鉆井液用膨潤土

可作為濾失控制劑和增黏劑用于鉆井液中，由于膨潤土顆粒的絮凝性，高溫條件下膨潤土顆粒會聚在一起形成疏松開放的網(wǎng)絡(luò)，這會增加濾失量并影響膨潤土的性能。而在膨潤土基鉆井液中加入海泡石可以控制其在高溫條件下的性能。研究發(fā)現(xiàn)， 基鉆井液可以在200℃的高溫下保持良好的流變性，然而，鉆井作業(yè)中不建議采用大顆粒海泡石基鉆井液，因其濾失量太大。ALTUNG等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海泡石粒徑較小時(shí)，海泡石基鉆井液的性能更優(yōu)，海泡石對鉆井液流變性的控制能力更好。

納米顆粒粒徑?。?-100nm）、比表而積大、吸附能力強(qiáng)。不論哪種用途，納米顆粒的用量都很低，因此總的來說成本很低。研究表明，納米顆?？梢詼p少鉆井液在頁巖地層中的濾失量，降低泥餅厚度，控制高溫高壓條件下鉆井液的流變性，且可以通過改變納米顆粒的大小來改變鉆井液的性能。為了堵塞頁巖中的孔隙，納米顆粒的有效粒徑應(yīng)在3-10nm。這些研究都是利用納米顆粒堵塞頁巖地層孔隙從而抑制鉆井液向頁巖中濾失。

1、實(shí)驗(yàn)

原料：納米顆粒平均直徑50nm海泡石的（見圖1）。

（1）納米海泡石添加量試驗(yàn)

為了研究海泡石納米顆粒對膨潤土基鉆井液流變性的影響，測量添加海泡石納米顆粒前后膨潤土基鉆井液在低溫低壓條件下的塑性黏度、動切力和濾失量。分別對清水基鉆井液（600mL去離子水+50g膨潤土）和鹽水基鉆井液（600mL去離子水+50g膨潤土+2%NaCl）進(jìn)行研究。表1為設(shè)計(jì)的不同鉆井液的組成。

（2）高溫高壓試驗(yàn)

高溫高壓下鉆井液性能發(fā)生改變是深井鉆井而臨的一大難題。因此，使用OFITEHTHP黏度計(jì)測量添加海泡石納米顆粒前后膨潤土基鉆井液在高溫高壓條件下的塑性黏度和動切力。不添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液組成為離子水+7.9%膨潤土，添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液組成為去離子水+6.1%膨潤土+1.4%海泡石納米顆粒，兩種鉆井液pH值均為l0。

（3）砂巖樣品試驗(yàn)

在儲集層溫度壓力條件下，采用Berea砂巖巖心樣品對添加海泡石納米顆粒前后膨潤土基鉆井液在地層中的濾失量及對地層的傷害程度進(jìn)行對比。不添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液組成為去離子水+7.5%膨潤土+2%NaCl，添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液組成為去離子水+7.5%膨潤土+1.3%海泡石納米顆粒+2%NaCl。

Berea砂巖樣品是石油工業(yè)研究中使用最廣泛的一種均質(zhì)砂巖樣品。表2為Berea砂巖巖心的基本參數(shù)，其中滲透率和孔隙度分別采用穩(wěn)態(tài)氣體滲透率測試儀和氦孔隙度儀測量，采用儲集層條件下地層傷害測試儀對鉆井液濾失造成的地層傷害進(jìn)行研究。

具體步驟為：首先，利用真空干燥器將巖心用鹽水飽和，將巖心水平放置于巖心驅(qū)替設(shè)備中的巖心夾持器中；其次，在巖心上施加10.35MPa（1500psi）的圍壓，以0.5mL/min的速度注入鹽水，測量初始滲透率；然后，在1.04MPa（150psi）壓力下，從巖心的另一端注入鉆井液，驅(qū)替6h后靜置6h，測量動態(tài)濾失量和靜態(tài)濾失量；最后，注入鹽水，測量恢復(fù)滲透率。巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)溫度為60℃。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

（1）納米海泡石添加量試驗(yàn)

圖2和圖3分別為室溫室壓條件下添加海泡石納米顆粒前后膨潤土基鉆井液塑性黏度和動切力的變化情況。

在膨潤土基鉆井液中加入海泡石納米顆粒后，鉆井液塑性黏度和動切力均有所提高，動切力提高說明添加海泡石納米顆粒可以增強(qiáng)鉆井液的攜巖能力；加入2%NaCl后，由于膨潤土的絮凝性，鉆井液的動切力降低，但加入海泡石納米顆?？梢蕴岣吆}膨潤土基鉆井液的動切力。ARIEH S等研究發(fā)現(xiàn)，即使在鉆井液高含鹽的情況下，海泡石的結(jié)構(gòu)也是穩(wěn)定的，可以有效控制鉆井液的流變性。

