲水亲油性发生改变，有 时甚至反转为 亲油表面。同样 ，正电性纳米胶乳粒子在井壁上的 吸附能够降低井壁的负电性，或者当其正电性极高 时，甚至能把黏土的负电性反转为正电性 ，阻止水 化极强的金属阳离子靠近井壁 ，起到稳定井壁和保 护储层的作用。 表 1 不同溶液的页岩 回收率 溶液 页岩回收率 ／ ％ H2 0 0 ． 5 ％P MMA胶乳 7 ％ KCl 1 ％P MMA胶乳 0 ． 5 ％ P MMA胶乳 0 ． 5 ％Na C 1 l ％ P MMA胶乳 O ． 5 ％Na C 1 1 ％ P MMA胶乳 0 ． 5 ％KC 1 0 ． 5 ％P MMA胶乳 0 ． 5 ％K C I 2 ． 2流变性和 失水造壁 性 配制 4 ％ 的基浆 ，用 Z N N D6型六速旋转黏度 计测定 P MMA纳米胶乳不 同加量下的流变参数和 滤失量 ，结果见表 2 。由表 2可知 ，随着 P MMA纳 米胶乳浓度的增加 ，表观黏度和塑性黏度均呈下降 趋势 ； P MMA纳米胶乳浓度达到 1 ． 0 ％后 ， 塑性黏度、 表观黏度 、 切力变化不大 ， 滤失量则大幅度降低 约 4 5 ％ ，泥饼厚度也略有降低。 表 2 不同 P MMA纳米胶乳加量下的流变参数和滤失量 2 ． 3 润滑 性能 分 别 测 定 了 清 水、4 ％ 黏 土 浆 和 4 ％ 黏 土 浆 I ％P MMA纳 米 胶 乳 1 体 系 的润 滑系数、泥饼 黏附系数和极压膜强度，结果见表 3 。由表 3 可知， P MMA纳米胶乳具有较好的润滑性能。相对 4 ％黏 土浆而言，润滑系数降低了 8 0 ％左右，泥饼黏附系 踟 船 ％ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 1 月 数降低了约 4 0 ％。 表 3 不同体 系的润滑性 注 为在 1 2 0。 C 下热滚 1 6 h 。 2 ． 4 沉降稳定性 配制 5 ％ 的 P MMA纳米胶乳溶液，在 1 8 0。 C 下 热滚 1 6 h 后，使用 MA 2 0 0 0型近红外分散稳定性扫 描仪对纳米乳液的稳定性能进行分析，结果见图 4 。 静 蜊 接 一 1 0 0 褂 蜊 魁 5 O 杂 0 测试位置距测试管底部高度／ mm 入射 光透过率随测试位置的变化 I 州 ． ． _ 0 5 U 测试位置距测试管底部高度／ mm 反射光透过率随测试位置的变化 图 4 纳米乳液 1 8 0 o C 下热滚 1 6 h后的近红外扫描 由图 4可 以看 出，高温热滚后 的 P MMA纳米 胶乳溶液的近红外扫描曲线无大的变化 ，0 ～ 1 0 mm 范围内无尖峰 ，透过和反射 曲线均比较平缓，说明 P MMA纳米胶乳具有较好的高温稳定性能。 2 ． 5 封堵性能 配制不同类型的钻井液 ，采用砂床封堵装置评 价体系的封堵性能。在砂床滤失实验做完后 ，如果 处理剂能封堵住砂床，则倒出钻井液，倒人清水， 按测量A P I 滤失量的实验方法加压，测定不同钻井 液形成的泥饼对清水的封堵能力 ，即钻井液膜结构 密封度。结果见表 4 。 表 4 不 同钻井液体 系的砂床封堵性能及膜结构密封度 从砂床封堵实验结果可以看出，P MMA纳米具 有较强的封堵能力 ，这是因为 P MMA纳米胶乳粒 子具有变形变软的功能，在一定温度和压力条件下 能够挤入细／ J , L 隙中形成致密的封堵。 3 结论 I ． 透射 电镜 分析表明 P MMA纳米乳胶粒大致 呈球状 ，分散均匀 ，同时激光粒度仪的测定结果表 明，纳米胶乳粒子的平均粒径为 7 3 n m。 2 ． P MMA纳 米 胶 乳 具 有 良好 的 抑 制 性 能， I ％P MMA胶乳 的 回收 率大 于 7 ％KC 1 ，复 配使用 0 ． 5 ％K C 1 或 0 ． 5 ％N a C 1 效果则更好。 3 ． P MMA纳米胶乳具有一定的降滤失性能和 良好的润滑性能。在 4 ％膨润土浆 中加入 1 ％P MMA 纳米胶乳后 ，塑性黏度 、表观黏度 、切力变化不大， 失水量则大幅度降低 约 4 5 ％ ，泥饼厚度也略有降 低，润滑系数降低 了 8 0 ％左右 ，泥饼黏 附系数降 低 了约 4 0 ％。 4 ． P MMA纳米胶乳具有较强的封堵能力和好的 高温稳定性能。 参 考 文 献 [ 1 】 陈光华，邓金祥 ． 纳米薄膜技术与应用 [ M] ． 北京化学 工业出版社 ，2 0 0 4 ． [ 2 ] 黄德欢 ． 纳米技术与应用 【 M] ． 上海 中国纺织大学出 版社 ，2 0 0 1 ． [ 3 ] 崔迎春． 钻井液技术发展趋势浅析 [ J ] ． 钻井液与完井液， 2 0 0 5 ，2 2 1 6 0 6 2 ． [ 4 ] P u r s l e y J T， G l e n n P e n n y ． Mi c r o e m u l s i o n a d d i t i v e s e n a b l e o p t i mi z e d f o r ma t i o n d a ma g e r e p a i r a n d p r e v e n t i o n [ C ] ． SPE 8 65 56 ． M S， 2 0 04． [ 5 ] P e n n y G，P u r s l e y J T ． T h e a p p l i c a t i o n o f mi c r o e mu l s i o n a d d i t i v e s i n d r i l l i n g a n d s t i mu l a t i o n r e s u l t s i n e n h a n c e d g a s p r o d u c t i o n [ C ] ． s P E 9 4 2 7 4 - MS．2 0 0 5 ． 【 6 ] 孙金声 ，屈沅治，刘芳，等 ． 纳米膨润土复合体的制备 及性能 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 6 ，2 3 2 8 ． 1 0 ． 收稿 日2 0 0 9 0 4 2 1 ；H G F 1 0 0 1 A 2 ；编辑张炳芹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m