納米材料增強頁巖氣水基鉆井液的性能

李冰玉，譚 臻，郭建智

1.中國石油華北油田公司二連分公司，內蒙古 錫林浩特 026000；2.中國石油渤海鉆探工程有限公司井下作業分公司，河北 任丘 062552；3.中國石油華北油田公司第一采油廠，河北 任丘 062552

我國頁巖氣資源極為豐富，從2009 年中國第一口頁巖氣開發井——威201 井開鉆以來，我國的頁巖氣產量正在穩步增長［1］。2012 年，焦頁1HF 井［2］獲得高產頁巖氣流，2018 年我國頁巖氣產量突破百億立方米［3］，2022 年國內頁巖氣產量達到240 億立方米［4］，比2018 年的產量增加120%。雖然我國頁巖氣開發規模發展迅速，但是其生產大部分來自中淺層頁巖氣，深部頁巖氣資源尚有待開發。

油氣田開發的主要成本來源于鉆井作業，特別是頁巖氣井的鉆井成本遠高于常規的陸地鉆井作業。在頁巖鉆井中，最常見的鉆井液體系是油基和合成基鉆井液［5］，但這2種鉆井液體系成本昂貴、環保性能差。因此，找到一種適用于頁巖氣井鉆井的水基鉆井液體系，對于鉆井降本增效具有重要意義。從現有的鉆井實踐來看，水基鉆井液雖然具有環保和成本低廉的優點，但是常規的水基鉆井液易滲漏至地層，極易造成井壁不穩定等問題［6-7］。所以，強化水基鉆井液性能的關鍵是提高鉆井液的濾失性能，常規的鉆井液性能強化方法是向鉆井液中添加封堵防塌劑。常用的封堵防塌劑如瀝青、聚醇等均為微米級，難以進入頁巖微孔隙中，無法形成有效封堵［8］。

納米材料具有粒徑?。?～100 nm）的特點［9］，根據封堵架橋理論［10-11］，納米級顆粒可以進入頁巖中的毛細管和微小縫隙，在頁巖微處架橋，對納米裂縫實現有效封堵，從而達到穩定井壁、保護儲層和阻止壓力傳遞的目的。雖然納米材料強化鉆井液性能的研究成果較多，但目前還存在體系和加量不明確等問題。因此，本文針對頁巖氣井水基鉆井液性能強化的需要，在分析4 種納米材料對頁巖氣水基鉆井液封堵能力影響的基礎上，通過實驗研究優選納米材料種類和加量，以確定鉆井液體系的配方，進一步評價納米材料對鉆井液性能的影響，以期為解決水基鉆井液在頁巖油氣田開發中的井壁失穩問題提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

去離子水，自制；膨潤土，山東華濰膨潤土有限公司；純堿（分析純），湖北雙環科技股份有限公司；重晶石（密度4.3 g/cm3），貴州利坤礦業有限公司；黃原膠（XC，分析純），梅花集團；羧甲基纖維素（CMC-HV，分析純），常熟威怡科技有限公司。目前，在生產實踐中應用的納米材料種類較多，根據文獻［9，12-15］調研的情況，結合現場的應用現狀，擬選用以下4 種納米材料：Al2O3、ZnO、Fe3O4和SiO2（廣州宏武材料科技有限公司），這4種納米材料的基本性能如表1所示，粒徑分布如圖1所示。

圖1 4種納米材料的粒徑分布

表1 4種納米材料的基本性能

DF101S型集熱式磁力攪拌器，上海予華儀器設備有限公司；GRL-BX3 型熱滾爐、高溫高壓濾失儀，青島恒泰達機電設備有限公司；BSA2201型電子天平，河南信陵儀器設備有限公司；六速旋轉黏度計，天津寧賽科技有限公司；Bettersize 2000型激光粒度儀，丹東百特儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 水基鉆井液配制

