17 钻井液用纳米二氧化硅封堵剂的研制及性能评价-闫丽丽

纳米封堵剂对低渗岩心的封堵性能
纳米封堵剂性能评价
岩心端面微观结构
DR
封堵后的岩心截面结构致密，有封堵层形成，研制的纳米材 料能起到良好的封堵作用。
未封堵的岩心截面
ห้องสมุดไป่ตู้
封堵的岩心截面
DR
研究背景
汇 报 提 纲
封堵剂研制及表征 封堵剂性能评价 结论
结论
DR
（1）成功研制出水基钻井液用的改性纳米二氧化硅封堵剂， 形状为分散良好的球形，且粒径可控。 （2）对钻井液的流变性影响较小，能有效改善滤饼质量并降 低高温高压滤失量，对低渗岩心具有良好的封堵性。 （3）通过SEM发现改性纳米SiO2封堵剂在岩心表面形成致密封 堵层，可以有效封堵页岩孔喉和微裂缝。
DR
加强钻井液对微孔/微裂缝的封堵是解决页岩井壁失稳 的关键措施之一。
研究背景
国内水基钻井液用纳米封堵剂十分缺乏
DR
据统计，北美地区页岩气储层纳米孔隙孔径主体为8~100 nm，而 我国页岩气储层的孔隙范围主要在5~200 nm。 传统的钻井液封堵剂尺寸对页岩微孔、微裂缝来说太大，起不到良 好的封堵效果。 钻井液中加入微纳米材料才有可能对页岩微孔、微裂缝实现封堵， 促进井壁稳定。
配方 滚前 高密度配方② 滚后 滚前 +2%液体沥青 滚后 +2%乳化石蜡 滚前 滚后 滚前 +2%NS 滚后 热滚条件：100℃,16h
②高密度配方:2%膨润土+
DR
AV mPa.s 76 73 85 78
PV mPa.s 63 61 69 65 增稠
YP Pa 13 12 16 13
GEL Pa/Pa 3/3.5 1.5/3 3/3.5 2.5/6.5
偶联剂法
具备双反应功能的化学物质，能够解决纳米颗粒与有机基体亲合力差的问 题，能使聚合物／纳米二氧化硅的结合界面成为化学键结合
聚合物接枝改性法
通过化学反应将高分子链接枝到纳米SiO2表面
纳米封堵剂研制及表征
偶联剂改性纳米SiO2反应机理
DR
整个偶联反应过程是分步进行的：首先生成Si—OH 的低聚硅氧烷；低聚硅氧烷中的 Si—OH 与SiO2 基体表面的—OH 形成氢键；加热固化过程中，伴随脱水反应而与基材形 成共价键链接。
4%膨润土浆 4%膨润土浆 +2%NS 钻井液加重配 方① 钻井液加重配 方+2%NS
①钻井液加重配方：2%膨润土+
1.5%流行调节剂+ 0.2%提切降滤失剂 + 5%KCl +重晶石(ρ=1.2g/cm3)
纳米封堵剂性能评价
在低密度钻井液中的性能
DR
（a）未加封堵剂API滤失量形成泥饼 （b）加入2%封堵剂API滤失量形成泥饼 钻井液加重配方加入封堵剂前后泥饼质量对比
威201井岩心结构
研究背景
国内外针对不同页岩井壁失稳对策
国内外不同页岩统计（SPE 140868 ）
页岩类型 Haynesville Fayetteville Barnett 威201龙马溪 主要成分 I：42-67% I：22-24%； C/S：24-35% I：33%； I/S：28% I：12-38%； I/S：2-3.5% 失稳机理 页岩分散 裂缝导致的页岩 解理 页岩水化 裂缝导致的页岩 解理 钻井液对策 封堵 抑制、封堵 抑制、封堵 封堵、抑制
纳米二氧化硅（SiO2）
价廉易得、无毒无味无污染； 但表面呈亲水性、粒度小、比表面积大，易于团聚。
DR
研发出具有一定刚性、疏水性和分散性，适用于水基钻 井液的纳米封堵剂。
DR
研究背景
汇 报 提 纲
纳米封堵剂研制及表征 纳米封堵剂性能评价 结论
纳米封堵剂研制及表征
纳米SiO2的结构特点
（%）
DR
清水膨胀率约22%，加入纳米封堵剂后膨胀率大幅降低。
纳米封堵剂性能评价
对粘土颗粒Zeta电位的影响
DR
不同处理剂对粘土颗粒的Zeta电位的影响
小阳离子是通过压缩粘土表面的扩散双电层，减少粘土颗粒之间的静电排斥作用，抑制粘 土水化分散； KCl是通过K+的镶嵌作用，抑制水分子侵入粘土晶层，从而抑制粘土的水化膨胀； NS是通过自身的Si-OH与粘土颗粒表面的Si-OH进行缩聚，形成吸附层，从而抑制了粘土被 水入侵发生水化分散作用。
12 10 8 6 4 2 0
DR
HTHPFL(ml) 砂盘封堵实验(ml)
高密度配方
配方+2%液体 沥青
配方+2%NS
封堵剂NS在高密度钻井液体系中的 降滤失性能及封堵性（ 2.2g/cm3 ）
砂盘封堵仪
400mD 砂盘
纳米封堵剂性能评价
封堵性
建立钻井液封堵效率评价方法
