納米粒子在鉆完井中的應用現狀

田進，何淼，王曉亮

(1.長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100；2.長江大學 非常規油氣湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430100)

納米技術是一種應用范圍廣、應用前景大的綜合型科學技術，其中納米材料是納米技術的研究基礎。納米粒子顆粒直徑一般在0.1～100 nm間，比常規膠體顆粒小兩個數量級，近年來已經在生物醫學、精細化工、電子工程、航空航天、國防科技等行業中取得了突破性的進展與應用[1-5]。石油大都儲藏在地底深處多孔巖石中，當納米材料運輸到目標地層后，納米材料的微觀形狀和幾何尺寸不受溫度、壓力等因素影響，能夠在納米級巖石孔隙中自由流動，從而推動油氣開采。基于納米材料的獨特性能，納米材料應用于鉆完井工程也取得了一定成效。石油作為我國的一大重要儲備能源，關系到各行各業的發展，因此進一步加強納米材料在鉆完井工程中的研究與發展顯得很有必要。

1 納米粒子在鉆井作業中的應用

1.1 納米鉆井液

在頁巖地層鉆井時，由于頁巖孔隙中的鹽水離子濃度遠高于鉆井液水的離子濃度，因此產生了較大的滲透壓，導致鉆井液中的水份被吸入頁巖孔隙中[6-8]。頁巖水化膨脹，導致井眼完整性被破壞，需要一系列額外的添加劑抑制頁巖水化膨脹，因此頁巖鉆井液成本普遍偏高。

常規降失水材料對微米級孔隙的巖石有效，但對納米級孔隙的頁巖無效。為了防止水侵入頁巖，Sensoy等[9]向鉆井液中添加納米二氧化硅顆粒，成功證明了納米顆粒能夠阻止頁巖水化。然而長時間浸泡后，低離子濃度的鹽水仍然會向頁巖孔隙緩慢滲透[10-11]，為了進一步消除井壁內外滲透壓差，還需要開發更高效的納米材料。通常使用油基鉆井液抑制頁巖水化膨脹，但是產生的含油泥餅和廢棄含油鉆屑不利于后續石油開采。為了解決這一難題，Melle等[12]采用功能性納米材料作為油基鉆井液的乳化劑，研制了一種可逆乳化鉆井液，并實施了現場應用。該納米粒子可以形成體系穩定、粒徑均勻的微米級乳液，能夠響應外部條件生成水包油或油包水乳狀液，大大提高了鉆井和完井效率[13-14]。

隨著鉆井工程逐漸向復雜地層發展，往往會遭遇鉆井液漏失、泥漿增稠、井壁失穩等問題。向鉆井液中添加納米粒子，例如納米二氧化硅和納米二氧化鐵，可形成高密低滲、抗污染能力強的泥餅，從而減少鉆井流體損失。

1.2 納米涂層

油田金屬管材長期處于高溫、高壓、旋轉摩擦、酸性氣體、酸性流體等惡劣環境下，通過在金屬管材表面沉積納米粒子，可以減少金屬管材被磨損和腐蝕。現有的納米涂層有：①潤滑涂層，緩解金屬表面磨損；②防垢耐腐涂層，減少設施內表面或外表面的腐蝕和結垢；③自愈合涂層，能夠自我修復表面產生的輕微裂痕[15]。

2 納米粒子在完井作業中的應用

2.1 納米固井水泥漿

深水井施工時，套管與地層之間的空隙要用水泥封固，海水溫度較低，因此控制水泥漿的稠化時間非常重要。一般用來縮短水泥漿凝結的促凝劑是CaCl2，但是CaCl2會增加水泥的滲透率，破壞水泥環氣密完整性。Pang等[16]研究表明，比表面積在60～650 m2/g的納米二氧化硅顆粒在低溫15 ℃條件下加速了水泥水化反應，減少了水泥漿的失水量和稠化時間。水泥漿的氯離子和硫酸鹽離子滲透擴散會導致水泥石產生裂縫，為了減少氯離子和硫酸鹽離子對水泥石結構性的破壞，Bhalero[17]在水泥漿中添加納米纖維素和納米纖維素纖維增加水泥漿的粘度，抑制氯離子和硫酸鹽離子滲透擴散。

自愈性水泥漿：水泥漿被泵入環空后，水泥漿凝固為水泥環，含有聚合物材料的納米膠囊均勻分布在水泥環中。當水泥環出現微裂縫時，納米膠囊感應到裂紋的作用力，膠囊外壁破裂并釋放聚合物材料，裂縫中的聚合物材料與水泥石發生化學反應修補填充微裂紋，從而達到自愈合的功能[18]。

