納米技術在鉆井液中的應用進展

陳斌 趙雄虎 李外 李書煉

中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室

納米技術在鉆井液中的應用進展

陳斌 趙雄虎 李外 李書煉

中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室

納米材料添加劑是當前鉆井液領域的研究熱點之一。在鉆井液中添加納米材料可以實現控制流變性、提高抗溫性能、降低濾失量、提高潤滑性等效果。通過分析納米SiO2、納米CaCO3、C納米材料、納米乳液等納米材料的物質結構、物理性質和化學性質，簡述了它們在鉆井液中的作用機理、使用效果、現場實例及應用現狀。提出了根據材料獨特理化性質針對性使用、構建數學模型預測納米添加劑效果以及通過復配降低納米添加劑成本等建議。

納米材料；鉆井液；納米技術；應用

納米材料是指材料的幾何尺寸達到納米級尺度水平（10-9m）并且具有特殊性能的材料［1］。它所具有的表面效應、體積效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等特殊性能吸引了各領域的研究工作者。如今納米材料逐漸應用于航天、生物、醫藥、化工、微電子等各個行業，被認為是二十一世紀最具有應用前景的新材料［2-3］。如果能將其優異性能合理應用于鉆井液中，無疑會使鉆井液技術提升到一個新的高度。

現有研究表明，在鉆井液中添加適合的納米材料，能夠起到在高溫高壓下穩定鉆井液黏度［4］、封堵地層微裂縫、潤滑鉆具等一系列效果［5］。目前在鉆井液中使用的納米材料主要有2類：一類是納米固體顆粒材料，可以直接加入鉆井液中使用［6］，另一類是納米乳液體系，先制備納米乳液，再加入鉆井液中使用［7］。筆者從材料分類入手，介紹了各類納米材料的研究進展、應用現狀及發展趨勢，并對現階段研究所存在的問題提出了建議。

1　鉆井液中常用的納米材料

Nano-materials commonly used in drilling fluids

1.1固體顆粒納米材料

Solid particulate nano-materials

1.1.1納米SiO2納米SiO2呈三維網狀結構，通過游滲作用與聚合物分子的π鍵電子云重合，發生鍵合作用，提高分子間鍵力，從而大幅度提高高分子化合物的綜合力學性能［8］。在不分散低固相聚合物鉆井液體系中，往往需要對其中的高分子化合物進行改性。加入納米SiO2材料，可以將有機高分子材料的柔性與無機材料的剛性結合在一起，改善處理劑性能，從而改善鉆井液性能。此外，納米SiO2分子表面存在大量不飽和殘鍵和不同鍵合狀態的羥基，在水基鉆井液中有良好的親和性，從而增強體系的懸浮穩定性。

蘇俊霖等［9］配制的含有SiO2納米顆粒的NFL-1降濾失劑，加入鉆井液中能夠改善高分子化合物的特性。實驗表明在3%膨潤土基漿中添加3% 的NFL-1降濾失劑后，其API濾失量為6.2 mL，在220 ℃下熱滾16 h，其API濾失量仍然能夠控制在7.8 mL，添加該降濾失劑能夠使體系具有良好的降濾失效果。

袁野等［10］將納米二氧化硅分散液分別加入淡水基漿、膨潤土基漿和低固相基漿中，實驗表明在室溫及升溫過程中，納米二氧化硅分散液在淡水基漿和膨潤土基漿中的降濾失效果顯著。室溫下的降失水幅度可以達到56.25%，升溫過程中可以達到78%。而在低固相基漿中的表現效果一般，作者認為納米二氧化硅在膨潤土濃度較高的情況下才可以充分發揮其降濾失能力。

毛惠等［11］以疏水締合聚合物為基體，納米二氧化硅為填料，采用反相乳液聚合法研制了一種微納米降濾失劑FLR-1，該降濾失劑不僅能夠顯著降低濾失量，而且能夠有效控制鉆井液體系的流變性。在淡水基漿中加入1.2%的FLR-1降濾失劑，經180℃老化后其API濾失量為5.2 mL；在10%NaCl鹽水基漿中，經180 ℃下老化后其API濾失量為7.6 mL。在常規單劑測試中，在4%基漿中分別加入4%SMP、4%SPNH、4%PSC等各種降濾失劑，經180℃老化，API濾失量大致在8～12 mL的范圍內，而加入0.5%的FLR-1降濾失劑，濾失量僅為5.4 mL。以上的數據都表明添加了納米二氧化硅的降濾失劑具有較優異的抗鹽抗高溫降濾失能力。毛惠等認為其優異的抗高溫能力除了來自于高分子黏度增大之外，還因為納米顆粒的高比表面積提高了處理劑的比熱，使之相比于常規處理劑能吸收更多熱量，以及二氧化硅納米顆粒自身的熱穩定性，這些都增強了鉆井液體系在高溫下的穩定性，從而保證鉆井液在高溫條件下仍然具有較為優異的降濾失能力。

