納米顆粒對(duì)高溫高壓鉆井液性能的影響

孫珊珊, 曲瑞雪, 佘躍惠, 張凡

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院, 武漢 430100; 2. 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 武漢 430100;3. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院, 北京 100083)

近年來,隨著對(duì)石油與天然氣能源的深度開發(fā),石油工業(yè)不斷探索新的油氣來源,其中高溫高壓(high-temperature and high-pressure, HTHP)油藏是重要的待開采儲(chǔ)層[1-3]。國內(nèi)外對(duì)高溫高壓井的定義不相同,根據(jù)哈里伯頓公司給出的對(duì)地層溫度和壓力的劃分,可分為常溫常壓、HTHP、超HTHP和極高HTHP儲(chǔ)層[4]。溫度高于150 ℃,壓力超過70 MPa即為HTHP油藏。通常認(rèn)為儲(chǔ)層壓力和溫度隨著其深度的增加而增加,HTHP油田的鉆探具有極大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

由于鉆井液的流變性和密度會(huì)受到溫度和壓力的顯著影響,在HTHP條件下,鉆井液漏失量的增加和溢流容易造成井涌,很難高精度地對(duì)鉆井控壓。而且,受到高壓的影響,鉆頭的切削效率會(huì)降低,鉆速下降,會(huì)增加鉆井成本?？筛鶕?jù)不同的井下應(yīng)用情況定制相應(yīng)的鉆井液體系,以完成鉆頭表面的冷卻和潤(rùn)滑,通過將巖石碎塊運(yùn)輸出井眼來清潔井筒,穩(wěn)定井壁,同時(shí)通過在井壁上形成適當(dāng)?shù)臑V餅來盡量減少對(duì)地層的損害,并控制地下壓力,防止地層流體侵入井筒,從而最大限度地降低井噴風(fēng)險(xiǎn)。因此,針對(duì)HTHP油藏研究設(shè)計(jì)出合適的具有特定性能的鉆井液對(duì)于石油行業(yè)具有重要意義[5]。

隨著納米材料技術(shù)的發(fā)展,納米顆粒(nanoparticles, NPs)已被廣泛應(yīng)用于油氣行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。NPs大的比表面積增加了與相鄰材料或表面的反應(yīng)性和相互作用,同時(shí)具有特殊的物理化學(xué)性質(zhì)以及膠體穩(wěn)定性、熱化學(xué)穩(wěn)定性[6-8],因此,NPs在開發(fā)新型鉆井液方面表現(xiàn)出巨大潛力。NPs不僅可以提高鉆井液的傳熱效率,有效冷卻鉆頭和鉆具,而且在井壁與鉆桿之間還可以起到潤(rùn)滑劑的作用,有利于進(jìn)一步鉆井作業(yè)[9]。研究發(fā)現(xiàn),在鉆井過程中,利用NPs替代傳統(tǒng)材料作為添加劑可以減少環(huán)境危害,降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。

現(xiàn)對(duì)近年來用于HTHP鉆井液添加劑的NPs進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。主要從改善流變性、濾失性和提高熱穩(wěn)定性、潤(rùn)滑性4個(gè)方面介紹NPs對(duì)鉆井液的性能影響。最后,討論NPs 應(yīng)用于HTHP鉆井液的挑戰(zhàn),并提出相關(guān)建議,以期為促進(jìn)HTHP鉆井液體系研究提供新方向。

1 HTHP鉆井液中NPs的類型

過去的研究中,常使用聚合物作為鉆井液配方的常用添加劑,可以提高黏度和降低濾失量。然而,在深井HTHP環(huán)境下聚合物易發(fā)生降解,導(dǎo)致鉆井液性能不穩(wěn)定,甚至造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[12-13]。近年來鉆井液添加劑材料的相關(guān)研究已轉(zhuǎn)向了NPs[14-18]。NPs的尺寸在1～100 nm,最小粒徑可以與細(xì)菌的大小相比較,同儲(chǔ)層中的小的孔喉比要小得多[19],能有效封堵鉆孔濾餅和地下地層中的孔隙,在一定程度上減少顆粒堵塞,調(diào)節(jié)傳熱和密度[15],由此可以替代傳統(tǒng)聚合物添加劑來配制性能更優(yōu)的鉆井液。應(yīng)用于HTHP鉆井液中的NPs大致可以分為金屬、碳和硅基納米粒子,對(duì)此也進(jìn)行了詳細(xì)論述。但在大量實(shí)驗(yàn)中是以高于80 ℃的溫度為測(cè)試溫度對(duì)添加NPs的鉆井液進(jìn)行測(cè)試的,測(cè)試結(jié)果均能表明NPs作為添加劑能夠優(yōu)化鉆井液的不同性能。

