納米粒子在鉆完井中的應(yīng)用現(xiàn)狀

田進(jìn)，何淼，王曉亮

(1.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.長江大學(xué) 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430100)

納米技術(shù)是一種應(yīng)用范圍廣、應(yīng)用前景大的綜合型科學(xué)技術(shù)，其中納米材料是納米技術(shù)的研究基礎(chǔ)。納米粒子顆粒直徑一般在0.1～100 nm間，比常規(guī)膠體顆粒小兩個數(shù)量級，近年來已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)、精細(xì)化工、電子工程、航空航天、國防科技等行業(yè)中取得了突破性的進(jìn)展與應(yīng)用[1-5]。石油大都儲藏在地底深處多孔巖石中，當(dāng)納米材料運輸?shù)侥繕?biāo)地層后，納米材料的微觀形狀和幾何尺寸不受溫度、壓力等因素影響，能夠在納米級巖石孔隙中自由流動，從而推動油氣開采。基于納米材料的獨特性能，納米材料應(yīng)用于鉆完井工程也取得了一定成效。石油作為我國的一大重要儲備能源，關(guān)系到各行各業(yè)的發(fā)展，因此進(jìn)一步加強(qiáng)納米材料在鉆完井工程中的研究與發(fā)展顯得很有必要。

1 納米粒子在鉆井作業(yè)中的應(yīng)用

1.1 納米鉆井液

在頁巖地層鉆井時，由于頁巖孔隙中的鹽水離子濃度遠(yuǎn)高于鉆井液水的離子濃度，因此產(chǎn)生了較大的滲透壓，導(dǎo)致鉆井液中的水份被吸入頁巖孔隙中[6-8]。頁巖水化膨脹，導(dǎo)致井眼完整性被破壞，需要一系列額外的添加劑抑制頁巖水化膨脹，因此頁巖鉆井液成本普遍偏高。

常規(guī)降失水材料對微米級孔隙的巖石有效，但對納米級孔隙的頁巖無效。為了防止水侵入頁巖，Sensoy等[9]向鉆井液中添加納米二氧化硅顆粒，成功證明了納米顆粒能夠阻止頁巖水化。然而長時間浸泡后，低離子濃度的鹽水仍然會向頁巖孔隙緩慢滲透[10-11]，為了進(jìn)一步消除井壁內(nèi)外滲透壓差，還需要開發(fā)更高效的納米材料。通常使用油基鉆井液抑制頁巖水化膨脹，但是產(chǎn)生的含油泥餅和廢棄含油鉆屑不利于后續(xù)石油開采。為了解決這一難題，Melle等[12]采用功能性納米材料作為油基鉆井液的乳化劑，研制了一種可逆乳化鉆井液，并實施了現(xiàn)場應(yīng)用。該納米粒子可以形成體系穩(wěn)定、粒徑均勻的微米級乳液，能夠響應(yīng)外部條件生成水包油或油包水乳狀液，大大提高了鉆井和完井效率[13-14]。

隨著鉆井工程逐漸向復(fù)雜地層發(fā)展，往往會遭遇鉆井液漏失、泥漿增稠、井壁失穩(wěn)等問題。向鉆井液中添加納米粒子，例如納米二氧化硅和納米二氧化鐵，可形成高密低滲、抗污染能力強(qiáng)的泥餅，從而減少鉆井流體損失。

1.2 納米涂層

油田金屬管材長期處于高溫、高壓、旋轉(zhuǎn)摩擦、酸性氣體、酸性流體等惡劣環(huán)境下，通過在金屬管材表面沉積納米粒子，可以減少金屬管材被磨損和腐蝕?，F(xiàn)有的納米涂層有：①潤滑涂層，緩解金屬表面磨損；②防垢耐腐涂層，減少設(shè)施內(nèi)表面或外表面的腐蝕和結(jié)垢；③自愈合涂層，能夠自我修復(fù)表面產(chǎn)生的輕微裂痕[15]。

2 納米粒子在完井作業(yè)中的應(yīng)用

2.1 納米固井水泥漿

深水井施工時，套管與地層之間的空隙要用水泥封固，海水溫度較低，因此控制水泥漿的稠化時間非常重要。一般用來縮短水泥漿凝結(jié)的促凝劑是CaCl2，但是CaCl2會增加水泥的滲透率，破壞水泥環(huán)氣密完整性。Pang等[16]研究表明，比表面積在60～650 m2/g的納米二氧化硅顆粒在低溫15 ℃條件下加速了水泥水化反應(yīng)，減少了水泥漿的失水量和稠化時間。水泥漿的氯離子和硫酸鹽離子滲透擴(kuò)散會導(dǎo)致水泥石產(chǎn)生裂縫，為了減少氯離子和硫酸鹽離子對水泥石結(jié)構(gòu)性的破壞，Bhalero[17]在水泥漿中添加納米纖維素和納米纖維素纖維增加水泥漿的粘度，抑制氯離子和硫酸鹽離子滲透擴(kuò)散。

自愈性水泥漿：水泥漿被泵入環(huán)空后，水泥漿凝固為水泥環(huán)，含有聚合物材料的納米膠囊均勻分布在水泥環(huán)中。當(dāng)水泥環(huán)出現(xiàn)微裂縫時，納米膠囊感應(yīng)到裂紋的作用力，膠囊外壁破裂并釋放聚合物材料，裂縫中的聚合物材料與水泥石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)修補(bǔ)填充微裂紋，從而達(dá)到自愈合的功能[18]。

