納米材料對低固相沖洗液性能影響的研究

劉徐三

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，對礦產(chǎn)資源的需求越來越旺盛。但隨著淺部礦產(chǎn)資源勘探開發(fā)逐步枯竭，為確保我國礦產(chǎn)資源的戰(zhàn)略安全，向地球深部勘探開發(fā)礦產(chǎn)資源成為必由之路［1-2］。目前，取心鉆探作為唯一可以直接獲得地下深部巖礦心實物樣品的技術(shù)，在深部找礦工作中發(fā)揮著不可替代的作用。其中，繩索取心鉆探技術(shù)具有鉆進(jìn)效率高、取心快速、工人勞動強度低、輔助時間占比率低等優(yōu)勢［3］，在深部取心鉆探中這一優(yōu)勢將更加明顯，是應(yīng)用最廣泛的、綜合地質(zhì)效果最好的鉆探技術(shù)［4-5］。但是，隨著鉆進(jìn)深度的增加，地層也越復(fù)雜，事實上又成為了繩索取心鉆探技術(shù)的高效應(yīng)用的障礙。長期以來的研究和實踐表明，無固相/低固相沖洗液是最適合繩索取心鉆探的沖洗液類型［6］，其流變性能好，循環(huán)泵壓低，鉆桿內(nèi)不容易結(jié)泥皮，對巖心撈取影響小等。但其存在防塌護(hù)壁能力和攜帶懸浮巖屑能力弱的缺點，鉆進(jìn)過程中容易發(fā)生孔壁失穩(wěn)、沉砂等，從而導(dǎo)致卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故的發(fā)生［7-8］，使得深孔鉆進(jìn)難以達(dá)到地質(zhì)設(shè)計的深度要求，從而延誤深部礦產(chǎn)資源的勘探與開發(fā)。

納米材料作為一種新興的材料類型，因其具有獨特的性能，近年來在沖洗液領(lǐng)域的研究與應(yīng)用較廣泛。但這些研究與應(yīng)用均集中于油氣鉆探領(lǐng)域［9-13］，在地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域還鮮有研究。鑒于此，本文選擇5 種油氣鉆探領(lǐng)域沖洗液研究常用的納米材料，通過評價其單劑或者復(fù)合后對低固相沖洗液性能的改善與強化效果，構(gòu)建復(fù)合納米低固相沖洗液體系，并借助掃描電鏡（SEM）分析泥餅的微觀形貌，綜合分析納米材料的作用機理，以期為繩索取心鉆探技術(shù)在深孔復(fù)雜地層中的高效應(yīng)用提供新的沖洗液技術(shù)方案。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料及儀器

本文使用的5 種納米材料，分別為納米四氧化三鐵（Fe3O4）、納米氮化硼（BN）、納米二氧化鈦（TiO2）、多壁納米碳管（MWNTs）和納米二氧化硅（SiO2），均為油氣鉆探領(lǐng)域沖洗液研究常用的納米材料，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 實驗用納米材料的參數(shù)Table 1 Parameters of nanomaterials for experiment

使用的主要實驗儀器包括API 中壓失水儀（ZNS-2A），六速旋轉(zhuǎn)粘度計（ZNN-D6B）等。

1.2 實驗方法

1.2.1 單一納米材料對沖洗液性能的影響

1000 mL 水中加入30 g 鈉基膨潤土和5 g 高粘度羧甲基纖維素鈉（CMC-HV），充分?jǐn)嚢韬箪o置24 h，作為低固相沖洗液供后續(xù)實驗使用。在低固相沖洗液中加入0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%的納米材料，充分?jǐn)嚢韬蠓謩e測量其流變性能參數(shù)、API 濾失量等實驗數(shù)據(jù)，優(yōu)選出對低固相沖洗液性能改善效果較好的納米材料及其加量。

1.2.2 復(fù)合納米材料對沖洗液性能的影響

將“1.2.1”節(jié)實驗中對低固相沖洗液改善效果較好的納米材料進(jìn)行復(fù)合，設(shè)計正交實驗，分別測量納米沖洗液的流變性能參數(shù)、API 濾失量等實驗數(shù)據(jù)，分析得到性能最好的優(yōu)化配方，構(gòu)建復(fù)合納米低固相沖洗液體系。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 單一納米材料對低固相沖洗液性能的影響

