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纳米封堵剂在钻井液中的应用进展研究

2016-03-22浏览次数:1986   来源:石油机械网
  【石油机械网
 页岩气的开采一直是研究人员的研究重点。页岩的渗透性低,孔隙中富含富粘土基质,极易水化膨胀。此外,钻井液滤液极易沿着页岩微孔微裂缝侵入地层,导致微裂缝传播、扩张,造成井壁的不稳定性 。页岩稳定性的保持是页岩开发的技术难点。结合化学和地质可以很好的解释岩石结构破坏和岩石失稳控制的问题,所以国外针对页岩分散、由裂缝导致的页岩解理、粘土水化等不同页岩井壁稳定问题总结出了相应的应对措施  。由此得出,加强钻井液对微孔微裂缝的封堵是解决页岩井壁失稳的关键措施之一。

     用于封堵的材料的尺寸和浓度是关键因素,既要保证不渗滤,又要能形成薄而韧的泥饼。页岩是所有岩石中孔径最小的类型,纳米级的尺寸使得封堵变得极其困难。常规的封堵剂颗粒尺寸太大,只能解决微米级孔隙问题,不易进入页岩中的漏层,容易堆积在表面,并未深入漏层,达不到封堵的效果。针对页岩微裂缝的封堵,只有纳米级封堵剂才能起到有效作用。

纳米材料及其在钻井液中的作用

     纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料,其微粒尺寸一般为 1~100 nm。纳米微粒因其小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应呈现出特殊性能,使得纳米材料在催化、生物医学、环保、工程、建筑、涂料、光电等方面都有广泛应用。
纳米材料的表面活性极高,容易结合其他原子而稳定,具有很高的化学活性。此外,纳米材料的颗粒达纳米级,粒子分布均匀,易进入页岩微裂缝中,起到填充补强的作用,更好的封堵裂缝,形成致密的封堵层,防止滤液进入页岩。正由于其物理堵塞作用,纳米材料可以改善钻井液的流变性,提高其热稳定性、泥饼致密性和润滑性。因此,纳米材料在钻井液中发挥了重要作用,可以降低滤失量,增强润滑性能,还能提高地层承压能力、稳定井壁、保护储层等。

纳米封堵剂

     2.1 无机纳米封堵剂

     无机纳米封堵剂种类较多,如石墨,氧化锌,碳、铁、钙、硅类纳米颗粒等,来源广泛,效果稳定。杜振霞 等人用树脂和硬脂酸改性架桥粒子纳米CaCO3,改性后平均粒径达20nm,分散性能和润湿性都有提高,封堵效应更好,形成的泥饼厚度小于1mm。Oscar Contreras 和 Charles O.Nwaoji等人把铁基纳米粒子(NP1)和钙基纳米粒子(NP2)应用到油基钻井液中,成功堵塞页岩多孔介质,减少了滤失量,且加入石墨效果更明显。同时证明,纳米颗粒 NP1、NP2 结合石墨还可增加地层承压能力。Yue Gu等人用硅烷偶联剂KH-570和OP-10做双涂层对二氧化钛纳米颗粒进行表面改性,改性后平均直径为 20nm,在水中稳定分散可用作润滑剂。Michael mcdonald研制了一种新型的硅酸钾页岩抑制剂,平均颗粒尺寸为7nm。与传统硅酸钾相比,其具有更多活性,能够很好的聚合沉淀,持久有效地封堵微裂缝,抑制滤液渗流。

     纳米二氧化硅是一种最常用的无机封堵材料,其材料颗粒尺寸小,比表面积大,表面大量羟基使得活性很大。Lujun Li等人认为,纳米颗粒物理堵塞页岩孔隙和裂缝,防止滤液侵入地层的关键是纳米颗粒的尺寸和浓度。M.E.Chenevert研究了不同粒径、浓度的纳米 SiO 2 对页岩孔隙的堵塞效果,结果表明,尺寸为 7~15nm、浓度为 10%的纳米 SiO 2 封堵效果最好。Katherine priceHoelscher、Mukul M.Shar-ma和 T.Sensoy也分别研究了不同浓度 20nm 的纳米 SiO2对页岩孔隙的封堵效果,针对德克萨斯州巴尼特硬页岩、Atoka、马塞勒斯和曼柯斯区域,纳米 SiO2 都能够堵塞适宜自身大小的页岩孔隙,改善滤失,经 Ca、Na、K 等改性后的纳米 SiO2 封堵效果更好。