趙雄虎等［12-14］在鉆井液中添加經表面改性后的納米SiO2材料GY-2，并配合使用常規化學試劑，取得了良好的效果。實驗表明隨著GY-2加量的增加，鉆井液的表觀黏度、塑性黏度和動切力均有提高，濾失量降低。在加入質量分數為0.2%時，API濾失量降至4.6 mL。此外，該體系還有良好的頁巖抑制性和潤滑性，是一種優良的水基鉆井液處理劑。

在國外，含有納米SiO2的鉆井液體系也被廣泛研究。Meghan Riley等［15］針對水基鉆井液在頁巖層中無法形成泥餅的問題開發出含SiO2納米顆粒處理劑。當添加劑的質量分數達到29%時，通過壓力測試手段證明頁巖的孔隙幾乎被完全堵住，實現了有效封堵。

從以上研究中可以看出，SiO2納米材料常被用于和高分子聚合物相結合來提高聚合物的強度，以達到增黏、降濾失、抗高溫等目的或改性后直接添加，實現對巖層的封堵。

1.1.2納米CaCO3納米CaCO3作為一種新型無機功能性填料，除了大多數納米材料所具有的共性之外，與常規CaCO3粉末相比具有特殊的增韌性、補強性、流變性和殺菌能力等物理、化學特性。由于其粒徑小，導致畸變程度大，未配對的原子多，同時其比表面積大，這兩方面的綜合因素都促進納米CaCO3與基料的結合，從而更好地發揮其增韌性。由于宏觀量子隧道效應的存在，使得納米CaCO3在自然光的照射及一定濕度下可以分解出電子，留下化學活性較高的電子空穴，使其極易與有機物發生化學反應。在不分散低固相聚合物鉆井液體系中，可以利用其上述特性，通過有效合成手段，實現高分子化合物與納米CaCO3的有機結合，增強高分子化合物的韌性等物理特性，從而改善鉆井液性能。然而，納米CaCO3的耐熱性能不高，并且具有疏油親水性，很難直接與有機高分子材料發生反應，因此在使用前需要針對這兩方面的不足進行表面改性［16］。韓躍新等［17］用硬脂酸等試劑對納米CaCO3進行表面改性，在改性溫度達到90 ℃時其活化指數達到了0.94。通過紅外光譜分析證明，硬脂酸與納米碳酸鈣之間形成牢固的化學鍵，從而使改性后的納米碳酸鈣具有疏水親油性。這種改性后的納米CaCO3易于與高分子化合物發生反應。

白小東等［18］通過超聲分散獲得了分散均勻的納米碳酸鈣鉆井液體系，并針對加入表面活性劑改性納米CaCO3和加入未改性的納米CaCO3添加劑2種情況對鉆井液體系進行了流變性、降濾失性的測試以及泥餅的觀察。結果表明，2種情況下的鉆井液黏度、動切力都有所降低，而改性后的納米CaCO3添加劑使其降低的幅度更大；API濾失量在2種情況下分別由4%基漿的22 mL降到了9.5 mL和10.5 mL，也證明了改性后的納米CaCO3降濾失能力更好。同樣，未改性的納米CaCO3形成的泥餅表面有明顯的堆積顆粒，說明納米CaCO3發生團聚，使納米添加劑無法發揮其應有的特性。而改性后的納米CaCO3使形成的泥餅致密，且厚度小于1 mm，證明添加劑對泥餅孔隙具有良好的封堵效果。

張婷等［19］對水基鉆井液用納米碳酸鈣分散技術進行了深入的研究。通過電鏡掃描、測試吸光度等方法篩選分散劑，選擇使用羧酸鹽，并確定其最佳加量為2%（質量分數），pH值為9是最佳分散環境。加入納米CaCO3及分散劑的鉆井液能夠有效抑制頁巖水化膨脹，增強降濾失性并表現出良好的乳化性能。通過對其耐溫性能測試表明隨著溫度從25 ℃上升到140 ℃，其API濾失量從6 mL升高至12.7 mL，但是超過140 ℃后，濾失量顯著上升，說明該體系抗溫可達140 ℃。

Oscar Contreras等［20］成功制備鈣基納米顆粒添加劑NP1應用于油基鉆井液以降低濾失量，控制流變性。在加入的納米顆粒質量分數到達1.0%時，形成厚度為0.62～0.68 mm的薄而致密的泥餅，API濾失量幾乎為0，有效降低油基鉆井液對儲層的損害。

