氟碳基硅烷偶聯劑改性納米SiO2封堵劑的制備與性能評價

劉艷陽，楊 力，張 順，張茂穩，蔣思臣

(1 中石化華東石油工程公司，江蘇 南京 210019；2 中國石化石油工程技術研究院，北京 100101；3 大慶東華油氣開發股份有限公司，黑龍江 大慶 163713)

井壁失穩是鉆井工程中的常見問題，也是鉆井工程中尚未有效解決的問題。井壁失穩會導致漏、噴、塌、卡、斜等一系列井下復雜情況，從而導致鉆井周期滯后、鉆井成本增加，嚴重影響油井的快速、優質鉆進和石油開發的經濟效益[1，2]。據統計，深部地層井壁失穩引起的復雜時效占鉆井復雜的35%左右，其中大部分發生在硬脆性泥巖井段，而這其中最常見且影響最嚴重的是含裂隙硬脆泥頁巖地層，有三分之二上的泥頁巖井壁失穩問題發生在該類地層[3-5]。

水基鉆井液中的水進入近井壁多孔介質巖石而伴隨發生的水化作用和壓力傳遞是井壁失穩的最主要原因。井筒內鉆井液中的水通過微孔縫進入巖石內部，導致巖石孔隙壓力增高，圍巖有效應力減小，從而改變了井筒圍巖的應力分布，破壞了原有的力學平衡；另一方面，井筒圍巖吸水后強度降低，井壁剝落掉塊，嚴重時則導致大段井壁的垮塌。因此，有效地阻止或減緩水進入地層并隔斷井筒壓力向地層傳遞是穩定井壁的前提[6-7]。為了阻水進入地層，國內外鉆井界研究工作者先后廣泛采用了化學抑制和物理封堵，見到良好效果，但該問題一直沒有得到根本解決。化學抑制是通過改變巖石與水之間的敏感性來減緩井壁坍塌的速度，但不能完全改變水分子進入巖石內部的情況，因此，不能防止非水敏性地層(如硬脆性泥頁巖)失穩的發生；物理封堵則是通過多級分布的固體粒子，在壓差作用下進入巖石淺層的多孔介質孔隙、孔喉、微裂縫形成橋塞，堵塞鉆井液中的水與巖石內部的連接通道，達到隔絕水流通路、減緩壓力傳遞的目的[8-10]。若實現對泥頁巖的有效封堵，必須向鉆井液中額外添加納米級材料才可實現。

目前，市面上普遍使用的納米封堵材料雖然在粒徑上達到了納米級，其大小與巖石表面的微孔縫尺寸相匹配，但由于納米材料普遍具有粒徑小、比表面能大和易團聚的特征，使其在鉆井液中并不能以納米級水平分散，即納米材料的聚團尺寸遠大于巖石表面微孔縫的尺寸，從而難以進入巖石內部，影響了其封堵效果[11-13]。雖然已有研究報道了可通過表面改性提高納米封堵材料在鉆井液中的分散性，但仍難以解決封堵材料在鉆井液中的聚并，封堵效果并不理想[14-15]。

本文利用氟碳基硅烷偶聯劑十七氟癸基三甲氧基硅烷作為表面改性劑，對工業納米SiO2顆粒進行表面改性，通過改變納米顆粒表面的潤濕性來提高其分散能力。

1 實驗部分

1.1 主要原料

工業納米SiO2(納米級，工業品)，南京保克特新材料限公司；十七氟癸基三甲氧基硅烷，蘇州中博化工科技有限公司；甲醇、乙醇(分析純)，濟南世紀通達化工有限公司；活性炭(工業品)，河南鴻潤環保科技有限公司；氨水(濃度28%)，山東佑晟化工有限公司；膨潤土(工業品)，山東濰坊昱達膨潤土有限公司；高粘羧甲基纖維素鈉鹽(HV-CMC)、磺化褐煤(SMC)、褐煤樹脂(SPNH)，磺化酚醛樹脂(SMP-I)、均為工業品，鄭州東方助劑有限公司。

1.2 制備方法

在800 mL三口燒瓶中加入120 mL水、200 mL甲醇和 42.5 g十七氟癸基三甲氧基硅烷，水浴加熱至64 ℃；控制攪拌速度6000 rmp，加入180 g工業納米SiO2和4.2 mL氨水，持續反應30 min后，超聲波分散20 min，再次放入水浴中條件下加熱攪拌2.0 h，冷卻、用無水乙醇洗滌、干燥至恒重，破碎、篩分即得到白色粉體的改性納米SiO2。

1.3 鉆井液體系的配制

按照質量配方：4.0%膨潤土+0.2%HV-CMC +1.0%SMC+1.0%SPNH +1.0%SMP-I配制磺化鉆井液體系，高速攪拌 5.0 min，常溫下養護24 h。