1.1 金屬納米顆粒

金屬納米顆粒(metal nanoparticles, MNPs)可以提高鉆井液熱導(dǎo)率,同時(shí)調(diào)節(jié)鉆井液黏度,可作為優(yōu)化HTHP鉆井液的添加劑。William等[1]研究了黃原膠中CuO和ZnO納米流體對(duì)水基鉆井液熱、電和高壓流變性的影響,結(jié)果表明,在HTHP條件下銅基和鋅基納米顆粒在鉆井液中的熱導(dǎo)率分別可以提高53%和23%。低濃度Al2O3NPs的HTHP鉆井液具有良好的熱穩(wěn)定性,隨濃度增加濾失性增強(qiáng)[20]。ZnO NPs作為熱穩(wěn)定劑和流變穩(wěn)定劑應(yīng)用于HTHP水基鉆井液(water-based drilling fluid, WBDF)中,低濃度的MNPs比高濃度更能改善其流變性能[21]。Alvi等[22]將合成的疏水性氧化鐵NPs添加在HTHP鉆井液中,使其濾失性、濾餅厚度、摩阻系數(shù)均有不同程度的降低。由于氧化鐵NPs還具有良好的超順磁性,將其作為添加劑的鉆井液,可通過施加外部磁場(chǎng)在原位改變鉆井液的黏度,改善流變性,以應(yīng)對(duì)井下環(huán)境條件變化[23]。磁性納米顆粒作為鉆井液添加劑摻入,能夠通過在外加磁場(chǎng)作用下具有原位流變可控性的智能鉆井液的巨大潛力。

這些案例的成功實(shí)施,證明了MNPs作為添加劑的鉆井液在熱導(dǎo)性、濾失性以及穩(wěn)定性方面具有優(yōu)異的性能。MNPs良好的催化性、金屬特性以及特殊的物化性質(zhì)都將有利于合成新的使用于不穩(wěn)定儲(chǔ)層的鉆井液體系。

1.2 碳基納米顆粒

由于碳基納米顆粒(carbon-based nanoparticles, CNPs)具有更廣泛的來源,以及更好的生物相容性,近年來受到越來越多的關(guān)注。CNPs能夠提高HTHP鉆井液化學(xué)穩(wěn)定性,有效改善流變性,目前用于鉆井液的碳基納米顆粒有碳納米管(carbon nanotube, CNT)、納米石墨烯(graphene nanoplatelets, GNP)、多壁碳納米管(multi-wall carbon nanotube, MWCNT)等。

CNT具有顯著的拉伸強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、高彈性模量,并且可以進(jìn)一步功能化,多應(yīng)用于HTHP鉆井液,以提高流變性和濾失控制。CNT的添加可以改變WBDF的流變性,高溫高壓條件下,低濃度的CNT使鉆井液黏度明顯增加,并隨著壓力的增加而增加。然而,濃度過高會(huì)達(dá)到反向效果[24]。膨潤(rùn)土鉆井液中添加低濃度的CNT可以降低其濾失量。高溫條件下CNT吸附在膨潤(rùn)土表面,增加了膨潤(rùn)土顆粒間的空間位阻,膨潤(rùn)土能夠保持小尺寸分布,有效支撐鉆井液中的膨潤(rùn)土網(wǎng)格結(jié)構(gòu),形成致密的泥餅,從而使濾失量降低[25]。同樣,GNP也有較好的降濾失效果,與含高濃度KCl和聚合物的WBDF相比,含GNP的低濃度KCl可以緩解頁巖膨脹[26],說明納米顆粒的加入不僅能夠改善高溫條件下的流變性和頁巖抑制作用,還有效解決了高濃度鉆井添加劑破壞地層環(huán)境的問題。因此,GNP是提高WBDF性能的較好選擇,也是鉆井液中較理想的控制濾失量添加劑。

