纳米技术在钻井液中的应用现状.doc

纳米技术在钻井液中的应用现状2007年第10期内蒙古石油化工11纳米技术在钻井液中的应用现状王童,王平全(西南石油大学,成都610500)摘要:本文主要综述了纳米材料的特性以及纳米技术与胶体科技的区别,探讨了国内纳米技术在钻井液中的应用,并指出了纳米技术在钻井液应用中存在的问题和发展方向.关键词:钻井液;纳米技术;应用纳米技术是指在纳米尺度范围内,研究电子,原子和分子的内在规律和特征,并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术;纳米材料是指晶粒或颗粒尺寸在1100nm范围内的超细材料,纳米材料是纳米技术发展的重要基础,也是纳米技术最重要的研究对象纳米技术具有旺盛的生命力,已经渗透到各个技术领域,但在钻井液技术领域实际应用还很少.因此有必要对纳米技术进行进一步了解,分析探讨纳米技术在钻井液领域中的应用并对发展方向提出建议.1纳米技术的总体认识,1.1纳米技术与纳米材料纳米技术是20世纪80年代末诞生并崛起的高新科技,它的基本涵义是指在纳米尺寸范围内研究物质的组成,通过直接操纵和安排原子,分子而创造新物质.同时纳米技术又是一门以许多现代科学技术为基础的科学技术,是现代科学和现代技术结合的产物,其内容十分广泛.目前,在中国主要是材料(学)方面,纳米材料是纳米技术发展的重要基础,也是纳米技术最重要的研究对象.纳米材料是指晶粒或颗粒尺寸在1100nm数量级的超细材料.常规材料的晶粒或颗粒尺寸在10lO00gm的数量级,微米材料晶粒或颗粒尺寸在1m的数量级,亚微米材料的晶粒或颗粒尺寸在100nm的数量级,严格意义的纳米材料的晶粒或颗粒尺寸在110nm的数量级,而广义的纳米材料则包括了亚微米材料.纳米材料可分为纳米颗粒材料,纳米晶粒材料,纳米复合材料.而按纳米结构被约束的空间维数,可将纳米材料分为:零维的纳米颗粒材料,即粒径不大于2nm的纳米粒子,亦称原子簇(团);一维纤维纳米材料,两个方向的尺寸为纳米尺度,长度显着大于直径,如碳纳米管;二维层状纳米材料,仅厚度方向为纳米尺度,长度和宽度尺寸显着大于厚度,亦称膜材料;三维纳米材料,三维方向上的尺寸都在纳米尺度,如等轴微晶.纳米材料的表面原子数与总原子数之比随晶粒或颗粒尺寸的变小而急剧增大引起的性质上的变化.随粒子线尺寸的减小,其比表面积会显着增大,收稿日期:2oo7一o414作者简介:王童,西南石油大学研究生院,油气井工程专业.表面原子所占的百分数会显着增加,这将使其表面原子配位数严重失衡且具有非常高的表面能,由此使纳米材料具有非常高的化学活性,易于通过与外界原子结合而获得稳定.1.2纳米技术与胶体科技的区别1.2.1研究对象不同胶体是指一种或多种物质以一定的粒度分散在另一种物质中形成的多相分散体系,其分散颗粒的尺寸在1100nm范围内.胶体是物质的一种存在状态,而不是一种物质名称.虽然广义的纳米粉体材料和胶体颗粒尺寸都在1100nm范围,但两者有本质的区别.胶体科技的研究对象是宏观的胶体分散体系或称为纳米微粒分散体系,而不是胶体颗粒本身.纳米技术的主要研究对象是纳米材料本身及其由此导致的宏观特征,但更侧重于微观本质.1.2.2研究任务不同胶体科技主要揭示胶体分散体系的规律,侧重于体系的表观行为,与组成胶体体系的材料性质关系不大.纳米技术主要揭示纳米材料本身特有的规律,主要任务是创造新物质和新材料.1.2.3研究手段不同胶体科技研究的手段主要是采用宏观的方法,不需要先进的精密仪器;而纳米技术的研究则必须借助特别精密的仪器,如扫描隧道显微镜和原子力显微镜等.正是由于需要的研究手段不同,导致了纳米技术的诞生比胶体科技晚100多年.2纳米技术在钻井液中的应用钻井液是紧紧围绕着粘土颗粒的利用和抑制而发展的.在钻井液中加入各种处理剂,是为了改变粘土性质,使其保持合适的颗粒状态,保持钻井液合理的流变性,造壁性,润滑性和抑制性.由于粘土在钻井液中的分散过程,颗粒表面聚集了大量的负电荷,负电性钻井液处理剂的加入,进一步加剧了粘土的分散,导致颗粒比表面的增大.充分水化的钻井液中分散的粘土颗粒直径为0.O05-2gm,具有较大的比表面和较高的负电性,要将钻井液的负电荷进一步降低,就需要开发出一种呈正电性,颗粒粒径极小,比表面积极大的钻井液处理剂,这就是正电性纳米12内蒙古石油化工2007年第1O期处理剂.正电性纳米处理剂加入钻井液中后,不仅能中和粘土表面的负电荷,更重要的是能进入粘土晶格内,压缩双电层,固结粘土颗粒,防止粘土的水化分散,从而使钻井液具有更优良的抑制能力,稳定井眼能力和更好的油层保护能力.