納米材料鉆井液在大港油田的應用

鄭淑杰， 蔣官澄， 肖成才， 王小月， 馬勁松

（1.大港油田石油工程研究院，天津300280；2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

納米材料鉆井液在大港油田的應用

鄭淑杰1， 蔣官澄2， 肖成才1， 王小月1， 馬勁松1

（1.大港油田石油工程研究院，天津300280；2.中國石油大學（北京）石油工程學院，北京102249）

針對納米材料在鉆井液中團聚的問題，通過分子設計，改進納米材料的表面性能,以改性納米二氧化硅為核，通過接枝柔性聚合物，合成了一種納米封堵降濾失劑。通過引入強的吸附基團和疏水基團，聚合物分子的親疏水、氫鍵等協同作用形成空間的網架結構，使合成的納米封堵降濾失劑能夠以納米級尺度分散在鉆井液中,其在鉆井液中納米級粒度的含量高達59.3%，其不僅具有優異的降濾失性能，同時具有柔性可變形性，還能夠吸附在巖石表面，提高納米材料對微裂縫和小孔隙的封堵能力。以合成的納米降濾失劑為核心處理劑，并優選出配套的納米潤滑劑、納米抑制劑，形成納米鉆井液體系。該體系的抗溫達150 ℃，API濾失量在2.4 mL以下、高溫高壓濾失量在9.8 mL以下、潤滑系數不大于0.04，滲透率恢復值不小于91%、目的層井段巖屑回收率≥90.5%。該體系在大港油田棗 1510 井的應用中表現出良好的潤滑性和保護油氣層效果。

防止地層損害；納米材料；鉆井液添加劑；鉆井完井液；滲透率恢復值；低孔低滲

目前的鉆井液油氣層保護技術主要采用屏蔽暫堵技術，這些技術對中、高滲透儲層、中大孔喉儲層效果尚可，但對低孔低滲、微裂縫和微孔隙的油層，由于常規的材料難以進入微裂縫，保護效果并不理想，這樣的儲層一旦傷害很難恢復。為此，針對低孔低滲、微裂縫性儲層開展了納米材料鉆井液油層保護技術研究。納米處理劑加入鉆井液中后，可封堵納米微裂縫和小孔隙，保護低孔、低滲儲層，可最大限度地阻止鉆井液中液相進入儲層造成水鎖損害，提高采收率[1-4]。目前大港油田孔南地區孔二段未開發儲量較豐富。該地區棗Ⅱ油組、棗Ⅲ油組孔隙度在10%～20%，滲透率為1～10 mD，屬于低孔、低滲儲層。為了降低該區域儲層損害，提高采收率，結合該區域實際情況，進行實驗研究，最終研究出針對孔南地區及其相似儲層的低孔低滲、微裂縫的納米材料鉆井液油層保護技術[5-7]。該鉆井液以新研制的納米封堵降濾失劑為核心處理劑，并優選出配套的納米潤滑劑、納米抑制劑，提高納米鉆井液對裂縫和小孔隙的封堵能力，體系抗溫達150 ℃、滲透率恢復值不小于91%。該技術在大港油田棗1510井進行了應用，該井的試油產量高于相同區塊產量，取得了較好的效果。

1 納米封堵降濾失劑的研制

1.1 納米封堵降濾失劑的結構設計

選用剛性的無機納米粒子為核，接枝柔性的聚合物。柔性聚合物帶有特殊的官能基團，能夠分散無機納米粒子，同時賦予無機納米粒子柔性可變形性，能夠根據孔隙的大小，自由變形。

1.2 無機納米粒子的優選

使用Nano ZS90納米粒徑/Zeta 電位分析儀測定不同納米材料的粒度分布發現，只有改性納米二氧化硅接枝的柔性聚合物的粒徑能夠達到10 nm以下，如圖1所示，因此無機納米粒子選用改性的納米二氧化硅。雖然固體納米二氧化硅和改性納米二氧化硅的顆粒粒徑在50 nm以下，但是在水溶液中顆粒粒徑都大于100 nm，特別是納米二氧化硅的粒徑都在100 nm以上。說明納米二氧化硅和改性納米二氧化硅在水溶液中發生了嚴重的團聚。而改性納米二氧化硅接枝的柔性聚合物能夠在水溶液中以納米尺度穩定地分散。