MWCNT可通過對(duì)CNT共價(jià)功能化改性,在表面增加了化學(xué)基團(tuán),達(dá)到提高分散性和反應(yīng)活性的目的。比如用聚合物包覆的方法合成的表面改性碳納米管復(fù)合物(phosphate-modified carbon nanotube, PoCNT),由于改性MWCNT制成的泥餅結(jié)構(gòu)增強(qiáng),并被改性的聚二乙醇(polyethylene glycol, PEG)包覆,能較好地降低濾餅的滲透性,濾失速率遠(yuǎn)低于常規(guī)基礎(chǔ)液。此外,由于PoCNT體積小、表面積大、長(zhǎng)徑比高,形成了低滲透性的薄泥餅,從而減少了鉆井過程中的摩擦,能夠降低壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)[27-28]。

1.3 二氧化硅納米顆粒

二氧化硅納米顆粒(SiO2nanoparticles, SNPs)廉價(jià)易得,且在化學(xué)上是惰性的,不會(huì)與儲(chǔ)層巖石和流體發(fā)生反應(yīng),現(xiàn)已有大量有關(guān)SNPs用于鉆井液處理劑的研究[29-31]。

SNPs能夠有效地與聚合物協(xié)同作用以改善鉆井液流變性。Mao等[32]合成了一種新型疏水締合聚合物基核殼結(jié)構(gòu)二氧化硅納米粒子(polymer based nano-silica composite, SDFL),在230 ℃熱老化后,1.0% SDFL基WBDF表現(xiàn)出穩(wěn)定的流變性。將SNPs通過硅烷化偶聯(lián)技術(shù)嫁接到Welan膠上,形成納米復(fù)合材料增稠劑,16 h熱滾測(cè)試發(fā)現(xiàn)其同時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的抗流變和耐溫性,添加該納米材料的WBDF耐溫高達(dá)220 ℃。NPs具有增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率等物化特性,在聚合物中引入剛性納米顆粒,能夠增強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)的空間位阻和穩(wěn)定性,使鉆井液保持流變性,且有利于提高其耐高溫性能[33]。有實(shí)驗(yàn)證實(shí)利用納米二氧化硅對(duì)納米黏土改性后制備的反相乳化鉆井液,在HTHP條件下,鉆井液的流變性和乳液的熱穩(wěn)定性均得到改善[34]。

SNPs除了可以改善鉆井液的流變性,還對(duì)濾失控制有一定作用。實(shí)驗(yàn)研究表明,利用陰離子纖維素與SNPs通過自由基共聚形成PAC-DDAS-SiO2,在260 ℃下老化后的濾液體積僅為8 mL[35]。因此,利用SNPs形成雜化納米材料應(yīng)對(duì)濾失問題有重要意義。HTHP鉆井液中不同種類的納米顆粒如表1所示。

表1 HTHP鉆井液中不同種類的納米顆粒Table 1 Different kinds of nanoparticles in HTHP drilling fluid

2 NPs對(duì)HTHP鉆井液性能的影響

對(duì)于高溫高壓的地下環(huán)境,鉆井液需達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn):①具有優(yōu)異的流變性能,清除井底巖屑并將其運(yùn)輸?shù)降孛?達(dá)到井清洗的目的;②維持良好的熱穩(wěn)定性,起到潤(rùn)滑和冷卻鉆頭的作用;③控制濾失,避免破壞地層,影響鉆采作業(yè);④提高潤(rùn)滑性,降低鉆具與井筒摩阻和鉆桿扭矩,提高鉆井效率。目前,大量研究證實(shí),NPs有利于改善鉆井液的性能,使鉆井液在HTHP環(huán)境下保持良好穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)HTHP油藏鉆井工程的安全性和高效性。

