张毅 陈东 邓钧耀 张慧 刘富

摘      要： 纳米流体本身的特异性使其在钻井液中得到了有效应用，有助于解决高压高温环境中的高效钻井问题。通过在黄原胶水溶液中添加CuO和ZnO纳米流体作为基础流体，制备了纳米流体强化的水基钻井液 （NWBM）。通过实验对其流变性能进行了对比分析，纳米颗粒的质量分数分别为0.1%、0.3%和0.5%。结果显示：与WBM相比，NWBM的热和电性能提高了约35%;与基于ZnO纳米流体的NWBM相比，基于CuO纳米流体的NWBM更为耐压耐温;NWBM相比于WBM，其流变稳定性更好，且在较高温度下，压力对NWBM流变学的影响更为显著;纳米流体对钻井液最大的改善便是能够在较高温度下使其黏度维持稳定。

关  键  词：纳米流体;钻井液;高压高温;流变性

中图分类号：TE254      文献标识码： A       文章编号：1671-0460（2020）09-1863-04

Abstract： The specificity of nanofluid itself makes it be effectively used in drilling fluids to solve the problem of efficient drilling in high-pressure and high-temperature environments. In this paper， nano-fluid reinforced water-based drilling fluid （NWBM） was prepared by adding CuO and ZnO nano-fluids to the xanthan gum aqueous solution as basic fluids. The rheological properties were compared and analyzed through experiments. The mass fractions of nanoparticles were 0.1%， 0.3% and 0.5%， respectively. The experimental results showed that the thermal and electrical properties of NWBM were improved by about 35% compared to WBM; compared with NWBM based on ZnO nanofluid， NWBM based on CuO nanofluid was more pressure and temperature resistant; Its rheological stability was better， and at higher temperatures， the effect of pressure on NWBM rheology was more significant; the biggest improvement of nanofluids on drilling fluids was that they maintained theviscosity of drilling fluid at higher temperatures.

Key words： Nanofluid; Drilling fluid; High pressure and high temperature; Rheology

复杂油藏或深海地区钻探过程中钻井液的使用尤为重要，因为其往往面临高压、高温甚至高盐环境[1-3]，通常在钻井过程中，将水基钻井液、油基钻井液及其衍生物之类的液体与合适的聚合物和黏土添加剂一起使用[4]。钻井液基液的选择能极大地影响钻井过程。就润滑性能而言，油基钻井液已被确立为主要的泥浆体系，其自身具备良好的流变特性及温度稳定性，在钻井过程中能维持井眼稳定，降低鉆进扭矩和阻力，且有效控制流体损失和滤饼质量，同时可清洁钻孔[5]。当然也存在一定的缺陷，如成本高及环保性差。相比之下，水基钻井液具有一定成本优势，但其效果较差。学者们开展了大量关于水基钻井液的研究，且试图通过使用合适的添加剂来优化水基钻井液的流变性能，但始终未能找到如意的方法。

纳米科技的出现打破了这一瓶颈，尤其是针对水溶性聚合物在高温下的降解，通过纳米技术可得到有效解决。纳米流体可改善例如勘探、钻探、完井、生产等多个过程，甚至提高采收率。纳米颗粒可用于解决与钻井过程中管子卡死、漏气及扭矩等相关的问题已被多人证实。AGARWAL等研究了纳米黏土和纳米二氧化硅在基于HPHT反相乳液的钻井液中的应用，并观察了它们对钻井液流变性的影响[6]。PAIAMAN和ANAZI发现随着压力和温度的升高，向钻井泥浆中添加纳米炭黑颗粒会降低泥饼的厚度，从而有助于防止管道堵塞[7]。JAVERI等也发现可以使用硅纳米颗粒来减少循环损失[8]。LEE等研究了氧化铁磁性纳米颗粒来提供对钻井液黏度的原位控制[9]。在WBM中使用纳米颗粒作为页岩抑制剂的研究表明，其可减少流体（水）渗透到页岩中的能力，从而减少了井眼失稳的问题。

