頁巖油合成基鉆井液納米封堵劑制備及評價

陳二丁，趙紅香，張海青，邱春陽

(中石化勝利石油工程有限公司 鉆井液技術服務中心，山東 東營 257078)

在頁巖油資源開發過程中，由于頁巖地層巖石非均質性及微裂縫發育，呈低孔隙度、低滲透率的物性特征，在井底壓差、毛細管力、化學勢差等驅動下，鉆井液濾液進入微裂縫后，造成井壁周圍地層孔隙壓力升高，井壁穩定性變差。因此選用適用于微納米級的封堵材料，有效封堵微納米級孔縫，減少液相對地層的損害[1-2]。納米二氧化硅因其綠色環保，價格低廉，且具有優越的化學性能、機械性能、熱力學性能等特點，因而被廣泛運用于各個領域。但是納米二氧化硅因表面自由能較高、表面有多個羥基、親水性強，極易在分散介質中發生團聚，不利于其在有機溶劑中分散，難以發揮納米尺寸優勢，大大限制了其應用范圍[3]。因此，需要對納米二氧化硅進行表面改性，實現納米SiO2由親水轉為親油，提高其在有機溶劑中的穩定分散性能。本文針對頁巖油鉆探中合成基鉆井液封堵微納米孔隙裂縫的技術需求，研制了一種納米材料LNS，并系統考察了LNS材料對鉆井液流變性能、納米孔隙封堵和巖石強度等方面的影響。

1 實驗部分

1.1 主要試劑和儀器

納米二氧化硅，分析純，阿拉丁試劑有限公司；無水乙醇、甲醇和硅烷偶聯劑，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

傅里葉變換紅外光譜儀，美國尼高力公司； JEM-2100UHR型透射電子顯微鏡，日本電子JEOL； Mastersizer3000超高速智能粒度分布儀，英國馬爾文儀器有限公司；ZNN—D6型六速旋轉黏度計，青島海通達儀器有限公司；GGS71-B高溫高壓失水儀，青島海通達儀器有限公司；ZNS-1中壓失水儀，青島海通達儀器有限公司；XGRL-4數顯式滾子加熱爐，青島海通達儀器有限公司；巖石單軸抗壓實驗機，美國GCTS公司。

1.2 納米材料改性原理

納米SiO2具有親水疏油特性，不能在合成基液中有效分散。選用硅烷偶聯劑對其改性，與納米SiO2表面的羥基反應，形成牢固的共價鍵，在SiO2表面嫁接上疏水鏈，實現納米SiO2由親水轉為親油[4-5]，解決納米SiO2材料在合成基鉆井液中的分散性問題。

1.3 制備步驟

R-Si-OH+OH-Si→R-Si-O-Si+H2O

2 結果與討論

2.1 紅外光譜分析

利用傅里葉變換紅外光譜儀測試表征納米材料分子結構，結果如圖1所示。

圖1中，3 439 cm-1處出現了-OH伸縮振動峰，1 628 cm-1處出現了-OH的彎曲振動吸收峰，2 927 cm-1處出現了-CH不對稱伸縮振動峰，1 102 cm-1為Si-O-Si的不對稱收縮振動吸收峰、847 cm-1為Si-O-Si對稱收縮振動吸收峰、472 cm-1為Si-O-Si的彎曲振動吸收峰，說明偶聯劑成功嫁接到納米二氧化硅顆粒表面。

2.2 微觀形態表征

采用JEM-2100UHR型透射電子顯微鏡觀察親油納米二氧化硅微觀形貌，將LNS用乙醇溶解，滴于碳膜型銅網上，待溶劑揮發完后置于透射掃描電鏡中，結果如圖2所示。

制備的親油納米材料LNS聚集程度明顯減緩，顆粒近似呈球形分布，形態規則，粒度均勻。

2.3 粒徑測試

采用馬爾文Mastersizer3000超高速智能粒度分布儀對LNS的粒徑分布進行測試，測試前，將樣品稀釋至濃度為0.05%并超聲分散。測試結果如圖3所示。

從圖3可出，親油納米SiO2粒徑范圍在70～300 nm，平均有效粒徑在157.2 nm。zeta電位平均值-44.60 mV(見表1)，zeta電位絕對值大于30 mV，認為親油納米SiO2分散穩定性良好。

表1 zeta電位值

2.5 親油化度測試

利用親油化度的大小作為評價LNS親油效果的標準，說明納米材料在有機介質中分散程度的好壞。將1 g表面修飾的LNS加入到50 mL去離子水中，然后逐滴加入甲醇。當漂浮于水面上的粉體完全潤濕時，記錄甲醇的加入量V(mL)，則親油化度計算公式[4-5]：