纳米技术在钻井液中的应用,可有望出现一种具有强抑制性的钻井液和相应的新技术,从而有效地解决钻井过程中的井壁稳定及油气储层保护等问题,同时在非直井的钻井过程中,利用纳米钻井液体系较高的表面活性,可以有效地降低钻水平段的摩阻,使水平段进一步延伸成为可能.纳米技术在钻井液中的研究与应用虽然在国内才刚刚起步,但已经有了不少成功的研究成果.例如NM体系就是一种含有纳米材料的钻井液.该体系是近年来研制成功的一种新型钻井液,并在现场进行了初步试验.结果表明,NM钻井液具有优良的流变性,抑制性强,润滑防塌能力良好,携砂能力强,流变参数合理,性能稳定,页岩回收率较高,润滑系数较低,滤失量低,特别是高温高压滤失量较低;该体系与处理剂配伍性好,油层保护效果好,渗透率恢复值较高;现场转化使用方便,可以满足安全钻井和保护油气层等需要.另外一个例子是正电胶/聚合醇/纳米乳液水基钻井液体系.该体系是防止地层因井壁失稳而垮塌的一项新技术,用于勘探开发易发生垮塌地层油气藏.在街207井的现场应用结果表明,该钻井液总体性能优良,具有良好的流变性,携砂能力强,润滑效果好,抑制性强,性能定,能够有效地防止井壁失稳.3纳米科技在钻井液应用中存在的问题钻井液体系的发展经历了细分散钻井液,粗分散钻井液,不分散低固相钻井液阶段,发展的主线是钻井液固相含量降低,钻井液固相的分散度降低,从而使钻井液性能更加稳定和易于维护,钻井速度显附一部分钻井液处理剂,减少了处理剂的有效含量;另外,增大了细颗粒损害油气层的机会.虽然有些情况下,纳米颗粒的加入对钻井液性能略有改善,但这不应该归功于纳米特性,而是用普通的细颗粒固相(如超细碳酸钙)也能达到这个效果,但纳米颗粒的成本显然高于普通细颗粒的成本.纳米颗粒使用性能不稳定.纳米颗粒具有极高的表面能,亦即具有很高的界面活性,一方面可能具有表面活性剂的作用,导致钻井液起泡,或对产生的气泡具有很高的稳定作用(通过增加气液界面膜强度);另一方面,纳米颗粒容易产生团聚现象,团聚后其颗粒尺寸明显变大,仅靠搅拌很难使团聚的颗粒再分散到纳米尺度,失去纳米颗粒的特性;另外,在钻井现场使用时很容易吸潮或吸附气体使其性能明显变异,如ZnO纳米粉体吸水变成Zn(OH)z,吸收CO.变成碱式碳酸锌等.因此不能将纳米技术的应用简单的归结为在钻井液中加入纳米颗粒.4纳米技术在钻井液应用的发展趋势纳米技术与钻井液技术结合,必然在提高油气钻井的效率,提高石油勘探开发的综合效益方面有新的突破.目前有针对性的应用方向主要有,如正电胶钻井液技术,再如利用纳米技术,研制一种具有强抑制性的保护油气层钻井液体系和相应的新技术,有效地解决钻井过程中的井壁稳定和油气层保护问题,当然在钻井过程中,直接发挥纳米材料高的表面活性,在钻具表面和井壁表面形成纳米膜,有效地降低钻具的摩阻,降低钻大斜度井,水平井,多分枝井和大位移井的难度.还可以利用纳米技术,显着提高钻井液的耐温性,抗污染能力和防渗漏,携带能力,提高复杂条件下的钻井液技术,增大对特殊油气藏钻探的力度.参考文献着提高,井壁稳定性能更强.由于钻速提高缩短了钻Eli王芳辉,朱红,邹静.纳米材料在石油行业中的井液浸泡油气层的时间;钻井液固相含量降低,钻井应用,西安石油大学(自然科学版),2006,液密度降低,钻井压差降低;另外,颗粒尺寸变大减(11).少了细颗粒固相侵入油气层的机会,这三个方面的Ez3王辉,王毫华.纳米技术在钻井液中的应用探改进均有利于油气层保护.因此,不分散低固相聚合讨.钻井液与完井液,2005,(3).物钻井液是钻井液发展历程中的一个重要里程碑.3王佩平,应付晓,刘红玉.正电胶纳米乳液钻而向钻井液中加入纳米级颗粒,必然增加钻井液的井液在胜利油田的应用,江汉石油职工大学固相含量和亚微米颗粒的含量.向钻井液中加入纳,2006,(7).米级颗粒不仅会影响钻井液的流变性(尤其是塑性E4-1崔迎春,郭保雨,苏长明.NM钻井液体系现粘度),而且由于加入材料的高的比表面积,必然吸场应用研究.钻井液与完井液,2006,(3).Applicationsofnano-technologyindrillingfluidWANGTong,WANGPing-quan(SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)Abstract:Theintendofthispaperistointroducethesummaryofthecharactersofnanometerandthedifferencesbetweennano-technologyandcolloidtechnology.Alsoresearchedareth