无机复合纳米水基钻井液体系研究.pdf

第 3 8卷 第 2期 2 0 1 0年 3月 石 油 钻 探 技 术 P ETR0I EUM DRI L I I NG TECHNI QUES Vo1 ．3 8 NO． 2 M a r ．， 2 01 0 固井与 泥浆 有机／ 无机复合纳米水基钻 井液体 系研 究 白小东 蒲 晓林 西南石 油大学 材料科学与工程学 院， 四川 成都 6 l O S O O 摘要 利用有机和无机纳米粒子作 为功能处理剂 架桥 、 封堵 ， 结合常规聚合 物处理剂组 成 了有机／ 无机 复合 纳米水基钻井液体 系， 评价 了该钻井液体 系的隔 离层效应 、 抗 温性 、 抑制性 、 抗污染能 力和沉降稳定性 。评价 结果表 明 有机／ 无机 复合 纳米水基钻井液体 系具有较强的隔离层效应 ， 1 2 o mi n后动滤失量几乎为零 ； 抗温达到 1 8 0℃ ； 具有 较 强的抑制泥页岩 水化膨胀的能力， 页岩在 纳米水基钻井液 中的线膨胀率仅 为 1 7 ． 9 2 ， 滚动 回收率为 9 5 ． 。 O ； 抗盐 和 钻 屑 污 染 能 力 强 ， 抗 Na CI 和 C a C 1 。可 达 1 5 和 7 oA ， 抗 钻屑 污 染 可达 l 5 ； 沉 降 稳 定 性好 ， 能 满足 现 场 施 工要 求 。 关 键 词 纳 米 级 材 料 ；水 基 钻 井 液 ；钻 井 液 性 能 ；抗 盐特 性 中 图分 类号 TE2 5 4 ． 3 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 卜0 8 9 0 2 0 1 O 0 2 0 0 4 7 ～ 0 4 1 概 述 水 分子 的直 径约 为 0 ． 4 n m， 钻 井液 中的 黏土 颗 粒粒 径 多数 在 悬 浮 体 范 围 0 ． 1 ～ 2 ． 0／ l m 内 ， 而 泥 页岩 是所 有地 层岩 石 中孔 径 最 小 的 岩石 类 型 ， 其孑 L 径分 布在 0 ． 0 0 1 ～0 ． 0 1 0／ x m， 因此 ， 对 于井 壁岩 石 的 最后 一级 封堵 材料 ， 其颗 粒 尺寸 必须 处 于纳米 级 ， 而 且加 人 的纳米 材料 必须 同 时有 刚性 粒子 和可 变形 粒 子 。有机／ 无 机复合 纳米 水基 钻 井 液体 系 中 ， 无 机 纳 米粒子是一 种具有不 变形特点 的刚性 粒子 ， 刚性粒 子 对处于纳米级的孑 L 隙进行架桥 ； 有机纳米粒子是一种 在一定温度 下具有变形 变软功 能的可 变形粒 子 ， 可变 形粒 子对刚性 粒子 架 桥形 成 的不 规则 孔 隙进 行 变形 填充 ， 最终形成 完全 阻 止水 进入 地 层 的 隔离 层 ， 起稳 定井壁和保护储层的作用 。根据刚性粒子 紧密堆积 理 论 ， 再小 的刚 性粒 子相 互 堆 积仍 然 会 存 在 剩余 空 间， 因此 ， 要 求最后 一 级封 堵粒 子 必 须是 具 有 变形 变 软功 能的封堵材料 有机纳米粒 子 ， 而单独 使用 有机 纳米粒子 又无法实 现架桥作用 ， 因为其 变形 变软 的特 点使其容 易向地层 孔隙 中渗滤 ， 找 不到 支 撑点 ， 所 以 有机 、 无机纳米 处理剂必须 同时存 在 。 从 国内外文献l_ 1 _ 8 _ 可知 ， 人们努力研制出了一些 纳米 材料 ， 并将 其应 用 于水基 钻井 液 中 ， 并 取得 了不 错 的效 果 。笔 者在 此 优 选 出 了一 种 有 机／ 无 机 复 合 纳米水 基钻 井 液体 系 ， 并 对其 性 能进行 了评 价 ， 以期 为现场应用纳米水基钻井液提供室内试验支持 。 2 纳米钻井液基本配方 以 纳米胶 乳 NM一 1 、 无 机纳米 材 料 NMTO为 主 要处 理 剂 ， 以 4 ． 0 钠 膨 润 土 0 ． 3 KHP AN 3 ． 0 S M P I I 1 ． 5 S PNH 1 ． 0 S M C 2 ． 0 XY 一 2 7 为 基 浆 ， 通 过 优 选 NM一 1和 NMT o 的加 量 来 优选 有 机／ 无 机 复 合 纳 米 水 基 钻 井 液 配 方 。表 1 为优选 NM一 1 和 NMTO加 量 的试验 数 据 。 收 稿 日期 2 0 09 - 0 4 0 2； 改 回 日期 2 0 1 0 - 0 1 2 8 基金项 目 国家 自然科学基金项 目“ 基 于钻 井液一 井壁 界面的膜 形成技术与膜传递过程研究” 编号 5 0 7 7 4 0 6 5 资助 作者简介 白小 东 1 9 8 O ， 男， 四川 南充人 ， 2 0 0 2年 毕业 于西 南石油学院应用化学专业 ， 2 0 0 4年获西南石油学院应用化 学专业硕 士学位 ，2 0 0 7年 获西 南石 油 大学油气 井工程 专业博士 学位， 讲 师， 主要从事油气田材料方面的教 学与科研工作。 