納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用現(xiàn)狀.doc

納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用現(xiàn)狀2007年第10期內(nèi)蒙古石油化工11納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用現(xiàn)狀王童,王平全(西南石油大學(xué),成都610500)摘要:本文主要綜述了納米材料的特性以及納米技術(shù)與膠體科技的區(qū)別,探討了國內(nèi)納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用,并指出了納米技術(shù)在鉆井液應(yīng)用中存在的問題和發(fā)展方向.關(guān)鍵詞:鉆井液;納米技術(shù);應(yīng)用納米技術(shù)是指在納米尺度范圍內(nèi),研究電子,原子和分子的內(nèi)在規(guī)律和特征,并用于制造各種物質(zhì)的一門嶄新的綜合性科學(xué)技術(shù);納米材料是指晶粒或顆粒尺寸在1100nm范圍內(nèi)的超細材料,納米材料是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ),也是納米技術(shù)最重要的研究對象納米技術(shù)具有旺盛的生命力,已經(jīng)滲透到各個技術(shù)領(lǐng)域,但在鉆井液技術(shù)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用還很少.因此有必要對納米技術(shù)進行進一步了解,分析探討納米技術(shù)在鉆井液領(lǐng)域中的應(yīng)用并對發(fā)展方向提出建議.1納米技術(shù)的總體認識,1.1納米技術(shù)與納米材料納米技術(shù)是20世紀80年代末誕生并崛起的高新科技,它的基本涵義是指在納米尺寸范圍內(nèi)研究物質(zhì)的組成,通過直接操縱和安排原子,分子而創(chuàng)造新物質(zhì).同時納米技術(shù)又是一門以許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù),是現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,其內(nèi)容十分廣泛.目前,在中國主要是材料(學(xué))方面,納米材料是納米技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ),也是納米技術(shù)最重要的研究對象.納米材料是指晶?；蝾w粒尺寸在1100nm數(shù)量級的超細材料.常規(guī)材料的晶?；蝾w粒尺寸在10lO00gm的數(shù)量級,微米材料晶粒或顆粒尺寸在1m的數(shù)量級,亞微米材料的晶?；蝾w粒尺寸在100nm的數(shù)量級,嚴格意義的納米材料的晶?；蝾w粒尺寸在110nm的數(shù)量級,而廣義的納米材料則包括了亞微米材料.納米材料可分為納米顆粒材料,納米晶粒材料,納米復(fù)合材料.而按納米結(jié)構(gòu)被約束的空間維數(shù),可將納米材料分為:零維的納米顆粒材料,即粒徑不大于2nm的納米粒子,亦稱原子簇(團);一維纖維納米材料,兩個方向的尺寸為納米尺度,長度顯著大于直徑,如碳納米管;二維層狀納米材料,僅厚度方向為納米尺度,長度和寬度尺寸顯著大于厚度,亦稱膜材料;三維納米材料,三維方向上的尺寸都在納米尺度,如等軸微晶.納米材料的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨晶?；蝾w粒尺寸的變小而急劇增大引起的性質(zhì)上的變化.隨粒子線尺寸的減小,其比表面積會顯著增大,收稿日期:2oo7一o414作者簡介:王童,西南石油大學(xué)研究生院,油氣井工程專業(yè).