改性后的納米CaCO3可發揮其獨特性能，又由于其價格上的優勢，使納米CaCO3具有較好的發展前景，但如何增強其耐熱性仍是需要考慮的問題。

1.1.3C類納米材料 自納米技術發展以來，C（碳）納米材料一直受到廣泛的關注。迄今為止，已經研制出零維的納米碳球、一維的碳納米管、二維的石墨烯等各類材料。對于納米碳球，除了一般納米材料都具有的納米效應之外，還具有獨特的性能，如熱穩定性好、強度高、耐化學腐蝕等，同時，納米碳球的石墨化程度低，表面存在大量的羥基和羧基，使之親水能力強，可以在水基鉆井液中使用。對于石墨烯，作為近年來研究最為熱門的研究材料，除了其導電能力極強外，還可以阻止幾乎所有流體的通過［21］，將其這一特性應用于降濾失劑成為了許多研究者的目標。碳納米管同樣也擁有導電能力強的特性，但至今很少有文獻報道將這種特性應用于鉆井液當中。

楊芳等［22］對將納米碳球應用于鉆井液高溫潤滑劑中進行了深入的研究。作者認為，納米碳球具有高強度特性，在鉆井液體系中不易被清除和打碎，且其表面光滑，能夠起到很好的潤滑作用，實驗結果表明該材料具有很好的抗高溫性能，在250 ℃下仍然能夠起到很好的潤滑作用。隨著納米碳球加量的增多，潤滑系數顯著降低，當加量為0.4%時，潤滑系數的下降率到達最大22.8%，說明在該加量下體系的潤滑效果最佳。此外，添加該潤滑劑后，形成泥餅的黏附系數也有所增大，在180 ℃的條件下處理16 h，濾餅黏附系數相較與鉆井液基漿增大了6.9%，起到了降濾失作用。

宣揚等［23］將氧化石墨烯應用于降濾失劑中，制備了一種高效降濾失劑。在無膨潤土的情況下，氧化石墨烯的加量由0.2%增大到0.6%時，API濾失量由137 mL減小到14.7 mL，效果顯著。通過掃描電鏡照片可以看出，當石墨烯濃度到達0.6%時，石墨烯濾餅僅有微小孔隙，說明泥餅較為致密，從而達到降濾失的目的。將石墨烯與CMC進行復配，在CMC濃度為0.4%、石墨烯濃度為0.2%時，無膨潤土的情況下，其API濾失量為24.4 mL。考慮到經濟因素，由于CMC的價格較低，這是一種更為實用的降濾失劑。

Scomi公司［24］對石墨烯添加劑進行了現場評價測試。加入2%的石墨烯添加劑，對鉆具可以起到良好的潤滑作用，扭矩阻力下降了70%～80%，使鉆頭壽命延長了75%，鉆速增加了125%，且通過井下觀測發現對鉆屑擁有良好的懸浮效果。

C類納米材料種類繁多，應用的范圍也比較廣泛，從潤滑到降濾失等作用都能夠發揮其特性。此外，如何能夠將其優異的導電性能也應用于鉆井液工藝中將是今后發展的一個重要方向。

1.1.4其他納米材料 除了上述幾類鉆井液用納米顆粒外，對其他納米材料在鉆井液中的應用也進行了嘗試，如Zn（鋅）、Ti（鈦）、Fe（鐵）類化合物等。

朱阿成等［25］針對低黏鈉羧甲基纖維素（CMC）抗溫性不高的缺陷，使用Zn類納米材料ZZ，采取以溶液共混法和乳液共混法為主、機械共混法為輔的共混方法對其進行改性。表征評價表明，納米材料ZZ與CMC發生了物理/化學作用而緊密結合。在密度為1.208 g/cm3的膨潤土基漿中分別加入1%的CMC和1%的ZZ-CMC，經180 ℃熱滾16 h，加入1%的ZZ-CMC的鉆井液表觀黏度為9.5 mPa·s，塑性黏度為6 mPa·s，動切力為3.5 Pa，相比于直接添加CMC的鉆井液體系都有所提高。加入ZZ-CMC后，鉆井液API濾失量為8.1 mL，而直接添加CMC時的API濾失量為14.8 mL。因此，ZZ-CMC材料在高溫下能夠顯著提高鉆井液動切力，降低濾失量。