芯片水泥漿：Vipulanandan等[19]提出將納米芯片嵌入水泥漿中，以達到實時固井的目的。利用現有的技術的確可以在水泥中嵌入納米芯片傳感器，并在傳感器中記錄所需數據，但是井內缺乏電源，目前無法實現芯片數據主動上傳。

2.2 納米壓裂液

壓裂液要求在壓裂初期具有較高的粘度，在擴展裂縫中產生高壓力梯度，同時減少壓裂液漏入相鄰地層[20]。但是粘度過高會堵塞裂縫，如果不及時清除壓裂液，將堵塞后續流體、氣體通道。為了解決這一難題，Pu等[21]使用聚合物復合納米粒子調控壓裂液的流變性。在壓裂階段，聚合物分子以網狀結構和樹狀結構附著在功能性納米粒子上，使流體產生高粘度。在去除階段，聚合物分子從納米顆粒中剝離，壓裂液粘度降低，隨井內流體排出井外。

頁巖地層水力壓裂需要大量含化學物質的水，為了減少水的用量，Xue等[22]采用納米二氧化硅顆粒產生CO2泡沫作為壓裂液，實驗結果表明，納米顆粒能夠將CO2泡沫中水的體積分數降低至2%，納米CO2泡沫在流動條件下能產生約100 mPa·s的泡沫表觀粘度。

壓裂液中的支撐劑難免會漏失，為了減少支撐劑顆粒向近井地帶遷移，Huang等[23]研發了一種納米粘彈性裂縫支撐劑。其工作原理是：在粘彈性表面活性劑中加入納米顆粒，通過電荷相互作用和表面吸附，形成了更強的動態膠束網絡。這種更強的網絡抑制膠束破碎，并在高溫條件下保持流體的粘度，從而減少壓裂流體的漏失。當壓裂作業結束后，向壓裂液中摻入破膠劑破壞這種高強度網絡結構，由于納米粒子尺寸較小，很容易隨井內流體回流到地面。

2.3 納米濾膜

納米濾膜是一種相對較新的濾膜工藝，常用于去除多價陽離子和微米尺寸的有機物。普通膠體顆粒采用濾紙、篩網過濾，單價離子采用反滲透薄膜過濾，就過濾材料而言，納米濾膜介于這兩者之間。但是過濾工藝可以交叉使用，納米濾膜通常與反滲透工藝一起用于海水淡化，作為反滲透的預處理步驟[24]。陶瓷納濾膜是一種較新的污水處理材料，由于其優越的機械性能、熱和化學穩定性，已經實現了工業化應用。陶瓷納濾膜能夠在高流量下有效分離油、乳狀液和固相顆粒，但是容易被石蠟和瀝青質堵塞濾膜孔道[25]。

納米濾膜目前主要應用于石油工業的三個不同領域，第一是對油氣藏排出的污水進行處理，去除膠體微粒和有機物，從而使凈化后的水可以重新用于水驅或水力壓裂[26]。第二是從天然氣凝析油中去除瀝青質，大尺寸瀝青質不利于后續石油煉化，使用納米濾膜可低成本去除瀝青質[27]。第三，使用納米濾膜吸附頁巖氣中的H2S和CO2，防止腐蝕性氣體腐蝕基礎構件。

2.4 納米基質酸化液

基質酸化的首要難題是在不損壞井筒構件和地面設備的情況下將酸液運達靶點。為在基質層中開辟高滲透性通道，需要強酸酸化基質層，但在酸液抵達靶點之前，強酸不可避免地會與地面設備和井筒金屬發生反應。為解決這一難題，Chu等[28]利用雙納米粒子研制出一種高效酸化雙乳液基質酸化液，首先使用一種納米粒子生成分散均勻的酸化油乳液，再使用另一種納米粒子生成水包油乳液，只需要少量油就可以制備這種雙乳液，并且能夠保持其穩定性，直至達到預期儲層。地面設施和井筒硬件只與水相接觸，不會與酸發生反應。另一種運輸酸液方法是使用聚合物微膠囊，這項技術最初應用于醫學，使用膠囊將藥物運送人體靶點，現在可以使用微膠囊技術將膠囊的尺寸縮小到亞微米范圍，用于酸液輸送[29]。

3 結論與展望

納米粒子作為鉆完井液添加劑，有助于改善流體的基礎性能以及提高井筒完整性；納米粒子作為穩定劑，可以生成低成本二氧化碳泡沫和低分子量的乳液；納米粒子作為表面涂層，可以提高固體表面的潤滑性和抗腐蝕性；并且附著在納米粒子上的化學物質能夠被回收再利用，保護儲層和井內硬件。

雖然納米技術發展迅速，但是仍然存在許多難題等待攻克。例如納米粒子用于提高采收率，納米粒子用量大、材料昂貴，提采成本高；另一方面納米粒子種類單一，不具有普遍適用性，后續可著手開發低成本、多種類的納米粒子。