纳米粒子在钻完井中的应用现状

田进，何淼，王晓亮

(1.长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100；2.长江大学 非常规油气湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430100)

纳米技术是一种应用范围广、应用前景大的综合型科学技术，其中纳米材料是纳米技术的研究基础。纳米粒子颗粒直径一般在0.1～100 nm间，比常规胶体颗粒小两个数量级，近年来已经在生物医学、精细化工、电子工程、航空航天、国防科技等行业中取得了突破性的进展与应用[1-5]。石油大都储藏在地底深处多孔岩石中，当纳米材料运输到目标地层后，纳米材料的微观形状和几何尺寸不受温度、压力等因素影响，能够在纳米级岩石孔隙中自由流动，从而推动油气开采。基于纳米材料的独特性能，纳米材料应用于钻完井工程也取得了一定成效。石油作为我国的一大重要储备能源，关系到各行各业的发展，因此进一步加强纳米材料在钻完井工程中的研究与发展显得很有必要。

1 纳米粒子在钻井作业中的应用

1.1 纳米钻井液

在页岩地层钻井时，由于页岩孔隙中的盐水离子浓度远高于钻井液水的离子浓度，因此产生了较大的渗透压，导致钻井液中的水份被吸入页岩孔隙中[6-8]。页岩水化膨胀，导致井眼完整性被破坏，需要一系列额外的添加剂抑制页岩水化膨胀，因此页岩钻井液成本普遍偏高。

常规降失水材料对微米级孔隙的岩石有效，但对纳米级孔隙的页岩无效。为了防止水侵入页岩，Sensoy等[9]向钻井液中添加纳米二氧化硅颗粒，成功证明了纳米颗粒能够阻止页岩水化。然而长时间浸泡后，低离子浓度的盐水仍然会向页岩孔隙缓慢渗透[10-11]，为了进一步消除井壁内外渗透压差，还需要开发更高效的纳米材料。通常使用油基钻井液抑制页岩水化膨胀，但是产生的含油泥饼和废弃含油钻屑不利于后续石油开采。为了解决这一难题，Melle等[12]采用功能性纳米材料作为油基钻井液的乳化剂，研制了一种可逆乳化钻井液，并实施了现场应用。该纳米粒子可以形成体系稳定、粒径均匀的微米级乳液，能够响应外部条件生成水包油或油包水乳状液，大大提高了钻井和完井效率[13-14]。

随着钻井工程逐渐向复杂地层发展，往往会遭遇钻井液漏失、泥浆增稠、井壁失稳等问题。向钻井液中添加纳米粒子，例如纳米二氧化硅和纳米二氧化铁，可形成高密低渗、抗污染能力强的泥饼，从而减少钻井流体损失。

1.2 纳米涂层

油田金属管材长期处于高温、高压、旋转摩擦、酸性气体、酸性流体等恶劣环境下，通过在金属管材表面沉积纳米粒子，可以减少金属管材被磨损和腐蚀。现有的纳米涂层有：①润滑涂层，缓解金属表面磨损；②防垢耐腐涂层，减少设施内表面或外表面的腐蚀和结垢；③自愈合涂层，能够自我修复表面产生的轻微裂痕[15]。

2 纳米粒子在完井作业中的应用

2.1 纳米固井水泥浆

深水井施工时，套管与地层之间的空隙要用水泥封固，海水温度较低，因此控制水泥浆的稠化时间非常重要。一般用来缩短水泥浆凝结的促凝剂是CaCl2，但是CaCl2会增加水泥的渗透率，破坏水泥环气密完整性。Pang等[16]研究表明，比表面积在60～650 m2/g的纳米二氧化硅颗粒在低温15 ℃条件下加速了水泥水化反应，减少了水泥浆的失水量和稠化时间。水泥浆的氯离子和硫酸盐离子渗透扩散会导致水泥石产生裂缝，为了减少氯离子和硫酸盐离子对水泥石结构性的破坏，Bhalero[17]在水泥浆中添加纳米纤维素和纳米纤维素纤维增加水泥浆的粘度，抑制氯离子和硫酸盐离子渗透扩散。

自愈性水泥浆：水泥浆被泵入环空后，水泥浆凝固为水泥环，含有聚合物材料的纳米胶囊均匀分布在水泥环中。当水泥环出现微裂缝时，纳米胶囊感应到裂纹的作用力，胶囊外壁破裂并释放聚合物材料，裂缝中的聚合物材料与水泥石发生化学反应修补填充微裂纹，从而达到自愈合的功能[18]。

芯片水泥浆：Vipulanandan等[19]提出将纳米芯片嵌入水泥浆中，以达到实时固井的目的。利用现有的技术的确可以在水泥中嵌入纳米芯片传感器，并在传感器中记录所需数据，但是井内缺乏电源，目前无法实现芯片数据主动上传。

