油基钻井液用纳米材料CQ-NZC的封堵性能评价

罗米娜，艾加伟，陈馥，陈俊斌，罗陶涛

（1 油气田应用化学四川省重点实验室，四川 成都 610500；2 西南石油大学化学化工学院，四川 成都 610500；3 中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，四川 广汉 618300）

四川盆地川南龙马溪组储层硬脆性泥页岩微孔隙十分发育，在钻井过程中常常遭遇井壁失稳的问题[1]。油基钻井液在页岩气开发中具有优异的防塌润滑性能，但由于油基钻井液体系中一般含有10%～20% 的水，在大的压差条件下，钻井液中的水相会大量进入张开的微缝，引起地层坍塌[2]。因此，进一步提高油基钻井液的封堵能力显得十分重要。龙马溪组泥页岩储集空间主要集中在 6～120nm[3]，微裂缝缝宽主要在0.8～2μm[1]。在油基钻井液中加入纳米材料等刚性粒子[4-5]与氧化沥青等软性粒子产生相互作用，则有助于封堵微裂缝，起到稳定井壁的作用。近年来，对钻井液纳米处理剂及其在钻井液中的应用[6-9]相关报道比较多，但是对纳米颗粒的封堵性能[10-11]的评价尚无标准方法，相对来说报道较少。因此，建立科学的方法来评价纳米颗粒在钻采过程中所起的作用是非常有意义的。

目前，对微裂缝封堵效果评价的主要方法有3种：API 滤失量测定实验、高温高压静/动滤失评价实验[12]以及低渗人造岩心封堵评价实验[13-14]。这些方法中，前两者都是用特定的滤纸来模拟地层裂缝，不能很好地反映微裂缝和微孔隙的情况；人造岩心模拟则存在模拟成本过高、对仪器要求较高、大量重复实验困难等不足。本研究建立了一种实验室用的简便可行的方法来评价微裂缝封堵效果。实验中采用不同规格的砂芯漏斗模拟地层微裂缝，对油基钻井液中加入纳米材料作为刚性封堵剂，并配合以氧化沥青等软性粒子的封堵效果进行研究，对纳米材料的现场使用提供了必要的数据支持。

1 药品和仪器

疏水纳米材料CQ-NZC，自制；白油为5 号矿物油；钻井液处理剂包括有机土、主乳化剂（SP-80）、辅乳化剂（脂肪酸CQ-HWS）、润湿剂（季铵盐类表面活性剂CQ-WBP）、降滤失剂（氧化沥青）、生石灰、氯化钙、重晶石，均为工业级，中国石油川庆钻采院钻井液公司提供；去离子水。

JSM-7500F 扫描电子显微镜仪，日本电子株式会社；Fann 35SA 六速旋转黏度计、Fann 23E 电稳定性测试仪，美国Fann Instrument 公司；SHZ-D(Ⅲ)真空抽滤机，巩义市英峪仪器厂；API 滤失仪、GGS71-B 型高温高压滤失仪，青岛海通达专用仪器有限公司；A3300IS 数码相机，日本佳能有限公司；砂芯漏斗，G1（孔径20～30μm），G3（孔径4.5～9μm），G5（孔径1.5～2.5μm）

2 实验方法

2.1 纳米材料CQ-NZC 形貌表征

选取所需量疏水改性的CQ-NZC放入导电胶中喷金，进行SEM（扫描电子显微镜）分析，以观察其微观形貌和尺寸大小。

2.2 钻井液的流变性及电稳定性测定

按加入顺序：白油425mL、有机土3%、主乳化剂3%、辅乳化剂1%、润湿剂2%、生石灰2%、盐水（20% CaCl2）75mL，配制成油包水乳化钻井液基液500mL。基液配好后，加一定量的重晶石，配制成密度为 1.2g/cm3的油基钻井液（标记为0#钻井液）。在此钻井液中添加2%氧化沥青作为1#钻井液，在1#钻井液中加入1% CQ-NZC 作为2#钻井液。

分别在25 ℃下测定钻井液老化（120℃下热滚16h）前后的常规流变性及破乳电压。其中破乳电压是用来反映油包水乳状液相对稳定性的参数，使用Fann 23E电稳定性测试仪对油包水乳化钻井液通入电流，当乳化钻井液开始破坏时的电压称为破乳电压。破乳电压愈高，说明乳状液愈稳定。

