纳米材料钻井液在大港油田的应用

郑淑杰， 蒋官澄， 肖成才， 王小月， 马劲松

（1.大港油田石油工程研究院，天津300280；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）

纳米材料钻井液在大港油田的应用

郑淑杰1， 蒋官澄2， 肖成才1， 王小月1， 马劲松1

（1.大港油田石油工程研究院，天津300280；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249）

针对纳米材料在钻井液中团聚的问题，通过分子设计，改进纳米材料的表面性能,以改性纳米二氧化硅为核，通过接枝柔性聚合物，合成了一种纳米封堵降滤失剂。通过引入强的吸附基团和疏水基团，聚合物分子的亲疏水、氢键等协同作用形成空间的网架结构，使合成的纳米封堵降滤失剂能够以纳米级尺度分散在钻井液中,其在钻井液中纳米级粒度的含量高达59.3%，其不仅具有优异的降滤失性能，同时具有柔性可变形性，还能够吸附在岩石表面，提高纳米材料对微裂缝和小孔隙的封堵能力。以合成的纳米降滤失剂为核心处理剂，并优选出配套的纳米润滑剂、纳米抑制剂，形成纳米钻井液体系。该体系的抗温达150 ℃，API滤失量在2.4 mL以下、高温高压滤失量在9.8 mL以下、润滑系数不大于0.04，渗透率恢复值不小于91%、目的层井段岩屑回收率≥90.5%。该体系在大港油田枣 1510 井的应用中表现出良好的润滑性和保护油气层效果。

防止地层损害；纳米材料；钻井液添加剂；钻井完井液；渗透率恢复值；低孔低渗

目前的钻井液油气层保护技术主要采用屏蔽暂堵技术，这些技术对中、高渗透储层、中大孔喉储层效果尚可，但对低孔低渗、微裂缝和微孔隙的油层，由于常规的材料难以进入微裂缝，保护效果并不理想，这样的储层一旦伤害很难恢复。为此，针对低孔低渗、微裂缝性储层开展了纳米材料钻井液油层保护技术研究。纳米处理剂加入钻井液中后，可封堵纳米微裂缝和小孔隙，保护低孔、低渗储层，可最大限度地阻止钻井液中液相进入储层造成水锁损害，提高采收率[1-4]。目前大港油田孔南地区孔二段未开发储量较丰富。该地区枣Ⅱ油组、枣Ⅲ油组孔隙度在10%～20%，渗透率为1～10 mD，属于低孔、低渗储层。为了降低该区域储层损害，提高采收率，结合该区域实际情况，进行实验研究，最终研究出针对孔南地区及其相似储层的低孔低渗、微裂缝的纳米材料钻井液油层保护技术[5-7]。该钻井液以新研制的纳米封堵降滤失剂为核心处理剂，并优选出配套的纳米润滑剂、纳米抑制剂，提高纳米钻井液对裂缝和小孔隙的封堵能力，体系抗温达150 ℃、渗透率恢复值不小于91%。该技术在大港油田枣1510井进行了应用，该井的试油产量高于相同区块产量，取得了较好的效果。

1 纳米封堵降滤失剂的研制

1.1 纳米封堵降滤失剂的结构设计

选用刚性的无机纳米粒子为核，接枝柔性的聚合物。柔性聚合物带有特殊的官能基团，能够分散无机纳米粒子，同时赋予无机纳米粒子柔性可变形性，能够根据孔隙的大小，自由变形。

1.2 无机纳米粒子的优选

使用Nano ZS90纳米粒径/Zeta 电位分析仪测定不同纳米材料的粒度分布发现，只有改性纳米二氧化硅接枝的柔性聚合物的粒径能够达到10 nm以下，如图1所示，因此无机纳米粒子选用改性的纳米二氧化硅。虽然固体纳米二氧化硅和改性纳米二氧化硅的颗粒粒径在50 nm以下，但是在水溶液中颗粒粒径都大于100 nm，特别是纳米二氧化硅的粒径都在100 nm以上。说明纳米二氧化硅和改性纳米二氧化硅在水溶液中发生了严重的团聚。而改性纳米二氧化硅接枝的柔性聚合物能够在水溶液中以纳米尺度稳定地分散。