2.1.1 納米材料對低固相沖洗液表觀粘度的影響

5 種納米材料對低固相沖洗液的表觀粘度（AV）的影響規(guī)律如圖1 所示。

圖1 納米材料對低固相沖洗液表觀粘度的影響Fig.1 Influence of nanomaterials on apparent viscosity of the low-solid drilling fluid

由圖1 可知，5 種納米材料對低固相沖洗液表觀粘度的影響存在明顯的差異。其中，影響最顯著的是MWNTs，在實驗加量范圍內(nèi)，可以將低固相沖洗液 的 表 觀 粘 度 從8.90 mPa·s 提 高 到14.00 mPa·s 左右，增幅達(dá)57.87%。納米Fe3O4、納米BN 和納米SiO2也能提高低固相沖洗液的表觀粘度，但隨著納米材料加量的增大緩慢提高，增幅要比MWNTs 小得多。隨著納米TiO2的加入，低固相沖洗液的表觀粘度先小幅提高，加量超過0.6%后，表觀粘度又開始降低，最后降低至8.60 mPa·s。

2.1.2 納米材料對低固相沖洗液塑性粘度的影響

5 種納米材料對低固相沖洗液塑性粘度（PV）的影響規(guī)律如圖2 所示。

從圖2 可知，納米BN、納米SiO2和MWNTs 對低固相沖洗液的塑性粘度影響較明顯。其中，MWNTs 的影響最顯著，在實驗加量范圍內(nèi)，可以將低固相沖洗液的塑性粘度從6.70 mPa·s 提高到10.20 mPa·s，增加幅度達(dá)到了52.2%。納米BN 和納米SiO2也將低固相沖洗液的塑性粘度分別提高了29.9% 和31.34%。納米Fe3O4加量為0.3% 和0.6%時，塑性粘度略微降低；加量為0.9%、1.2%和1.5%時，塑性粘度稍有增加。納米TiO2對低固相沖洗液的塑性粘度影響并不明顯，加入納米TiO2后，低固相沖洗液的塑性粘度變化幅度很小。

2.1.3 納米材料對低固相沖洗液的動切力的影響

5 種納米材料對低固相沖洗液動切力（YP）的影響規(guī)律如圖3 所示。

從圖3 可知，除納米SiO2之外，其他納米材料均對低固相沖洗液的動切力有明顯的影響。其中，MWNTs 的影響最顯著，在實驗加量范圍內(nèi)，將低固相沖洗液的動切力由2.25 Pa 提高到4.20 Pa 左右，提高幅度達(dá)86%。納米Fe3O4也能提升低固相沖洗液的動切力，但提升幅度僅22%，效果不如MWNTs。納米BN 的加入，導(dǎo)致沖洗液的動切力先下降后回升，在加量為0.6%時，動切力達(dá)到最小值，僅為1.79 Pa，然后隨著加量的增加，動切力又逐步回到初始水平。納米TiO2的加入使低固相沖洗液的動切力先增大后減小，加量為0.6%時，動切力達(dá)到最大值，然后隨著加量的增加，動切力逐步減小。納米SiO2對低固相沖洗液的動切力幾乎沒有影響，隨著加量的增加，動切力略有變化。

圖3 納米材料對低固相沖洗液的動切力的影響Fig.3 Influence of nanomaterials on dynamic shear force of the low-solid drilling fluid

2.1.4 納米材料對低固相沖洗液的動塑比的影響

5 種納米材料對低固相沖洗液動塑比的影響規(guī)律如圖4 所示。

圖4 納米材料對低固相沖洗液動塑比的影響Fig.4 Influence of nanomaterials on dynamic-plastic ratio of the low-solid drilling fluid

