纳米材料在钻井液中的应用_周治平

纳米材料在钻井液中的应用周治平，谢炳光（中国地质大学工程学院，武汉４３００７４）

摘　要：纳米材料凭借着具有区别于传统材料所没有的优异性能正在钻井液中逐步得到推广和应用。本文分析了纳米材料的特性，综述了纳米技术在钻井液中的应用，并针对目前常用的纳米材料在钻井液中的可能作用机理

及其应用类型进行了分析，同时指出纳米材料在钻井液实际应用中存在的问题及其未来研究的发展趋势。关键词：纳米材料；钻井液；作用机理；应用中图分类号：Ｘ９３；ＴＥ２５４；ＴＢ３８３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１－１５５６（２０１２）０６－０１４４－０４

收稿日期：２０１２－０３－０６ 修回日期：２０１２－０３－２５

作者简介：周治平（１９８９—），男，本科生，主要研究方向为勘查技术与工程（油气井方向）。Ｅ－ｍａｉｌ：ｕｐ＿ａｎｄ＿ｄｏｗｎ１１４０９２＠１２６．ｃｏｍ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎａｎｏ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｔｏ　Ｄｒｉｌｌｉｎｇ　ＦｌｕｉｄＺＨＯＵ　Ｚｈｉ－ｐｉｎｇ，ＸＩＥ　Ｂｉｎｇ－ｇｕａｎｇ

（Ｆａｃｕｌｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎａｎｏ－ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｗｉｔｈ　ｓｐｅｃｉａｌｉｔｉｅｓ　ｗｈｉｃｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｄｏ　ｎｏｔ　ｐｏｓｓｅｓｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ａｐ－

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０　引　

言

纳米技术是一门最近发展起来的前沿新兴科学技术，与信息技术、生物技术一起被称为现当代三大技术。纳米材料作为纳米技术的一个重要研究对象，凭借其独特的结构、奇异的性能和潜在的应用前景，正在化工产品、环保健康、医药卫生、电子工业产品、纳米催化等方面得到了广泛的应用。同样也涉及到钻井液技术，将纳米技术与钻井液技术相结合，充分利用纳米材料所具有的一些独特功能，如能起到降低摩阻、增强泥饼质量、协助成膜等作用，这必将对钻井液技术的发展起到革命性的推动作用［１，２］。

１　

纳米材料

我们通常将纳米材料的尺寸范围定义为１～１００ｎｍ，这个范围内的颗粒是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统［３］。纳米材料是纳米技术发展的重要基础，也是纳米技术最重要的研究对象。纳米材料包括纳米颗粒、纳米薄膜、纳米晶体、纳米非晶体、纳米纤维、纳米块体等。纳米颗粒尺寸大于原子簇，小于超细微粒，纳米颗粒沿一维方向排布则会形成纳米丝，沿二维方向排布则形成纳米膜，沿三维方向排布则形成纳米块体［４］。由于纳米微粒尺寸小、比表面积大，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增大，常表现出以下四大效应：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。由于以上几种效应的存在，使纳米粒子出现了许多不同于常规粒子的新奇特性，而纳米技术正是利用这些新奇的特性，在纳米的尺寸范围内研究物质的组成，通过直接操纵原子和分子而创造新物质的一项高新技术。可以说纳米技术

第１９卷　第６期２　０　１　２年 １１月 安全与环境工程Ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．１９　Ｎｏ．６Ｎｏｖ．　２０１２的出现标志着人类的认知水平已拓展至分子、原子水平，标志着人类技术的新时代———纳米科技时代的来临。美国国家科学基金会在给总统科技政策办公室提交的一份报告中这样描述：纳米科学和科技将在２１世纪改变几乎所有人造物质的本质［５］。足以可见其在当今社会的重要性。有关纳米材料的知识还不仅限于此，只有充分掌握了纳米技术的相关知识，才能把纳米技术与钻井液技术更好地有机结合起来，以此来指导钻井液纳米处理剂技术和相关技术的研究。２　纳米材料在钻井液中的应用钻井液是为了解决钻进过程中所钻遇的孔内问题而不断发展起来的。在钻井液中加入各种处理剂，是为了改变黏土性质，使其保持合适的颗粒状态，并保持钻井液合理的流变性、造壁性、润滑性和抑制性，以此来应对所钻遇的复杂地层。随着钻遇的地层不断加深，钻遇的复杂情况也越来越多，出现了很多常规钻井液所不能应对的问题，这就要求急需开发新一代钻井液体系来应对更加复杂的孔内情况，以此来满足油气等资源的勘探与开发的需要。纳米材料由于具有某些特殊的性能而越来越被钻井液界所重视。因此，如何有目的地从纳米技术的角度对钻井液技术进行研究，并利用纳米处理剂改变钻井液体系中不同组分的物理化学性质，以此有效地解决钻井过程中所遇到的新问题，已成为研发新型钻井液体系的主要方向。２．１　纳米材料对黏土矿物分散性的影响黏土矿物在钻井液中的分散过程中，由于晶格取代等作用的存在，使黏土矿物颗粒表面产生了大量的负电荷，同时随着电负性钻井液处理剂的加入，会进一步加剧黏土的分散，导致颗粒比表面积增大。充分水化的钻井液中分散的黏土颗粒直径为０．００５～２μｍ，具有较大的比表面积和较高的负电性，由此可能会引发井壁失稳坍塌、缩颈卡钻等一系列严重的井下事故［６］。为了能够有效地避免这类事故，提高钻进效率，就需要尽可能地减少井壁黏土矿物的水化分散，这可以从两个方向进行考虑：一是要将钻井液的负电荷进一步降低，使钻井液体系的ζ电位增加，最好可以使体系的ζ电位大于零，从而有利于抑制地层黏土的水化膨胀和分散；二是在黏土发生较高水化膨胀前封堵孔隙，最好能将其与水隔离或者是将其由亲水性变为憎水性，从而避免黏土的进一步水化分散。针对上述的处理剂的要求，王佩平等［７］成功地研制了一种正电胶／聚合醇／纳米乳液水基钻井液体系，该体系是防止地层因井壁失稳而垮塌的一项新技术，经现场应用结果表明，该钻井液总体性能优良，具有良好的流变性，且携砂能力强、润滑效果好、抑制性强、性能稳定，能够有效地防止井壁失稳。另外一个很好的例子就是纳米乳液，由于其具有较低的油水界面张力，扩散系数高，因此能够在黏土发生较高水化膨胀前封堵孔隙，同时使用的乳化剂一般由阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂组成，当纳米乳液与黏土接触时，阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂的亲水基可吸附在黏土表面，并使其带上正电荷，使钻井液体系的ζ电位增加，这样可以排斥具有较厚水化膜的层间阳离子，而且可使黏土的亲水亲油性发生改变，甚至反转为亲油表面［８］。

