CuO和ZnO納米流體對水基鉆井液流變性的影響

張毅 陳東 鄧鈞耀 張慧 劉富

摘? ? ? 要： 納米流體本身的特異性使其在鉆井液中得到了有效應(yīng)用，有助于解決高壓高溫環(huán)境中的高效鉆井問題。通過在黃原膠水溶液中添加CuO和ZnO納米流體作為基礎(chǔ)流體，制備了納米流體強(qiáng)化的水基鉆井液 （NWBM）。通過實(shí)驗(yàn)對其流變性能進(jìn)行了對比分析，納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.3%和0.5%。結(jié)果顯示：與WBM相比，NWBM的熱和電性能提高了約35%;與基于ZnO納米流體的NWBM相比，基于CuO納米流體的NWBM更為耐壓耐溫;NWBM相比于WBM，其流變穩(wěn)定性更好，且在較高溫度下，壓力對NWBM流變學(xué)的影響更為顯著;納米流體對鉆井液最大的改善便是能夠在較高溫度下使其黏度維持穩(wěn)定。

關(guān)? 鍵? 詞：納米流體;鉆井液;高壓高溫;流變性

中圖分類號：TE254? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ?文章編號：1671-0460（2020）09-1863-04

Abstract： The specificity of nanofluid itself makes it be effectively used in drilling fluids to solve the problem of efficient drilling in high-pressure and high-temperature environments. In this paper， nano-fluid reinforced water-based drilling fluid （NWBM） was prepared by adding CuO and ZnO nano-fluids to the xanthan gum aqueous solution as basic fluids. The rheological properties were compared and analyzed through experiments. The mass fractions of nanoparticles were 0.1%， 0.3% and 0.5%， respectively. The experimental results showed that the thermal and electrical properties of NWBM were improved by about 35% compared to WBM; compared with NWBM based on ZnO nanofluid， NWBM based on CuO nanofluid was more pressure and temperature resistant; Its rheological stability was better， and at higher temperatures， the effect of pressure on NWBM rheology was more significant; the biggest improvement of nanofluids on drilling fluids was that they maintained theviscosity of drilling fluid at higher temperatures.

Key words： Nanofluid; Drilling fluid; High pressure and high temperature; Rheology

復(fù)雜油藏或深海地區(qū)鉆探過程中鉆井液的使用尤為重要，因?yàn)槠渫媾R高壓、高溫甚至高鹽環(huán)境[1-3]，通常在鉆井過程中，將水基鉆井液、油基鉆井液及其衍生物之類的液體與合適的聚合物和黏土添加劑一起使用[4]。鉆井液基液的選擇能極大地影響鉆井過程。就潤滑性能而言，油基鉆井液已被確立為主要的泥漿體系，其自身具備良好的流變特性及溫度穩(wěn)定性，在鉆井過程中能維持井眼穩(wěn)定，降低鉆進(jìn)扭矩和阻力，且有效控制流體損失和濾餅質(zhì)量，同時(shí)可清潔鉆孔[5]。當(dāng)然也存在一定的缺陷，如成本高及環(huán)保性差。相比之下，水基鉆井液具有一定成本優(yōu)勢，但其效果較差。學(xué)者們開展了大量關(guān)于水基鉆井液的研究，且試圖通過使用合適的添加劑來優(yōu)化水基鉆井液的流變性能，但始終未能找到如意的方法。

納米科技的出現(xiàn)打破了這一瓶頸，尤其是針對水溶性聚合物在高溫下的降解，通過納米技術(shù)可得到有效解決。納米流體可改善例如勘探、鉆探、完井、生產(chǎn)等多個(gè)過程，甚至提高采收率。納米顆?？捎糜诮鉀Q與鉆井過程中管子卡死、漏氣及扭矩等相關(guān)的問題已被多人證實(shí)。AGARWAL等研究了納米黏土和納米二氧化硅在基于HPHT反相乳液的鉆井液中的應(yīng)用，并觀察了它們對鉆井液流變性的影響[6]。PAIAMAN和ANAZI發(fā)現(xiàn)隨著壓力和溫度的升高，向鉆井泥漿中添加納米炭黑顆粒會降低泥餅的厚度，從而有助于防止管道堵塞[7]。JAVERI等也發(fā)現(xiàn)可以使用硅納米顆粒來減少循環(huán)損失[8]。LEE等研究了氧化鐵磁性納米顆粒來提供對鉆井液黏度的原位控制[9]。在WBM中使用納米顆粒作為頁巖抑制劑的研究表明，其可減少流體（水）滲透到頁巖中的能力，從而減少了井眼失穩(wěn)的問題。