1.3 柔性聚合物的优选

选用特殊改性的纳米二氧化硅为核，接枝常用的乙烯基单体，得到不同的聚合物，将他们分别加入4%膨润土浆中，测定滤失量。加入以特殊改性的纳米二氧化硅为核，分别接枝聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚磺酸基丙烯酰胺、聚乙烯醇、淀粉、自制聚合物的降滤失剂的中压滤失量分别为18.2、16.0、14.0、15.0、20.0 和 11.0 mL。实验表明，选用特殊改性的纳米二氧化硅为核，接枝常用的酰胺基单体（自制聚合物）进行聚合嫁接合成的纳米封堵降滤失剂的降滤失效果最优。

图1 不同纳米材料的粒度分布

1.4 纳米封堵降滤失剂的粒径测定及电镜分析

如图2所示，纳米封堵降滤失剂在钻井液中的分散性好，其纳米级粒度的含量高达 59.3%。从TEM电镜照片也可以看出，合成的纳米封堵降滤失剂的大部分颗粒在50 nm以下，见图3。

图2 纳米封堵降滤失剂在钻井液中的粒度分布

图3 纳米封堵降滤失剂的电镜样貌

1.5 纳米封堵降滤失剂的作用机理

纳米封堵降滤失剂是选用改性纳米二氧化硅为核，接枝常用的酰胺基单体（自制的聚合物）得到的一种低分子量聚合物。因为纳米二氧化硅不改性，聚合物无法接枝到二氧化硅的表面，所以必须对其进行改性处理；另一方面，其接枝的疏水基团可以和亲水基团形成亲疏水微区，有助于解决纳米材料团聚的问题。纳米封堵降滤失剂具有强的吸附基团，还可吸附在岩石表面，因此其通过进入孔隙和表面吸附的内外协同作用，起到封堵纳米孔隙以及降滤失作用，封堵前后的微观扫描图见图4。

图4 纳米封堵降滤失剂封堵前后的观扫描图

1.6 纳米封堵降滤失剂的常规性能评价

1）流变及滤失测试。由表1可知，在4%膨润土基浆中，纳米封堵降降滤失剂加量在1%以上时，滤失量的降低率可达到40%以上，同时在加量较小的范围内增大基浆表观黏度，能够形成致密滤饼，具有好的降滤失效果，抗温性也比较好。

2）纳米封堵降滤失剂水溶液滤饼与膨润土浆滤饼形貌分析实验结果见图5。从宏观和微观形貌照片可以看出，与4%膨润土浆滤饼相比，0.6%纳米封堵降滤失剂水溶液形成的滤饼明显更薄且更致密。这主要是由于具有纳米级尺度的纳米封堵降滤失剂颗粒能够致密地堆叠在一起。

表1 纳米封堵降滤失剂单剂评价

图5 膨润土浆和纳米封堵降滤失剂水溶液形成的滤饼

3）纳米封堵降滤失剂同类产品对比评价。由表2可知，该纳米降滤失剂在同样的加量条件下，展现出最好的降滤失性能。

表2 在4%基浆中加入不同降滤失剂性能对比评价

1.7 纳米封堵降滤失剂封堵性能评价

1）纳米封堵降滤失剂具有一定的封堵能力，通过BET（使用美国Quadrasorb-SI比表面分析仪测得）孔结构测试法考察了封堵效果，泥页岩在未加入纳米封堵降滤失剂的纳米级孔隙集中在6 nm左右，当加入封堵剂后，泥页岩的纳米级以下的孔径大大减少，6 nm左右的孔径减少了60%以上，说明纳米封堵降滤失剂具有封堵纳米级孔隙的能力，具有良好的封堵效果，见图6。