联系方式 0 2 8 8 3 0 3 2 2 9 9 ，x i a o d 0 n g I】 2 o o 3 y a h o o ． c o m． c n 4 8 石 油 钻 探 技 术 2 O 1 0年 3月 从表 1可看 出， 纳米乳 液 NM_ 1 具有 一定 的降滤 失性 能 ， 而 N MTO加 量较少 时能降低 A P I 滤失量 ， 加 量超过 3 ． 0 时 ， A P I 滤失量增 大 ， 但 两者都具有不 明 显 的增 黏效果 。因此 ， 确定 N M- 1和 N MTO的加 量 分别 为 0 ． 1 和 1 ． 0 ， 从 而 优选 出纳米 水 基 钻井 液 体 系配方 为 4 ． 0 ％钠 膨 润 土 0 ． 3 ％ N M一 1 1 ． O NMTo 0 ． 3 KHPAN 3 ． 0 S MP I I 1 ． 5 oA S P NH 1 ． 0 S MC 2 ． 0 XY一 2 7 3 性能评价 3 ． 1隔离层 效果评 价 测定 纳 米 水基 钻 井 液 的高 温 高压 动 滤 失量 ， 其 结果 如 图 1 所示 。利 用 电镜扫 描测 动滤 失用 的隔 离 膜 ， 观察其 微观 结构 ， 结果 见 图 2 。 图 1 纳 米 水 基 钻 井 液 高 温 高 压 动 滤 失量 随 时 间 的 变 化 趋 势 图 2隔 离 膜 内部 微 观 结 构 从 图 1可 看 出 ， 纳米 水 基钻 井 液 动滤 失量 在 9 0 mi n后 随时间的延长增 量几乎为零 。而 1 2 0 mi n后将 钻井液倒 出 ， 换成清水 ， 滤 失量几乎 为零 ， 这表 明水 基 纳米钻井液 具有隔离 层效 应 。由图 2可 以看 出 ， 纳米 水基钻井 液所形成 的泥饼非常致 密 ， 胶粒 互相粘 合在 一 起 ， 起 到了防止泥 页岩坍塌和保 护储 层 的作用 。 3 ． 2 抗 高温 性能 将纳米水基 钻井 液在 1 0 0 、 1 2 0 、 1 5 0 、 1 8 0和 2 0 0℃ 温度 下 热滚 1 6 h ， 测定 纳 米水 基 钻井 液 老化 前 后流 变 性及滤 失量 的变 化 ， 结 果见 表 2 。 表 2 纳米水基钻 井液抗高温性能 老化温度／表观黏度／ 塑性黏度／ ℃ m P a S m P a s P a H值 泥 从 表 2可看 出 随老化 温度 的升 高 ， 总的规 律是 纳米水 基钻 井 液 的黏 度 和 动 切 力 都 有 所 下 降 ， AP I 滤失量 和泥 饼厚 度增 大 ； 当老 化 温度 低 于 1 8 0℃ 时 钻井 液流 变性 和滤 失 造 壁性 比较 稳 定 ， 变化 幅度 不 大 ； 当 老 化 温 度 高 于 1 8 0℃ 后 ， 随 着 温 度 的 升 高 ， AP I 滤失量 剧增 ， 黏度 大 幅度下 降 ， 其 性能较 差 。从 机理 上分析 ， 纳米 乳 液 NM一 1本 身 是一 种 热力 学 稳 定 体 系 ， 其 抗温 能力 在 2 5 O℃ 以上 ， 聚磺处 理剂 的抗 温能力 也较 强 ， 但 由于在高 温下 分散剂 失去 了作 用 ， 作 为堵剂 的无 机纳 米 粉 体 NMTo 发生 了解 吸 附作 用 ， 部 分 无 机 纳 米 粉 体 NMTO 发 生 了 团 聚 ， 导 致 AP I 滤失量 增 大 。 3 ． 3抑 制性 能 3 ． 3 ． 1 抑 制膨 胀试 验 采用 NP 一 0 1型页 岩膨胀 仪测 试 页 岩在 清水 、 纳 米水 基钻 井液 、 硅 酸盐 钻 井 液 和 聚合 物 钻 井 液 中 的 线性 膨胀 率 ， 结 果见 表 3 。 表 3页岩在清水和不 同钻 井液 中的线性膨胀率 ％ 从表 3可看 出 ， 页 岩在 清 水 中 1 6 h的线 性 膨 胀 率 为 3 6 ． 2 9 9 ／ 6 ， 而在纳米 水基钻 井液 中仅 为 1 7 ． 9 2 ， 几 乎 降低 了 1 ／ 2 ， 可见 ， 纳 米水 基钻 井 液 具有 较 强 的 抑 制泥 页岩水 化膨 胀 的能力 。 5 5 0 5 O O O O l l 2 2 1 O 2 8 5 O 乱 9 9 9 9 9 9 O O 5 0 5 O 6 5 4 3 2 2 0 5 5 5 O 5 5 3 1 O 8 O 2 2 2 2 1 1 O 5 0 5 5 5 l 8 6 3 O 2 3 2 2 2 2 1 O O O O O 地 加 第 3 8卷第 2期 白小 东等 有机／ 无机复合纳米 水基钻 井液体 系研 究 4 9 3 ． 