有機/無機復合納米水基鉆井液體系研究

白小東 蒲曉林

(西南石油大學材料科學與工程學院,四川成都 610500)

?固井與泥漿?

有機/無機復合納米水基鉆井液體系研究

白小東 蒲曉林

(西南石油大學材料科學與工程學院,四川成都 610500)

利用有機和無機納米粒子作為功能處理劑(架橋、封堵),結合常規聚合物處理劑組成了有機/無機復合納米水基鉆井液體系,評價了該鉆井液體系的隔離層效應、抗溫性、抑制性、抗污染能力和沉降穩定性。評價結果表明:有機/無機復合納米水基鉆井液體系具有較強的隔離層效應,120 min后動濾失量幾乎為零;抗溫達到180℃;具有較強的抑制泥頁巖水化膨脹的能力,頁巖在納米水基鉆井液中的線膨脹率僅為17.92%,滾動回收率為95.00%;抗鹽和鉆屑污染能力強,抗NaCl和CaCl2可達15%和7%,抗鉆屑污染可達15%;沉降穩定性好,能滿足現場施工要求。

納米級材料;水基鉆井液;鉆井液性能;抗鹽特性

1 概 述

水分子的直徑約為0.4 nm,鉆井液中的黏土顆粒粒徑多數在懸浮體范圍(0.1～2.0μm)內,而泥頁巖是所有地層巖石中孔徑最小的巖石類型,其孔徑分布在0.001～0.010μm,因此,對于井壁巖石的最后一級封堵材料,其顆粒尺寸必須處于納米級,而且加入的納米材料必須同時有剛性粒子和可變形粒子。有機/無機復合納米水基鉆井液體系中,無機納米粒子是一種具有不變形特點的剛性粒子,剛性粒子對處于納米級的孔隙進行架橋;有機納米粒子是一種在一定溫度下具有變形變軟功能的可變形粒子,可變形粒子對剛性粒子架橋形成的不規則孔隙進行變形填充,最終形成完全阻止水進入地層的隔離層,起穩定井壁和保護儲層的作用。根據剛性粒子緊密堆積理論,再小的剛性粒子相互堆積仍然會存在剩余空間,因此,要求最后一級封堵粒子必須是具有變形變軟功能的封堵材料(有機納米粒子),而單獨使用有機納米粒子又無法實現架橋作用,因為其變形變軟的特點使其容易向地層孔隙中滲濾,找不到支撐點,所以有機、無機納米處理劑必須同時存在。

從國內外文獻[1-8]可知,人們努力研制出了一些納米材料,并將其應用于水基鉆井液中,并取得了不錯的效果。筆者在此優選出了一種有機/無機復合納米水基鉆井液體系,并對其性能進行了評價,以期為現場應用納米水基鉆井液提供室內試驗支持。

2 納米鉆井液基本配方

以納米膠乳NM-1、無機納米材料NMTO為主要處理劑,以4.0%鈉膨潤土+0.3%KHPAN+ 3.0%SMP-Ⅱ+1.5%SPNH+1.0%SMC+2.0% XY-27為基漿,通過優選NM-1和NMTO的加量來優選有機/無機復合納米水基鉆井液配方。表1為優選NM-1和NMTO加量的試驗數據。

表1 NM-1與NMTO的復配效果

從表1可看出,納米乳液NM-1具有一定的降濾失性能,而NMTO加量較少時能降低API濾失量,加量超過3.0%時,API濾失量增大,但兩者都具有不明顯的增黏效果。因此,確定NM-1和NMTO的加量分別為0.1%和1.0%,從而優選出納米水基鉆井液體系配方為:4.0%鈉膨潤土+0.3%NM-1+1.0% NMTO+0.3%KHPAN+3.0%S MP-Ⅱ+1.5% SPNH+1.0%SMC+2.0%XY-27。

