在把納米技術應用到鉆井液領域之前，首先要考慮納米技術能夠解決哪些現(xiàn)有化學技術不能解決的鉆井液問題，且在膠體或微型狀態(tài)下納米結(jié)構(gòu)能給鉆井液帶來哪些好處。M-I SWACO 的 Jim Friedheim 等人對將氧化石墨烯、碳納米管等納米材料引入鉆井液中進行了探討，希望他們能在改善鉆井液頁巖穩(wěn)定性、抗高溫、流變性和濾失性等方面起到一定作用.

 

  氧化石墨烯.

 

  納米技術一般用于改善鉆井液的流變性和濾失性能。由于強烈的粒子與粒子間的相互作用，一些納米材料可以作為增黏劑。將氧化石墨烯（GO）直接加入到加有重晶石的淡水膨潤土漿中，測定該納米粒子對鉆井液黏度的影響，結(jié)果見表 5。

 

  表 5 氧化石墨烯對淡水膨潤土漿 + 重晶石的影響GO/g/Lφ6φ3Gel10 s/PaGel10 min/PaPV/mPa·sYP/Pa0 1 0 0.5 1.0 4 -0.55.7 4 3 2.4 2.9 8 1.911.4 12 11 6.2 6.2 7 7.717.2 17 15 12.0 6.7 3 20.1注 ：基漿為 ：水 +28.6 g/L OCMA 黏土 +14.3 g/L 凝膠 +228.8 g/L 重晶石 +GO，測定溫度為 49 ℃。

 

  由表 5 可知，GO 能夠有效使鉆井液增黏，甚至在加量很小（僅為 5.7 g/L）時，效果都非常明顯。

 

  GO 的片狀結(jié)構(gòu)很容易變形，可以很好地適應地層的輪廓，很像塑料包裝。進行了進一步的實驗，以觀察其濾失控制能力。表 6 給出了將 GO 加入淡水鉆井液體系，在 65.5 ℃熱滾老化 16 h 后的結(jié)果。GO 既影響流變性，又影響失水，相對來說效果明顯。從表6 可以看出，加入 14.3 g/L 的凝膠與加入 2.85 g/L 的GO 效果相同，這樣可以確定性能和成本的基準線。

 

  經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯直接作為頁巖抑制劑，對穩(wěn)定頁巖發(fā)揮的作用并不明顯；而其作為運輸工具，能將特定的頁巖抑制劑攜帶到頁巖表面的恰當位置，從而最大限度地穩(wěn)定頁巖。氧化石墨烯通過了糠蝦環(huán)境保護實驗，符合 HSE 要求。隨著研究的深化，氧化石墨烯將在水基鉆井液中得到更廣泛的應用。

 

  表 6 加有 GO 的淡水鉆井液老化后的性能GO/g/L凝膠 /g/Lφ6φ3Gel10 s/PaGel10 min/PaPV/mPa·sYP/PaFL/mL0 0 1 1.5 1.0 1.0 3 -0.5 83.00 14.3 5 5.0 3.4 4.3 4 1.0 23.62.8 0 9 9.0 4.8 7.2 8 5.3 23.44.3 0 28 27.0 12.9 18.2 9 17.7 16.8注 ：基漿為 ：159 g 水 +14.3 g/L OCMA 黏土 +111.5 g/L重晶石 + 凝膠 /GO，在 65.5 ℃熱滾 16 h 后在 49 ℃下測定性能。

 

  碳納米管.

 

  作為超高溫高壓無水反轉(zhuǎn)穩(wěn)定劑評價的碳納米管（CNTs），有可能會解決鉆井液在超過 200 ℃的溫度條件下的流變性和濾失性能。在不同濃度下對眾多類型的 CNTs 進行篩選之后，選出 2 種 CNTs 進行 315℃配方的最后評價（如下）。在超高溫高壓條件下，即使在很低的加量，2 種 CNTs 材料在穩(wěn)定流變剖面上都表現(xiàn)出了積極的結(jié)果。

 