目前用于鉆井液的聚合物作為納米顆粒的基礎(chǔ)液將有助于確保在整個(gè)鉆井液組合物中更好地分配，并且可以忽略納米流體進(jìn)入鉆井液的影響。因此，本文通過黃原膠水溶液為基底液，將其與納米CuO和ZnO聚合作為基礎(chǔ)流體制備了納米流體強(qiáng)化的水基鉆井液 （NWBM），并分析了不同納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)及種類對NWBM流變性能的影響。

1? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 實(shí)驗(yàn)材料

粒徑小于50 nm且純度大于97%的納米ZnO和CuO，購于廣州化學(xué)試劑廠;純度為37%～41%的甲醛、85%的氫氧化鉀及99.5%的氯化鉀，均購于上海阿拉丁試劑有限公司;黃原膠、聚陰離子纖維素和膨潤土，均來自上海麥克林生化科技有限公司。

1.2? 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1? 納米流體的制備與表征

使用兩步法制備納米流體，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%的CuO和ZnO納米顆粒添加至0.4 %的黃原膠基礎(chǔ)流體中，并用超聲波分散1 h。

1.2.2? 鉆井液的制備

預(yù)水合膨潤土漿液用于制備WBM，其中添加黃原膠作為增黏劑，并為鉆探泥漿提供良好的剪切稀化和懸浮特性;加入聚陰離子纖維素作為流體損失控制劑，添加氯化鉀以制備抑制性泥漿;KOH用于確定鉆井泥漿的pH范圍為9～9.5;加入甲醛以確保天然聚合物不會由于細(xì)菌作用而降解;NWBM使用相同的基礎(chǔ)配方進(jìn)行制備，并向其中添加1%的納米流體。所使用的的納米鉆井液配方如表1所示。

1.2.3? 流變學(xué)性能測試

通過應(yīng)力控制流變儀測試鉆井液的剪切流變性能。通過將剪切速率從10 s-1更改為1 200 s-1，可以進(jìn)行受控的剪切應(yīng)力測試。針對不同溫度（25、70、90、110 °C）和壓力（0.1、10 MPa）條件進(jìn)行了鉆井液的流變學(xué)特性測試。

2? 結(jié)果與討論

主要研究了不同溫度中NWBM分別在0.1、? 10 MPa下的流變學(xué)特性變化，并將其與WBM進(jìn)行了對比分析。

2.1? 溫度對鉆井液黏度的影響

在鉆井作業(yè)期間，鉆井液要承受的溫度和壓力會隨著深度的增加而增加。相反，壓力和溫度對WBM的影響是：升高溫度會降低鉆井液的黏度，這主要與流體的熱膨脹有關(guān)，而增加壓力則由于壓縮而增加了黏度。因?yàn)樵?.1 MPa時(shí)高于90 ℃的基礎(chǔ)流體可能會蒸發(fā)水，從而導(dǎo)致流變數(shù)據(jù)波動。因此，在0.1 MPa下測試WBM時(shí)，分別在溫度為25、70、90 ℃的條件下進(jìn)行。

圖1為溫度對0.1 MPa和10 MPa時(shí)WBM黏度的影響。從圖1（a）很明顯可以看出，WBM的黏度會由于溫度的升高而降低，且會觀察到剪切稀化特性，即黏度隨著剪切速率的增加而降低;圖1（b）為10 MPa下NWBM在25、70、90、110 ℃下的黏度變化規(guī)律，同樣可以看出類似于圖1（a）的黏度降低趨勢;然而圖1（c）則顯示其黏度值遠(yuǎn)低于0.1 MPa和較低溫度下的黏度值。同時(shí)，從不同參數(shù)變化對鉆井液黏度的影響結(jié)果可以看出，較低的溫度（25±1 ℃）下，壓力確實(shí)會影響基礎(chǔ)鉆井液的黏度。然而在高溫（90±1 ℃）下，可以預(yù)期到黏度會更大程度地降低，壓力不會影響基礎(chǔ)WBM的黏度。此外，AC （冷卻后）10 MPa下的黏度降低低于0.1 MPa下的黏度降低。這是由于維持黏性的高壓壓縮特性所致。通常，壓力的作用主要是在較高溫度下保持黏度穩(wěn)定，而在較低溫度下，壓力的作用受到抑制。

2.2? 壓力對鉆井液黏度的影響

圖2為溫度和壓力對NWBM黏度的影響，總體趨勢與圖1相似。在較低溫度下，壓力對黏度的影響可以忽略不計(jì)。這可能是由于水作為基礎(chǔ)流體的不可壓縮特性所致。從圖2中還可以看出，在? ?10 MPa下，更高的溫度（90、100 ℃）下，所有剪切速率的黏度都非常相似，但是其他溫度下的黏度卻不同;在相同溫度20 ℃下，在NWBM的AC處觀察到的黏度顯示出幾乎與以前相同的流變特性。