1.4 粒度分析測試

將工業納米SiO2和改性納米SiO2分別加入到磺化鉆井液體系，高速攪拌5.0 min，于高溫條件下老化16 h后，冷卻至室溫。借助常溫中壓失水儀收集失水濾液，靜置2 h后取上清液，再用活性炭除色，靜置48 h，測定濾液中不同材料的粒度分布。

1.5 微觀形貌分析

取粒徑分布測試實驗中濾液樣品，借助掃描電鏡(SEM)觀測不同納微米封堵材料在濾液中的微觀形貌。

1.6 鉆井液性能測試

依據中華人民共和國國家標準GB/T 16783.1-2006《石油天然氣工業 鉆井液現場測試 第1部分：水基鉆井液》測試步驟，對鉆井液的流變性能和失水造壁性能進行測試。

1.7 封堵性能測試

將人工壓制的巖心放置到驅替裝置中，施以圍壓，從而模擬地層中含有微孔縫的巖石，單側放置實驗漿并施壓，測量巖心另一端的平均流量，根據達西公式，計算封堵前后模擬地層的滲透率，從而得到封堵材料對模擬地層的封堵率。

2 結果與討論

2.1 粒度分布測試

圖1和圖2分別為添加了工業納米SiO2和改性納米SiO2的磺化鉆井液體系經150 ℃老化16 h，靜置48 h后濾液的粒度分布圖。

圖1 工業納米SiO2的粒度分布圖

圖2 改性納米SiO2的粒度分布圖

從圖1和圖2可以看出，工業納米SiO2的粒徑分布在80.0～640.0 nm，平均粒徑為361.0 nm，這主要是因為顆粒之間發生了團聚，造成了實測粒徑偏大；經表面改性的納米SiO2在濾液中的粒徑則分布在8.0～160.0 nm，顆粒的中值直徑為66.0 nm，單分散狀態顯著，顆粒之間的團聚效應并不顯著，這主要是由于SiO2顆粒表面接枝的氟碳鏈在鉆井液中呈現疏水性，從而增強了納米顆粒之間的斥力，降低了顆粒之間的相互作用力，從而提高了顆粒在鉆井液中的分散性。

2.2 SEM分析

圖3和圖4分別為添加了工業納米SiO2和改性納米SiO2的磺化鉆井液體系經150 ℃老化16 h，靜置48 h后濾液的SEM照片。

圖3 工業納米SiO2的SEM照片

圖4 改性納米SiO2的SEM照片

從圖3和圖4可以看出，工業納米SiO2顆粒在濾液中相互粘連，偶有呈單分散狀態的顆粒存在。相比而言，改性納米SiO2在濾液中團聚現象明顯較弱，這主要是由于接枝到納米SiO2顆粒表面的氟碳鏈增加了顆粒之間的斥力，且高溫對顆粒之間的斥力影響較小。

2.3 鉆井液性能測試

表1為不同的納微米封堵材料的鉆井液經150 ℃老化16 h后的流變性能和失水造壁性能。從表1可以看出，隨著2種封堵材料加量的增大，鉆井液的AV、PV、YP基本保持穩定，FLAPI和FLHTHP逐漸降低，從而表明2中材料對鉆井液的流變性能影響較小，且有有助于改善泥餅質量。相同加量條件下，加入工業納米SiO2鉆井液的FLAPI和FLHTHP明顯較大，當加量為3.0%時，加入改性納米SiO2鉆井液的FLAPI和FLHTHP僅為3.8 mL和18.8 mL，說明改性納米SiO2可以有效封堵泥餅表面的微孔縫，增強泥餅了致密性，這是由于改性納米SiO2均具有優良的分散性，可對濾餅的微孔隙進行封堵。

表1 鉆井液流變性能及濾失性能評價

2.4 封堵性能評價

表2為不同的納微米封堵材料對模擬納微米級孔隙地層封堵率的測試結果。從表2可以看出，隨著納米SiO2加量的增大，模擬納微米孔隙地層的滲透率的逐漸降低；在相同加量條件下，加入改性納米SiO2的鉆井液封堵率明顯高于加入工業納米SiO2的鉆井液的封堵率，當改性納米SiO2的濃度達到3.0%時，模擬納微米孔隙地層的滲透率僅為5.2×10-2mD，封堵率高達98.41%，表明經表面改性的納米SiO2具有更優的封堵能力。

表2 不同納米SiO2對模擬納微米孔隙地層封堵率

3 結 論

(1)采用工業納米SiO2為原料，氟碳基硅烷偶聯劑十七氟癸基三甲氧基硅烷為表面改性劑制備了改性納米SiO2，成本可控，原料來源廣泛，實施步驟少，通過改善納米SiO2顆粒表面的潤濕性可有效改善其在鉆井液中的分散能力。

(2)改性納米SiO2對鉆井液的流變性能影響較小，且可有效增強鉆井液的失水造壁能力，具有良好的推廣應用前景。