目前用于钻井液的聚合物作为纳米颗粒的基础液将有助于确保在整个钻井液组合物中更好地分配，并且可以忽略纳米流体进入钻井液的影响。因此，本文通过黄原胶水溶液为基底液，将其与纳米CuO和ZnO聚合作为基础流体制备了纳米流体强化的水基钻井液 （NWBM），并分析了不同纳米颗粒质量分数及种类对NWBM流变性能的影响。

1  实验部分

1.1  实验材料

粒径小于50 nm且纯度大于97%的纳米ZnO和CuO，购于广州化学试剂厂;纯度为37%～41%的甲醛、85%的氢氧化钾及99.5%的氯化钾，均购于上海阿拉丁试剂有限公司;黄原胶、聚阴离子纤维素和膨润土，均来自上海麦克林生化科技有限公司。

1.2  实验步骤

1.2.1  纳米流体的制备与表征

使用两步法制备纳米流体，将质量分数为0.1%、0.3%、0.5%的CuO和ZnO纳米颗粒添加至0.4 %的黄原胶基础流体中，并用超声波分散1 h。

1.2.2  钻井液的制备

预水合膨润土浆液用于制备WBM，其中添加黄原胶作为增黏剂，并为钻探泥浆提供良好的剪切稀化和悬浮特性;加入聚阴离子纤维素作为流体损失控制剂，添加氯化钾以制备抑制性泥浆;KOH用于确定钻井泥浆的pH范围为9～9.5;加入甲醛以确保天然聚合物不会由于细菌作用而降解;NWBM使用相同的基础配方进行制备，并向其中添加1%的纳米流体。所使用的的纳米钻井液配方如表1所示。

1.2.3  流变学性能测试

通过应力控制流变仪测试钻井液的剪切流变性能。通过将剪切速率从10 s-1更改为1 200 s-1，可以进行受控的剪切应力测试。针对不同温度（25、70、90、110 °C）和压力（0.1、10 MPa）条件进行了钻井液的流变学特性测试。

2  结果与讨论

主要研究了不同温度中NWBM分别在0.1、  10 MPa下的流变学特性变化，并将其与WBM进行了对比分析。

2.1  温度对钻井液黏度的影响

在钻井作业期间，钻井液要承受的温度和压力会随着深度的增加而增加。相反，压力和温度对WBM的影响是：升高温度会降低钻井液的黏度，这主要与流体的热膨胀有关，而增加压力则由于压缩而增加了黏度。因为在0.1 MPa时高于90 ℃的基础流体可能会蒸发水，从而导致流变数据波动。因此，在0.1 MPa下测试WBM时，分别在温度为25、70、90 ℃的条件下进行。

图1为温度对0.1 MPa和10 MPa时WBM黏度的影响。从图1（a）很明显可以看出，WBM的黏度会由于温度的升高而降低，且会观察到剪切稀化特性，即黏度随着剪切速率的增加而降低;图1（b）为10 MPa下NWBM在25、70、90、110 ℃下的黏度变化规律，同样可以看出类似于图1（a）的黏度降低趋势;然而图1（c）则显示其黏度值远低于0.1 MPa和较低温度下的黏度值。同时，从不同参数变化对钻井液黏度的影响结果可以看出，较低的温度（25±1 ℃）下，压力确实会影响基础钻井液的黏度。然而在高温（90±1 ℃）下，可以预期到黏度会更大程度地降低，压力不会影响基础WBM的黏度。此外，AC （冷却后）10 MPa下的黏度降低低于0.1 MPa下的黏度降低。这是由于维持黏性的高压压缩特性所致。通常，压力的作用主要是在较高温度下保持黏度稳定，而在较低温度下，压力的作用受到抑制。

2.2  压力对钻井液黏度的影响

图2为温度和压力对NWBM黏度的影响，总体趋势与图1相似。在较低温度下，压力对黏度的影响可以忽略不计。这可能是由于水作为基础流体的不可压缩特性所致。从图2中还可以看出，在   10 MPa下，更高的温度（90、100 ℃）下，所有剪切速率的黏度都非常相似，但是其他温度下的黏度却不同;在相同温度20 ℃下，在NWBM的AC处观察到的黏度显示出几乎与以前相同的流变特性。