圖2顯示了在給定壓力下，鉆井液黏度隨溫度升高而降低。在較高壓力10 MPa的條件下，與較低溫度相比，較高溫度下的黏度降低受到的抑制更大。壓力增加會增加鉆井液的黏度。在低溫下（25±1）℃，10 MPa的較高壓力可有效地增加黏度。但是在較高的溫度下（90±1）℃，由于溫度引起的黏度降低變得更加明顯。

2.3? 不同納米流體對鉆井液流變性能的影響

上述圖1和圖2分別為CuO納米流體和ZnO納米流體對NWBM流變學(xué)特性的影響，可以看出溫度和壓力對流變學(xué)的影響趨勢與表2類似。在壓力一定時(shí)，黏度隨溫度的升高而降低，即使在較低溫度下，壓力對黏度增加的影響也不顯著，如圖2中基礎(chǔ)鉆井液結(jié)果。

同時(shí)當(dāng)壓力一定時(shí)，在任何給定的剪切速率下，從110 ℃到25 ℃的黏度變化（Δμ）在較低的剪切速率下比在較高的剪切速率下更大。更為有意思的是，相對于C.0，C.1至C.6的溫度Δμ較小，并遵循以下順序： ZnO基NWBM為C.3 ? C.2 ? C.1 ? C.0，CuO基NWBM為C.6 ? C.5 ? C.4 ? C.0。這意味著隨著我們將NWBM中的納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)從C.1提高到C.3，從C.4提高到C.6，流量曲線變得更穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)過程中，從WBM和NWBM的每組研究中重復(fù)了復(fù)了3次，從結(jié)果可以看出流變學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在結(jié)果的75%范圍內(nèi)，顯示了本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性。

為了覆蓋一定范圍的剪切速率，考慮10、100、1 000 s-1，這其中包括低、中和高剪切速率。對于鉆井液配方C.0的基礎(chǔ)泥漿，溫度升高會降低黏度;但是，對于大多數(shù)NWBM配方，當(dāng)從C.1到C.3（對于基于ZnO的NWBM）和C.4到C.6時(shí)，NWBM的黏度似乎具有較小的偏差（Δμ%?。?在給定的剪切速率和溫度（壓力恒定）下，對于基于CuO的NWBM而言，結(jié)果表明在更高的納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，NWBM的黏度更加穩(wěn)定。從表2中還可以觀察到冷卻后的鉆井液的行為，說明其可以有效降解，表明納米顆粒能夠幫助鉆井液保持其流變性，同時(shí)這也很好地表明了NWBM的穩(wěn)定性。

納米流體中納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加以及NWBM中納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)致在較高壓力下黏度更穩(wěn)定，這可能表明納米顆粒抑制黏度降低的能力，從而在不同溫度下產(chǎn)生相似的流變行為。通常通過添加納米顆粒抑制了壓力和溫度對WBM流變學(xué)的影響。添加納米流體后，流體仍保留其剪切稀化特性，并在更高的納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)下改善了流變性能。NWBM在HPHT條件下顯示出相同的流變行為，增加NWBM中納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以進(jìn)一步增強(qiáng)這種行為。這在鉆井液設(shè)計(jì)中可能很有用，因?yàn)殂@井液在環(huán)境條件下的行為將代表其在井下條件下的行為，可以證明在不同的高溫高壓條件下表現(xiàn)出相似行為的鉆井液，并且由于黏度將僅隨剪切速率而變化，不隨壓力和溫度而變化，因此具有潛在的應(yīng)用前景。由于可以忽略壓力和溫度的影響，因此在實(shí)際過程中控制這種NWBM的流變學(xué)特性和其他熱物理特性將更加簡單。

3? 結(jié) 論

為了促使水基鉆井液在實(shí)際鉆井過程中能夠更為高效、環(huán)保，本文基于黃原膠水溶液制備了CuO和ZnO納米流體，并將其作為水基鉆井液的添加劑用以改善鉆井液的流變性，納米流體中納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%和0.5%。通過實(shí)驗(yàn)研究了不同種類、質(zhì)量濃度納米流體對NWBH黏度及剪切速率等流變特性的影響，得出以下結(jié)論：

1）與基于ZnO的NWBM相比，基于CuO納米流體的NWBM更耐高溫高壓條件。

2）NWBM的高壓流變測試結(jié)果表明，在較高溫度下，壓力對NWBM流變學(xué)的影響更為顯著，且高壓下NWBM的流變穩(wěn)定性更好。

3）納米流體的添加最為顯著的作用是在較高溫度下穩(wěn)定NWB的黏度。

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