芯片水泥漿：Vipulanandan等[19]提出將納米芯片嵌入水泥漿中，以達(dá)到實時固井的目的。利用現(xiàn)有的技術(shù)的確可以在水泥中嵌入納米芯片傳感器，并在傳感器中記錄所需數(shù)據(jù)，但是井內(nèi)缺乏電源，目前無法實現(xiàn)芯片數(shù)據(jù)主動上傳。

2.2 納米壓裂液

壓裂液要求在壓裂初期具有較高的粘度，在擴(kuò)展裂縫中產(chǎn)生高壓力梯度，同時減少壓裂液漏入相鄰地層[20]。但是粘度過高會堵塞裂縫，如果不及時清除壓裂液，將堵塞后續(xù)流體、氣體通道。為了解決這一難題，Pu等[21]使用聚合物復(fù)合納米粒子調(diào)控壓裂液的流變性。在壓裂階段，聚合物分子以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹狀結(jié)構(gòu)附著在功能性納米粒子上，使流體產(chǎn)生高粘度。在去除階段，聚合物分子從納米顆粒中剝離，壓裂液粘度降低，隨井內(nèi)流體排出井外。

頁巖地層水力壓裂需要大量含化學(xué)物質(zhì)的水，為了減少水的用量，Xue等[22]采用納米二氧化硅顆粒產(chǎn)生CO2泡沫作為壓裂液，實驗結(jié)果表明，納米顆粒能夠?qū)O2泡沫中水的體積分?jǐn)?shù)降低至2%，納米CO2泡沫在流動條件下能產(chǎn)生約100 mPa·s的泡沫表觀粘度。

壓裂液中的支撐劑難免會漏失，為了減少支撐劑顆粒向近井地帶遷移，Huang等[23]研發(fā)了一種納米粘彈性裂縫支撐劑。其工作原理是：在粘彈性表面活性劑中加入納米顆粒，通過電荷相互作用和表面吸附，形成了更強(qiáng)的動態(tài)膠束網(wǎng)絡(luò)。這種更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)抑制膠束破碎，并在高溫條件下保持流體的粘度，從而減少壓裂流體的漏失。當(dāng)壓裂作業(yè)結(jié)束后，向壓裂液中摻入破膠劑破壞這種高強(qiáng)度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于納米粒子尺寸較小，很容易隨井內(nèi)流體回流到地面。

2.3 納米濾膜

納米濾膜是一種相對較新的濾膜工藝，常用于去除多價陽離子和微米尺寸的有機(jī)物。普通膠體顆粒采用濾紙、篩網(wǎng)過濾，單價離子采用反滲透薄膜過濾，就過濾材料而言，納米濾膜介于這兩者之間。但是過濾工藝可以交叉使用，納米濾膜通常與反滲透工藝一起用于海水淡化，作為反滲透的預(yù)處理步驟[24]。陶瓷納濾膜是一種較新的污水處理材料，由于其優(yōu)越的機(jī)械性能、熱和化學(xué)穩(wěn)定性，已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。陶瓷納濾膜能夠在高流量下有效分離油、乳狀液和固相顆粒，但是容易被石蠟和瀝青質(zhì)堵塞濾膜孔道[25]。

納米濾膜目前主要應(yīng)用于石油工業(yè)的三個不同領(lǐng)域，第一是對油氣藏排出的污水進(jìn)行處理，去除膠體微粒和有機(jī)物，從而使凈化后的水可以重新用于水驅(qū)或水力壓裂[26]。第二是從天然氣凝析油中去除瀝青質(zhì)，大尺寸瀝青質(zhì)不利于后續(xù)石油煉化，使用納米濾膜可低成本去除瀝青質(zhì)[27]。第三，使用納米濾膜吸附頁巖氣中的H2S和CO2，防止腐蝕性氣體腐蝕基礎(chǔ)構(gòu)件。

2.4 納米基質(zhì)酸化液

基質(zhì)酸化的首要難題是在不損壞井筒構(gòu)件和地面設(shè)備的情況下將酸液運達(dá)靶點。為在基質(zhì)層中開辟高滲透性通道，需要強(qiáng)酸酸化基質(zhì)層，但在酸液抵達(dá)靶點之前，強(qiáng)酸不可避免地會與地面設(shè)備和井筒金屬發(fā)生反應(yīng)。為解決這一難題，Chu等[28]利用雙納米粒子研制出一種高效酸化雙乳液基質(zhì)酸化液，首先使用一種納米粒子生成分散均勻的酸化油乳液，再使用另一種納米粒子生成水包油乳液，只需要少量油就可以制備這種雙乳液，并且能夠保持其穩(wěn)定性，直至達(dá)到預(yù)期儲層。地面設(shè)施和井筒硬件只與水相接觸，不會與酸發(fā)生反應(yīng)。另一種運輸酸液方法是使用聚合物微膠囊，這項技術(shù)最初應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，使用膠囊將藥物運送人體靶點，現(xiàn)在可以使用微膠囊技術(shù)將膠囊的尺寸縮小到亞微米范圍，用于酸液輸送[29]。

3 結(jié)論與展望

納米粒子作為鉆完井液添加劑，有助于改善流體的基礎(chǔ)性能以及提高井筒完整性；納米粒子作為穩(wěn)定劑，可以生成低成本二氧化碳泡沫和低分子量的乳液；納米粒子作為表面涂層，可以提高固體表面的潤滑性和抗腐蝕性；并且附著在納米粒子上的化學(xué)物質(zhì)能夠被回收再利用，保護(hù)儲層和井內(nèi)硬件。

雖然納米技術(shù)發(fā)展迅速，但是仍然存在許多難題等待攻克。例如納米粒子用于提高采收率，納米粒子用量大、材料昂貴，提采成本高；另一方面納米粒子種類單一，不具有普遍適用性，后續(xù)可著手開發(fā)低成本、多種類的納米粒子。