2.1 流變性

表觀黏度、塑性黏度、屈服點(diǎn)和凝膠強(qiáng)度是評(píng)價(jià)鉆井液流變性的主要參數(shù),在HTHP下控制鉆井液的流變特性至關(guān)重要[42-45]。陳彬等[46]通過構(gòu)建合成基鉆井液高溫高壓流變動(dòng)力學(xué)模型的研究結(jié)果顯示溫度對(duì)剪切應(yīng)力的影響顯著大于壓力,也說明了良好流變性的鉆井液體系應(yīng)具有溫度響應(yīng)效性。

納米顆粒具有較大的表面能,在氫鍵、靜電斥力和范德華力的共同作用下,與鉆井液中的固體顆粒形成合適的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu),提升鉆井液的穩(wěn)定性。另外,鉆井液的納米顆?？梢郧度肱驖?rùn)土的孔隙結(jié)構(gòu),產(chǎn)生強(qiáng)的空間位阻效應(yīng),降低泥漿中分子之間的相互作用,顯著增加鉆井液的動(dòng)塑比,保持鉆井液的懸浮穩(wěn)定性和流變性[47-48]。Dutta等[43]的研究證明了CuO NPs在高壓高溫條件下,可以增強(qiáng)鉆井液的流變性。SNPs作為添加劑能夠使常規(guī)水基鉆井液的黏度和屈服點(diǎn)增加50%以上,同時(shí)也改善了其流變性能[49]。

由于各流變參數(shù)間具有內(nèi)部聯(lián)系,當(dāng)NPs添加在鉆井液中,也不會(huì)固定改變某一個(gè)參數(shù)。鉆井液黏度也與鉆井液類型、納米顆粒種類以及添加量有關(guān)。

通過調(diào)節(jié)NPs的濃度,鉆井液體系的流變性也會(huì)隨之變化。Medhi等[37]在添加1%的ZrO2NPs的情況下,鉆井液由流體轉(zhuǎn)變?yōu)轲椥粤黧w,具有較高的動(dòng)態(tài)屈服點(diǎn),且在中高溫范圍內(nèi)具有較穩(wěn)定的黏度。在鉆井液體系中加入最適濃度的NPs,可以在保持納米粒度的同時(shí)促進(jìn)泥漿凝膠化。Mahmood等[44]研究了不同濃度的石墨烯、TiO2和MgO納米粒子對(duì)膨潤(rùn)土水基鉆井液流變性的影響。結(jié)果表明,鉆井液的表觀黏度和屈服點(diǎn)隨NPs濃度的增加而增加。NPs過少不足以使固體顆粒解絮凝和降低吸引力、摩擦力,但濃度超過最優(yōu)值可能會(huì)出現(xiàn)各參數(shù)下降趨勢(shì),流變性能減弱。

綜上所述,NPs作為添加劑的鉆井液其流變性可以受到不同類型納米材料以及NPs濃度的影響,這對(duì)于HTHP鉆井液體系實(shí)驗(yàn)室研究有著重大意義。

2.2 濾失性

納米顆?？梢远氯麨V餅中的納米孔和微孔,降低濾餅的失水率,是HTHP鉆井液中優(yōu)良的降濾失劑[50]。在地層高溫高壓的環(huán)境中,靜水壓力會(huì)迫使NPs進(jìn)入小孔隙并有效堵塞井壁,這使濾餅的孔隙空間減小,最終形成致密封堵層,降低了滲透性,從而減少了濾液體積[50-52],如圖1所示。

圖1 NPs堵塞小孔隙,降低濾餅滲透率的原理[51]Fig.1 The principle of NPs plugging small pores and reducing filter cake permeability[51]