基于纳米乳化剂的上述两种抑制机理，王忠良［９］将纳米乳液钻井液体系应用于大北１３－６井，取得了控制井径、稳定井壁的效果，保证了电测、下套管的顺利进行，有效地保护了油气层，具有良好的油气显示。２．２　

纳米材料对钻井液减阻润滑性能的影响

在常规钻进时，钻杆柱旋转所承受的扭矩阻力和起下钻的摩擦阻力用普通钻井液就能克服，但在使用加重钻井液进行钻进时，扭矩阻力和摩擦阻力的影响则不容忽视，并且钻井液密度越大其阻力也越大，故不加润滑剂可能会造成卡钻。在定向井和水平井施工中，随着井斜角的增大，钻具和井壁的接触面积、摩擦阻力和扭矩阻力也随之增大，为了减小不必要的动力损失，应从钻井工艺和钻井液技术两方面着手改进：第一，尽量减少钻具和井壁的接触面积；第二，通过添加合适的润滑剂来改善钻井液的润滑性能。显然，在定向井和水平井中减少钻具和井壁的接触面积是很难的，所以研制开发高效钻井液润滑剂是目前解决问题的唯一途径［１０］。

纳米颗粒或纳米乳液粒径小，在钻井液中易分散稳定，在摩擦过程中易转移到摩擦表面，形成覆盖面大且更厚的表面膜，将钻头和孔底岩石进行隔离，减少其摩擦系数，从而提高减摩抗磨效果；同时纳米粒子表面活性高，可以直接吸附到摩擦表面的划痕和微坑处，从而在摩擦表面形成滚珠轴承效应，使滑动摩擦变为滚动摩擦，可大大提高钻头的耐摩性，同时也起到降低扭矩的作用［１１］。在实际生产中，崔迎春等［１２］配制的含２％纳米材料的钻井液的润滑系数不大于０．０５。可见，纳米材料对钻井液的减阻润滑性能的影响之大。

５４１第６期 周治平等：纳米材料在钻井液中的应用

２．３　

纳米材料对钻井液堵漏降滤失性能的影响在钻井过程中，当钻进渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般大于地层空隙压力，在压差作用下，钻井液中的自由水通过井壁渗入地层并在井壁上形成滤饼，原则上要求钻井液失水量越小越好。而控制钻井液失水的外加剂就是降滤失剂，其目的就是通过在井壁上形成低渗透率、柔韧、薄而致密的滤饼，尽可能降低钻井液的滤失量。降滤失剂性能的好坏在很大程度上决定了油气井能否顺利开采，因此对降滤失剂的研究是目前研究的热点问题之一［１３］。现阶段的降滤失剂主要通过以下几个机理发挥作用：①全方位地堵塞泥饼中的毛细孔道，使其光滑而致密；②增加泥饼负电荷密度，使其形成强有力的极化水层；③吸附于黏土晶体颗粒侧面形成桥联，缩小其毛细孔径；④增加滤液黏度；⑤改变泥饼的毛细孔润湿性［１４］。表１为在膨润土基浆中加入一定量的纳米降滤失剂后，泥浆滤失量的变化情况。由表１可以看出，往基浆中加入一定量的纳米处理剂后，能很明显地降低泥浆的滤失量。表１　纳米处理剂对膨润土基浆滤失性能的影响［１５］Ｔａｂｌｅ　１　Ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ　ｍｕｄｓ组别泥浆配方滤失量／ｍＬ０基浆８．６１基浆＋水１０．８基浆＋纳米处理剂Ａ　６．２２基浆＋水１１．８基浆＋纳米处理剂Ｂ　６．５３基浆＋水１１．７基浆＋纳米处理剂Ｃ　６．６４基浆＋水１０．５基浆＋纳米处理剂Ｄ　６．１５基浆＋水９．７基浆＋纳米处理剂Ｅ　６．５６基浆＋水１０．２基浆＋纳米处理剂Ｆ　５．９白小东等［１６］在国内率先合成了纳米成膜剂ＮＭ－１，其在岩芯端面形成了不透水的隔离膜，其现场的应用比普通的成膜剂ＣＨ１２Ｏ３Ｂ和ＣＭＪ２具有更好的降滤失性能。２．４　纳米材料对钻井液抗温性能的影响钻井液在钻进时尤其是在钻进深部地层时，由于与地表存在地温梯度和地层压力的问题，使其在孔底循环时出现很多实验室内无法模拟的情况，为了能顺利地实现钻井液返排岩削、冷却钻头等功能，