2.3 钻井液体系封堵评价

为了更全面地评价钻井液体系的封堵性，本文测试了API 滤失量、HTHP 滤失量及泥饼的质量、砂床实验浸入深度等，从宏观上评价纳米材料CQ-NZC 对钻井液封堵性能的影响；同时，通过对泥饼进行微观分析以及砂芯漏斗模拟微裂缝实验等，从微观上对封堵性能进行了评价和分析。

2.3.1 油基钻井液滤失量及泥饼评价

按2.2 节中配制钻井液样品0#、1#和2#，对比考察氧化沥青和纳米材料的加入对钻井液滤失量、泥饼微观结构的影响。由于油基钻井液泥饼很薄，很难测定其厚度，故采用泥饼质量来评价其质量。实验中，泥饼为API 标准测定中压滤失滤饼，经过真空度0.05MPa、温度90℃下恒温烘干12h 所得。 2.3.2 砂床实验

砂床实验[15]是钻井液体系封堵效果评价广泛采用的方法之一。按照2.2 节的配液方式配制钻井液。改变纳米材料CQ-NZC 的加量分别为0%、1%和2%。在不加滤纸的滤网上将180cm3的60～80目砂子倒入筒状可视的钻井液杯中，摇实铺平，再倒入250cm3的试样浆，将杯盖拧紧，接通气源，将压力调至0.69MPa，憋压5min 后，打开放气阀，气源进入钻井液杯中，测量30min 的最大浸入深度。

2.3.3 砂芯漏斗实验

在地质学上，一般认为小于100μm 的裂缝为微裂缝。龙马溪组的泥页岩微裂缝缝宽主要在0.8～2μm，在对四川其他泥页岩储层分析[16]发现，泥页岩中同时存在5～100μm 的微裂缝。因此，实验选用G1（孔径20～30μm）、G3（孔径4.5～9μm）、G5（孔径1.5～2.5μm）共3 种规格的砂芯漏斗（滤板厚度为4.0mm）来模拟页岩地层微裂缝，通过对钻井液在不同规格的砂芯漏斗滤板上的浸入程度以及滤板内部表面的电镜照片来对比考察油基钻井液中加入沥青类封堵材料与加入纳米材料后的封堵 性能。

按照2.2 节的配液方式，配制钻井液1#、2#样品，并考察加入的沥青类封堵剂及纳米材料对钻井液封堵效果的微观影响。两样品分别通过型号分别为G1、G3、G5 的3 种玻砂漏斗，抽滤压力为0.08MPa ，抽滤时间为30min。同时，用数码相机拍摄记录所有样品在滤板上的浸入情况。实验简易装置图如图1 所示。并选取样品通过G3 漏斗后的砂芯作扫描电镜分析，从微观上评价其封堵情况。

图1 封堵效果评价装置

3 结果与讨论

3.1 纳米材料CQ-NZC 形貌表征

用扫描电镜对CQ-NZC 的微观图像进行观察，如图2 所示。CQ-NZC 放大10 万倍和20 万倍后根据电镜图片标尺可知，纳米颗粒基本低于100nm。颗粒分布比较均匀，呈球状，表现出一定的团聚 现象。

3.2 纳米材料对钻井液体系性能的影响（表1）

从表1 中数据可知，加入纳米材料后，钻井液体系的黏度和切力都有所增加，但是增加的幅度不大。破乳电压有明显的提升，说明纳米材料的加入有助于油基钻井液体系的稳定。

3.3 纳米材料封堵性评价

3.3.1 滤失量及泥饼质量评价

钻井液在加入氧化沥青和纳米材料前后的滤失量及泥饼质量的变化，实验结果见表2。

从表2 中数据可知，加入氧化沥青后，钻井液滤失量降低，但是泥饼质量并没有较大的变化。在钻井液中同时加入CQ-NZC 纳米材料，滤失量有较大幅度降低，泥饼质量也明显减小，说明CQ-NZC的加入对钻井液的滤失量及泥饼质量都有显著 影响。

图2 CQ-NZC 的SEM 图像

表1 钻井液的流变性数据及电稳定性

表2 油基钻井液的滤失量及泥饼质量

为了更好地评价泥饼的质量，通过扫描电镜对其微观情况进行分析。图3～图5 中给出了上述泥饼的截面和表面的电镜扫描图片（放大5000 倍）。

从图3 中可以明显看出，0#所得泥饼的截面较为疏松，孔隙较多，同时其表面也存在较多孔隙，且不平整，主要为重晶石和有机土堆砌而成。因此，其滤失量较大，形成的泥饼质量也较大。