鉆井過程中鉆井液濾失形成高質(zhì)量泥餅有利于順利鉆進(jìn),那么需要綜合考慮地層條件對(duì)其影響[53]。通過研究壓力對(duì)納米石墨基鉆井液和普通鉆井液濾失量的影響,發(fā)現(xiàn)納米基鉆井液濾失量受壓力增加的影響較小[51]。形狀和尺寸不同的NPs對(duì)鉆井液濾失的影響程度不同,而且納米顆粒與濾餅孔隙較大的相容性和相互作用對(duì)濾失控制極其重要。Sadeghalvaad等[36]對(duì)比了初始基液與四周后的基液中NPs的粒徑分布,結(jié)果表明平均粒徑為79 nm的納米顆粒比18 nm的納米顆粒濾失控制效果更好。這是由于水泥漿中4～9 nm的膨潤(rùn)土納米顆粒分布較差,或者納米顆粒很小,剛好通過濾餅,會(huì)導(dǎo)致濾失增加[52]。為了應(yīng)對(duì)此類問題,納米復(fù)合材料被應(yīng)用于HTHP鉆井液中。Bai等[54]制備了二氧化硅可膨脹復(fù)合微球,微球的軟殼在高溫下變形,能夠封閉不規(guī)則形狀的孔隙,進(jìn)一步減少濾失量。此外,微球的長(zhǎng)鏈分子相互纏繞和聚集形成大微球,有助于密封大孔,減少濾失。同樣,Aftab[55]也通過實(shí)驗(yàn)證實(shí),添加了ZnO NPs復(fù)合材料的鉆井液相較于單一使用聚合物作為濾失劑的鉆井液,濾失量要大大降低。復(fù)合材料中的聚丙烯酰胺能夠封堵大孔隙,ZnO NPs堵塞了井筒的納米孔隙,提高了流體的穩(wěn)定性和親水性。

低濃度的納米顆粒足以降低濾失量,納米顆粒最佳添加濃度為0.5%[56]。通過對(duì)比0.5%和1%氧化鐵納米顆粒處理的油基鉆井液的高溫高壓濾液損失,證明0.5%的濃度條件下濾液損失降低幅度更大[22]。這可能是由于一定濃度下的團(tuán)聚,形成無效濾餅,NPs不能堵塞濾餅中小孔隙,它們只是簡(jiǎn)單地流過濾餅[57]。Mahmoud等[58]研究了含氧化鐵NPs的鉆井液在HTHP井下條件產(chǎn)生的濾餅的特性,結(jié)果表明0.3%～0.5% NPs時(shí)產(chǎn)生濾餅的特性最好,NPs可以形成更光滑或孔隙更小的濾餅。

同常規(guī)鉆井液相比,NPs在濾失控制方面更具優(yōu)勢(shì),但還需通過大量實(shí)驗(yàn)選定最優(yōu)顆粒尺寸和濃度以適應(yīng)油藏實(shí)際溫度和壓力,配制濾失性能優(yōu)異的鉆井液。另外,能夠在HTHP條件下有效控制濾失的因素包括鉆井液所具有的熱穩(wěn)定性,未來可通過開發(fā)納米復(fù)合材料,為設(shè)計(jì)耐高溫濾失劑提供新思路。

2.3 熱穩(wěn)定性

在鉆井過程中,不僅鉆頭和儲(chǔ)層巖石之間的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量,鉆井區(qū)域的高溫也會(huì)增加該區(qū)域的溫度,這都成為造成鉆井設(shè)備壽命大大降低的原因。因此,在鉆井作業(yè)過程中,迫切需要冷卻工藝[4]。納米顆粒作為穩(wěn)定劑來抵御惡劣條件是有潛力的。由于NPs的比表面積更大,其本身本質(zhì)上是氧化物,可以提高鉆井液的熱導(dǎo)率,改變常規(guī)鉆井液的傳熱性能,保證其抵抗高溫破壞的能力,更好地控制鉆井工具的冷卻[20]。

具有較高熱導(dǎo)率的CNPs逐漸成為改善HTHP鉆井液熱穩(wěn)定性的重要材料。石墨烯的熱導(dǎo)率甚至比常規(guī)流體的熱導(dǎo)率提高5 000倍[59]。Fazelabdolabadi等[60]通過實(shí)驗(yàn)研究了功能化CNTs對(duì)鉆井液熱導(dǎo)率的影響,發(fā)現(xiàn)含CNTs樣品的熱導(dǎo)率隨溫度升高而升高,對(duì)于油基鉆井液,增加幅度更明顯。而且,通過減小CNTs的尺寸,增加比表面積,可以為鉆井液中的分子提供更多的儲(chǔ)熱表面[61]。在水基鉆井液中,可以在MWCNT表面引入親水官能團(tuán)進(jìn)行功能化處理,使其更有效地分散在鉆井液中,從而使熱導(dǎo)率進(jìn)一步提高。