3 性能評價

3.1 隔離層效果評價

測定納米水基鉆井液的高溫高壓動濾失量,其結果如圖1所示。利用電鏡掃描測動濾失用的隔離膜,觀察其微觀結構,結果見圖2。

圖1 納米水基鉆井液高溫高壓動濾失量隨時間的變化趨勢

圖2 隔離膜內部微觀結構

從圖1可看出,納米水基鉆井液動濾失量在90 min后隨時間的延長增量幾乎為零。而120 min后將鉆井液倒出,換成清水,濾失量幾乎為零,這表明水基納米鉆井液具有隔離層效應。由圖2可以看出,納米水基鉆井液所形成的泥餅非常致密,膠?；ハ嗾澈显谝黄?起到了防止泥頁巖坍塌和保護儲層的作用。

3.2 抗高溫性能

將納米水基鉆井液在100、120、150、180和200℃溫度下熱滾16 h,測定納米水基鉆井液老化前后流變性及濾失量的變化,結果見表2。

表2 納米水基鉆井液抗高溫性能

從表2可看出:隨老化溫度的升高,總的規律是納米水基鉆井液的黏度和動切力都有所下降,API濾失量和泥餅厚度增大;當老化溫度低于180℃時鉆井液流變性和濾失造壁性比較穩定,變化幅度不大;當老化溫度高于180℃后,隨著溫度的升高, API濾失量劇增,黏度大幅度下降,其性能較差。從機理上分析,納米乳液NM-1本身是一種熱力學穩定體系,其抗溫能力在250℃以上,聚磺處理劑的抗溫能力也較強,但由于在高溫下分散劑失去了作用,作為堵劑的無機納米粉體NMTO發生了解吸附作用,部分無機納米粉體NMTO發生了團聚,導致API濾失量增大。

3.3 抑制性能

3.3.1 抑制膨脹試驗

采用NP-01型頁巖膨脹儀測試頁巖在清水、納米水基鉆井液、硅酸鹽鉆井液和聚合物鉆井液中的線性膨脹率,結果見表3。

表3 頁巖在清水和不同鉆井液中的線性膨脹率 %

從表3可看出,頁巖在清水中16 h的線性膨脹率為36.29%,而在納米水基鉆井液中僅為17.92%,幾乎降低了1/2,可見,納米水基鉆井液具有較強的抑制泥頁巖水化膨脹的能力。

3.3.2 頁巖滾動回收試驗

滾動回收率是表征鉆井液體系抑制泥頁巖分散能力的重要指標,為此,筆者將鉆屑加入到清水、納米水基鉆井液、硅酸鹽鉆井液和聚合物鉆井液中進行了滾動回收試驗,結果是鉆屑在它們中的滾動回收率分別為30.0%、95.0%、80.6%和76.4%。由此可看出,納米水基鉆井液具有很強的抑制泥頁巖鉆屑水化分散的能力,與抑制膨脹試驗得出的結論一致。

由以上試驗結果可看出納米水基鉆井液體系具有較強的抑制性。分析其抑制機理為:由于納米膠乳呈電中性或者正電性,當納米乳液和黏土接觸時,陽離子表面活性劑起活性作用的陽離子和非離子表面活性劑的親水基團均可吸附在黏土表面,這樣可以中和黏土表面的負電性,并可排斥具有較厚水化膜的層間陽離子,而且這種吸附可使黏土表面的親水親油性發生改變,有時甚至反轉為親油表面,再加上納米水基鉆井液中分散能力極強的兩性離子聚合物XY-27的分散作用,使納米水基鉆井液具有更強的抑制性。