羅明良等［26］以陰離子表面活性劑脂肪酸甲酯磺酸鹽（MES）為主要原料，加入銳鈦礦型納米TiO2（二氧化鈦），通過交聯作用使MES高分子材料形成較為穩定的網狀結構，將該體系應用于壓裂液中并通過剪切黏度的測定確定了納米TiO2的最優質量分數為0.6%。作者認為TiO2的吸附作用可以促使MES膠束相互纏繞從而增強溶液的黏彈性，提高壓裂液的熱穩定性、降濾失性和攜砂性能，且不影響其破膠性能。筆者認為由于納米TiO2具有優異的熱穩定性，因此可以在抗高溫高壓鉆井液體系中對該材料進行嘗試研究。

岳秋地等［27］采用熱分解法制備了Fe3O4納米粒子，可作為封堵劑使用，具有良好的封堵性能和耐鹽穩定性。在人造泥餅的封堵測試實驗中120 min的濾失量僅有11.3 mL，證明其對泥餅有良好的封堵性能。此外，該體系還具有良好的磁場響應性能，納米粒子可以快速吸附于磁鐵附近且撤去磁鐵振蕩后仍能恢復分散狀態，因此作者認為該體系在泥頁巖段的地層參數測量中具有廣泛的應用前景。

C. O. Nwaoji等［28］用壓裂設備制備了一種由石墨、納米CaCO3、納米Fe（OH）3等復合而成的新型堵漏材料。與基漿相比，添加石墨和納米CaCO3復合而成的納米材料將破裂壓力提高了36%，添加石墨和納米Fe（OH）3復合而成的納米材料將破裂壓力提高了70%。通過解堵實驗發現，這種新型封堵材料的封堵能力很強，以至于在解堵時封堵材料沒有被流體沖出來，而是在其附近形成了裂縫，證明了封堵材料與巖石的結合力十分強。

1.2納米乳液

Nano-emulsion

納米乳液是指一種液相以液滴形式分散于另一種液相的膠體分散體系［29-30］，是一種熱力學不穩定體系，當小液滴中的流體轉移到大液滴中會發生乳液的粗化。然而納米乳液在動力學上是穩定的，對于溫度變化和稀釋（即濃度變化）有較好的穩定性［31］，其穩定性與制備方法密切相關。目前制備方法主要分為高能乳化法和低能乳化法。高能乳化法的能量利用率較低，處理時間較長。低能乳化法可以有效地規避這些問題，是當今研究的熱點方法，如輪流加液法、自乳化法、相轉變溫度法、D相乳化法等都是常見的低能乳化法［32］。目前，納米乳液在鉆井液中的應用主要是石蠟納米乳液。

代禮楊等［33］采用反相乳化法制備出納米石蠟乳液，加入HLB值為10.5的乳化劑，在乳化劑濃度為8%、乳化時間為30 min時，乳液的平均粒徑最小，穩定性最高，具有良好的潤滑性。在納米石蠟乳液加量由0.5%增至3%時，極壓潤滑系數降低率由15.83%變化到48.62%。該納米乳液還有良好的防止頁巖膨脹能力，當加量為2%時，頁巖回收率達到95%左右。此外這種石蠟納米乳液具有優異的油氣層保護效果、環保效果等特性。

王佩平等［34］制備出正電膠/聚合醇/納米乳液水基鉆井液體系，通過實驗分析，體系中加入的納米乳液SDJ-3具有非常強的封堵和隔離作用，在鉆井液中溶解分散后可以吸附和滲入井壁，形成隔離膜。成膜后抑制泥巖吸水膨脹，達到抑制垮塌、穩定井壁的目的。在街207井的現場測試中，使用該體系的鉆井液后，返排巖屑的成巖性好，呈圓球狀且整個施工中都未發生該區塊其他井在鉆進過程中出現的井壁失穩垮塌、阻卡等現象。

蘇俊霖等［35］針對有機/無機納米復合乳液成膜劑進行了深入研究，采用細乳化法合成了無機/有機納米復合乳液成膜劑NFR-1。與普通成膜劑進行對比后，認為該成膜劑納米復合乳液可以對泥頁巖的納米級孔隙進行有效堆積和致密封堵，使該鉆井液體系具有較高的成膜效率，API濾失量由10 mL降低到5.5 mL，有效地降低了濾失量。

陳軍等［36］在W2P1井的鉆進中加入了石蠟納米乳液，平均機械鉆速為10.08 m/h，在鉆遇濾失量大的地層時加入石蠟納米乳液與有機硅醇復配使用，形成了致密的泥餅，將濾失量控制在4.8～5.6 mL范圍。在水平井段增大石蠟納米乳液的加量至3%與有機硅醇的加量至2%起到了同樣的效果。

