陈二丁，赵红香，张海青，邱春阳

(中石化胜利石油工程有限公司 钻井液技术服务中心，山东 东营 257078)

在页岩油资源开发过程中，由于页岩地层岩石非均质性及微裂缝发育，呈低孔隙度、低渗透率的物性特征，在井底压差、毛细管力、化学势差等驱动下，钻井液滤液进入微裂缝后，造成井壁周围地层孔隙压力升高，井壁稳定性变差。因此选用适用于微纳米级的封堵材料，有效封堵微纳米级孔缝，减少液相对地层的损害[1-2]。纳米二氧化硅因其绿色环保，价格低廉，且具有优越的化学性能、机械性能、热力学性能等特点，因而被广泛运用于各个领域。但是纳米二氧化硅因表面自由能较高、表面有多个羟基、亲水性强，极易在分散介质中发生团聚，不利于其在有机溶剂中分散，难以发挥纳米尺寸优势，大大限制了其应用范围[3]。因此，需要对纳米二氧化硅进行表面改性，实现纳米SiO2由亲水转为亲油，提高其在有机溶剂中的稳定分散性能。本文针对页岩油钻探中合成基钻井液封堵微纳米孔隙裂缝的技术需求，研制了一种纳米材料LNS，并系统考察了LNS材料对钻井液流变性能、纳米孔隙封堵和岩石强度等方面的影响。

1 实验部分

1.1 主要试剂和仪器

纳米二氧化硅，分析纯，阿拉丁试剂有限公司；无水乙醇、甲醇和硅烷偶联剂，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

傅里叶变换红外光谱仪，美国尼高力公司； JEM-2100UHR型透射电子显微镜，日本电子JEOL； Mastersizer3000超高速智能粒度分布仪，英国马尔文仪器有限公司；ZNN—D6型六速旋转黏度计，青岛海通达仪器有限公司；GGS71-B高温高压失水仪，青岛海通达仪器有限公司；ZNS-1中压失水仪，青岛海通达仪器有限公司；XGRL-4数显式滚子加热炉，青岛海通达仪器有限公司；岩石单轴抗压实验机，美国GCTS公司。

1.2 纳米材料改性原理

纳米SiO2具有亲水疏油特性，不能在合成基液中有效分散。选用硅烷偶联剂对其改性，与纳米SiO2表面的羟基反应，形成牢固的共价键，在SiO2表面嫁接上疏水链，实现纳米SiO2由亲水转为亲油[4-5]，解决纳米SiO2材料在合成基钻井液中的分散性问题。

1.3 制备步骤

R-Si-OH+OH-Si→R-Si-O-Si+H2O

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析

利用傅里叶变换红外光谱仪测试表征纳米材料分子结构，结果如图1所示。

图1中，3 439 cm-1处出现了-OH伸缩振动峰，1 628 cm-1处出现了-OH的弯曲振动吸收峰，2 927 cm-1处出现了-CH不对称伸缩振动峰，1 102 cm-1为Si-O-Si的不对称收缩振动吸收峰、847 cm-1为Si-O-Si对称收缩振动吸收峰、472 cm-1为Si-O-Si的弯曲振动吸收峰，说明偶联剂成功嫁接到纳米二氧化硅颗粒表面。

2.2 微观形态表征

采用JEM-2100UHR型透射电子显微镜观察亲油纳米二氧化硅微观形貌，将LNS用乙醇溶解，滴于碳膜型铜网上，待溶剂挥发完后置于透射扫描电镜中，结果如图2所示。

制备的亲油纳米材料LNS聚集程度明显减缓，颗粒近似呈球形分布，形态规则，粒度均匀。

2.3 粒径测试

采用马尔文Mastersizer3000超高速智能粒度分布仪对LNS的粒径分布进行测试，测试前，将样品稀释至浓度为0.05%并超声分散。测试结果如图3所示。

从图3可出，亲油纳米SiO2粒径范围在70～300 nm，平均有效粒径在157.2 nm。zeta电位平均值-44.60 mV(见表1)，zeta电位绝对值大于30 mV，认为亲油纳米SiO2分散稳定性良好。

表1 zeta电位值

2.5 亲油化度测试

利用亲油化度的大小作为评价LNS亲油效果的标准，说明纳米材料在有机介质中分散程度的好坏。将1 g表面修饰的LNS加入到50 mL去离子水中，然后逐滴加入甲醇。当漂浮于水面上的粉体完全润湿时，记录甲醇的加入量V(mL)，则亲油化度计算公式[4-5]：

