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纳米材料钻井液在油田中的应用

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摘要:本文通过分析设计对纳米材料的表面性能进行了改进,在此基础上研制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,聚合物分子的疏水性、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分散在钻井液中,不仅具备优秀的降滤失性能,同时还具备良好的柔性可变形性。之后,以此降滤失剂为核心处理剂,对配套使用的纳米润滑剂和抑制剂进行优选。

关键词:纳米材料;降滤失剂;润滑剂;抑制剂;钻井液

为了进一步提升钻井液的油气层保护效果,研究人员将纳米材料引入该领域中,开展了纳米材料钻井液油层保护技术的研究。将纳米处理剂加入到钻井液中,能够对微裂缝和小孔隙进行有效的封堵,并对低孔和低渗储层进行保护,最大程度的降低钻井液中液相进入储层产生的水锁损害,大幅度的提升采收率。因此对纳米材料钻井液的研究具有十分重要的实践意义。

1纳米材料概述

1.1纳米材料的概念

纳米材料指的是晶粒或是颗粒尺寸处于1~100nm范围内的超细材料,由于其颗粒尺寸较小,比表面积大,表面原子数、表面能、表面张力随着粒径的下降出现了大幅度的提升,因此表现出量子尺寸效应、表面效应以及宏观量子隧道效应等特点。

1.2纳米效应

首先,量子尺寸效应。其指的是当纳米微粒的尺寸降低到某一值时,金属费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能级,同时随着尺寸的减小,能级间距则会不断增大,出现分裂现象,当其能级间距大于光、电等平均能级间距时,纳米粒子的磁学性能、电学性能等都会发生一系列变化。其次,表面效应。指的是纳米材料的表面原子数和总原子数之比随着晶粒或是颗粒尺寸的降低出现急剧增加,从而引起性质上的变化。如无机非金属纳米颗粒在空气中就会表现出较强的吸附性。其三,宏观量子隧道效应。隧道效应指的是微观粒子贯穿势垒的能力,近些年来,一些研究人员发现一些零维颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量等宏观量也具备隧道效应。

2纳米封堵降滤失剂的研制探究

2.1设计纳米封堵降滤失剂的结构

本文选用的是刚性的无机纳米粒子为核,接枝柔性的聚合物。柔性聚合物中含有的特殊官能基团不仅可以赋予无机纳米粒子柔性可变形性,使其根据孔隙的实际大小进行自主变形,同时还能起到分散无机纳米粒子的作用。

2.2无机纳米粒子的优选

在进行无机纳米粒子优选的过程中,使用电位分析仪器对多种纳米材料的粒度分布进行测定,其中粒径能够达到10nm以下的只有改性纳米二氧化硅接枝的柔性聚合物,因此本文即采用这种物质。一般情况下,纳米二氧化硅和改性纳米二氧化硅的粒径都处于50nm以下,但是二者在水溶液中的粒径则达到了100nm以上,因此改性纳米二氧化硅接枝的柔性聚合物的粒径能够达到10nm以下,说明其在水溶液中出现了稳定的分散。

2.3柔性聚合物的优选

为了获得性能最佳的柔性聚合物,将经过特殊改性的纳米二氧化硅接枝常用的乙烯基单体,获得了多种不同的聚合物,之后分别加入到固定比例的膨润土浆中,测定获得相应的滤失量。之后再将改性的纳米二氧化硅分别接枝聚丙烯酸、聚乙烯醇等聚合物获得,重复上述试验,获得相应的滤失量。最后将各种柔性聚合物的滤失量进行对比分析可知,将改性的纳米二氧化硅接枝常用的酰胺基单体获得的聚合物的降滤失效果最佳。

2.4纳米封堵降滤失剂的作用机理分析

通过上述研究,选用改性纳米二氧化硅为核,接枝自制的酰胺基单体获得了一种低分子量聚合物,即是纳米封堵降滤失剂。在不改性的情况下,很难在二氧化硅表面接枝聚合物,因此在此之前必须对纳米二氧化硅进行改性处理。