图3 0#钻井液所得泥饼的SEM 图

图4 1#钻井液所得泥饼的SEM 图

图5 2#钻井液所得泥饼的SEM 图

由图4 可知，1#钻井液所得泥饼从截面来看，部分区域胶结较好，从表面来看，泥饼表面的堆积更为紧密，质量明显变好。这主要是沥青类封堵剂在高温下软化，起到了一定的堵塞和胶结作用，但是截面上仍有部分区域比较疏松。总的来说，氧化沥青的加入使滤失量降低了，但是泥饼仍然较厚，质量较大。

根据图5 所示，不管是泥饼截面还是表面，都堆积得更为紧密。这主要是因为CQ-NZC 纳米颗粒的加入，填入了泥饼中一些小的孔隙，CQ-NZC 与氧化沥青及重晶石的相互作用，使得泥饼更加紧密，滤失量明显降低，同时泥饼厚度与质量也相应减小，泥饼质量得到改善。但是，截面仍然有部分小空隙，可能是由于级配不够均匀的缘故。

3.3.2 砂床浸入深度

实验对比了添加纳米材料CQ-NZC 加入前后，钻井液的浸入深度，评价效果如表3。

通过对比可知，加入CQ-NZC 后，老化前后的砂床浸入深度均显著减小，且随着纳米材料用量的增多呈减小的趋势。可见，在钻井液体系中加入CQ-NZC 可以提升其封堵性能。

表3 砂床浸入深度

3.3.3 砂芯漏斗模拟法评价封堵性能

为了更准确地评价其封堵性能，实验中设计了砂芯漏斗模拟法，就是用一定孔径的砂芯漏斗来模拟页岩地层微裂缝，然后在一定的压力下评价工作液的封堵性能。

图6 中列出了2#钻井液在G3 滤板上的浸入情况，可见其浸入深度达到2.1mm。其他浸入情况见表4。

通过对比表4 中的浸入深度可知，由于滤板的厚度有限，对于孔径较大的G1 滤板，1#和2#钻井液均能全部浸入，可见对20～30μm 的裂缝封堵能力有限。对比在G3 和G5 滤板上的情况，加入CQ-NZC 的2#钻井液的浸入深度均小于1#，因此可以认为，对于这类小于10μm 的微裂缝，加入纳米材料后具有更好的封堵性能。

为了进一步研究纳米材料添加对封堵性能的影响机理，对G3 砂芯漏斗的表面（放大5000 倍）及内部截面（放大1000 倍）进行了电镜扫描，见图7和图8。

钻井液在通过砂芯漏斗时，均在滤板上面形成一层很薄的滤饼。通过对图7 中的两图进行对比可知，加入CQ-NZC 以后，滤板表面的颗粒间的空隙明显变小，更加致密，说明CQ-NZC 的加入对滤板起到了很好的封堵作用。

图6 2#钻井液在G3 滤板上的浸入情况

表4 钻井液在砂芯漏斗滤板上的浸入深度

图7 砂芯漏斗G3 滤板的表面SEM 图

图8 砂芯漏斗G3 滤板的截面SEM 图

图8 为对G3 滤板的截面图。进行对比可知，钻井液进入滤板后，沥青类的封堵剂可以将一些孔隙堵住，从而起到一定的封堵作用，而加入CQ-NZC后，纳米颗粒与沥青类封堵剂相互作用，在一定程度上聚结形成了不同级配的堵孔粒子，使得封堵效果更好。

4 结 论

（1）在钻井液中加入一定量的CQ-NZC 纳米材料，可以有效提升其破乳电压，说明纳米材料的加入有助于油基钻井液体系的稳定。

（2）通过对滤失量、泥饼质量及泥饼微观形态进行分析，CQ-NZC 配合沥青类封堵剂的使用，可以起到比单独使用沥青类封堵剂更好的降滤失作用及封堵性能。CQ-NZC 与沥青类封堵剂可以在一定程度上聚结，形成堵孔粒子，提升钻井液体系的封堵性能。

（3）通过实验发现，使用砂芯漏斗可以很好地模拟地层中的微裂缝，钻井液在不同规格的砂芯滤板的浸入情况及表面、截面的封堵情况，有利于人们从宏观上和微观上分析封堵剂的封堵效果和封堵机理。

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