纳米材料增强页岩气水基钻井液的性能

李冰玉，谭 臻，郭建智

1.中国石油华北油田公司二连分公司，内蒙古 锡林浩特 026000；2.中国石油渤海钻探工程有限公司井下作业分公司，河北 任丘 062552；3.中国石油华北油田公司第一采油厂，河北 任丘 062552

我国页岩气资源极为丰富，从2009 年中国第一口页岩气开发井——威201 井开钻以来，我国的页岩气产量正在稳步增长［1］。2012 年，焦页1HF 井［2］获得高产页岩气流，2018 年我国页岩气产量突破百亿立方米［3］，2022 年国内页岩气产量达到240 亿立方米［4］，比2018 年的产量增加120%。虽然我国页岩气开发规模发展迅速，但是其生产大部分来自中浅层页岩气，深部页岩气资源尚有待开发。

油气田开发的主要成本来源于钻井作业，特别是页岩气井的钻井成本远高于常规的陆地钻井作业。在页岩钻井中，最常见的钻井液体系是油基和合成基钻井液［5］，但这2种钻井液体系成本昂贵、环保性能差。因此，找到一种适用于页岩气井钻井的水基钻井液体系，对于钻井降本增效具有重要意义。从现有的钻井实践来看，水基钻井液虽然具有环保和成本低廉的优点，但是常规的水基钻井液易渗漏至地层，极易造成井壁不稳定等问题［6-7］。所以，强化水基钻井液性能的关键是提高钻井液的滤失性能，常规的钻井液性能强化方法是向钻井液中添加封堵防塌剂。常用的封堵防塌剂如沥青、聚醇等均为微米级，难以进入页岩微孔隙中，无法形成有效封堵［8］。

纳米材料具有粒径小（1～100 nm）的特点［9］，根据封堵架桥理论［10-11］，纳米级颗粒可以进入页岩中的毛细管和微小缝隙，在页岩微处架桥，对纳米裂缝实现有效封堵，从而达到稳定井壁、保护储层和阻止压力传递的目的。虽然纳米材料强化钻井液性能的研究成果较多，但目前还存在体系和加量不明确等问题。因此，本文针对页岩气井水基钻井液性能强化的需要，在分析4 种纳米材料对页岩气水基钻井液封堵能力影响的基础上，通过实验研究优选纳米材料种类和加量，以确定钻井液体系的配方，进一步评价纳米材料对钻井液性能的影响，以期为解决水基钻井液在页岩油气田开发中的井壁失稳问题提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

去离子水，自制；膨润土，山东华潍膨润土有限公司；纯碱（分析纯），湖北双环科技股份有限公司；重晶石（密度4.3 g/cm3），贵州利坤矿业有限公司；黄原胶（XC，分析纯），梅花集团；羧甲基纤维素（CMC-HV，分析纯），常熟威怡科技有限公司。目前，在生产实践中应用的纳米材料种类较多，根据文献［9，12-15］调研的情况，结合现场的应用现状，拟选用以下4 种纳米材料：Al2O3、ZnO、Fe3O4和SiO2（广州宏武材料科技有限公司），这4种纳米材料的基本性能如表1所示，粒径分布如图1所示。

图1 4种纳米材料的粒径分布

表1 4种纳米材料的基本性能

DF101S型集热式磁力搅拌器，上海予华仪器设备有限公司；GRL-BX3 型热滚炉、高温高压滤失仪，青岛恒泰达机电设备有限公司；BSA2201型电子天平，河南信陵仪器设备有限公司；六速旋转黏度计，天津宁赛科技有限公司；Bettersize 2000型激光粒度仪，丹东百特仪器有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 水基钻井液配制

将纳米材料采用超声分散后，加入钻井液体系中，然后评价钻井液的流变性和滤失性，从而优选性能最好的纳米材料。采用较为常用的膨润土体系钻井液作为基本体系，配方为水+4.0%膨润土+0.2%纯碱+0.3% XC+0.5% CMC-HV+2%聚胺抑制剂（UHIB）+3%KCl+200 g重晶石。

1.2.2 实验方法

针对影响钻井液性能的3 个关键参数纳米材料种类、土浆加量以及纳米材料加量进行实验。在配制不同纳米材料、土浆加量及纳米材料加量的钻井液体系后，分别采用六速黏度计、高温高压滤失仪测定钻井液的流变性和滤失性，以此为标准优选纳米材料，确定土浆和纳米材料的加量，同时评价纳米材料强化前后钻井液的性能差异。

2 结果与讨论

2.1 钻井液体系优选

2.1.1 纳米材料优选

以基本体系为空白组，向基本体系中分别加入含量为0.7%的4 种纳米材料，充分搅拌后使用六速旋转黏度计测其流变性，结果如表2所示。

表2 25 ℃条件下5组钻井液的流变性

由表2可知：以4种纳米材料配制的钻井液的黏度和动切力基本相同，其中ZnO组动切力略高。

将5 组实验组分别放入API 失水试验仪中，并放入滤纸，在25 ℃条件下测试5 组钻井液在30 min内的失水量，结果如图2所示。

图2 25 ℃条件下5组钻井液的滤失量

一般来说，30 min内正常的API失水量为10～15 mL。由图2 可知：5 组水基钻井液的失水量均在正常范围内，其中，加入纳米Al2O3组的滤失量最少，结合表1 和图2 的实验数据，纳米材料选择平均粒径为52.1 nm的Al2O3。