图6 纳米封堵降滤失剂加入前后滤饼BET孔结构

2）用岩心动态模拟装置进一步考察了纳米封堵降滤失剂的封堵性能。先将岩心抽空，饱和水，测堵漏前水相渗透率K0，在不同渗透率的填砂管模型中注入纳米封堵降滤失剂，密封填砂管模型两端，并置于120 ℃中养护72 h，将固化的填砂管模型取出，然后反向填砂管模型中驱水，再测封堵后水相渗透率K1，计算纳米封堵降滤失剂的封堵率。

从表3可以看出，纳米封堵降滤失剂封堵率高达90%以上，进一步证明了纳米封堵降滤失剂具有优异封堵效果，以及封堵剂在岩心内部相互作用增大封堵效果。

3）进行岩心压力传递实验，考察封堵后岩心压力传递速度。超低渗透页岩采用页岩膜效率测定仪评价封堵性能，选用超低渗透天然页岩岩心。围压为55 MPa，上游压力为50 MPa，监测下游压力的变化，结果见图7。在4%NaCl盐水体系中，5 h以后下游压力开始增加，而4%纳米封堵降滤失剂溶液60 h以后仍未见增加，可以看出，纳米封堵降滤失剂具有优异的封堵性能，同时更适宜封堵超低渗的页岩孔隙。

图7 页岩封堵前后压力传递图

2 纳米级润滑剂的优选

选取4种纳米级润滑剂作为对比，比较摩擦阻力大小，选取最优的一种，结果见表4。由表4可看出，4种纳米材料均可以提高钻井液的润滑性能，相比较而言，纳米级固体润滑剂RH102的作用效果最明显，当其加量为2.0%时，润滑性能已达到最优，而且还有一定的降滤失效果。

表4 纳米级润滑剂的优选

3 纳米抑制剂的优选

基浆配方为：4%膨润土+0.2%氢氧化钠。首先固定抑制剂浓度为2%，实验结果见图8。从图8可知，纳米小分子氨基聚合物的抑制性能最好，聚醚胺次之。

进一步对比纳米小分子氨基聚合物和聚醚胺的抑制性能，此次将抑制剂浓度固定为4%，并进行滚动回收实验对比。取20 g粒径为2.00～3.35 mm的天然泥页岩岩屑，测试滚动回收率，结果见表5。可以看出，小分子氨基聚合物具有比较高的回收率，表明小分子氨基抑制剂的抑制效果最好。

图8 纳米抑制剂与其他处理剂的页岩线性膨胀性对比

表 5 抑制剂滚动回收实验（150 ℃、16 h）

4 纳米材料钻井液配方及性能评价

1）使用成熟的聚合物钻井液体系为主体进行研究，配方如下。

400 mL基浆+0.15%KPAM+0.50%PAC-LV+1%Redul+1%润滑剂LE-5+3%淀粉+3%NFA-25+5%KCl+3%超细碳酸钙+重晶石

优化后的配方：聚合物钻井液+（1%～3%）纳米封堵降滤失剂+（1%～3%）纳米润滑剂RH102+（0.5%～1.5%）纳米抑制剂小分子氨基聚合物

评价了优化配方的储层保护性能，测定结果见表6。可以看出，该体系的渗透率恢复值为91%。表6实验用配方如下。

400 mL 基 浆 +0.15%KPAM+0.5%PAC-LV+1%Redul+3%超细碳酸钙+1%LE-5+3%淀粉+3%仿沥青NFA-25+5%KCl+3%纳米封堵降滤失剂+1%RH102+0.5%小分子氨基聚合物+重晶石

表6 孔南6井岩心被纳米材料钻井液污染后渗透率恢复值

5 现场应用情况

5.1 地质工程简况

试验井枣1510井位于河北省沧县风化店乡马台子村南约650 m，属于枣园油田枣64井断块，钻探目的为实现Ek22、Ek24及中生界滚动增储。地质设计井深（垂深）为2 988.11 m，斜深为3 660.00 m。井别为评价井，井型为三开定向井。完钻层位为中生界。储层为2个目标靶点：其一是孔二段孔二2油组，垂深为2 240 m，斜深为2 527.07 m ；其二是中生界，垂深为 2 850 m，斜深为3 450.85 m。该井储层保护施工方案为距第1靶点前 50～100 m（垂深为 2 140～2 190 m），根据现场小型试验结果，分别加入0.5%～3%纳米封堵降滤失剂GCY-NFJ、（0.5%～1%）纳米抑制剂GCY-NYJ、（ 0.5%～1%）纳米润滑剂GCY-NRJ，在距离第 2 靶点前 50～100 m（垂深为 2 800～2 750 m）补充油层保护剂。