表面原子所占的百分數(shù)會顯著增加,這將使其表面原子配位數(shù)嚴重失衡且具有非常高的表面能,由此使納米材料具有非常高的化學(xué)活性,易于通過與外界原子結(jié)合而獲得穩(wěn)定.1.2納米技術(shù)與膠體科技的區(qū)別1.2.1研究對象不同膠體是指一種或多種物質(zhì)以一定的粒度分散在另一種物質(zhì)中形成的多相分散體系,其分散顆粒的尺寸在1100nm范圍內(nèi).膠體是物質(zhì)的一種存在狀態(tài),而不是一種物質(zhì)名稱.雖然廣義的納米粉體材料和膠體顆粒尺寸都在1100nm范圍,但兩者有本質(zhì)的區(qū)別.膠體科技的研究對象是宏觀的膠體分散體系或稱為納米微粒分散體系,而不是膠體顆粒本身.納米技術(shù)的主要研究對象是納米材料本身及其由此導(dǎo)致的宏觀特征,但更側(cè)重于微觀本質(zhì).1.2.2研究任務(wù)不同膠體科技主要揭示膠體分散體系的規(guī)律,側(cè)重于體系的表觀行為,與組成膠體體系的材料性質(zhì)關(guān)系不大.納米技術(shù)主要揭示納米材料本身特有的規(guī)律,主要任務(wù)是創(chuàng)造新物質(zhì)和新材料.1.2.3研究手段不同膠體科技研究的手段主要是采用宏觀的方法,不需要先進的精密儀器;而納米技術(shù)的研究則必須借助特別精密的儀器,如掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等.正是由于需要的研究手段不同,導(dǎo)致了納米技術(shù)的誕生比膠體科技晚100多年.2納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用鉆井液是緊緊圍繞著粘土顆粒的利用和抑制而發(fā)展的.在鉆井液中加入各種處理劑,是為了改變粘土性質(zhì),使其保持合適的顆粒狀態(tài),保持鉆井液合理的流變性,造壁性,潤滑性和抑制性.由于粘土在鉆井液中的分散過程,顆粒表面聚集了大量的負電荷,負電性鉆井液處理劑的加入,進一步加劇了粘土的分散,導(dǎo)致顆粒比表面的增大.充分水化的鉆井液中分散的粘土顆粒直徑為0.O05-2gm,具有較大的比表面和較高的負電性,要將鉆井液的負電荷進一步降低,就需要開發(fā)出一種呈正電性,顆粒粒徑極小,比表面積極大的鉆井液處理劑,這就是正電性納米12內(nèi)蒙古石油化工2007年第1O期處理劑.正電性納米處理劑加入鉆井液中后,不僅能中和粘土表面的負電荷,更重要的是能進入粘土晶格內(nèi),壓縮雙電層,固結(jié)粘土顆粒,防止粘土的水化分散,從而使鉆井液具有更優(yōu)良的抑制能力,穩(wěn)定井眼能力和更好的油層保護能力.納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用,可有望出現(xiàn)一種具有強抑制性的鉆井液和相應(yīng)的新技術(shù),從而有效地解決鉆井過程中的井壁穩(wěn)定及油氣儲層保護等問題,同時在非直井的鉆井過程中,利用納米鉆井液體系較高的表面活性,可以有效地降低鉆水平段的摩阻,使水平段進一步延伸成為可能.納米技術(shù)在鉆井液中的研究與應(yīng)用雖然在國內(nèi)才剛剛起步,但已經(jīng)有了不少成功的研究成果.例如NM體系就是一種含有納米材料的鉆井液.該體系是近年來研制成功的一種新型鉆井液,并在現(xiàn)場進行了初步試驗.結(jié)果表明,NM鉆井液具有優(yōu)良的流變性,抑制性強,潤滑防塌能力良好,攜砂能力強,流變參數(shù)合理,性能穩(wěn)定,頁巖回收率較高,潤滑系數(shù)較低,濾失量低,特別是高溫高壓濾失量較低;該體系與處理劑配伍性好,油層保護效果好,滲透率恢復(fù)值較高;現(xiàn)場轉(zhuǎn)化使用方便,可以滿足安全鉆井和保護油氣層等需要.另外一個例子是正電膠/聚合醇/納米乳液水基鉆井液體系.該體系是防止地層因井壁失穩(wěn)而垮塌的一項新技術(shù),用于勘探開發(fā)易發(fā)生垮塌地層油氣藏.