(1)

親油納米SiO2由親水轉變為親油所用的甲醇體積為211.8 mL，計算得出親油化度為80.9%，說明LNS在有機溶劑中分散良好。

將親油納米材料加入到合成基液中攪拌，LNS分散性良好，合成基液呈現透明狀。

3 親油納米材料在合成基鉆井液中的應用

3.1 LNS對合成基鉆井液流變性能影響

配制密度為1.8 g/cm3的合成基鉆井液，分別加入1%～3%的親油納米二氧化硅LNS，測試對鉆井液流變性能的影響[8]，結果見表2。

表2 LNS對合成基鉆井液流變性能評價

從表2可以看出，LNS對鉆井液流變性能、電穩定能影響不明顯，但能吸附在泥餅上，形成納米顆粒隔水層，降低高溫高壓濾失量(見圖4)。在現場施工中納米材料可以起到快速封堵的作用，打開新地層的瞬間進入微孔喉、微裂隙形成封堵內層，阻止濾液進入地層。

3.2 LNS對合成基鉆井液封堵性能影響

采用微孔濾膜方法進行封堵性能評價，選擇不同孔徑的微孔濾膜(22 μm、45 μm)，利用中壓濾失儀測試壓差為0.69 MPa，記錄合成基鉆井液7.5 min時的濾失量[9]，評價納米材料對合成基鉆井液基漿、加2% LNS封堵劑的合成基鉆井液的濾失性能影響，結果見表3和圖5。

表3 不同濾膜封堵濾失實驗結果

通過對比看出，添加納米LNS封堵劑后的合成基鉆井液體系的濾失量明顯降低，濾失量降低>46.7%，說明納米材料顆粒依靠小尺寸效應，能夠封堵微孔濾膜及后續形成的泥餅層。

3.3 LNS合成基鉆井液對巖石強度的影響

取同層相近的頁巖巖樣，分別用水基鉆井液、合成基鉆井液基漿、合成基鉆井液基漿+2% LNS體系模擬侵入巖石傷害實驗。將巖心放入巖心傷害反應容器內，加圍壓到5.5 MPa后，注入鉆井液體系，模擬鉆井液侵入巖石4 h，然后進行單軸抗壓實驗，測試不同鉆井液體系封堵前后對巖石強度的變化影響[10]，評價合成基鉆井液及封堵劑對井壁穩定性的影響，并對比水基鉆井液體系對巖石強度的影響，結果見圖6～圖8。

圖7結果表明，頁巖樣品經水基鉆井液作用后，其單軸抗壓強度由110.5 MPa降低至72.8 MPa，單軸抗壓強度下降幅度較大，強度下降34.1%。圖7結果表明，頁巖樣品經合成基鉆井液基漿作用后，其單軸抗壓強度由110.5 MPa降低至88.6 MPa，單軸抗壓強度下降幅度為19.8%，明顯低于水基鉆井液體系對頁巖強度的影響，比水基鉆井液體系強度提高14.3%。圖8結果表明，頁巖樣品經合成基鉆井液基漿+納米材料LNS作用后，其單軸抗壓強度由110.5 MPa降低至91.0 MPa，單軸抗壓強度下降幅度為17.6%，比合成基鉆井液基漿的強度傷害要小。

由于水基鉆井液容易導致頁巖膨脹,對巖樣強度影響最大，巖石強度下降34.1%。合成基鉆井液對巖樣的傷害主要是由于壓力傳遞導致，傷害率降低到19.8%，其中加入納米封堵劑的合成基鉆井液傷害最小，巖石強度傷害降低到17.6%，與水基鉆井液相比，封堵后的巖石強度提高了25%。

4 結論

通過脫醇縮合反應合成了一種親油納米二氧化硅封堵劑，它將納米顆粒的小尺寸效應、剛性與親油的特性結合在一起，使其在合成基鉆井液有效分散。合成的親油納米二氧化硅，粒徑在70～300 nm，親油值達到80.9%，拓寬了合成基鉆井液封堵劑粒徑范圍，可以有效封堵納米級微孔隙。建議將納米封堵劑與超細碳酸鈣、樹脂類、瀝青類、纖維類等封堵材料復配使用，建立致密封堵技術，有效封堵頁巖地層微納米級微裂縫和孔隙，減少合成基鉆井液在地層中的滲漏。