2.2 纳米压裂液

压裂液要求在压裂初期具有较高的粘度，在扩展裂缝中产生高压力梯度，同时减少压裂液漏入相邻地层[20]。但是粘度过高会堵塞裂缝，如果不及时清除压裂液，将堵塞后续流体、气体通道。为了解决这一难题，Pu等[21]使用聚合物复合纳米粒子调控压裂液的流变性。在压裂阶段，聚合物分子以网状结构和树状结构附着在功能性纳米粒子上，使流体产生高粘度。在去除阶段，聚合物分子从纳米颗粒中剥离，压裂液粘度降低，随井内流体排出井外。

页岩地层水力压裂需要大量含化学物质的水，为了减少水的用量，Xue等[22]采用纳米二氧化硅颗粒产生CO2泡沫作为压裂液，实验结果表明，纳米颗粒能够将CO2泡沫中水的体积分数降低至2%，纳米CO2泡沫在流动条件下能产生约100 mPa·s的泡沫表观粘度。

压裂液中的支撑剂难免会漏失，为了减少支撑剂颗粒向近井地带迁移，Huang等[23]研发了一种纳米粘弹性裂缝支撑剂。其工作原理是：在粘弹性表面活性剂中加入纳米颗粒，通过电荷相互作用和表面吸附，形成了更强的动态胶束网络。这种更强的网络抑制胶束破碎，并在高温条件下保持流体的粘度，从而减少压裂流体的漏失。当压裂作业结束后，向压裂液中掺入破胶剂破坏这种高强度网络结构，由于纳米粒子尺寸较小，很容易随井内流体回流到地面。

2.3 纳米滤膜

纳米滤膜是一种相对较新的滤膜工艺，常用于去除多价阳离子和微米尺寸的有机物。普通胶体颗粒采用滤纸、筛网过滤，单价离子采用反渗透薄膜过滤，就过滤材料而言，纳米滤膜介于这两者之间。但是过滤工艺可以交叉使用，纳米滤膜通常与反渗透工艺一起用于海水淡化，作为反渗透的预处理步骤[24]。陶瓷纳滤膜是一种较新的污水处理材料，由于其优越的机械性能、热和化学稳定性，已经实现了工业化应用。陶瓷纳滤膜能够在高流量下有效分离油、乳状液和固相颗粒，但是容易被石蜡和沥青质堵塞滤膜孔道[25]。

纳米滤膜目前主要应用于石油工业的三个不同领域，第一是对油气藏排出的污水进行处理，去除胶体微粒和有机物，从而使净化后的水可以重新用于水驱或水力压裂[26]。第二是从天然气凝析油中去除沥青质，大尺寸沥青质不利于后续石油炼化，使用纳米滤膜可低成本去除沥青质[27]。第三，使用纳米滤膜吸附页岩气中的H2S和CO2，防止腐蚀性气体腐蚀基础构件。

2.4 纳米基质酸化液

基质酸化的首要难题是在不损坏井筒构件和地面设备的情况下将酸液运达靶点。为在基质层中开辟高渗透性通道，需要强酸酸化基质层，但在酸液抵达靶点之前，强酸不可避免地会与地面设备和井筒金属发生反应。为解决这一难题，Chu等[28]利用双纳米粒子研制出一种高效酸化双乳液基质酸化液，首先使用一种纳米粒子生成分散均匀的酸化油乳液，再使用另一种纳米粒子生成水包油乳液，只需要少量油就可以制备这种双乳液，并且能够保持其稳定性，直至达到预期储层。地面设施和井筒硬件只与水相接触，不会与酸发生反应。另一种运输酸液方法是使用聚合物微胶囊，这项技术最初应用于医学，使用胶囊将药物运送人体靶点，现在可以使用微胶囊技术将胶囊的尺寸缩小到亚微米范围，用于酸液输送[29]。

3 结论与展望

纳米粒子作为钻完井液添加剂，有助于改善流体的基础性能以及提高井筒完整性；纳米粒子作为稳定剂，可以生成低成本二氧化碳泡沫和低分子量的乳液；纳米粒子作为表面涂层，可以提高固体表面的润滑性和抗腐蚀性；并且附着在纳米粒子上的化学物质能够被回收再利用，保护储层和井内硬件。

虽然纳米技术发展迅速，但是仍然存在许多难题等待攻克。例如纳米粒子用于提高采收率，纳米粒子用量大、材料昂贵，提采成本高；另一方面纳米粒子种类单一，不具有普遍适用性，后续可着手开发低成本、多种类的纳米粒子。