由圖4 可知，5 種納米材料對低固相沖洗液的動塑比的影響均比較明顯。納米Fe3O4在不同的加量時，均能保證低固相沖洗液的動塑比處于較高的值。但隨著納米Fe3O4加量的變化，動塑比起伏變化，當(dāng)加量為0.6% 時，動塑比最大，加量為0.9%時，動塑比最??；納米TiO2的加入，低固相沖洗液的動塑比先增大后降低，加量為0.6%或0.9%時，沖洗液的動塑比達(dá)到最高值0.40 左右，之后又隨著加量的增大而降低；MWNTs 的加量為0.9%時，沖洗液動塑比達(dá)到最小值，在加量達(dá)到1.5%時，動塑比達(dá)到了最大值；隨著納米BN、納米SiO2加量的增大，沖洗液動塑比不斷減小。動塑比的大小，反映的是沖洗液體系剪切稀釋性能的強弱，動塑比越大，表明沖洗液剪切稀釋性能越強。一般認(rèn)為，沖洗液體系的動塑比為0.38 左右最好，對攜帶巖屑、凈化鉆孔最有利［14-15］。

2.1.5 納米材料對低固相沖洗液的濾失量的影響

5 種納米材料對低固相沖洗液濾失性能（FL）的影響規(guī)律如圖5 所示。

圖5 納米材料對低固相沖洗液的濾失性能的影響Fig.5 Influence of nanomaterials on filtration properties of the low-solid drilling fluid

由圖5 可知，納米Fe3O4對低固相沖洗液的濾失性能有較好地改善作用，隨其加量的增加，低固相沖洗液的失水量逐漸減小，當(dāng)加量達(dá)到1.5%時，沖洗液的濾失量最小，只有17.3 mL，降低了19%；納米BN 也有與納米Fe3O4相同的效果，而且降低幅度更大，加量為1.5%時，沖洗液濾失量可以降低24%。MWNTs 的加入，卻進(jìn)一步惡化了沖洗液的濾失性能，隨著其加量的增加，濾失量越來越高。納米SiO2以及納米TiO2對沖洗液濾失性能改善不明顯，加量超過0.6%后，濾失性能反而開始惡化。

綜上所述，5 種納米材料均會對低固相沖洗液的流變性能和濾失性能產(chǎn)生一定的影響，但各自的影響規(guī)律并不相同。 納米Fe3O4、納米BN 和MWNTs 對低固相沖洗液的粘度、動切力和動塑比都具有明顯改善效果，這有利于沖洗液懸浮和攜帶巖屑、清洗凈化鉆孔。同時，納米Fe3O4、納米BN 還能明顯改善低固相沖洗液的濾失性能。綜合考慮，選擇納米Fe3O4、納米BN 和MWNTs 三種納米材料進(jìn)行復(fù)合，評價復(fù)合納米材料對低固相沖洗液性能的改善效果，得到性能良好的復(fù)合納米低固相沖洗液體系。

2.2 復(fù)合納米材料對低固相沖洗液性能的影響

2.2.1 正交實驗

設(shè)納米Fe3O4為因素A、納米BN 為因素B、MWNTs 為因素C，每個因素設(shè)5 個水平，分別為1（0.3%）、2（0.6%）、3（0.9%）、4（1.2%）、5（1.5%）。以表觀粘度、塑性粘度、動切力、動塑比、濾失量等為評價指標(biāo)，評價復(fù)合納米材料對低固相沖洗液性能的影響規(guī)律，優(yōu)選出性能優(yōu)良的復(fù)合納米低固相沖洗液體系。正交實驗結(jié)果見表2。

表2 正交實驗結(jié)果Table 2 Orthogonal experimental results

2.2.2 實驗結(jié)果分析

基于正交實驗結(jié)果，計算各因素對動塑比、濾失量的估算邊際平均值，由此分析各因素的最優(yōu)加量。結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

沖洗液能高效的懸浮、攜帶巖屑和凈化鉆孔，其動塑比不能太低，一般為0.38 左右最好。由圖6 可知，三種納米材料的加量均為0.9%時，得到的低固相沖洗液體系的動塑比最高。提高沖洗液穩(wěn)定孔壁的能力，最基本的一點是沖洗液具有較低的濾失量。由圖7 可知，納米Fe3O4的加量為0.3%，納米BN 和MWNTs 的加量均為0.9%時，低固相沖洗液具有最低的濾失量。再結(jié)合圖6，可知此時沖洗液的動塑比依然維持在較高的水平。由此可得到復(fù)合納米低固相沖洗液體系的優(yōu)化配方是：3%鈉基膨潤土+0.5%CMC-HV+0.3% 納米Fe3O4+0.9%納米BN+0.9%MWNTs。此配方對應(yīng)的正交實驗中第3 號實驗組合A1B3C3，其API 濾失量為14 mL，是所有實驗組合中最低的一組；動塑比為0.40，反映出該配方具有優(yōu)良的剪切稀釋特性；其他參數(shù)也能很好的滿足繩索取心鉆探對低固相沖洗液性能的要求。