2.1.2 膨润土加量优选

膨润土的加量会对钻井液性能产生重要影响，因此在优选钻井液体系时，必须优选膨润土的加量。配制2 组钻井液体系：体系1 的配方为水+0.2% 纯碱+0.3% XC+0.5% CMC-HV+2% UHIB+3% KCl+200 g重晶石；体系2的配方为水+0.2%纯碱+ 0.3% XC+0.5% CMC-HV+2% UHIB+3% KCl+200 g 重晶石+0.7% Al2O3。向2 个钻井液体系中分别添加含量为1.5%、3%、4%和5%的膨润土，测定2 组钻井液体系的流变性和滤失性，具体结果见表3。

表3 25 ℃条件下，8组钻井液的流变性

由表3 可知：随着膨润土加量的增大，钻井液的黏度和动切力均增大，但8 种水基钻井液的黏度和动切力都在正常范围内。

图3～4 为25 ℃条件下测得的8 组钻井液的滤失量。由图3～4可知：8组水基钻井液的滤失量均在正常范围内，其中体系2+3%膨润土的纳米材料钻井液失水量比体系1+3%膨润土钻井液的失水明显减少；而其他纳米材料改性组的失水量与未改性组的相比，失水并未减少。结合实验数据综合分析，膨润土的加量选用3%。

图3 25 ℃条件下体系1中不同膨润土加量钻井液的滤失量

图4 25 ℃条件下体系2中不同膨润土加量钻井液的滤失量

2.1.3 纳米材料加量优选

加入不同量的纳米材料有可能改变钻井液的性能，所以针对纳米Al2O3含量进行细化优选。以上述的膨润土钻井液为基本体系，分别向其中加入0.5%、0.8%、1.2%和1.5%的纳米Al2O3，测定不同纳米材料加量的钻井液流变性和滤失性，结果见表4和图5。

图5 25 ℃条件下不同Al2O3加量钻井液的滤失量

表4 25 ℃条件下不同Al2O3加量钻井液的流变性

由表4 可知：随着纳米材料加量增加，所配制的水基钻井液黏度增大，但动切力变化较小。总体来说，这5 组不同纳米材料加量的钻井液体系的黏度和动切力均满足现场要求。

由图5 可知：5 组水基钻井液均在正常范围内，其中加入0.8%Al2O3实验组相比于其他实验组失水明显减少。因此，纳米Al2O3的含量选用0.8%。

2.2 钻井液性能评价

根据钻井液体系优选的研究，最终选定的纳米材料改性水基钻井液体系为3% 膨润土+0.8%纳米Al2O3+ 水+0.2% 纯碱+0.3%XC+0.5%CMC-HV+2%UHIB+3%KCl+200 g重晶石，对照的常规水基钻井液体系为3% 膨润土+水+0.2%纯碱+0.3%XC+0.5%CMC-HV+2%UHIB+3%KCl+200 g重晶石，分别评价常规水基钻井液和纳米材料改性水基钻井液的流变性、抗温性以及滤失性。

2.2.1 流变性能评价

使用六速旋转黏度计在室温下测试2 个实验组在不同转速下的黏度，结果如表5所示。

表5 纳米材料改性水基钻井液和常规水基钻井液流变性

由表5 可知：加入纳米Al2O3后，钻井液的表观黏度提升了8.8%，塑性黏度提升了18.2%。

2.2.2 抗温性能评价

分别配制500 mL 的2 种类型钻井液，置于120 ℃滚子炉中高温老化16 h 后取出，冷却后使用六速旋转黏度计测试各组钻井液在不同转速下的黏度，运用老化钻井液的黏度来评价其抗温性，结果见表6。

表6 老化后的纳米材料改性水基钻井液和常规水基钻井液流变性

由表6可知：老化后2种钻井液的表观黏度和动切力均略有降低，但塑性黏度未发生明显改变。可见，老化后的钻井液性能仍可满足钻井需求。

2.2.3 滤失性评价

在25 ℃条件下，将2 个实验组分别放入API失水试验仪中，并放入滤纸，测试两组钻井液的API失水量，结果如图6所示。配制500 mL的2个实验组纳米材料水基钻井液，放入滚筒，置于120 ℃滚子炉中高温老化16 h 后取出，冷却后放入API失水试验仪中，并放入滤纸，测试两组钻井液的失水量，结果如图7所示。

图6 25 ℃条件下纳米材料改性水基钻井液和常规水基钻井液的滤失量

图7 老化后纳米材料改性水基钻井液和常规水基钻井液的滤失量

由图6～7可知：老化前后，纳米材料改性水基钻井液的滤失量均小于常规水基钻井液，这表明加入纳米材料可以提高钻井液的滤失性能。

将2 个实验组分别放入高温高压失水仪中，并放入滤纸，在120 ℃、3.5 MPa条件下测试2组钻井液的失水量，结果如图8所示。

图8 高温高压条件下纳米材料改性水基钻井液和常规水基钻井液的滤失量

由图8 可知：纳米材料改性的水基钻井液实验组的高温高压失水量较小，说明加入纳米材料后能够提高钻井液在高温高压条件下的滤失性能。

3 结论

1）结合水基钻井液体系的结构、组成及各项特点，通过纳米材料优选、膨润土加量优选以及纳米材料加量优选，确定了纳米材料改性钻井液体系的配方为3% 膨润土+0.8%纳米 Al2O3+水+0.2%纯碱+0.3%XC+0.5% CMC-HV+2% UHIB+3%KCl+200 g重晶石。

2）对纳米材料改性水基钻井液和常规水基钻井液的性能进行了室内研究，结果表明：添加纳米材料后，钻井液的表观黏度提升了8.8%，塑性黏度提升了18.2%；在120 ℃、3.5 MPa 条件下，其高温高压失水量远小于常规水基钻井液，钻井液的抗温性能和滤失性能有了显著提升。