en
×

分享给微信好友或者朋友圈

使用微信“扫一扫”功能。
作者简介:

孙金声(1965-),男,中国工程院院士,博士,博士生导师,研究方向为钻井液、储集层保护、天然气水合物钻采理论与技术。E-mail:sunjsdri@cnpc.com.cn。

通信作者:

孙金声(1965-),男,中国工程院院士,博士,博士生导师,研究方向为钻井液、储集层保护、天然气水合物钻采理论与技术。E-mail:sunjsdri@cnpc.com.cn。

中图分类号:TE 254

文献标识码:A

文章编号:1673-5005(2024)02-0074-09

DOI:10.3969/j.issn.1673-5005.2024.02.008

参考文献 1
宣扬,蒋官澄,宋然然,等.超支化聚乙烯亚胺作为钻井液页岩抑制剂研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(6):178-186.XUAN Yang,JIANG Guancheng,SONG Ranran,et al.Study on hyper-branched poly(ethyleneimine)as shale inhibitor inwater-based drilling fluid[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(6):178-186.
参考文献 2
孙金声,黄贤斌,吕开河,等.提高水基钻井液高温稳定性的方法、技术现状与研究进展[J].中国石油大学学报(自然科学版),2019,43(4):73-81.SUN Jinsheng,HUANG Xianbin,LÜ Kaihe,et al.Methods,technical progress and research advance of improving hightemperature stability of water based drilling fluids[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2019,43(4):73-81.
参考文献 3
ALBOOYEH M,KIVI I R,AMERI M.Promoting wellbore stability in active shale formations by water-based muds:a case study in Pabdeh shale,Southwestern Iran [J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,56:166-174.
参考文献 4
王富强,梁华旭,林波,等.基于时域有限差分法光学设计电介质纳米球薄膜钙钛矿光伏电池[J].中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(6):97-102.WANG Fuqiang,LIANG Huaxu,LIN Bo,et al.Optical design of dielectric nanosphere thin film perovskite photovoltaiccells based on finite difference time domain method [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2020,44(6):97-102.
参考文献 5
吕其超,张星,周同科,等.SiO2 纳米颗粒强化的 CO2 泡沫压裂液体系[J].中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(3):114-123.LÜ Qichao,ZHANG Xing,ZHOU Tongke,et al.CO2 foam fracturing fluid system enhanced by SiO2 nanoparticles[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2020,44(3):114-123.
参考文献 6
BAYAT A E,SHAMS R.Appraising the impacts of SiO2,ZnO and TiO2 nanoparticles on rheological properties and shale inhibition of water-based drilling muds [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2019,581:123792.
参考文献 7
LIU F,ZHANG C,LI X,et al.Investigation of the inhibition mechanism of polymer/nano-silica composite as shale inhibitor in water-based drilling fluids[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2022,636:128099.
参考文献 8
李东平,赵贤正,王子毓,等.新型有机硅聚合物抑制封堵剂性能及作用机制[J].中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(4):135-141.LI Dongping,ZHAO Xianzheng,WANG Ziyu,et al.Performance and mechanism of new silicone polymer for inhibitor andplugging agent[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2020,44(4):135-141.
参考文献 9
SENSOY T,CHENEVERT M E,SHARMA M M.Minimizing water invasion in shale using nanoparticles [ R].SPE 124429-MS,2009.
参考文献 10
SONG J,YUAN Y,GU S,et al.2D numerical simulation of improving wellbore stability in shale using nanoparticles based drilling fluid [J].Energies,2017,10(5):651.
参考文献 11
JUNG C M,ZHANG R,CHENEVERT M,et al.Highperformance water-based mud using nanoparticles for shale reservoirs[R].SPE 1581549-MS,2013.
参考文献 12
AKHTARMANESH S,SHAHRABI M J A,ATASHNEZHAD A.Improvement of wellbore stability in shale using nanoparticles [J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2013,112:290-295.
参考文献 13
杨现禹,蔡记华,蒋国盛,等.维持页岩井壁稳定的物理封堵模拟和化学抑制实验研究[J].钻探工程,2021,48:37-46.YANG Xianyu,CAI Jihua,JIANG Guosheng,et al.Experimental study on physical plugging simulation and chemical inhibition to maintain shale well wall stability [J].Drilling Engineering,2021,48:37-46.
参考文献 14
AFTAB A,ISMAIL A R,IBUPOTO Z H.Enhancing the rheological properties and shale inhibition behavior of water-based mud using nanosilica,multi-walled carbon nanotube,and graphene nanoplatelet[J].Egyptian Journal of Petroleum,2017,26(2):291-299.
参考文献 15
WANG K,JIANG G,LI X,et al.Study of graphene oxide to stabilize shale in water-based drilling fluids [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2020,606:125457.
参考文献 16
陈力力,郭建华,谢刚.碳纳米管封堵剂在水基钻井液中的作用机理[J].钻井液与完井液,2022,39(1):29-35.CHEN Lili,GUO Jianhua,XIE Gang.Mechanism of carbon nanotube plugging agents in water-based drilling fluids[J].Drilling and Completion Fluids,2022,39(1):29-35.