3 ． 2 页岩 滚 动 回收 试验 滚动 回收率是表 征 钻井 液 体 系抑制 泥 页 岩分 散 能力 的重要 指标 ， 为 此 ， 笔者将钻 屑 加入到 清水 、 纳米 水基钻井 液 、 硅酸盐钻 井液和 聚合 物钻 井液 中进行 了 滚动 回收试 验 ， 结果是 钻屑在它们 中的滚动 回收率 分 别为 3 0 ． 0 、 9 5 ． 0 、 8 0 ． 6 和 7 6 ． 4 。由此可 看出 ， 纳米水基钻 井液 具有 很 强 的抑 制泥 页岩 钻 屑水 化 分 散 的能力 ， 与抑制膨胀试 验得 出的结论一致 。 由以上试 验结 果可 看 出纳米 水基 钻井 液体 系具 有较 强 的抑 制 性 。分 析 其 抑 制 机理 为 由于 纳米 胶 乳呈 电 中性 或 者正 电性 ， 当纳 米乳 液 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 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 ， 再 加 上 纳米 水基 钻井 液 中分散 能力 极强 的两 性 离子 聚合 物 XY - 2 7的分散 作 用 ， 使 纳米 水基 钻井 液 具有 更 强 的抑制性 。 3 ． 4抗 污染 性 能 3 ． 4 ． 1 抗 盐 性 能 在纳 米水 基钻井 液 体 系 中加 入不 同质 量分 数 的 盐 Na C 1、 C a C 1 2和 Mg C 1 ， 测 定 其 在 1 2 0℃温 度 下热 滚后 的流 变性及 滤 失量 的变 化 ， 结 果 见表 4。 袭 4 魄 捧基 液 毹 j 加量， 表观黏度 辍性黏度 动切力 薯 囊 I 滤失一泥饼厚j 锰 ％ ra P ． ． s m P a s P a l 量f r 也 ≥ r m 从 表 4可 看 出 ， 在 纳米 水 基 钻 井液 体 系 中加入 一 定量 的盐 后 ， 其表 观黏 度 、 塑性 黏度 及动 切力 均降 低 ， 滤失 量增 大 ， 泥饼 变 厚 。其 中 ， Na C 1 质 量 分数 超 过 1 5 ． 0 9 ／ 6 ， C a C 1 。 质量 分 数 超 过 7 ． 0 ， Mg C 1 。 质 量 分 数超 过 2 ． 5 后 ， 纳 米 水 基 钻 井 液 性 能 变 差 。这 是 因为 纳 米 胶 乳 NM一 1和 无 机 纳 米 粉 体 NMT O 主 要 是 靠 空 间 位 阻 和 双 电 层 斥 力 起 稳 定 作 用 ， 加 入 无 机 电解 质 后 产 生 同离 子 效 应 ， 压缩 双 电层 ， 当 同离 子 效 应 大 于 空 间 位 阻 和 双 电 层 斥 力 作 用 时 ， 纳 米 颗 粒 絮凝 成 团 ， 具 体 表 现 为 滤 失 量 增 大 ， 黏 度 和 动 切力 降低 。 3 ． 4 ． 2抗钻 屑 污 染性 能 在 纳 米 水 基 钻 井 液 中 加 入 5 、 1 0 9 ／ 5 、 1 5 和 2 0 ％的钻 屑后 ， 测定 其 在 1 2 0℃温 度 下 热 滚 后 的性 能变 化 ， 结 果 见表 5 。 |豪 s 缴 瓠薏 裳彀 拣 飘 啦 钻 屑加 量 表 观黏度Z 塑性 辩度 动切力／ _P l 滤失泥饼厚 度／ 冁 t 0 a mP a s Pa c o mm 从 表 5可看 出 ， 在 纳米 水 基 钻 井 液 中加 入 1 5 ％ 的钻 屑后 ， 其 流 变 性 及 AP I滤 失 量 变 化 不 大 ， 一 旦 超 过 2 O ％ ， 其性 能 变 差 ， 说 明 该 钻 井 液 具 有 较 强 的 抗 钻 屑污 染性 能 。 3 ． 5沉 降稳 定性 评价 采 用 近 红外 液 体 稳 定 性 分 析 仪 对 纳 米 水 基 钻 井 液 体 系 进 行 了 2 4 h近 红 外 扫 描 ， 结 果 见 图 3 。 从 图 3可看 出 ， 反 射 光 透 过 率 的 波 动 范 围 在 2 以 内 ， 能满 足 钻 井 液 沉 降 稳 定 性 要 求 ， 适 合 现 场 钻 井 需 要 。 4 结 论 1 优选 出 了有机 ／ 无 机复 合 纳米 水 基 钻井 液 体 系 的基 本 配 方 4 ． 0 钠 膨 润 土 0 ． 3 NM 一 1 1 ． 0 NMTO 0 ． 3 KHPAN十 3 ． 0％ S MPI I 1 ． 5 S PNH 1 ． 0 S M C 2 ． 