钻井液用纳米乳液SLNR的研究应用.doc

钻井液用纳米乳液SLNR的研究应用郭保雨 王宝田 江智君 袁丽（胜利石油管理局钻井泥浆公司）摘要 本文主要介绍了纳米乳液SLNR处理剂的制备和性能评价。纳米乳液SLNR是通过物理和化学方法制备的一种新型的钻井液处理剂，具有纳米材料的特性。室内研究和现场应用表明，以该处理剂为主的钻井液具有良好的抑制性、润滑性及油气层保护效果。关键词 纳米乳液 钻井液 抑制 润滑防卡 油气层保护目前，纳米技术和纳米材料的研究和应用在世界上方兴未艾，在油田勘探开发中也得到应用1。但在钻井液方面还是一个空白。纳米乳液SLNR是通过物理和化学方法制备的一种新型的纳米钻井液处理剂，它利用纳米材料具有下列特点：1、表面效应，即具有非常大的比表面积和很高的表面活性。2、小尺寸效应，即由于颗粒尺寸的变小，比表面的显著增大，所引起的宏观物理性质的变化，来改变钻井液胶体的性质。室内研究表明，以该处理剂为主的钻井液具有良好的抑制性、润滑性及油气层保护效果。该纳米乳液SLNR在胜利油田现场试验20多口井，均取得了良好的效果。室内实验一、纳米乳液SLNR的配方研究1、主要成分体系：有机物质、油相，水相，表面活性剂或助剂。2、制备方法液相法是目前实验室和工业上广泛采用的纳米材料制备方法，其优点是颗粒的化学组成、形状和大小易控制，可制备多组分复合粒子，可均匀添加微量有效成份等，特别适合于制备组成均匀、纯度高的纳米材料。此方法特点：产量高、成本低、适合于大规模工业化生产。本研究开发的纳米乳液SLNR是采用了液相法。3、纳米乳液SLNR的影响要素1）、有机材料对多种材料的结构进行分析，发现主要由直链烷烃组成，含有很少量的支链烷烃和环烷烃，分子量分布较窄，平均分子量约为300-500的物质，具有较为明确的熔化区间，H/C值接近于2，最适应于纳米乳液的制备。2）、表面活性剂表面活性剂对纳米乳液的影响见表1表1 表面活性剂对纳米乳液的影响编号表面活性剂A1 / %表面活性剂A2 / %复配体系HLB值平均粒度（nm）10.560.449.00-20.530.479.97234.030.540.4610.08222.040.550.4510.19126.050.560.4410.3099.460.570.4310.4076.770.580.4210.51106.880.590.4110.61110.990.600.4010.72124.5100.610.3910.83243.7110.620.3810.93262.3120.630.3711.04336.23）、油剂比油剂比对纳米乳液的影响见表2表2油剂比对纳米乳液性质的影响油剂比乳液外观乳液稳定性平均粒径/nm5:1白色不透明放置一天破乳5004:1乳白色微泛蓝光离心依然稳定180-1903:1乳白色微泛蓝光离心依然稳定1003:2乳白色半透明离心依然稳定100020白色不透明放置一天破乳80030乳白色微泛蓝光离心依然稳定10040乳白色微泛蓝光离心依然稳定100图1乳化时间对纳米乳液的影响二、纳米乳液性能评价1、对般土浆性能的影响将纳米乳液加入粘土悬浮体中，纳米乳液与粘土悬浮颗粒将形成“复合体”2，随体系中粒子浓度的增加，流变学参数逐渐增加，浓度足够大时，混合体系发生胶凝。表4是4%的般土浆悬浮体的流变学性能随着纳米乳液加量的变化，可见，随着纳米乳液加量的增加，体系粘度切力逐步增加，API滤失量逐渐变大。4%的般土浆加入1%的纳米乳液表观粘度提高率110%、动切力提高率125%。 表4 粘土悬浮体的流变学性能随纳米乳液加量的变化加量（%，w/v）60030020010063API失水（ml）01077644260.115118644370.5171210854461.02115121076522、抑制防塌性能（1）线性膨胀 称取10.00 g处理过的钙质蒙脱土，在压片机上用10 Mpa压力维持5 min制得样品片，再用所配20 mL溶液浸泡，并在NP-01页岩膨胀仪上测定浸泡过程中的线性膨胀高度，将2% SLNR加入蒸馏水中， 8小时的膨胀高度为2.65mm ，而10%KCl加入蒸馏水的膨胀高度为6.94mm。