参考文献 17
LIU F,JIANG G C,WANG K,et al.Laponite nanoparticle as a multi-functional additive in water-based drilling fluids [J].Journal of Materials Science,2017,52(20):12266-12278.
参考文献 18
ZHANG H,ZHONG Y,SHE J,et al.Experimental study of nano-drilling fluid based on nano temporary plugging technology and its application mechanism in shale drilling[J].Applied Nanoscience,2019,9(8):1637-1648.
参考文献 19
GAO C,MISKA S Z,YU M,et al.Effective enhancement of wellbore stability in shales with new families of nanoparticles[R].SPE 180330-MS,2016.
参考文献 20
田月昕,黄进军,郭星波,等.纳米封堵剂Fe3O4性能评价与机理探究[J].化学世界,2018,59:440-447.TIAN Yuexin,HUANG Jinjun,GUO Xingbo,et al.Performance evaluation and mechanism investigation of nano-sealing agent Fe3O4 [J].Chemistry World,2018,59:440-447.
参考文献 21
HUANG X,MENG X,LÜ K,et al.Development of a high temperature resistant nano-plugging agent and the plugging performance of multi-scale micropores [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2022,639:128275.
参考文献 22
薛森.抗盐耐温型纳米乳胶封堵剂 PF-NSEAL 的研制与应用[J].当代化工,2022,51(8):1938-1942.XUE Sen.Development and application of salt-resistant and temperature-resistant nanoemulsion sealer PFNSEAL[J].Contemporary Chemistry,2022,51(8):1938-1942.
参考文献 23
XU J,QIU Z,HUANG W,et al.Preparation and performance properties of polymer latex SDNL in waterbased drilling fluids for drilling troublesome shale formations[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2017,37:462-470.
参考文献 24
WANG W J,QIU Z S,ZHONG H Y,et al.Thermosensitive polymer nanospheres as a smart plugging agent for shale gas drilling operations[J].Petroleum Science,2017,14(1):116-125.
参考文献 25
LEI M,HUANG W,SUN J,et al.The utilization of self-crosslinkable nanoparticles as high-temperature plugging agent in water-based drilling fluid [J].SPE Journal,2022,27(5):2628-2641.
参考文献 26
QIU Z,XU J,YANG P,et al.Effect of amphiphilic polymer/nano-silica composite on shale stability for water-based muds [J].Applied Sciences,2018,8(10):1839.
参考文献 27
HUANG X,SUN J,LÜ K,et al.Application of coreshell structural acrylic resin/nano-SiO2 composite in water based drilling fluid to plug shale pores[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,55:418-425.
参考文献 28
王伟吉.页岩地层核壳结构纳米封堵剂研制及应用 [J].科学技术与工程,2020,20(9):3585-3590.WANG Weiji.Development and application of nanosealers for core-shell structure of shale formations[J].Science,Technology and Engineering,2020,20(9):3585-3590.
参考文献 29
NI X,JIANG G,LI Y,et al.Synthesis of superhydrophobic nanofluids as shale inhibitor and study of the inhibition mechanism [J].Applied Surface Science,2019,484:957-965.
参考文献 30
LI H,SUN J,LÜ K,et al.Wettability alteration to maintain wellbore stability of shale formation using hydrophobic nanoparticles[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2022,635:128015.
参考文献 31
AN Yuxiu,JIANG Gguancheng,QI Yourong,et al.High-performance shale plugging agent based on chemically modified graphene [J].Journal of Natural Gas Science & Engineering,2016,32:347-355.
参考文献 32
RANA A,ARFAJ M K,YAMI A S,et al.Cetyltrimethylammonium modified graphene as a clean swelling inhibitor in water-based oil-well drilling mud[J].Journal of Environmental Chemical Engineering,2020,8(4):103802.
参考文献 33
ZHANG H,YAO J,ZHANG S,et al.Carboxylized graphene oxide nanosheet for shale plugging at high temperature [J].Applied Surface Science,2021,558:149901.
参考文献 34
YANG X,CAI J,JIANG G,et al.Nanoparticle plugging prediction of shale pores:a numerical and experimental study[J].Energy,2020,208:118337.
参考文献 35
SUDDUTH R D.Theoretical development of a graphical analysis technique to optimize the particle size distribution of pigments in paints and coatings[J].Journal of Coatings Technology,2003,75(940):9-15.
参考文献 36
YANG X,CAI J,JIANG G,et al.Modeling of nanoparticle fluid microscopic plugging effect on horizontal and vertical wellbore of shale gas [J].Energy,2022,239:122130.
目录contents