金屬氧化物NPs普遍具有較高的熱導(dǎo)率,在流體中分散NPs會(huì)增加流體的導(dǎo)熱系數(shù)[62]。納米流體熱導(dǎo)率的提高吸引了研究人員在HTHP鉆井泥漿中使用納米材料[32-36]。已有研究結(jié)果證明體積分?jǐn)?shù)為5%的CuO納米材料可以提高溶液22.4%的傳熱效率[63]。CuO和ZnO基納米鉆井液的導(dǎo)熱性能優(yōu)于普通基液[64]。

NPs還可以防止鉆井液中的聚合物添加劑在極端環(huán)境下降解,有效維持鉆井液在高溫條件下的流變性和濾失性。將陰離子聚合物SPMA接枝到MWCNTs,得到功能化復(fù)合材料MWCNTs-g-SPMA,在170 ℃下穩(wěn)定24 h后結(jié)果表明,封堵效率可達(dá)50.96%[65]。Huang等[66]配制了含三元聚合物AAD和納米Laponite的鉆井液。實(shí)驗(yàn)表明納米Laponite不僅延緩了AAD的降解過程,與AAD的聯(lián)合使用還顯著改善了鉆井液超高溫度下的黏度。如圖2所示,圓盤狀的Laponite納米顆粒較好地分散在AAD溶液中,并與AAD建立強(qiáng)相互作用。納米Laponite表面的負(fù)電荷與AAD的季銨鹽陽離子基團(tuán)之間存在靜電吸引作用,帶正電的納米Laponite邊緣與AAD的帶負(fù)電的硫酸鹽基團(tuán)之間存在靜電吸引作用,納米Laponite的羥基與AAD的酰胺基團(tuán)之間的氫鍵作用。兩者之間的氫鍵作用和靜電吸引作用降低了AAD鏈的運(yùn)移能力,減緩了降解,由此提高鉆井液的熱穩(wěn)定性。將納米材料與聚合物交聯(lián)已經(jīng)成為了研究趨勢(shì),近期有研究顯示,由納米CaCO3與聚合物交聯(lián)聚合的核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料(core-shell structural nanocomposite, CSNC)能夠降低膨潤(rùn)土懸浮液在220 ℃熱老化后的HTHP濾失,這源于外表面聚合物與膨潤(rùn)土顆粒的相互作用對(duì)鉆井液分散性和膠體穩(wěn)定性的改善,有利于形成致密的濾餅。納米顆粒也參與了濾餅形成,表面的聚合物延伸至孔隙空間,巨大的水結(jié)合能力使它們能夠有效地堵塞濾餅的孔隙。另外,剛性核和交聯(lián)聚合物結(jié)構(gòu)也能夠增強(qiáng)CSNC外表面聚合物的熱穩(wěn)定性[67]。

圖2 納米Laponite提高聚合物熱穩(wěn)定性的機(jī)理[66]Fig.2 The mechanism of nano Laponite improving the thermal stability of polymer[66]

2.4 潤(rùn)滑性

在水平井和定向井的鉆井中,由于鉆桿柱與井筒之間的連續(xù)接觸,易發(fā)生壓差卡鉆的情況。鉆井液就起到減少鉆具與井筒之間摩擦的作用。因此,鉆井液應(yīng)具有適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑特性。水基鉆井液雖然沒有油基鉆井液的潤(rùn)滑性好,但考慮環(huán)保問題,依然是更優(yōu)的選擇[55]。NPs可以作為水基鉆井液添加劑來改善鉆井液的潤(rùn)滑性,同時(shí)還可以提高鉆井速度[48]。表2列出了石墨烯納米顆粒[68]、SNPs[69]、氧化鈦(TiN)[70]和MWCNTs[71]等應(yīng)用于水基鉆井液中改善潤(rùn)滑性的納米粒子。如圖3所示,使用常規(guī)鉆井液時(shí),在壓差作用下泥漿濾液侵入滲透性地層,形成較厚的濾餅,已造成卡鉆。在添加NPs的鉆井液中,NPs在井筒和管壁界面形成連續(xù)而薄的潤(rùn)滑膜,降低摩擦阻力,為鉆桿提供一個(gè)合適的滑動(dòng)狀態(tài)[32]。