總結近年來的研究成果，納米乳液有以下優勢：（1）熱穩定性好，能改善鉆井液體系整體的穩定性；（2）潤滑性能好，可對鉆具產生良好的潤滑作用；（3）與普通水基鉆井液相比，自由水的含量低，能減少鉆井液漏失，有利于井壁穩定；（4）通過納米乳滴的填充作用可得到致密的泥餅，達到降濾失效果。

2　鉆井液中納米材料的選擇問題

Selection of nano-materials in drilling fluid

納米材料在鉆井液中的使用解決了一些之前難以突破的難題，然而如何針對不同問題，有效地篩選納米材料，筆者認為應從以下幾個方面入手。

（1）加深對材料基礎性能的了解，主要分為2個方面：其一，應深入了解納米材料的納米特性，即表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應，從基本特性出發與鉆井液體系有機結合，對其所帶來的優勢加以利用，比如其高活性，對于可能帶來的問題進行規避，比如團聚問題，其二，清楚認識所研究納米材料的獨特化學特性后再嘗試應用于鉆井液中。由于納米粒子的比表面積大，活性強，易于與其他物質發生反應，因此，如果在不清楚其化學性質的情況下添加，就很有可能造成納米材料與鉆井液中其他有效成分發生不可逆的反應而導致納米材料配伍性差，使鉆井液原有性能下降，造成損失。

（2）目前，大多數文獻都在說明加入各類納米材料后，鉆井液的流變性、降濾失性、潤滑性等發生了顯著變化。然而對于其中涉及到的一些規律性的變化難以有效總結。針對該問題，可以從最基本的物質作用力出發，用計算化學的方法建立納米顆粒懸浮體系模型，進行模擬評價；其次，對于不同種類納米材料，可以通過實驗結果與擬定模型結果對比，在模型中添加修正系數模擬其特定的化學特性，完善模型。得到模型后，在今后的實驗初期都可以預測諸如流變性等性能的變化，并且材料選擇問題上有一個大致方向，避免科研工作者在前期試驗中的盲目嘗試。

（3）納米材料的成本偏高，不同種類的納米材料價格差異明顯。除考慮如何從生產工藝的角度降低成本外，還可以從復配的角度考慮問題。針對不同種類納米材料，可以考慮與高分子化合物、傳統無機材料混合使用以降低成本，比如前文提到的納米SiO2與高分子混合使用、納米Fe（OH）3與石墨粉混合使用、石墨烯與CMC混合使用等。因此，這就需要全面認識不同種類納米材料的特性，保證在制備納米鉆井液添加劑時能夠找到性質相似或能夠協同增益的材料進行配合使用。

3　結論及建議

Conclusions and suggestions

納米技術已逐漸應用于鉆井液中。隨著研究的深入，需要建立科學的理論模型和評價體系，為該方向的發展奠定基礎。

（1）目前鉆井液中常用的納米材料主要有納米SiO2、納米CaCO3、C納米材料、納米乳液，除此之外還有Zn、Ti、Fe等類化合物，然而所利用到的物質性質有限，沒有將材料充分利用。因此，應該拓寬研究思路，探索材料各性質的應用，實現納米技術與鉆井液技術的有效結合。

（2）加強基礎理論研究，從微觀入手，考慮物質間的相互作用，比如納米顆粒與黏土顆粒的相互作用、納米顆粒與鉆井液中聚合物的相互作用等，輔以計算化學的推導，建立合理的數學模型并針對不同種類納米材料進行模型修正，為今后的科研工作提供一個可預測體系性能的模型，提高工作效率。

（3）綜合多學科內容，重視學科間的交叉知識，不單純以油田化學思考問題。參考流體力學、量子化學、分子動力學等學科，分析納米材料在鉆井液應用時遇到的問題。除了理論研究，還應考慮成本問題，實現技術的產業化。

References:

［1］ 白春禮. 納米科技及其發展前景［J］. 科學通報，2001，46（2）：89-92. BAI Chunli. Development prospects of nano-technology ［J］. Science Bulletin， 2001， 46（2）: 89-92.

［2］ 張中太，林元華，唐子龍，張俊英. 納米材料及其技術的應用前景［J］. 材料工程， 2000（3）： 42-48. ZHANG Zhongtai， LIN Yuanhua， TANG Zilong， ZHANG Junying. Nanometer materials & nano technology and their application prospect［J］. Journal of Materials Engineering， 2000（3）: 42-48.

［3］ ANDRE R P， AVERBACK R S， BROWN W L， BRUS L E， GODDARD W A， KALDOR A， LOUIE S G，MOSCOVITS M， PEERCY P S， RILEY S J， SIEGEL R W，SPAEPEN F， WANG Y. Research opportunities on clusters and clusters-assembled materials—a department of energy，council on materials science panel report ［J］. Journal of Materials Research， 1989， 4（3）: 704-736.