(1)

亲油纳米SiO2由亲水转变为亲油所用的甲醇体积为211.8 mL，计算得出亲油化度为80.9%，说明LNS在有机溶剂中分散良好。

将亲油纳米材料加入到合成基液中搅拌，LNS分散性良好，合成基液呈现透明状。

3 亲油纳米材料在合成基钻井液中的应用

3.1 LNS对合成基钻井液流变性能影响

配制密度为1.8 g/cm3的合成基钻井液，分别加入1%～3%的亲油纳米二氧化硅LNS，测试对钻井液流变性能的影响[8]，结果见表2。

表2 LNS对合成基钻井液流变性能评价

从表2可以看出，LNS对钻井液流变性能、电稳定能影响不明显，但能吸附在泥饼上，形成纳米颗粒隔水层，降低高温高压滤失量(见图4)。在现场施工中纳米材料可以起到快速封堵的作用，打开新地层的瞬间进入微孔喉、微裂隙形成封堵内层，阻止滤液进入地层。

3.2 LNS对合成基钻井液封堵性能影响

采用微孔滤膜方法进行封堵性能评价，选择不同孔径的微孔滤膜(22 μm、45 μm)，利用中压滤失仪测试压差为0.69 MPa，记录合成基钻井液7.5 min时的滤失量[9]，评价纳米材料对合成基钻井液基浆、加2% LNS封堵剂的合成基钻井液的滤失性能影响，结果见表3和图5。

表3 不同滤膜封堵滤失实验结果

通过对比看出，添加纳米LNS封堵剂后的合成基钻井液体系的滤失量明显降低，滤失量降低>46.7%，说明纳米材料颗粒依靠小尺寸效应，能够封堵微孔滤膜及后续形成的泥饼层。

3.3 LNS合成基钻井液对岩石强度的影响

取同层相近的页岩岩样，分别用水基钻井液、合成基钻井液基浆、合成基钻井液基浆+2% LNS体系模拟侵入岩石伤害实验。将岩心放入岩心伤害反应容器内，加围压到5.5 MPa后，注入钻井液体系，模拟钻井液侵入岩石4 h，然后进行单轴抗压实验，测试不同钻井液体系封堵前后对岩石强度的变化影响[10]，评价合成基钻井液及封堵剂对井壁稳定性的影响，并对比水基钻井液体系对岩石强度的影响，结果见图6～图8。

图7结果表明，页岩样品经水基钻井液作用后，其单轴抗压强度由110.5 MPa降低至72.8 MPa，单轴抗压强度下降幅度较大，强度下降34.1%。图7结果表明，页岩样品经合成基钻井液基浆作用后，其单轴抗压强度由110.5 MPa降低至88.6 MPa，单轴抗压强度下降幅度为19.8%，明显低于水基钻井液体系对页岩强度的影响，比水基钻井液体系强度提高14.3%。图8结果表明，页岩样品经合成基钻井液基浆+纳米材料LNS作用后，其单轴抗压强度由110.5 MPa降低至91.0 MPa，单轴抗压强度下降幅度为17.6%，比合成基钻井液基浆的强度伤害要小。

由于水基钻井液容易导致页岩膨胀,对岩样强度影响最大，岩石强度下降34.1%。合成基钻井液对岩样的伤害主要是由于压力传递导致，伤害率降低到19.8%，其中加入纳米封堵剂的合成基钻井液伤害最小，岩石强度伤害降低到17.6%，与水基钻井液相比，封堵后的岩石强度提高了25%。

4 结论

通过脱醇缩合反应合成了一种亲油纳米二氧化硅封堵剂，它将纳米颗粒的小尺寸效应、刚性与亲油的特性结合在一起，使其在合成基钻井液有效分散。合成的亲油纳米二氧化硅，粒径在70～300 nm，亲油值达到80.9%，拓宽了合成基钻井液封堵剂粒径范围，可以有效封堵纳米级微孔隙。建议将纳米封堵剂与超细碳酸钙、树脂类、沥青类、纤维类等封堵材料复配使用，建立致密封堵技术，有效封堵页岩地层微纳米级微裂缝和孔隙，减少合成基钻井液在地层中的渗漏。