  1#388 g/L 合成基 +8.6 g/L 有機土 +28.6 g/L 石灰 +71.5 g/L HT 乳化劑 +14.3 g/L 潤濕劑 +20 g/L 水 +71.5 g/L CaCl2+28.6 g/L HT 有機 FLC+42.9 g/L OCMA 黏土 +858 g/L 重晶石 +14.3g/LEMI1996+143g/L 微粒子2#358 g/L 合成基 +8.56 g/L 有機土 +28.6 g/L石灰 +71.5 g/L HT 乳化劑 +14.3 g/L 潤濕劑 +18.6 g/L水 +67.2 g/L CaCl2+1.37 g/L CNT#1+32.95 g/L 補充基液+28.5 g/L HT有機FLC+42.80 g/L OCMA黏土+858g/L 重晶石 +14.3 g/L EMI 1996+143 g/L 微粒子3#358 g/L合成基+8.6 g/L有機土+28.6 g/L石灰+71.5 g/L HT 乳化劑 +14.3 g/L 潤濕劑 +18.6 g/L 水 +67.2 g/L CaCl2+1.37 g/L CNT#2+32.95 g/L 補充基液 +28.6 g/L HT 有機 FLC+42.9 g/L OCMA 黏土 +858 g/L重晶石 +14.3 g/L EMI 1996+143 g/L 微粒子1#、2#、3#配方鉆井液的密度均為 1.68 g/cm3，含油量分別為 80.9%、80.7% 和 80.7%，含水量分別為 19.1%、19.3% 和 19.3%。以上 3 種鉆井液的實驗結(jié)果見表 7?；翰荒艹惺?315 ℃加熱老化，喪失了全部低剪切流變性，導致重晶石全部沉降。與此相反，CNT#1 和 CNT#2 鉆井液在老化后都比較穩(wěn)定，特別是 CNT#1 鉆井液表現(xiàn)出顯著的低剪切黏度、動切力和凝膠強度。但是，鉆井液的失水控制還存在問題，需進一步研究[19-20]

 

  。第 31 卷 第 6 期 邸偉娜等：國外頁巖氣鉆井液技術新進展81表 7 應用 2 種 CNT 無水反轉(zhuǎn)穩(wěn)定劑鉆井液熱滾后的性能配方φ6φ3Gel10 s/PaGel10 min/PaPV/mPa·sYP/PaES/V1#2 1 1.44 1.44 25 -1.44 5532#9 11 7.66 7.66 36 3.83 1 2653#4 3 2.87 4.31 33 1.92 614注 ：在 315 ℃老化 16 h 后在 150 ℃測定性能。

 

  5 認識和建議1．卡爾加里大學開發(fā)了一種高性能防漏堵漏納米鉆井液體系，該體系封堵地層的能力較好，能夠阻止濾失、減少地層傷害和污染，同時可減少壓差卡鉆事故，提高機械鉆速，降低鉆井成本。

 

  2．M-I SWACO 公司將納米硅材料加入鉆井液中，形成改性納米硅水基鉆井液，該鉆井液配方和維護簡單，表現(xiàn)出好的流變性，井眼穩(wěn)定性好，且對環(huán)境友好。普遍且經(jīng)濟適用的新型納米材料實現(xiàn)了鉆井液所需的流變特性和頁巖氣儲層的井眼穩(wěn)定性。

 

  3．M-I SWACO 公司探討了將氧化石墨烯、碳納米管等納米材料加入到鉆井液中，結(jié)果表明氧化石墨烯在水基鉆井液失水和流變性控制方面都有一定的作用，碳納米管抗高溫性能較強，在高溫下具有較好的流變性控制能力，但失水控制能力有待進一步研究。

 

  4．為了降低成本，滿足環(huán)境保護要求，全球鉆井液研究人員都在尋求高性能水基鉆井液。加拿大卡爾加里大學及哈里伯頓、斯倫貝謝公司都對納米材料在鉆井液中的應用研究投入了大量的人力、物力。目前中國頁巖氣井鉆井幾乎全部用油基鉆井液，急需研發(fā)高性能水基鉆井液，納米技術將會發(fā)揮重要作用。