1.3 柔性聚合物的優選

選用特殊改性的納米二氧化硅為核，接枝常用的乙烯基單體，得到不同的聚合物，將他們分別加入4%膨潤土漿中，測定濾失量。加入以特殊改性的納米二氧化硅為核，分別接枝聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚磺酸基丙烯酰胺、聚乙烯醇、淀粉、自制聚合物的降濾失劑的中壓濾失量分別為18.2、16.0、14.0、15.0、20.0 和 11.0 mL。實驗表明，選用特殊改性的納米二氧化硅為核，接枝常用的酰胺基單體（自制聚合物）進行聚合嫁接合成的納米封堵降濾失劑的降濾失效果最優。

圖1 不同納米材料的粒度分布

1.4 納米封堵降濾失劑的粒徑測定及電鏡分析

如圖2所示，納米封堵降濾失劑在鉆井液中的分散性好，其納米級粒度的含量高達 59.3%。從TEM電鏡照片也可以看出，合成的納米封堵降濾失劑的大部分顆粒在50 nm以下，見圖3。

圖2 納米封堵降濾失劑在鉆井液中的粒度分布

圖3 納米封堵降濾失劑的電鏡樣貌

1.5 納米封堵降濾失劑的作用機理

納米封堵降濾失劑是選用改性納米二氧化硅為核，接枝常用的酰胺基單體（自制的聚合物）得到的一種低分子量聚合物。因為納米二氧化硅不改性，聚合物無法接枝到二氧化硅的表面，所以必須對其進行改性處理；另一方面，其接枝的疏水基團可以和親水基團形成親疏水微區，有助于解決納米材料團聚的問題。納米封堵降濾失劑具有強的吸附基團，還可吸附在巖石表面，因此其通過進入孔隙和表面吸附的內外協同作用，起到封堵納米孔隙以及降濾失作用，封堵前后的微觀掃描圖見圖4。

圖4 納米封堵降濾失劑封堵前后的觀掃描圖

1.6 納米封堵降濾失劑的常規性能評價

1）流變及濾失測試。由表1可知，在4%膨潤土基漿中，納米封堵降降濾失劑加量在1%以上時，濾失量的降低率可達到40%以上，同時在加量較小的范圍內增大基漿表觀黏度，能夠形成致密濾餅，具有好的降濾失效果，抗溫性也比較好。

2）納米封堵降濾失劑水溶液濾餅與膨潤土漿濾餅形貌分析實驗結果見圖5。從宏觀和微觀形貌照片可以看出，與4%膨潤土漿濾餅相比，0.6%納米封堵降濾失劑水溶液形成的濾餅明顯更薄且更致密。這主要是由于具有納米級尺度的納米封堵降濾失劑顆粒能夠致密地堆疊在一起。

表1 納米封堵降濾失劑單劑評價

圖5 膨潤土漿和納米封堵降濾失劑水溶液形成的濾餅

3）納米封堵降濾失劑同類產品對比評價。由表2可知，該納米降濾失劑在同樣的加量條件下，展現出最好的降濾失性能。

表2 在4%基漿中加入不同降濾失劑性能對比評價

1.7 納米封堵降濾失劑封堵性能評價

1）納米封堵降濾失劑具有一定的封堵能力，通過BET（使用美國Quadrasorb-SI比表面分析儀測得）孔結構測試法考察了封堵效果，泥頁巖在未加入納米封堵降濾失劑的納米級孔隙集中在6 nm左右，當加入封堵劑后，泥頁巖的納米級以下的孔徑大大減少，6 nm左右的孔徑減少了60%以上，說明納米封堵降濾失劑具有封堵納米級孔隙的能力，具有良好的封堵效果，見圖6。