圖3 NPs密封井壁以提高潤(rùn)滑性能的微觀圖示[32]Fig.3 Microscopic illustration of NPs sealing shaft wall to improve lubrication performance[32]

表2 提高鉆井液潤(rùn)滑性的NPs添加劑Table 2 NPs additives for improving drilling fluid lubricity

Pakdaman等[72]研究表明,在149 ℃和3.5 MPa的高溫高壓條件下,親水性硬瀝青NPs (hydrophilic gilsonite nanoparticles, HGNs)能使?jié)櫥禂?shù)和扭矩分別降低15%和13.63%,并通過積極影響塑性黏度,提高潤(rùn)滑性,從而將壓差卡鉆的風(fēng)險(xiǎn)降低61.5%。此外,與其他納米顆粒相比,HGNs的生產(chǎn)方法簡(jiǎn)單,硬瀝青礦在世界多地礦產(chǎn)豐富,這使生產(chǎn)成本大大降低,更具有潛力成為新型鉆井潤(rùn)滑劑。

3 結(jié)論與展望

隨著納米顆粒在鉆井液中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注,納米技術(shù)將推動(dòng)鉆井液改性研究取得更大進(jìn)展。納米鉆井液在高溫高壓下比常規(guī)鉆井液表現(xiàn)出更優(yōu)異的流變性、潤(rùn)滑性、濾失性和耐高溫特性。NPs的種類、顆粒形狀、尺寸及其在鉆井液中的濃度的變化,是影響各性能的關(guān)鍵因素。同常規(guī)鉆井液相比,添加低濃度(<0.5%)NPs的鉆井液體系在HTHP環(huán)境條件下表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。雖然納米顆粒的使用具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì),但在鉆井液中的挑戰(zhàn)也不容忽視。

基于此對(duì)NPs應(yīng)用于HTHP鉆井液體系的研究提出了以下建議。

(1)大多數(shù)HTHP鉆井液的開發(fā)是在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的,既不能很好地達(dá)到實(shí)際地層極端條件,又沒有考慮任何經(jīng)濟(jì)可行性研究。因此,有待在趨近HTHP條件下對(duì)添加不同種類NPs的鉆井液進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試,并對(duì)NPs可回收性進(jìn)行中試評(píng)估。

(2)NPs會(huì)因強(qiáng)范德華力團(tuán)聚,不易分散。即使在用超聲波浴、磁力攪拌器或均質(zhì)器進(jìn)行高剪切后,也會(huì)重新團(tuán)聚。其間也可能會(huì)破壞NPs的形狀結(jié)構(gòu)。未來可繼續(xù)探索低成本、低污染、高效的表面活性劑來解決分散問題,可將生物表面活性劑同納米顆粒制備體系結(jié)合進(jìn)行研究以獲得經(jīng)濟(jì)環(huán)保的納米材料。

(3)納米材料的生產(chǎn)具有復(fù)雜的工藝程序,這使得難以商業(yè)規(guī)?；a(chǎn)以用于鉆井液,所以致力于探索綠色方法來合成NPs,使其成為新一代低成本環(huán)保材料是未來重要研究方向。

(4)盡管納米顆粒具有很大的潛力,但仍需要考慮其經(jīng)濟(jì)可行性和對(duì)HSE的影響。生產(chǎn)性能穩(wěn)定、成本效益高的NPs對(duì)于優(yōu)化鉆井液體系,減少昂貴的鉆井液添加劑的使用以及節(jié)約鉆井成本將有重要意義。

(5)不同納米顆粒與常用聚合物結(jié)合使用已經(jīng)成為鉆井液設(shè)計(jì)的重點(diǎn),一些可生物降解材料(稻殼和石榴皮粉等)與納米顆粒的組合也逐漸成為行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的新型材料,該方面研究還有待加強(qiáng)。

(6)對(duì)于高溫高壓鉆井液體系,不應(yīng)只注重于材料及性能的開發(fā)及優(yōu)化,還應(yīng)量化使用納米基鉆井液的不良影響,比如濾餅后續(xù)處理問題和納米顆粒可持續(xù)性等。