     2.2 纳米聚合物体系

     纳米聚合物是由可变形的胶体粒子组成,其作用分为两个部分:第一,它在地层井筒表面桥接,可创建一个内部滤饼,也有利于外部泥饼的质量;第二,纳米尺寸和可变形特性使得其可以进入低孔隙喉密封孔隙,并快速形成滤饼。

     L. P. Moroni等人将一种新型聚合物钻井液添加剂纳米级 FSP 添加到油基钻井液中,其尺寸为 200nm,可以封堵裂缝,阻止滤液侵入地层,减少孔隙压力的传播。王绪美等人合成出一种聚合物纳米处理剂 PNP,是粒径为 375 nm 的具有核壳结构的球形纳米材料。该纳米处理剂可使基浆滤失量降低 60%,页岩膨胀率降低 70%,极压润滑系数降低 75% 以上,耐温达220 ℃,对钻井液流变性几乎无影响,与其他处理剂配伍性好,有一剂多能的效果。王建华等人合成了一种用于油基钻井液的纳米聚合物封堵剂,粒径分布在50~300nm 之间,平均粒径为 100nm。该封堵剂具有较好的热稳定性,能够改善泥饼质量,降低滤失量,封堵率高达 100%。

     2.3 纳米乳液体系

     钻井液用纳米乳液是一种具有很好的实际应用价值的纳米封堵剂,其液滴尺寸介于普通乳状液(1~10μm)和微乳液(10~100 nm)之间。白小东等人合成了一种钻井液用纳米胶乳(PMMA),其平均粒径为 73nm,颗粒呈球状,分散均匀。研究表明 PMMA 纳米胶乳具有一定的降粘降失水性能,较强的封堵能力,良好的抑制性、润滑性和高温稳定性。袁丽等人采用物理和化学相结合的方法,研制出了一种平均尺寸为 100nm 的新型纳米乳液 RL-2,此种处理剂不仅和钻井液具有良好配伍性,同时其页岩抑制能力和润滑性良好,油气层保护能力也较强。王佩平和徐恒采用聚磺纳米乳液体系分别应用到胜利油田街 206 井和街207 井中,取得成功。此钻井液体系中,SDJ-2 纳米乳液因其特有的强封堵强隔离作用,可以阻止滤液进入地层,稳定井壁。

     2.4 有机/无机纳米复合材料

     无机纳米粒子是一种不可变形的刚性粒子,通过架桥作用可以实行封堵,但仍然会产生不规则的孔隙。而有机纳米粒子在一定温度下变形变软,可对这些不规则孔隙进行填充,加强封堵,最终阻止滤液进入地层。所以,有机/无机纳米复合材料结合了无机纳米粒子的架桥作用和有机粒子的变形性能,使得封堵更加成功。

     E.Lecolier采用常规堵漏剂和无机/有机纳米复合物凝胶对缝隙进行堵塞,结果发现,常规堵漏剂不能对较大缝隙进行封堵,纳米复合物凝胶可以更好地封堵,能有效降低渗透率,环保,对储层损害小。白小东以 0.1%粒径为65nm的纳米乳液 NM-1 和 1.0%无机纳米材料 NMTO 为主要处理剂优选出了纳米钻井液体系配方,该体系具有较强的隔离层效应,动滤失量在 120 min 后几乎为零,抗温达 180℃,抑制性、抗污染能力和沉降稳定性都很好。苏俊霖以 KH570 改性无机纳米二氧化硅粒子,与聚合物合成了高温无机/有机复合纳米降滤失剂 NFL-1,具有良好的降失水能力,在220℃也能发挥作用。贺明敏以改性纳米 SiO2分别与 2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)、丙烯酰胺(AM)、丙烯酸(AA)和苯乙烯(St)合成了无机/聚合物纳米复合乳液成膜剂 NCJ-1,10%的产品在岩心表面能形成效率为 58.2%的半透膜,200℃滤失量仅为 27mL,效果显著。Jayanth T.Srivatsa以生物聚合物、表面活性剂和纳米 SiO2 微粒为原料合成冻胶,使 API 滤失量降至 7.9 mL。其中浓度为 10wt%、颗粒尺寸为 20nm 的纳米 SiO2 微粒最有效,它可以进入页岩的微孔隙,架桥连接,使井筒强化。