［4］ NASSER J， JESIL A， MOHIUDDIN T， RUQESHI M A，DEVI G， MOHATARAM S. Experimental investigation of drilling fluid performance as nanoparticles［J］ World Journal of Nano Science and Engineering， 2013（3）: 57-61.

［5］ AMANULLAH M， ASHRAF M A， ARAMCO S. Nanotechnology-its significance in smart fluid development for oil and gas field application［R］. SPE 126102， 2009

［6］ UJHELYIOVá A， SLOBODOVá M， RYBA J， BORSIG E， VENCELOVá P. The effect of inorganic nanoadditives on the thermal， mechanical and UV radiation barrier properties of polypropylene fibres［J］. Open Journal of Organic Polymer Materials， 2012（2）: 29-37.

［7］ SOLè I， MAESTRO A， PEY C M， GONZáLEZ C， SOLANS C， GUTIáRREZ J M. Nano-emulsion preparation by low energy methods in an ionicsurfactant system［J］. Colloids and Surfaces A: Physicochemicaland Engineering Aspects， 2006， 288（1）: 138-143.

［8］ 劉俊渤，藏玉春，吳景貴，王明輝. 納米二氧化硅的開發與應用［J］. 長春工業大學學報，2003，24（4）： 9-12. LIU Junbo， ZANG Yuchun， WU Jinggui， WANG Minghui. The development and application nano silicon dioxide［J］. Journal of Changchun University of Technology， 2003， 24 （4）: 9-12.

［9］ 蘇俊霖，蒲曉林，任茂，賀明敏，陳勇. 高溫無機/有機復合納米降濾失劑NFL-1研究［J］. 鉆采工藝，2012，35 （4）：75-78. SU Junlin， PU Xiaolin， REN Mao， HE Mingmin， CHEN Yong. Research of High Temperature Inorganic/Organic nano-composite fluid loss additive NFL-1［J］. Drilling & Production Technology， 2012， 35（4）: 75-78.

［10］ 袁野，蔡記華，王濟君，肖長波. 納米二氧化硅改善鉆井液濾失性能的實驗研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：30-33，41. YUAN Ye， CAI Jihua， WANG Jijun， XIAO Changbo. Experimental study on improving filtration properties of drilling fluid using silica nano-particles［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2013， 35（3）: 30-33， 41.

［11］ 毛惠，邱正松，沈忠厚，黃維安，鐘漢毅. 疏水締合聚合物/納米二氧化硅降濾失劑的研制及作用機理［J］.石油學報，2014，35（4）：771-778. FMAO Hui， QIU Zhengsong， SHEN Zhonghou，HUANG Weian， ZHONG Hanyi. Synthesis and mechanism of hydrophobic associated polymer based nano-silica filtrate reducer［J］. Acta Petrolei sinica ，2014， 35（4）: 771-778.

［12］ 趙雄虎，高飛，鄢捷年，李玉飛. 納米鉆井液材料GY-2室內研究［J］. 油田化學，2010，27（4）：357-359. ZHAO Xionghu， GAO Fei， YAN Jienian， LI Yufei. Laboratory research on nano-material GY-2 for drilling fluids［J］. Oilfield Chemistry， 2010， 27（4）: 357-359.

［13］ 柯揚船. 一種納米前驅物復合材料及其制備方法：CN1510078A［P］. 2004-07-07. KE Yangchuan. A kind of nano-precusor composite material and its preparation: CN1510078A［P］. 2004-07-07.

［14］ 柯揚船. 聚酯與無機物納米復合材料及其制備方法：CN1504510A［P］. 2004-06-16. KE Yangchuan. Polyester-inorganics nanomaterial and its preparation: CN1504510A［P］. 2004-06-16.

［15］ RILEY M， STAMATAKIS E， YOUNG S， HOELSHER K P， STEFANO G D， JI Lou， GUO Quan， FRIEDHEIM J. Wellbore stability in unconventional shale—the design of a nano-particle fluid［J］. SPE 153729， 2012.

［16］ 顏鑫，周繼承，鄧新云. 納米碳酸鈣四大納米效應應用表現［J］. 化工文摘，2008（4）：44-47. YAN Xin， ZHOU Jicheng， DENG Xinyun. Application of the four big effects of nano-CaCO3［J］. China Chemicals， 2008（4）: 44-47.

［17］ 韓躍新，陳經華，王澤紅，李書會. 納米碳酸鈣表面改性研究［J］. 礦冶，2003，12（1）：48-51. HAN Yuexin， CHEN Jinghua， WANG Zehong， LI Shuhui. Study on surface modification of nanometer calcium carbonate［J］. Mining and Metallurgy， 2003，12（1）: 48-51.