图2显示了在给定压力下，钻井液黏度随温度升高而降低。在较高压力10 MPa的条件下，与较低温度相比，较高温度下的黏度降低受到的抑制更大。压力增加会增加钻井液的黏度。在低温下（25±1）℃，10 MPa的较高压力可有效地增加黏度。但是在较高的温度下（90±1）℃，由于温度引起的黏度降低变得更加明显。

2.3  不同纳米流体对钻井液流变性能的影响

上述图1和图2分别为CuO纳米流体和ZnO纳米流体对NWBM流变学特性的影响，可以看出温度和压力对流变学的影响趋势与表2类似。在压力一定时，黏度随温度的升高而降低，即使在较低温度下，压力对黏度增加的影响也不显著，如图2中基础钻井液结果。

同时当压力一定时，在任何给定的剪切速率下，从110 ℃到25 ℃的黏度变化（Δμ）在较低的剪切速率下比在较高的剪切速率下更大。更为有意思的是，相对于C.0，C.1至C.6的温度Δμ较小，并遵循以下顺序： ZnO基NWBM为C.3 ? C.2 ? C.1 ? C.0，CuO基NWBM为C.6 ? C.5 ? C.4 ? C.0。这意味着随着我们将NWBM中的纳米颗粒质量分数从C.1提高到C.3，从C.4提高到C.6，流量曲线变得更稳定。实验过程中，从WBM和NWBM的每组研究中重复了复了3次，从结果可以看出流变学的实验数据在结果的75%范围内，显示了本文实验数据的可重复性。

为了覆盖一定范围的剪切速率，考虑10、100、1 000 s-1，这其中包括低、中和高剪切速率。对于钻井液配方C.0的基础泥浆，温度升高会降低黏度;但是，对于大多数NWBM配方，当从C.1到C.3（对于基于ZnO的NWBM）和C.4到C.6时，NWBM的黏度似乎具有较小的偏差（Δμ%小）;在给定的剪切速率和温度（压力恒定）下，对于基于CuO的NWBM而言，结果表明在更高的纳米颗粒质量分数下，NWBM的黏度更加稳定。从表2中还可以观察到冷却后的钻井液的行为，说明其可以有效降解，表明纳米颗粒能够帮助钻井液保持其流变性，同时这也很好地表明了NWBM的稳定性。

纳米流体中纳米颗粒质量分数的增加以及NWBM中纳米颗粒质量分数的增加，导致在较高压力下黏度更稳定，这可能表明纳米颗粒抑制黏度降低的能力，从而在不同温度下产生相似的流变行为。通常通过添加纳米颗粒抑制了压力和温度对WBM流变学的影响。添加纳米流体后，流体仍保留其剪切稀化特性，并在更高的纳米颗粒质量分数下改善了流变性能。NWBM在HPHT条件下显示出相同的流变行为，增加NWBM中纳米颗粒的质量分数可以进一步增强这种行为。这在钻井液设计中可能很有用，因为钻井液在环境条件下的行为将代表其在井下条件下的行為，可以证明在不同的高温高压条件下表现出相似行为的钻井液，并且由于黏度将仅随剪切速率而变化，不随压力和温度而变化，因此具有潜在的应用前景。由于可以忽略压力和温度的影响，因此在实际过程中控制这种NWBM的流变学特性和其他热物理特性将更加简单。

3  结 论

为了促使水基钻井液在实际钻井过程中能够更为高效、环保，本文基于黄原胶水溶液制备了CuO和ZnO纳米流体，并将其作为水基钻井液的添加剂用以改善钻井液的流变性，纳米流体中纳米颗粒质量分数为0.1%、0.3%和0.5%。通过实验研究了不同种类、质量浓度纳米流体对NWBH黏度及剪切速率等流变特性的影响，得出以下结论：

1）与基于ZnO的NWBM相比，基于CuO纳米流体的NWBM更耐高温高压条件。

2）NWBM的高压流变测试结果表明，在较高温度下，压力对NWBM流变学的影响更为显著，且高压下NWBM的流变稳定性更好。

3）纳米流体的添加最为显著的作用是在较高温度下稳定NWB的黏度。

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