2.5对纳米封堵降滤失剂的常规性能评价

为了对上述纳米封堵降滤失剂的常规性能进行检测评价,对其进行了流变及滤失测试,根据试验结果来看,在一定比例的膨润土基浆中,纳米封堵降滤失剂的加量超过1%,其滤失量的降低率可达到40%以上,且抗温性也较为显著。之后对纳米封堵降滤失剂水溶液滤饼和膨润土浆滤饼的形貌进行了宏观和微观的分析实验,根据实验结果,使用纳米封堵降滤失剂的水溶液形成的滤饼,其薄度更小且致密性更强。此外,将纳米封堵降滤失剂的使用效果和其它同类产品进行比较之后可知,在加量相同的情况下,前者表现出的降滤失性能更加优秀。

2.6纳米封堵降滤失剂封堵性能的评价分析

为了测定评价纳米封堵降滤失剂的封堵能力,使用孔结构的测试法,将纳米封堵降滤失剂加入到泥页岩中,通过表面分析仪测定发现,在加入降滤失剂后泥页岩的纳米级以下的孔径大的大幅度减少,降幅可以达到60%以上。之后,通过岩心动态模拟装置对纳米封堵降滤失剂的封堵性能进行进一步检验。具体方法为在不同渗透率的填砂管模型中注入纳米封堵降滤失剂,将砂管模型的两端进行密封,在120℃的温度下养护一段时间,测定封堵后的水相渗透率。从结果来看,纳米封堵降滤失剂的封堵率可以达到90%。最后,采用岩心压力传递试验对封堵后的岩心压力传递速度进行测定,通过结果分析可知,纳米封堵降滤失剂具备优异的封堵性能。

3纳米润滑剂和纳米抑制剂的优选

3.1纳米级润滑剂的优选

本文选用多种不同的纳米级润滑剂进行了对比,选定的纳米材料都可以提高钻井液的润滑性能,因此通过测定其摩擦阻力,同时考虑到降滤失效果,选出了最佳的一种,纳米级固体润滑剂RH102。

3.2纳米抑制剂的优选配置

4%膨润土+0.2%的氢氧化钠,将抑制剂浓度固定为2%。从实验结果来看,纳米小分子氨基聚合物的抑制性能最好,其次是聚醚胺。之后对二者的性能进行了进一步的对比,将抑制剂的浓度提高到4%,并进行了滚动回收试验对比,通过测试滚动回收率并对比,可以知道小分子氨基聚合物的回收率较高,这说明氨基抑制剂的性能更加优秀。

4纳米材料钻井液在油田现场的应用情况

4.1地质工程情况简介

为验证应用了上述纳米封堵降滤失剂、润滑剂和抑制剂的纳米钻井液的实际应用效果,本次选用了河北省某地一个油井作为试验井,深度为2988m,斜深度超过3600m,该井储层保护施工方案为距离地进行储层两个目标靶点中第一个靶点前50~100m,根据现场小型实验结果,分别加入不同浓度的各种纳米封堵降滤失剂,并在距离第二个靶点50~100m处补充油层保护剂。4.2现场试验数据和结果分析在井深2456m处加入纳米封堵降滤失剂,在井深3172m处开始加入三种纳米材料钻井液处理剂,获得了相应的试验数据。通过对比分析可知,在第一次加入之后,滤失量出现了一定幅度的降低。砂床漏失试验的漏失量为零,说明加入纳米封堵降滤失剂以后取得了良好的封堵效果。此外,试验井试油产量均出现了一定程度的提高,说明纳米材料钻井液起到了良好保护油层的效果。

5结语

综上所述,本文针对纳米材料钻井液体系团聚的问题,深入分析了纳米材料的团聚机理,在此基础上对纳米材料处理剂进行了接枝,促进了纳米材料处理剂在钻井液中的良好分散,使得纳米材料的封堵性能得到了充分的发挥。其次,以自主合成的纳米封堵降滤失剂为核心处理剂,促进了纳米材料钻井液丰富裂缝和小孔隙能力的提升。再次,将纳米材料钻井液应用到油井中,使得试油产量出现了一定幅度的提升,由此可见,钻井液发挥出了良好的保护油层效果。因此,可以将本文研究出的纳米材料钻井液应用到低孔低渗储层的油气层的保护中。

参考文献:

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作者:马鹏 单位:德州大陆架石油工程技术有限公司

纳米材料钻井液在油田中的应用责任编辑:张雨    阅读:人次