5.2 现场试验数据

在井深2 430 m加入纳米封堵降滤失剂，井深3 180 m开始加入3种纳米材料钻井液处理剂，实验数据见表7和表8。第1次加入前后钻井液性能对比表，从表7可以看到滤失量有所降低。从后面的3组室内实验数据可以看出，加入纳米材料以后API滤失量有所降低，润滑性能改善较好，其余钻井液性能基本没有变化。砂床漏失实验结果为：3 180 m（未加入纳米材料）、 3 194 m（加入纳米材料）和3 281 m（加入纳米材料）处的侵入深度分别为13.0、8.2和8.0 cm；漏失量均为0，表明加入纳米封堵降滤失剂以后有一定的封堵效果。

表7 现场钻井液加入纳米封堵降滤失剂前后数据

表8 现场钻井液加入3种纳米材料处理剂前后数据

5.3 现场应用结果分析

枣1510、枣1517、枣64和枣91井的井径扩大率分别为10.88%、30.15%、13.97%和18.34%。看出，试验井枣1510井井径扩大率最小，初步说明该纳米材料钻井液有较好的井壁稳定效果。

试油结果分析见表9。从表9可以看出，试验井试油产量均高，说明宏观上起到了保护油层效果。

表9 枣1510井及邻井试油统计

6 结论与认识

1.针对纳米材料钻井液体系团聚的难题，通过研究纳米材料的团聚机理，对纳米材料处理剂进行接枝，使纳米材料处理剂更好地在钻井液中分散，以提高纳米材料对微裂缝和小孔隙的封堵。

2.以自主合成的纳米封堵降滤失剂为核心处理剂，提高纳米钻井液对裂缝和小孔隙的封堵能力，并优选出配套的纳米润滑剂、纳米抑制剂，形成的体系抗温达150 ℃，API滤失量≤2.4 mL，高温高压滤失量≤9.8 mL，润滑系数≤0.04，渗透率恢复值≥91%，目的层井段岩屑回收率≥90.5%。

3.纳米材料钻井液在大港油田枣1510井应用，试油产量高于邻井，说明其具有较好保护油层效果。

4.建议低孔低渗储层可以推广应用纳米材料钻井液体系保护油气层。

[1]马成云，宋碧涛，徐同台，等. 钻井液用纳米封堵剂研究进展 [J]. 钻井液与完井液， 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] 罗 陶涛，欧阳伟，苏志刚. 原位活化纳米材料提高油基钻井液乳化稳定性研究[J].钻井液与完井液，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 辉，王富华. 纳米技术在钻井液中的应用探讨[J].钻井液与完井液，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]耿学礼， 苏延辉， 郑晓斌， 等. 纳米微球保护储层钻井液研究及应用 [J].钻井液与完井液， 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]应春业，李新亮，杨现禹，等. 基于疏水型纳米二氧化硅的页岩气盐水钻井液[J]. 钻井液与完井液， 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] 刘 伟，柳娜，王勇强.钻井液用纳米材料处理剂应用进展[J].化学工程与装备， 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]邓敏，扈蓉，何培鑫.水溶性单体分散聚合物的研究进展[J].胶体与聚合物，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

郑淑杰，蒋官澄，肖成才，等.纳米材料钻井液在大港油田的应用[J].钻井液与完井液，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

中国石油化工联合基金重点支持项目“页岩气钻探中的井壁稳定及高效钻完井基础研究”（U1262201）。

郑淑杰，1969年生，工程师，1991年毕业于大港石油学校石油工程专业，一直从事钻井液研究及钻井液设计工作。电话（022）25925321；E-mail：zhengshjie@petrochina.com.cn；656129637@qq.com。

2017-07-29；HGF=1703N2；编辑 王小娜）