［18］ 白小東，肖丁元，張婷，唐斌. 納米碳酸鈣改性分散及其在鉆井液中的應用研究［J］. 材料科學與工藝，2015，23（1）：89-94. BAI Xiaodong， XIAO Dingyuan， ZHANG Ting， TANG Bin. Research on the dispersion of nanometer CaCO3in drilling fluid［J］. Materials Science and Technology，2015， 23（1）: 89-94.

［19］ 張婷.水基鉆井液用納米碳酸鈣分散技術與分散機理研究［D］. 成都：西南石油大學，2014. ZHANG Ting. Research on the dispersion of nanometer CaCO3in water-base drilling fluid［D］. Chengdu: Southwest petroleum university， 2014.

［20］ CONTRERAS O， HARELAND G， HUSEIN M，NYGAARD R， ALSABA M. Application of in-house prepared nanoparticles as filtration control additive to reduce formation damage［R］. SPE 168116， 2014.

［21］ LEENAERTS O， PARTOENS B， PEETERS F M. Graphene： a perfect nanoballoon［J］. Applied Physics of Letters， 2008， 93（19）： 193103-193107.

［22］ 楊芳.納米碳球耐高溫鉆井液潤滑劑的研究［D］. 長春：吉林大學，2013. YANG Fang. Study of nanosize carbon spheres as high temperature drilling fluid lubricant［D］. Changchun: Ji Lin University， 2013.

［23］ 宣揚，蔣官澄，黎凌，賀垠博，王金樹，耿浩男，龐姜濤.高性能納米降濾失劑氧化石墨烯的研制與評價［J］.石油學報，2013，34（5）：1010-1016. XUAN Yang， JIANG Guancheng， LI Ling， HE Yinbo，WANG Jinshu， GENG Haonan， PANG Jiangtao. Preparation and evaluation of nano-graphene oxide as a high-performance fluid loss additive［J］. Acta Petrolei Sinica， 2013， 34（5）: 1010-1016.

［24］ TAHA N M， LEE S. Nano graphene application improving drilling fluids performance［C］. International Petroleum Technology Conference， Doha，Qatar， 2015.

［25］ 朱阿成，邱正松，袁曉景，胡紅福. 納米改性CMC的制備、結構表征和性能評價［J］. 鉆井液與完井液，2007，24（5）：6-8. ZHU Echeng， QIU Zhengsong， YUAN Xiaojing， HU Hongfu. Nanometer modified CMC: preparation，structure characterization， and performance evaluation［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2007， 24（5）: 6-8.

［26］ 羅明良，賈自龍，孫厚臺，溫慶志. 納米TiO2改性MES黏彈性膠束溶液的性能［J］. 石油學報，2012，28（3）：456-462. LUO Mingliang， JIA Zilong， SUN Houtai， WEN Qingzhi. Performance of nano-TiO2modified MES viscoelastic micelle solution［J］. Acta Petrolei Sinica，2012， 28（3）: 456-462.

［27］ 岳秋地，武元鵬，吳江，林元華，郭其鵬，付艷，黃進軍，李劭燚. Fe3O4納米封堵劑的制備、表征及封堵性能［J］. 油田化學，2014，31（3）：322-325. YUE Qiudi， WU Yuanpeng， WU Jiang， LIN Yuanhua，GUO Qipeng， FU Yan， HUANG Jinjun， LI Shaoyi. Preparation， characterization and plugging properties of Fe3O4nanoparticles for plugging agent［J］. Oilfield Chemistry， 2014， 31（3）: 322-325.

［28］ NWAOJI C O， HARELAND G， HUSEIN M，NYGAARD R， ZAKARIA M F. Wellbore strengtheningnano-particle drilling fluid experimental design using hydraulic fracture apparatus［R］. SPE 163434， 2013.

［29］ 陳良紅，李瓊，劉曉慧，張婉萍. 納米乳液的研究進展［J］. 日用化學工業，2013，43（5）：377-381. CHEN Lianghong， LI Qiong， LIU Xiaohui， ZHANG Wanping. Advances in research work with respect to nano-emulsion［J］. China Surfactant Detergent & Cosmetics， 2013， 43（5）: 377-381.

［30］ 李超，王輝，劉瀟冰，李懷科，羅健生，孫德軍.納米乳液與微乳液在油氣生產中的應用進展［J］. 鉆井液與完井液，2014，31（2）：79-84. LI Chao， WANG Hui， LIU Xiaobing，LI Huaike， LUO Jiansheng， SUN Dejun. Progress of application of nano emulsion and micro emulsion in oil and gas production ［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2014， 31（2）: 79-84.