圖6 納米封堵降濾失劑加入前后濾餅BET孔結構

2）用巖心動態模擬裝置進一步考察了納米封堵降濾失劑的封堵性能。先將巖心抽空，飽和水，測堵漏前水相滲透率K0，在不同滲透率的填砂管模型中注入納米封堵降濾失劑，密封填砂管模型兩端，并置于120 ℃中養護72 h，將固化的填砂管模型取出，然后反向填砂管模型中驅水，再測封堵后水相滲透率K1，計算納米封堵降濾失劑的封堵率。

從表3可以看出，納米封堵降濾失劑封堵率高達90%以上，進一步證明了納米封堵降濾失劑具有優異封堵效果，以及封堵劑在巖心內部相互作用增大封堵效果。

3）進行巖心壓力傳遞實驗，考察封堵后巖心壓力傳遞速度。超低滲透頁巖采用頁巖膜效率測定儀評價封堵性能，選用超低滲透天然頁巖巖心。圍壓為55 MPa，上游壓力為50 MPa，監測下游壓力的變化，結果見圖7。在4%NaCl鹽水體系中，5 h以后下游壓力開始增加，而4%納米封堵降濾失劑溶液60 h以后仍未見增加，可以看出，納米封堵降濾失劑具有優異的封堵性能，同時更適宜封堵超低滲的頁巖孔隙。

圖7 頁巖封堵前后壓力傳遞圖

2 納米級潤滑劑的優選

選取4種納米級潤滑劑作為對比，比較摩擦阻力大小，選取最優的一種，結果見表4。由表4可看出，4種納米材料均可以提高鉆井液的潤滑性能，相比較而言，納米級固體潤滑劑RH102的作用效果最明顯，當其加量為2.0%時，潤滑性能已達到最優，而且還有一定的降濾失效果。

表4 納米級潤滑劑的優選

3 納米抑制劑的優選

基漿配方為：4%膨潤土+0.2%氫氧化鈉。首先固定抑制劑濃度為2%，實驗結果見圖8。從圖8可知，納米小分子氨基聚合物的抑制性能最好，聚醚胺次之。

進一步對比納米小分子氨基聚合物和聚醚胺的抑制性能，此次將抑制劑濃度固定為4%，并進行滾動回收實驗對比。取20 g粒徑為2.00～3.35 mm的天然泥頁巖巖屑，測試滾動回收率，結果見表5。可以看出，小分子氨基聚合物具有比較高的回收率，表明小分子氨基抑制劑的抑制效果最好。

圖8 納米抑制劑與其他處理劑的頁巖線性膨脹性對比

表 5 抑制劑滾動回收實驗（150 ℃、16 h）

4 納米材料鉆井液配方及性能評價

1）使用成熟的聚合物鉆井液體系為主體進行研究，配方如下。

400 mL基漿+0.15%KPAM+0.50%PAC-LV+1%Redul+1%潤滑劑LE-5+3%淀粉+3%NFA-25+5%KCl+3%超細碳酸鈣+重晶石

優化后的配方：聚合物鉆井液+（1%～3%）納米封堵降濾失劑+（1%～3%）納米潤滑劑RH102+（0.5%～1.5%）納米抑制劑小分子氨基聚合物

評價了優化配方的儲層保護性能，測定結果見表6。可以看出，該體系的滲透率恢復值為91%。表6實驗用配方如下。

400 mL 基 漿 +0.15%KPAM+0.5%PAC-LV+1%Redul+3%超細碳酸鈣+1%LE-5+3%淀粉+3%仿瀝青NFA-25+5%KCl+3%納米封堵降濾失劑+1%RH102+0.5%小分子氨基聚合物+重晶石