超支化聚合物在纳米材料中的应用

     前面描述的纳米封堵剂来源广,性能稳定,用途大,但由于其粒径小,表面活性大,很容易发生团聚使颗粒尺寸变大,达不到预想的封堵效果。因此,提高纳米材料的分散性,实现纳米级,封堵页岩微孔隙微裂缝成为研究重点。

     超支化聚合物是一类具有立体三维构型的高度支化纳米分子,其“核壳”结构能够以单分子胶束的状态稳定的存在。如Yu等合成了一种含偶氮苯的两亲性超支化聚醚-胺,并将其溶于水中形成超支化聚合物纳米粒子。超支化聚合物的合成采用低浓度,节约用料;在尺寸和稳定性方面都显示出了优势,能控制到数纳米;对核的分子设计空间大;分散能力强。

     此外,通过改性接枝法制备超支化聚合物纳米复合材料得到了研究人员的更多尝试。陈文求等人研究了超支化聚酰亚胺的改性,其与无机纳米杂化材料形成的复合材料中的纳米粒子表现出更均匀更稳定的优异理化性能,受到越来越多的关注。孔浩和赵辉都用超支化聚合物接枝碳纳米管,由此制备的复合材料具有优良溶解性和分散性能,应用前景广泛。

     在纳米二氧化硅上接枝不同超支化聚合物得到了更多研究者的尝试。张菲菲等人研究了超支化聚合物接枝纳米SiO2的进展,超支化聚合物对提高纳米粒子在聚合物中的分散性及其界面结合强度具有优异的效果。Tsubokawa 等报道了在纳米SiO2表面引入偶氮基和乙烯基单体发生接枝聚合反应,将超支化聚合物接枝到纳米SiO2表面。发现纳米 SiO 2 的分散性和相容性显著增加。

     赵辉等以纳米 SiO2 为反应中心核,用超支化聚胺酯对纳米 SiO2 进行了接枝改性。研究得到的接枝纳米 SiO2 颗粒分散均匀,粒径在纳米级范围。Peng Liu用超支化脂肪族聚酯嫁接二氧化硅纳米颗粒制备了复合材料 HAPE-SNs,能在有机溶剂中具有良好分散性能。Xin li等人将超支化聚(2-((溴丁基)氧基)乙基丙烯酸酯)(HPBBEA)接枝到平均尺寸为 100nm、孔径为2nm的介孔二氧化硅纳米颗粒(MSN)的表面,得到的核壳纳米颗粒聚合物的分散性很好。Ying Yu等人将超支化聚芳酰胺嫁接在二氧化硅纳米粒子上,提高了其分散性能、界面交互作用和热稳定性。

     纳米材料由于其尺寸优势可以封堵页岩中微孔微裂缝,使得封堵层致密,能更大程度地减少滤液渗流,稳定井壁,保护储层。超支化聚合物的高度支化结构及纳米体积能够赋予其特殊性能,容易进入页岩微孔隙实行封堵。有理由说,用超支化聚合物制备的纳米封堵剂能够达到良好的封堵效果,为钻井液处理剂的开发提出一个新的思路。

结论

(1)纳米材料因其特殊效应表现出与异于常规材料的性质,使得其在钻井液中起着重要作用,能够解决页岩中的微裂缝的渗滤问题;
(2)传统的纳米封堵材料不是很多,且极易出现团聚现象,使得钻井液性能降低,但经过处理改性后得到的多种纳米封堵剂可以降低滤失量,提高润滑性,保护储层等,具有很高的利用价值;
(3)具有核壳结构的超支化聚合物分散能力强,稳定性高,能达到纳米体积或通过接枝改性纳米材料,这样形成的纳米材料能够进入页岩中微孔微裂缝进行封堵,可能更大程度地减少滤液渗流,稳定井壁,保护储层。

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