將納米材料采用超聲分散后，加入鉆井液體系中，然后評價鉆井液的流變性和濾失性，從而優選性能最好的納米材料。采用較為常用的膨潤土體系鉆井液作為基本體系，配方為水+4.0%膨潤土+0.2%純堿+0.3% XC+0.5% CMC-HV+2%聚胺抑制劑（UHIB）+3%KCl+200 g重晶石。

1.2.2 實驗方法

針對影響鉆井液性能的3 個關鍵參數納米材料種類、土漿加量以及納米材料加量進行實驗。在配制不同納米材料、土漿加量及納米材料加量的鉆井液體系后，分別采用六速黏度計、高溫高壓濾失儀測定鉆井液的流變性和濾失性，以此為標準優選納米材料，確定土漿和納米材料的加量，同時評價納米材料強化前后鉆井液的性能差異。

2 結果與討論

2.1 鉆井液體系優選

2.1.1 納米材料優選

以基本體系為空白組，向基本體系中分別加入含量為0.7%的4 種納米材料，充分攪拌后使用六速旋轉黏度計測其流變性，結果如表2所示。

表2 25 ℃條件下5組鉆井液的流變性

由表2可知：以4種納米材料配制的鉆井液的黏度和動切力基本相同，其中ZnO組動切力略高。

將5 組實驗組分別放入API 失水試驗儀中，并放入濾紙，在25 ℃條件下測試5 組鉆井液在30 min內的失水量，結果如圖2所示。

圖2 25 ℃條件下5組鉆井液的濾失量

一般來說，30 min內正常的API失水量為10～15 mL。由圖2 可知：5 組水基鉆井液的失水量均在正常范圍內，其中，加入納米Al2O3組的濾失量最少，結合表1 和圖2 的實驗數據，納米材料選擇平均粒徑為52.1 nm的Al2O3。

2.1.2 膨潤土加量優選

膨潤土的加量會對鉆井液性能產生重要影響，因此在優選鉆井液體系時，必須優選膨潤土的加量。配制2 組鉆井液體系：體系1 的配方為水+0.2% 純堿+0.3% XC+0.5% CMC-HV+2% UHIB+3% KCl+200 g重晶石；體系2的配方為水+0.2%純堿+ 0.3% XC+0.5% CMC-HV+2% UHIB+3% KCl+200 g 重晶石+0.7% Al2O3。向2 個鉆井液體系中分別添加含量為1.5%、3%、4%和5%的膨潤土，測定2 組鉆井液體系的流變性和濾失性，具體結果見表3。

表3 25 ℃條件下，8組鉆井液的流變性

由表3 可知：隨著膨潤土加量的增大，鉆井液的黏度和動切力均增大，但8 種水基鉆井液的黏度和動切力都在正常范圍內。

圖3～4 為25 ℃條件下測得的8 組鉆井液的濾失量。由圖3～4可知：8組水基鉆井液的濾失量均在正常范圍內，其中體系2+3%膨潤土的納米材料鉆井液失水量比體系1+3%膨潤土鉆井液的失水明顯減少；而其他納米材料改性組的失水量與未改性組的相比，失水并未減少。結合實驗數據綜合分析，膨潤土的加量選用3%。

圖3 25 ℃條件下體系1中不同膨潤土加量鉆井液的濾失量

圖4 25 ℃條件下體系2中不同膨潤土加量鉆井液的濾失量

2.1.3 納米材料加量優選

加入不同量的納米材料有可能改變鉆井液的性能，所以針對納米Al2O3含量進行細化優選。以上述的膨潤土鉆井液為基本體系，分別向其中加入0.5%、0.8%、1.2%和1.5%的納米Al2O3，測定不同納米材料加量的鉆井液流變性和濾失性，結果見表4和圖5。