表6 孔南6井巖心被納米材料鉆井液污染后滲透率恢復值

5 現場應用情況

5.1 地質工程簡況

試驗井棗1510井位于河北省滄縣風化店鄉馬臺子村南約650 m，屬于棗園油田棗64井斷塊，鉆探目的為實現Ek22、Ek24及中生界滾動增儲。地質設計井深（垂深）為2 988.11 m，斜深為3 660.00 m。井別為評價井，井型為三開定向井。完鉆層位為中生界。儲層為2個目標靶點：其一是孔二段孔二2油組，垂深為2 240 m，斜深為2 527.07 m ；其二是中生界，垂深為 2 850 m，斜深為3 450.85 m。該井儲層保護施工方案為距第1靶點前 50～100 m（垂深為 2 140～2 190 m），根據現場小型試驗結果，分別加入0.5%～3%納米封堵降濾失劑GCY-NFJ、（0.5%～1%）納米抑制劑GCY-NYJ、（ 0.5%～1%）納米潤滑劑GCY-NRJ，在距離第 2 靶點前 50～100 m（垂深為 2 800～2 750 m）補充油層保護劑。

5.2 現場試驗數據

在井深2 430 m加入納米封堵降濾失劑，井深3 180 m開始加入3種納米材料鉆井液處理劑，實驗數據見表7和表8。第1次加入前后鉆井液性能對比表，從表7可以看到濾失量有所降低。從后面的3組室內實驗數據可以看出，加入納米材料以后API濾失量有所降低，潤滑性能改善較好，其余鉆井液性能基本沒有變化。砂床漏失實驗結果為：3 180 m（未加入納米材料）、 3 194 m（加入納米材料）和3 281 m（加入納米材料）處的侵入深度分別為13.0、8.2和8.0 cm；漏失量均為0，表明加入納米封堵降濾失劑以后有一定的封堵效果。

表7 現場鉆井液加入納米封堵降濾失劑前后數據

表8 現場鉆井液加入3種納米材料處理劑前后數據

5.3 現場應用結果分析

棗1510、棗1517、棗64和棗91井的井徑擴大率分別為10.88%、30.15%、13.97%和18.34%。看出，試驗井棗1510井井徑擴大率最小，初步說明該納米材料鉆井液有較好的井壁穩定效果。

試油結果分析見表9。從表9可以看出，試驗井試油產量均高，說明宏觀上起到了保護油層效果。

表9 棗1510井及鄰井試油統計

6 結論與認識

1.針對納米材料鉆井液體系團聚的難題，通過研究納米材料的團聚機理，對納米材料處理劑進行接枝，使納米材料處理劑更好地在鉆井液中分散，以提高納米材料對微裂縫和小孔隙的封堵。

2.以自主合成的納米封堵降濾失劑為核心處理劑，提高納米鉆井液對裂縫和小孔隙的封堵能力，并優選出配套的納米潤滑劑、納米抑制劑，形成的體系抗溫達150 ℃，API濾失量≤2.4 mL，高溫高壓濾失量≤9.8 mL，潤滑系數≤0.04，滲透率恢復值≥91%，目的層井段巖屑回收率≥90.5%。

3.納米材料鉆井液在大港油田棗1510井應用，試油產量高于鄰井，說明其具有較好保護油層效果。

4.建議低孔低滲儲層可以推廣應用納米材料鉆井液體系保護油氣層。

[1]馬成云，宋碧濤，徐同臺，等. 鉆井液用納米封堵劑研究進展 [J]. 鉆井液與完井液， 2017， 34（1）：1-8.MA Chengyun，SONG Bitao，XU Tongtai， et al.Progresses in studying drilling fluid nano material plugging agents[J]. Drilling Fluids & Completion Fluids， 2017， 34（1）：1-8.

[2] 羅 陶濤，歐陽偉，蘇志剛. 原位活化納米材料提高油基鉆井液乳化穩定性研究[J].鉆井液與完井液，2014，31（4）：5-7.LUO Taotao，OUYANG Wei，SU Zhigang.Study on the emulsion stability of oil-base drilling fluid treated with in-situ activation nano material[J].Drilling Fluids &Completion Fluids，2014，31（4）：5-7.

[3] 王 輝，王富華. 納米技術在鉆井液中的應用探討[J].鉆井液與完井液，2005，22（2）：50-53.WANG Hui，WANG Fuhua.Discussion on the application of nanometer science and technology in drilling fluid[J]. Drilling Fluids & Completion Fluids，2005，22（2）：50-53.