（1）在岩心流动实验仪上，利用钻井液污染夹持器测定岩样的初 始正向标准盐水渗透率K1。 （2）用钻井液正向损害岩样，压差为3.5 MPa，围压为5 MPa，损 害时间为125 min。 （3）将岩心污染夹持器接入岩心流动实验仪，测定岩样正向标准 盐水渗透率K2 ，计算封堵率R封堵。
纳米封堵剂性能评价
在低密度钻井液中的性能
封堵剂NS在钻井液体系中的性能评价（100 ℃×16 h）
配方 AV/ PV/ YP/ GEL/ API失水/ （mL） 22 25 12.8 10.8 5.6 3.6 4.8 10.5 3.2 （成膜） 14.4
DR
HTHP失水/ （mL）
（mPa.s） （mPa.s） （Pa） （Pa/Pa） 滚前 滚后 滚前 滚后 滚前 滚后 滚前 滚后 7.5 12 18 20 29 19 34 38 3 7 9 10 24 15 26 31 4.5 5 9 10 5 4 8 7 4/5.5 5.5/7 5/8 7.5/9 1/2 0.5/1.5 1/2 1.5/2.5
API FL(ml) 4 3 5 2.4 -
117 84 82
87 70 65
30 14 17 2.5/4.5 2/4
3.2 2.8 1.8（成膜）
0.5~2%流行调节剂+ 2~6%盐 +0.5~3%抑制剂+2~6%降滤失剂+1~4%润滑剂+重晶石(ρ=2.2g/cm3)
纳米封堵剂性能评价
在高密度钻井液中的性能
30nm
100nm
60nm
DR
研究背景
汇 报 提 纲
纳米封堵剂研制及表征 纳米封堵剂性能评价 结论
纳米封堵剂性能评价
抑制性
页岩选择：长宁-威远区露头页岩
（%）
DR
清水回收率约70%，加入纳米封堵剂后回收率提高到90%以上。
纳米封堵剂性能评价
抑制性
页岩选择：长宁-威远区露头页岩
页岩中发育的纳米孔隙
超细碳酸钙粒径分布(D50=9.2μm)
研究背景
DR
纳米材料：广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在 纳米效应
纳米尺度范围（0.1nm~100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。
表面效应
小尺寸效 应
量子尺寸 效应
宏观量子 隧道效应
高清晰STM下的碳纳米管照片
研究背景
DR
R 封堵 = (1 −
K2 ) ×100% K1
纳米封堵剂性能评价
封堵性能评价
选用15mD低渗岩心 钻井液加重配方①
125min静滤失量：29.5 mL 最大突破压差：3.9 MPa 封堵率：71.8%
DR
钻井液加重配方①+2%NS
125min静滤失量：2.8 mL 最大突破压差：10 MPa 封堵率：88%
DR
分子状态呈三维网状结构，其表面存在不同键合状态的羟基； 表面能高，处于热力学不稳定状态，具有很高的化学活性。
纳米二氧化硅三维结构
纳米二氧化硅表面特征
纳米封堵剂研制及表征
纳米SiO2的表面改性方法
物理法 ：共混、研磨法、表面沉积等 化学法 （最重要的方法） 酯化反应法
DR
醇羟基与纳米SiO2颗粒的表面羟基发生缩水反应，在高温高压下进行
2014年全国钻井液完井液技术交流研讨会
DR
钻井液用纳米二氧化硅封堵剂的研制 及性能评价
汇报人：闫丽丽
中国石油集团钻井工程技术研究院 2014/10
DR
研究背景
汇 报 提 纲
纳米封堵剂研制及表征 纳米封堵剂性能评价 结论
研究背景
DR
20世纪以来，中国已钻一百余口页岩气井。传统的水基钻 井液不适合页岩层，目前主要采用油基钻井液或合成基钻井液， 但其不利于环境保护且成本高。研究低成本环保型的高性能水 基钻井液技术势在必行。 技术难题：页岩储层水平井段的井壁稳定问题。 页岩微孔/微裂缝、层理、节理及夹层十分发育； 钻井液滤液容易沿着微裂缝/层理侵入地层； 滤液的侵入使得微裂缝传播、扩张、形成缝网。
所合成的纳米封堵剂NS能有效改善泥饼质量，形成薄而致密的泥饼，利于降低 滤失量。另外，改性纳米SiO2颗粒具有非常高的表面能，通过氢键作用和化学反应 在井壁上吸附，形成一层隔离保护膜，使得钻井液的滤失量显著减小，从而阻止钻 井液进入地层，利于井壁稳定。
纳米封堵剂性能评价
在高密度钻井液中的性能
封堵剂NS在高密度钻井液体系中的性能评价（ 2.2g/cm3 ）
DR
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纳米封堵剂研制及表征
聚合物/改性纳米SiO2复合材料反应过程
DR

液滴成核原理 预乳化——乳化——细乳化
纳米封堵剂研制及表征
纳米封堵剂合成产物
DR
产物为浅蓝荧光白色乳液，粒径均匀、分散良好的纳米小球。