3.4 抗污染性能

3.4.1 抗鹽性能

在納米水基鉆井液體系中加入不同質量分數的鹽(NaCl、CaCl2和MgCl2),測定其在120℃溫度下熱滾后的流變性及濾失量的變化,結果見表4。

表4 納米水基鉆井液的抗鹽性能

從表4可看出,在納米水基鉆井液體系中加入一定量的鹽后,其表觀黏度、塑性黏度及動切力均降低,濾失量增大,泥餅變厚。其中,NaCl質量分數超過15.0%,CaCl2質量分數超過7.0%,MgCl2質量分數超過2.5%后,納米水基鉆井液性能變差。這是因為納米膠乳NM-1和無機納米粉體NMTO主要是靠空間位阻和雙電層斥力起穩定作用,加入無機電解質后產生同離子效應,壓縮雙電層,當同離子效應大于空間位阻和雙電層斥力作用時,納米顆粒絮凝成團,具體表現為濾失量增大,黏度和動切力降低。

3.4.2 抗鉆屑污染性能

在納米水基鉆井液中加入5%、10%、15%和20%的鉆屑后,測定其在120℃溫度下熱滾后的性能變化,結果見表5。

表5 納米水基鉆井液的抗鉆屑污染性能

從表5可看出,在納米水基鉆井液中加入15%的鉆屑后,其流變性及API濾失量變化不大,一旦超過20%,其性能變差,說明該鉆井液具有較強的抗鉆屑污染性能。

3.5 沉降穩定性評價

采用近紅外液體穩定性分析儀對納米水基鉆井液體系進行了24 h近紅外掃描,結果見圖3。從圖3可看出,反射光透過率的波動范圍在2%以內,能滿足鉆井液沉降穩定性要求,適合現場鉆井需要。

4 結 論

1)優選出了有機/無機復合納米水基鉆井液體系的基本配方:4.0%鈉膨潤土+0.3%NM-1+ 1.0%NMTO+0.3%KHPAN+3.0%SMP-Ⅱ+ 1.5%SPNH+1.0%SMC+2.0%XY-27。

圖3 水基納米鉆井液體系24 h近紅外掃描結果

2)有機/無機復合納米水基鉆井液體系具有較強的隔離層效應,動濾失量在120 min后幾乎為零,抗溫達到180℃。

3)有機/無機復合納米水基鉆井液具有較強的抑制泥頁巖水化膨脹的能力,頁巖16 h線膨脹率僅為17.92%,滾動回收率為95%。

4)有機/無機復合納米水基鉆井液抗鹽和鉆屑污染能力強,抗NaCl、CaCl2和鉆屑污染分別可達15%、7%和15%。

5)有機/無機復合納米水基鉆井沉降穩定性好,能滿足現場施工要求。

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[審稿 鄢捷年]

Study of Organic/Inorganic Composite Nano-Sized Water-Based Drilling Fluids

Bai Xiaodong Pu Xiaolin
(College of Materialand Engineering,SouthwestPetroleum University,Chengdu,Sichuan, 610500,China)

U sing organic nano-latex and inorganic particles as bridging and block agents along with the polymer additives,the organic/inorganic composite nanometer water-based mud system was developed.The isolation layer efficiency,temperature resistance,inhibitive ability,pollution resistance and sedimentation stability were evaluated.The investigation indicates that this mud system has higher isolation layer efficiency with zero filtration loss after 120 min.It is effective up to 180 ℃.The system has strong shale inhibitive ability with swell rate of 17.92%and the recovery rate of 95%.It has strong salt and bit cuttings resistance up to 15%NaCl,7%CaCl2and 15%bit cuttings.At last,the sedimentation stability of the system is good and meets requirements of in-situ drilling operations.

nanomaterials;water base drilling fluid;drilling fluid property;salt tolerant property

book=2010,ebook=125

TE254+.3

A

1001-0890(2010)02-0047-04

2009-04-02;改回日期:2010-01-28

國家自然科學基金項目“基于鉆井液-井壁界面的膜形成技術與膜傳遞過程研究”(編號:50774065)資助

白小東(1980—),男,四川南充人,2002年畢業于西南石油學院應用化學專業,2004年獲西南石油學院應用化學專業碩士學位,2007年獲西南石油大學油氣井工程專業博士學位,講師,主要從事油氣田材料方面的教學與科研工作。

聯系方式:(028)83032299,xiaodongb2003@yahoo.com.cn