0 XY一 2 7 。 石 油 钻 探 技 术 2 0 1 0年 3月 1 O O 5 0 0 1 0 篓 型 萎 s L 一 ． 一 一 ． ． 一 ⋯ H 1 5 9 3 5 9 5 59 7 59 9 59 l1 59 1 3 5 9 l 5 59 l 7 59 l 9 59 21 5 9 U 测试位置距试管底部高度／ m m 图 3水 基 纳 米 钻 井 液 体 系 2 4 h近 红 外 扫 描 结 果 2 有机 ／ 无机 复合 纳米 水基 钻 井液 体 系具 有 较 强 的隔离 层效 应 ， 动 滤失 量在 1 2 0 mi n后 几乎 为零 ， 抗 温达 到 1 8 O℃ 。 3 有机 ／ 无机 复合 纳米 水基 钻 井液 具 有较 强 的 抑制 泥 页岩水 化膨 胀 的能力 ， 页岩 1 6 h线 膨胀 率 仅 为 1 7 ． 9 2 ， 滚 动 回收率 为 9 5 。 4 有机／ 无机复合纳米水基钻井液抗盐和钻屑 污染 能力 强 ， 抗 Na C 1 、 C a C 1 和 钻 屑 污 染 分 别 可 达 1 5 、 7 和 1 5 。 5 有 机 ／ 无 机 复 合 纳 米 水 基 钻 井 沉 降 稳 定 性 好 ， 能满 足现 场施 工要 求 。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 3 [ 7 ] [ 8 ] 参 考 文 献 S a y y a d n e j a d M A， Gh a f f a r i a n H R， S a e i d i M ． R e mo v a l o f h y d r o g e n s u l f id e b y z i n c o x i d e n a n o p a r t i c l e s i n d r i l l i n g fl u id [ J ] ． I n t e r n a t i o n a 1 J o u r n a l o f Env i r on me nt a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g Y， 2 0 0 8， 5 4 5 6 5 5 6 9 ． Da v i d s o n E． M e t h o d a n d c o mp o s i t i o n f o r s c a v e n g i n g s u l p hid i n d r i l l i n g f l u i d s US ， 6 4 7 6 6 1 l [ P ] ． 2 0 0 4 - 0 6 - 1 8 ． Ga r r e t t R L， Ca r l t o n L A ， De n e k a s M O． M e t h o d s f o r f i e l d mo n i t o r i n g o f o i l b a s e d d r i l l i n g f l uids f o r h y d r o g e n s u l f i d e a n d wa t e r i n t r u s io n s [ J ] ． S P E D r i l l i n g E n g i n e e r i n g ， 1 9 8 8 ， 3 3 2 9 6 3 0 2 ． P a i a ma n A M ， Az a d b a kh t S， M i r h a s h e mi M ， e t a 1 ． Us i n g n a n o p a r t i c l e s t 0 d e c r e a s e d i f f e r e n t i a l p i p e s t i c k i n g a n d i t s f e a s i b i l i t y i n I r a n i a n Oi l F i e l d s [ J ] ． O i l a n d Ga s B u s i n e s s ， 2 0 0 8 ， 3 3 1 0 1 9 2 - 1 9 8 ． Kr i s h n a mo o r t i R K．Ex t r a c t i n g t he b e n e f i t s o f n a n。 t e c h n o l o g y f o r t h e o i l i n d u s t r y [ J ] ． J P T， 2 0 0 6 ， 5 8 1 1 1 2 5 1 3 2 ． 蒋 莉 ， 袁丽 ， 郑清 国． 纳米膨润土复合体的研究与应用[ J ] ． 