圖5 25 ℃條件下不同Al2O3加量鉆井液的濾失量

表4 25 ℃條件下不同Al2O3加量鉆井液的流變性

由表4 可知：隨著納米材料加量增加，所配制的水基鉆井液黏度增大，但動切力變化較小。總體來說，這5 組不同納米材料加量的鉆井液體系的黏度和動切力均滿足現場要求。

由圖5 可知：5 組水基鉆井液均在正常范圍內，其中加入0.8%Al2O3實驗組相比于其他實驗組失水明顯減少。因此，納米Al2O3的含量選用0.8%。

2.2 鉆井液性能評價

根據鉆井液體系優選的研究，最終選定的納米材料改性水基鉆井液體系為3% 膨潤土+0.8%納米Al2O3+ 水+0.2% 純堿+0.3%XC+0.5%CMC-HV+2%UHIB+3%KCl+200 g重晶石，對照的常規水基鉆井液體系為3% 膨潤土+水+0.2%純堿+0.3%XC+0.5%CMC-HV+2%UHIB+3%KCl+200 g重晶石，分別評價常規水基鉆井液和納米材料改性水基鉆井液的流變性、抗溫性以及濾失性。

2.2.1 流變性能評價

使用六速旋轉黏度計在室溫下測試2 個實驗組在不同轉速下的黏度，結果如表5所示。

表5 納米材料改性水基鉆井液和常規水基鉆井液流變性

由表5 可知：加入納米Al2O3后，鉆井液的表觀黏度提升了8.8%，塑性黏度提升了18.2%。

2.2.2 抗溫性能評價

分別配制500 mL 的2 種類型鉆井液，置于120 ℃滾子爐中高溫老化16 h 后取出，冷卻后使用六速旋轉黏度計測試各組鉆井液在不同轉速下的黏度，運用老化鉆井液的黏度來評價其抗溫性，結果見表6。

表6 老化后的納米材料改性水基鉆井液和常規水基鉆井液流變性

由表6可知：老化后2種鉆井液的表觀黏度和動切力均略有降低，但塑性黏度未發生明顯改變?？梢?，老化后的鉆井液性能仍可滿足鉆井需求。

2.2.3 濾失性評價

在25 ℃條件下，將2 個實驗組分別放入API失水試驗儀中，并放入濾紙，測試兩組鉆井液的API失水量，結果如圖6所示。配制500 mL的2個實驗組納米材料水基鉆井液，放入滾筒，置于120 ℃滾子爐中高溫老化16 h 后取出，冷卻后放入API失水試驗儀中，并放入濾紙，測試兩組鉆井液的失水量，結果如圖7所示。

圖6 25 ℃條件下納米材料改性水基鉆井液和常規水基鉆井液的濾失量

圖7 老化后納米材料改性水基鉆井液和常規水基鉆井液的濾失量

由圖6～7可知：老化前后，納米材料改性水基鉆井液的濾失量均小于常規水基鉆井液，這表明加入納米材料可以提高鉆井液的濾失性能。

將2 個實驗組分別放入高溫高壓失水儀中，并放入濾紙，在120 ℃、3.5 MPa條件下測試2組鉆井液的失水量，結果如圖8所示。

圖8 高溫高壓條件下納米材料改性水基鉆井液和常規水基鉆井液的濾失量

由圖8 可知：納米材料改性的水基鉆井液實驗組的高溫高壓失水量較小，說明加入納米材料后能夠提高鉆井液在高溫高壓條件下的濾失性能。

3 結論

1）結合水基鉆井液體系的結構、組成及各項特點，通過納米材料優選、膨潤土加量優選以及納米材料加量優選，確定了納米材料改性鉆井液體系的配方為3% 膨潤土+0.8%納米 Al2O3+水+0.2%純堿+0.3%XC+0.5% CMC-HV+2% UHIB+3%KCl+200 g重晶石。

2）對納米材料改性水基鉆井液和常規水基鉆井液的性能進行了室內研究，結果表明：添加納米材料后，鉆井液的表觀黏度提升了8.8%，塑性黏度提升了18.2%；在120 ℃、3.5 MPa 條件下，其高溫高壓失水量遠小于常規水基鉆井液，鉆井液的抗溫性能和濾失性能有了顯著提升。