在街207井的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明,該鉆井液總體性能優(yōu)良,具有良好的流變性,攜砂能力強,潤滑效果好,抑制性強,性能定,能夠有效地防止井壁失穩(wěn).3納米科技在鉆井液應(yīng)用中存在的問題鉆井液體系的發(fā)展經(jīng)歷了細分散鉆井液,粗分散鉆井液,不分散低固相鉆井液階段,發(fā)展的主線是鉆井液固相含量降低,鉆井液固相的分散度降低,從而使鉆井液性能更加穩(wěn)定和易于維護,鉆井速度顯附一部分鉆井液處理劑,減少了處理劑的有效含量;另外,增大了細顆粒損害油氣層的機會.雖然有些情況下,納米顆粒的加入對鉆井液性能略有改善,但這不應(yīng)該歸功于納米特性,而是用普通的細顆粒固相(如超細碳酸鈣)也能達到這個效果,但納米顆粒的成本顯然高于普通細顆粒的成本.納米顆粒使用性能不穩(wěn)定.納米顆粒具有極高的表面能,亦即具有很高的界面活性,一方面可能具有表面活性劑的作用,導(dǎo)致鉆井液起泡,或?qū)Ξa(chǎn)生的氣泡具有很高的穩(wěn)定作用(通過增加氣液界面膜強度);另一方面,納米顆粒容易產(chǎn)生團聚現(xiàn)象,團聚后其顆粒尺寸明顯變大,僅靠攪拌很難使團聚的顆粒再分散到納米尺度,失去納米顆粒的特性;另外,在鉆井現(xiàn)場使用時很容易吸潮或吸附氣體使其性能明顯變異,如ZnO納米粉體吸水變成Zn(OH)z,吸收CO.變成堿式碳酸鋅等.因此不能將納米技術(shù)的應(yīng)用簡單的歸結(jié)為在鉆井液中加入納米顆粒.4納米技術(shù)在鉆井液應(yīng)用的發(fā)展趨勢納米技術(shù)與鉆井液技術(shù)結(jié)合,必然在提高油氣鉆井的效率,提高石油勘探開發(fā)的綜合效益方面有新的突破.目前有針對性的應(yīng)用方向主要有,如正電膠鉆井液技術(shù),再如利用納米技術(shù),研制一種具有強抑制性的保護油氣層鉆井液體系和相應(yīng)的新技術(shù),有效地解決鉆井過程中的井壁穩(wěn)定和油氣層保護問題,當然在鉆井過程中,直接發(fā)揮納米材料高的表面活性,在鉆具表面和井壁表面形成納米膜,有效地降低鉆具的摩阻,降低鉆大斜度井,水平井,多分枝井和大位移井的難度.還可以利用納米技術(shù),顯著提高鉆井液的耐溫性,抗污染能力和防滲漏,攜帶能力,提高復(fù)雜條件下的鉆井液技術(shù),增大對特殊油氣藏鉆探的力度.參考文獻著提高,井壁穩(wěn)定性能更強.由于鉆速提高縮短了鉆Eli王芳輝,朱紅,鄒靜.納米材料在石油行業(yè)中的井液浸泡油氣層的時間;鉆井液固相含量降低,鉆井應(yīng)用,西安石油大學(xué)(自然科學(xué)版),2006,液密度降低,鉆井壓差降低;另外,顆粒尺寸變大減(11).少了細顆粒固相侵入油氣層的機會,這三個方面的Ez3王輝,王毫華.納米技術(shù)在鉆井液中的應(yīng)用探改進均有利于油氣層保護.因此,不分散低固相聚合討.鉆井液與完井液,2005,(3).物鉆井液是鉆井液發(fā)展歷程中的一個重要里程碑.3王佩平,應(yīng)付曉,劉紅玉.正電膠納米乳液鉆而向鉆井液中加入納米級顆粒,必然增加鉆井液的井液在勝利油田的應(yīng)用,江漢石油職工大學(xué)固相含量和亞微米顆粒的含量.向鉆井液中加入納,2006,(7).米級顆粒不僅會影響鉆井液的流變性(尤其是塑性E4-1崔迎春,郭保雨,蘇長明.NM鉆井液體系現(xiàn)粘度),而且由于加入材料的高的比表面積,必然吸場應(yīng)用研究.鉆井液與完井液,2006,(3).Applicationsofnano-technologyindrillingfluidWANGTong,WANGPing-quan(SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,China)Abstract:Theintendofthispaperistointroducethesummaryofthecharactersofnanometerandthedifferencesbetweennano-technologyandcolloidtechnology.Alsoresearchedareth