石油 钻探技术 ， 2 0 0 9 ， 3 7 3 5 7 - 6 0 ． 屈沅治 ， 孙金声 ， 苏义脑． 新型纳米复合材料的膜效率研究[ J ] ． 石 油钻探技术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 2 3 2 3 5 ． 袁丽 ， 郭祥鹃 ， 王宝田． 钻井液用纳米乳液 R L 一 2的研究 与应用 [ J ] ． 钻井液与完井液 ， 2 0 0 5 ， 2 2 6 1 6 1 8 ， 2 1 ． [ 审稿鄢捷年] S t u d y o f or g a n i c ／ I n 0 r g a n i c C o mp o s i t e Na n o S i z e d Wa t e r 。 B a s e d D r i l l i n g F l u i d s Ba i Xi a o d o ng PU Xi a o l i n C o l l e g e o f Ma t e r i a l a n d En gi n e e r i n g， S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， C h e n g d u， S i c h u a n， 6 1 0 5 00，Chi na Abs t r a c t U s i ng or ga ni c na no l at e x a nd i nor ga ni c pa r t i c l e s as br i dgi ng a nd bl o c k a ge nt s a l o ng wi t h t h e p o l y me r a d d i t i v e s ，t h e o r g a n i c ／ i n o r g a n i c c o mp o s i t e n a n o me t e r wa t e r b a s e d mu d s y s t e m w a s de ve l o pe d． The i s ol a t i on l a ye r e f f i c i e nc y， t e m pe r a t ur e r e s i s t a nc e， i nhi bi t i ve a bi l i t y， pol l ut i on r e s i s t a n c e a n d s e d i me n t a t i o n s t a b i l i t y we r e e v a l u a t e d ． The i n v e s t i g a t i o n i nd i c a t e s t h a t t hi s m u d s y s t e rn ha s hi ghe r i s ol a t i on l ay e r e f f i c i e nc y wi t h z e r o f i l t r a t i on l os s a f t e r 1 2 0 m i n． I t i s e f f e c t i ve up t o 1 8 0 ℃ ． T he s ys t e m has s t r ong s ha l e i nhi bi t i ve a bi l i t y w i t h s w e l l r a t e o f 1 7．9 2 a nd t he r e c ov er y r a t e o f 9 5％ ．I t h a s s t r o n g s a l t a n d b i t c u t t i n g s r e s i s t a n c e u p t o 1 5 Na C1 ，7 Ca C1 2 a n d 1 5 b i t c ut t i ngs ． A t l as t，t he s e di m e nt at i on s t a bi l i t y of t he s ys t e m i s go od a nd m e e t s r e qui r e m e nt s of i n s i t u dr i l l i ng ope r a t i o ns ． Ke y wo r d sna n o m a t e r i a l s；wa t e r b a s e d r i l l i ng f l ui d；d r i l l i ng f l u i d p r op e r t y；s a l t t o l e r a n t p r op e r t y 将 煅