[4]耿學禮， 蘇延輝， 鄭曉斌， 等. 納米微球保護儲層鉆井液研究及應用 [J].鉆井液與完井液， 2016， 33（4）：32-35.GENG Xueli，SU Yanhui，ZHENG Xiaobin， et al. Study and application of reservoir protection drilling fluid treated with nano spheres[J]. Drilling Fluids & Completion Fluids，2016， 33（4）： 32-35.

[5]應春業，李新亮，楊現禹，等. 基于疏水型納米二氧化硅的頁巖氣鹽水鉆井液[J]. 鉆井液與完井液， 2016，33（4）： 41-46.YING Chunye，LI Xinliang，YANG Xianyu， et al.Study on Saltwater Drilling Fluid Treated with Hydrophobic Nano SiO2[J].Drilling Fluids & Completion Fluids， 2016， 33（4）：41-46.

[6] 劉 偉，柳娜，王勇強.鉆井液用納米材料處理劑應用進展[J].化學工程與裝備， 2015（2）：158-160.LIU Wei，LIU Na，WANG Yongqiang.Application of the nona-materials drilling fluid treating agent[J].Chemical Engineering and Equipment，2015（2）：158-160.

[7]鄧敏，扈蓉，何培鑫.水溶性單體分散聚合物的研究進展[J].膠體與聚合物，2005，23（4）：37-39.DENG Min，HU Rong，HE Peixin.The research progress of water-soluble monomer polymer[J].Chinese Journal of Colloid and Polymer， 2005，23（4）：37-39.

Application of a Nanomaterial Drilling Fluid in Dagang Oilf i eld

ZHENG Shujie1, JIANG Guancheng2, XIAO Chengcai1, WANG Xiaoyue1, MA Jinsong1
(1. Petroleum Engineering Research Institute of Dagang Oilf i eld, Tianjin 300280;2. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249)

Nanomaterials have been more and more used in drilling fl uids, gaining good results in drilling operation. It has been found in the fi eld application that the nanomaterials always become aggregated as the concentrations increase, making it dif fi cult for the nanomaterials to take effect. Based on the study of the mechanisms of nanomaterial aggregation, a nanomaterial was grafted to render it good dispersity in drilling fl uid. The molecules of the nanomaterial have good fl exibility and deformability. The molecules of the nanomaterial can be adsorbed on the surface of rocks, thereby enhancing the ability of the nanomaterial to plug micro fractures and fi ssures. A nanomaterial fi lter loss reducer has been synthesized to formulate a drilling fl uid with other nanomaterial additives, such as lubricant and shale inhibitor. The nanomaterial drilling fl uid functions properly at 150 ℃, and has properties as follows： API fi lter loss ≤2.4 mL, HTHP fi lter loss≤9.8 mL, coef fi cient of friction≤0.04, percent recovery of permeability of cores ≥ 91%, and percent recovery of drilled cuttings in hot rolling test≥90.5%. Field application has shown that the nanomaterial drilling fl uid had good lubricity and reservoirs drilled were effectively protected from being damaged.

Reservoir protection; Nanomaterial; Drilling fl uid additive; Drill-in-Fluid; Recovery of permeability; Low porosity and low permeability

鄭淑杰，蔣官澄，肖成才，等.納米材料鉆井液在大港油田的應用[J].鉆井液與完井液，2017，34（5）：14-19.

ZHENG Shujie, JIANG Guancheng, XIAO Chengcai,et al.Application of a nanomaterial drilling f l uid in Dagang oilf i eld[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017， 34（5）：14-19.

TE254.3

A

1001-5620（2017）05-0014-06

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.05.003

中國石油化工聯合基金重點支持項目“頁巖氣鉆探中的井壁穩定及高效鉆完井基礎研究”（U1262201）。

鄭淑杰，1969年生，工程師，1991年畢業于大港石油學校石油工程專業，一直從事鉆井液研究及鉆井液設計工作。電話（022）25925321；E-mail：zhengshjie@petrochina.com.cn；656129637@qq.com。

2017-07-29；HGF=1703N2；編輯 王小娜）