圖6 各因素對動塑比的估算邊際平均值Fig.6 Estimated marginal mean value of each factor for dynamic-plastic ratio

圖7 各因素對濾失量的估算邊際平均值Fig.7 Estimated marginal mean value of each factor for filtration

3 納米材料的作用機理

3.1 改善低固相沖洗液流變性能的作用機理

由表1 可知，MWNTs 是一種管狀納米材料，BN 是一種片狀納米材料。相比于球形納米材料，它們通過氫鍵作用與膨潤土顆粒、處理劑CMC 以及水分子之間形成具有一定強度的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而能更加有效的提升低固相沖洗液體系的表觀粘度、動切力和動塑比，有利于攜帶巖屑。除此以外，相比于其他納米材料，MWNTs 具有更小的粒徑和更大的比表面積，在沖洗液層流流動過程中，顆粒間的摩擦力更大，因而對低固相沖洗液體系的塑性粘度提升更明顯。雖然納米SiO2也具有較大的比表面積，但因為其是球形顆粒，在沖洗液流動過程中存在滾動摩擦現(xiàn)象，因而對塑性粘度的提高沒有MWNTs 明顯。

3.2 改善低固相沖洗液濾失性能的作用機理

將低固相沖洗液的濾餅和優(yōu)化配方的復(fù)合納米低固相沖洗液的濾餅在常溫下陰干處理，采用掃描電鏡（SEM）對其微觀形貌特征進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8（a）所示為未加入納米材料的低固相沖洗液的濾餅，其表面粗糙且松散，膨潤土顆粒之間存在較大的孔隙，故濾失量高。圖8（b）所示為優(yōu)化配方的復(fù)合納米低固相沖洗液的泥餅，納米顆粒發(fā)揮其致密封堵作用，填充于膨潤土顆粒之間的孔隙，使得泥餅表面光滑且致密。納米材料因其粒徑小，具有比表面積大、活性高、剛度大等優(yōu)良特性［16］。除此之外，納米Fe3O4容易通過氫鍵作用吸附于膨潤土表面，從而增加膨潤土顆粒的Zeta 電位［13，17］，使低固相沖洗液中的膨潤土顆粒保持細(xì)分散狀態(tài)，有利于形成薄且致密的泥餅，降低低固相沖洗液的濾失量［18］。

圖8 泥餅掃描照片（1000×）Fig.8 Mud cake scan photos（1000×）

綜上所述，納米材料的加入，不但有利于低固相沖洗液體系濾失量的降低，提升其穩(wěn)定孔壁的能力，還有利于改善低固相沖洗液流變性能，增強其攜帶和懸浮巖屑和清潔、凈化鉆孔的能力。

4 結(jié)論

（1）通過單劑納米材料對低固相沖洗液性能影響的實驗評價，5 種納米材料對低固相沖洗液的流變性能和濾失性能均有一定的影響，但影響程度和規(guī)律并不一致。納米Fe3O4、納米BN 和MWNTs 對低固相沖洗液的粘度、動切力和動塑比都具有明顯的改善效果；納米Fe3O4、納米BN 能明顯降低低固相沖洗液的API 濾失量。

（2）通過正交實驗分析，獲得了性能優(yōu)良的復(fù)合納米低固相沖洗液的配方：3% 鈉基膨潤土+0.5%CMC-HV+0.3% 納 米 Fe3O4+0.9% 納 米BN+0.9%MWNTs，其 表 觀 粘 度 為8.25 mPa·s，塑性 粘 度 為6.5 mPa·s，動 切 力 為2.97 Pa，動 塑 比 為0.40，API 濾失量為14 mL。

（3）借助SEM 觀察了復(fù)合納米低固相沖洗液的泥餅的微觀形貌，并綜合分析了復(fù)合納米材料改善低固相沖洗液性能的作用機理。納米材料通過致密封堵、氫鍵吸附等作用，形成具有一定強度的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和薄而致密的泥餅，提升了低固相沖洗液的粘度和切力，降低了濾失量。