圖4為在室溫、壓力0.69MPa（100psi）條件下添加海泡石納米顆粒前后膨潤土基鉆井液濾失量的變化情況，可以看出：在清水基鉆井液中加入海泡石納米顆粒并不能降低鉆井液的濾失量，在鹽水基鉆井液中加入海泡石納米顆粒甚至?xí)岣咩@井液濾失量，說明在較低的溫度、壓力條件下海泡石納米顆粒不是一種有效的鉆井液濾失控制劑；不論是添加還是不添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液，加入鹽后，濾失量都顯著增大。此外，加入淀粉作為濾失控制劑后，可將添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液的濾失量降低約36%（見圖5）。

（2）高溫高壓試驗(yàn)

隨著鉆井深度的增加，溫度和壓力逐漸增大，鉆井液性質(zhì)會發(fā)生變化。為了實(shí)現(xiàn)成功鉆井，需要鉆井液在高溫高壓下具有穩(wěn)定性。圖6和圖7分別為溫度（50-180℃）和壓力（3.45-41.37MPa）對添加海泡石納米顆粒前后膨潤土基鉆井液流變性的影響。

由圖6、圖7可知，隨著溫度和壓力的升高，不添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液流變性不穩(wěn)定，塑性黏度和動切力波動較大且無規(guī)律，塑性黏度在0-135mPa?s，動切力在0-74.2Pa。而通常在現(xiàn)場應(yīng)用中，塑性黏度應(yīng)小于35mPa?s，動切力應(yīng)為7.1-14.2Pa。由圖6、圖7可知，在膨潤土基鉆井液中添加海泡石納米顆粒后，在各種溫度壓力條件下，塑性黏度在15-40mPa?s，動切力在0-14.2Pa。因此，添加海泡石納米顆粒后，膨潤土基鉆井液可以在較大的溫度和壓力范圍內(nèi)特別是高溫高壓條件下保持穩(wěn)定的流變性。

（3）砂巖樣品試驗(yàn)

由圖8可知，儲集層溫度（600C）和壓力（10.35MPa）條件下，在含鹽膨潤土基鉆井液中加入海泡石納米顆粒后，鉆井液濾失量降低了15%。這是因?yàn)?，海泡石納米顆粒不溶于水，它們堵塞砂巖孔隙并防止膨潤土顆粒侵入砂巖地層。巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)前，孔隙空間干凈，不含膨潤土或海泡石納米顆粒（見圖9）。

巖心經(jīng)過不添加海泡石納米顆粒的膨潤土鉆井液驅(qū)替后，膨潤土侵入地層深部，且可以在注入端觀察到（見圖10）。

巖心經(jīng)過添加海泡石納米顆粒的膨潤土鉆井液驅(qū)替后，注入端沒有觀察到膨潤土顆粒（見圖11，圖中細(xì)長顆粒是海泡石納米顆粒）。因此，海泡石納米顆粒堵塞了砂巖孔隙，減少了膨潤土顆粒向地層中的侵入，膨潤土聚集在地層表而形成濾餅，從而減少了鉆井液濾失。

巖心經(jīng)過不添加和添加海泡石納米顆粒的膨潤土鉆井液驅(qū)替后，出口端既沒有膨潤土也沒有海泡石納米顆粒（見圖12、圖13）。這是由于砂巖巖心的致密性及巖心表而形成濾餅使得固體顆粒不會大量侵入地層。

由表3可知，添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液引起的砂巖巖心滲透率降低量比不添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液引起的砂巖滲透率降低量要低23.4%，顯著減輕了地層傷害。

3、結(jié)論

（1）在清水和鹽水膨潤土基鉆井液中加入海泡石納米顆粒后，鉆井液塑性黏度和動切力均有所提高，說明海泡石納米顆粒可以作為膨潤土水基鉆井液的增黏劑和提切劑，增強(qiáng)鉆井液的攜巖能力。

（2）在較低的溫度、壓力條件下海泡石納米顆粒不是一種有效的鉆井液濾失控制劑，但是加入淀粉作為濾失控制劑后，可顯著降低添加海泡石納米顆粒膨潤土基鉆井液的濾失量。

（3）海泡石納米顆?？梢栽谳^大的溫度（50-180℃和壓力（3.45-41.37MPa）范圍內(nèi)特別是高溫高壓條件下控制鉆井液的塑性黏度和動切力，保持鉆井液流變性的穩(wěn)定。

（4）在儲集層溫度壓力條件下，添加海泡石納米顆?？墒古驖櫷粱@井液的濾失量降低約15%。與不添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液相比，添加海泡石納米顆粒的膨潤土基鉆井液引起的砂巖滲透率降低量要低23.4%。

（5）海泡石納米顆粒作為膨潤土基鉆井液的添加劑，不僅可以控制鉆井液的流變性，還可以減少鉆井液濾失、減輕地層傷害。

資料來源于采用海泡石納米顆?？刂婆驖櫷粱@井液性能。