（2）页岩回收率页岩回收率见表5表5 不同介质中页岩滚动分散的结果分散介质回收率（%）去离子水27.47KCl43.82纳米乳液SLNR70.03、润滑性能在基浆中加入2%纳米乳液SLNR，50温度下用极压润滑仪测其性能如下：表6 极压润滑性能试验钻井液类型润滑系数降低率基浆0.63基浆+2%纳米乳液SLNR0.1478%为更好的评价钻井液在地层条件下的摩阻情况，采用高温高压粘附系数测定仪对室内配制的基浆、加入8%原油和在此基础上加入1%纳米乳液SLNR的钻井液进行评价，高温实验条件为3.5MPa，120，30min后测定粘附系数，实验结果如表7。表7 粘附系数试验序号钻井液类型30min滤失量（ml）粘附系数1基浆210.2462基浆高温后17.50.2023基浆+8%原油10.40.22643# 高温下9.80.1385基浆+8%原油+1%纳米乳液SLNR9.50.07165# 高温下70.0465（三）、纳米乳液SLNR的油层保护评价实验用岩芯流动试验仪测定SLNR和聚合醇、阳离子乳化沥青、黑色正电胶渗透率恢复值对比评价保护油气层效果3。结果见表8油层保护实验表8油层保护实验配方污染前渗透率（md）污染（g）100/3.5Mpa污染后渗透率（md）恢复值%4%搬土基浆65.423.241.52.4218.28.6414.727.837.235.44%搬土基浆+0.25%PAM+0.5%LS1+0.4%TPOS8866.125.337.33.5831.510.216.347.640.243.84%搬土基浆+0.25%PAM+0.5%LS1+0.4%TPOS88+2%聚合醇68.225.135.52.2447.610.416.269.841.445.74%搬土基浆+0.25%PAM+0.5%LS1+0.4%TPOS88+2%BPS69.126.047.53.1459.112.726.286.548.755.24%搬土基浆+0.25%PAM+0.5%LS1+0.4%TPOS88+2%阳离子乳化沥青65.628.443.22.5737.213.419.356.747.344.64%搬土基浆+0.25%PAM+0.5%LS1+0.4%TPOS88+2% SLNR55.527.140.83.5851.512.223.993.650.358.5结果表明SLNR渗透率恢复值很高，明显的高于聚合醇、阳离子乳化沥青、黑色正电胶。作用机理钻井液是一种多相不稳定的混合体系，它主要包括膨润土、高聚物、纤维素或褐煤类的胶体颗粒，这些颗粒分散在钻井液中代表着钻井液的主要行为表现，决定钻井液性能的变化和对油层的污染程度，因此钻井液的发展是紧紧围绕着粘土颗粒而发展的。所加入的各种处理剂也是为了使颗粒的最大来源粘土保持合适的颗粒状态，使钻井液保持合理的流变性、造壁性。但粘土在钻井液中的颗粒直径为0.005um2um，具有较大的比表面，因此要维护钻井液的性能，就需要开发出一种比表面更大的钻井液处理剂，这就是纳米处理剂，从而使钻井液具有更优良的抑制能力、更好的油层保护能力。1、 表面吸附机理纳米乳液由于颗粒尺寸的变小，必然使其比表面积增大，这样就大大增加了与其它物质发生吸附反应的机会和程度。2、 电性抑制机理由于纳米乳液电性呈中性或者正电性，它在井壁上的吸附就能够降低井壁的负电性，或者当其正电性极高时，甚至能把粘土的负电性反转为正电性，这样就能够部分阻止水化极强的金属阳离子靠近井壁。3、 抑制粘土运移机理纳米乳液是一种水包油型的细小乳状液，它使用的乳化剂是阳离子和非离子表面活性剂。当纳米乳液和粘土接触时，阳离子表面活性剂起活性作用的阳离子和非离子表面活性剂的亲水基均可吸附在粘土表面，这样可以中和粘土表面的负电性并可排斥具有较厚水化膜的层间阳离子，而且这种吸附可使粘土表面的亲水亲油性发生改变，有时甚至反转为亲油表面。4、 油膜形成机理由于表面活性剂随着温度的升高，其在油水界面的吸附量降低，当温度升高到一定程度，乳化剂在油水界面上形成的膜不足以抵抗外界各种因素作用的情况下，乳液开始破乳。