［31］ 代禮楊，李洪俊，蘇秀純，孫德軍，任正軍，徐瑞國. 納米石蠟乳液的制備及分析［J］. 化學工程師，2011（5）：46-49. DAI Liyang， LI Hongjun， SU Xiuchun， SUN Dejun，REN Zhengju， XU Ruiguo. Preparation and analysis stability of nano-emulsions of paraffin［J］. Chemical Engineer， 2011（5）: 46-49.

［32］ 藍強，蘇長明，劉偉榮，楊飛，郭寶雨，孫德軍. 乳液和乳化技術及其在鉆井液完井液中的應用［J］. 鉆井液與完井液，2006，23（2）：61-69. LAN Qiang， SU Changming， LIU Weirong， YANG Fei，GUO Baoyu， SUN Dejun. Emulsions and emulsifying technique and their application in drilling and completion fluid technology［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2006， 23（2）: 61-69.

［33］ 代禮楊，李洪俊，蘇秀純，曹衛強，舒儒宏，任正軍，徐瑞國. 納米石蠟乳液的研究及應用［J］. 鉆井液與完井液，2012，29（2）：5-11. DAI Liyang， LI Hongjun， SUN Xiuchun， CAO Weiqiang， SHU Ruhong， REN Zhengjun， XU Ruiguo. Research and application on nano-paraffin emulsion［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2012， 29（2）: 5-11.

［34］ 王佩平，應付曉，劉紅玉. 正電膠納米乳液鉆井液在勝利油田的應用［J］. 江漢石油職工大學學報，2006，19 （4）：38-40. WANG Peiping， YING Fuxiao， LIU Hongyu. Application of positive colloid nano-emulsion drilling fluid in Shengli Oilfield［J］. Journal of Jianghan Petroleum University of Staff and Workers， 2006， 19（4）: 38-40.

［35］ 蘇俊霖，蒲曉林，任茂，賀明敏，陳勇. 鉆井液用有機/無機納米復合乳液成膜劑研究［J］. 油田化學，2011，28（3）：237-240. SU Jumlin， PU Xiaolin， REN Mao， HE Mingmin， CHEN Yong. Research on organic/inorganic nano-composite emulsion used as film forming agent of water-based drilling fluid［J］. Oilfield Chemistry， 2011， 28（3）: 237-240.

［36］ 陳軍，王學軍，高遠鵬，張潔. 石蠟納米乳液鉆井液技術在水平井中的應用［J］. 鉆井液與完井液，2010，27 （4）：87-89. CHEN Jun， WANG Xuejun， GAO Yuanpeng， ZHANG Jie. Application of nano-wax emulsion drilling fluid technology in horizontal wells［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2010， 27（4）: 87-89.

（修改稿收到日期 2016-03-20）

〔編輯 朱 偉〕

Application of nano technology to drilling fluid

CHEN Bin， ZHAO Xionghu， LI Wai， LI Shulian
State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting， China Uniνersity of Petroleum （Beijing）， Beijing 102249， China

Nano-additive is a hot research object in the field of drilling fluids now. When nano-materials are added into drilling fluids， they can control the rheological property， decrease filtration rate， and improve temperature resistance and lubricity of drilling fluids. This paper analyzed nano-materials （e.g. nano SiO2， nano CaCO3， C nano-material and nano-emulsion） in terms of material structure，physical property and chemical property. Then it introduced the working principles and field applications of nano-materials in drilling fluids. Finally， it proposed to build up a mathematical model based on the unique physical and chemical properties of nano-materials to predict the application results of nano-additives and to reduce the cost of nano-additives by means of combination.

nano-materials； drilling fluid； nano technology； application

趙雄虎（1964-），教授，主要從事鉆井液、完井液理論及技術研究。通訊地址：（102249）北京市昌平區府學路18號。E-mail: cpbzxh@cup.edu.cn

TE254

A

1000 - 7393（ 2016 ） 03 - 0315- 07

10.13639/j.odpt.2016.03.008

CHEN Bin， ZHAO Xionghu， LI Wai， LI Shulian. Application of nano technology to drilling fluid［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（3）: 315-321.

陳斌（1992-），在讀碩士研究生，從事鉆井液、完井液理論技術研究。通訊地址：（102249）北京市昌平區府學路18號。E-mail: chenbin_spe@126.com

引用格式：陳斌，趙雄虎，李外，李書煉.納米技術在鉆井液中的應用進展［J］.石油鉆采工藝，2016，38（3）：315-321.