但是，由于乳液原先已经优先吸附在井壁上，而且由于纳米乳液中含有大量的有机质，这些有机质由于表面活性剂在储层孔隙壁上的吸附作用，以及水力和其它因素，有机质在井底条件下容易发生聚并成带，并在井壁上形成油膜，这可以从前期的滚动回收实验后获得的岩屑照片所证实，这就能够极大地阻止了水的侵入，从而有效降低粘土颗粒的运移。而且有可能不需要其他油层保护剂的协配作用就能够起到较佳的油层保护作用，特别是在低渗油气藏中的应用效果更为突出。5、 变形挤入及粒度匹配机理由于纳米乳液其粒度更小，更容易挤入一些纳米级的孔喉中，在孔喉中形成典型的架桥封堵，这样就能够有效封堵。而且乳液的粒度基本与低渗和超低渗油田的一般孔隙尺寸分布相同，所以它的封堵更为有效。6、 易返排机理由于纳米乳液是水包油型乳状液，它不存在乳液堵塞的风险，通过返排作用能够很容易清除钻井后残余在储层的乳化液。同时由于纳米乳液的润滑性极佳，其封堵作用仅是暂时性的，和孔喉的摩擦系数较低，极易清除，不会对油层造成伤害。现场应用目前，纳米乳液SLNR在胜利油田现场试验20多口井，均取得了良好的效果。下面以纳米乳液SLNR在垦东405-平1井和桩23区块的应用为例，简述实施情况。一、纳米乳液在垦东405-平1井的现场应用垦东405-平1井是由钻井工程技术公司泥浆公司提供钻井液技术服务的一口胜利油田沿海大位移延伸井。该井是管理局试验的第二口大位移水平井，完钻位垂比达到了1.74:1，也是目前管理局位垂比最大的一口井。此井是在浅地层实施的一口大位移井，施工难度大、风险高，钻井液的优选及配方性能是该井的技术关键。根据孤东地区的地层特点该井一开配浆开钻，二开使用纳米处理剂聚合物润滑钻井液体系，三开采用硅聚纳米润滑钻井液体系。现场施工表明：该井所采用的钻井液体系抑制性强、润滑防塌能力良好、携带能力强、流变参数合理、性能稳定，优质高效地完成了这口大位移延伸井的施工，并获得日产油58t的高产。二、纳米乳液SLNR在桩23区块应用纳米乳液SLNR在桩23地区施工的4口井目前已投产4口，采用纳米钻井液的2口井，从投产情况来看，达到了预期的目的。具体产油情况见表9：表9 4口井的采油效果井号生产层位及井段生产时间工作制度日产液(t)日产油(t)含水(%)投产日期桩23-17-18ES3下 32、42压裂投产3660.0-3616.3初期3mm自喷14.2 7.7 36.0 2003.12稳产期4.2*4*4412.7 11.9 6.0 2004.06目前4.2*4*447.6 7.1 7.0 2005.03桩23-13-10ES3下 32压裂投产3661.8-3669.6初期3mm自喷17.9 17.8 0.5 04.02.15稳产期4mm自喷12.7 12.6 0.5 2004.08目前4.2*4*447.7 7.4 3.8 2005.03桩23-13-9ES3下 15+6压裂投产3585.2-3597.9初期3mm自喷18.1 11.7 35.4 04.12.20稳产期4mm自喷17.8 17.7 0.6 2005.02目前4mm自喷14.9 14.8 0.8 2005.03桩23-17-10ES3下 32、42压裂投产3640.6-3603.1初期3mm自喷29.2 23.4 20.0 2005.01稳产期4mm自喷17.7 14.2 20.0 2005.02目前4mm自喷10.4 7.7 23.0 2005.03注：桩23-13-9、桩23-17-10为采用纳米乳液SLNR的纳米钻井液的2口井。从表中可以看出稳产期平均产油量达到了14.1t，而采用纳米钻井液的2口井，产油量分别达到：17.7、14.2 t，产油量均大于平均产油量，起到了较好的油气层保护效果，满足了油田勘探开发的需要。结论1纳米钻井液处理剂研究是一项开创性的研究工作，填补了国内外纳米技术在钻井液领域研究应用的空白。2通过大量的室内试验，完成了新型纳米处理剂开发，优选出的纳米处理剂与钻井液的配伍性好，确定了纳米处理剂钻井液体系配方，且具有好的防塌抑制性、润滑性、抗温抗污染性、低的滤失量和合适的流变性。4现场应用表明，基于纳米处理剂的钻井液体系润滑防塌能力好、携带能力强、性能