    摘要

    维持井壁稳定一直是油气钻探过程中的技术难题。由于页岩微纳米孔缝与层理发育、水敏性高,井壁失稳问题在页岩层尤为突出。提高钻井液的性能是减少井壁失稳的重要途径。纳米材料因其独特的尺度和性质,可作为水基钻井液添加剂以提高页岩的稳定性。通过对国内外技术的跟踪与分析,阐述纳米材料提高页岩稳定性的评价方法、纳米材料类型及其作用机制。开展纳米材料在非均质地层的基础理论研究,开发在高温高压及高盐环境下稳定有效的新型纳米材料,建立纳米材料提高页岩稳定性的微观评价方法,是纳米材料的重要发展方向。

    Abstract

    Maintaining wellbore stability has always been a technical challenge in oil and gas well drilling, which is particularly prominent in shale formations due to their micro and nano pores and laminae and high-water sensitivity. Improving the performance of drilling fluids is an important way to reduce wellbore instability. Nano-materials can be used as additives in water-based drilling fluids to enhance the stability of shale due to their unique particle size and properties. In this paper, the technical development of using nano-materials to enhance wellbore stability was reviewed, including the evaluation methods for shale stabilization, the types of nano-materials that can be used and their action mechanisms. It is important to conduct basic and theoretical research for nano-materials to be used in heterogeneous shale formation, develop new type of nano-materials that is stable and effective under high temperature, high pressure and high salt conditions, and establish microscopic methods for shale stabilization evaluation.

  • 维持井壁稳定一直是油气钻探过程中的复杂技术难题。钻井液是钻井过程中必须的流体体系,成本占整个钻井成本的 15%以上[1]。页岩与钻井液的相互作用,尤其是与水基钻井液的作用,是造成井壁失稳的关键因素之一。井壁坍塌等失稳问题会导致钻井总成本的大幅增加[2]。在过平衡钻井作业中,钻井液中的水在压差作用下会侵入地层,其中的水和离子化合物被页岩吸收,导致地层孔隙压力增大,强度降低,井壁周围的应力分布改变,导致井壁坍塌失稳[3]。使钻井液在井壁上形成优良的低渗透率的泥饼,是减少滤液侵入地层的有效方法。然而,由于页岩具有较低的渗透率和纳米级的孔隙通道,水基钻井液中的传统添加剂,如黄原胶、聚阴离子纤维素(PAC)、聚丙烯酰胺(PHPA)、硅酸钠等,粒径均大于页岩地层孔隙尺寸而无法形成有效的泥饼,无法阻止流体侵入地层。为了在页岩上形成低渗透率的泥饼,添加剂粒径应小于页岩孔喉尺寸。因此纳米材料(NM)被引入了水基钻井液配方中。纳米材料因其独特的性质而被广泛应用于医疗诊断、农业生产、材料制造等多个领域[4]。在石油领域,NM 在提高采收率方面已经引起了广泛的关注[5]。在钻井液方面,由于 NM 具有较小的粒径和较大的比表面积,因而具有更好的物理和化学性质。这种特性使其在发泡/ 消泡、增黏、稳定乳液、滤失控制、润滑和稳定井壁等多个方面的应用也得到了越来越多的关注[6]。近年来,关于 NM 作为钻井液添加剂,提高页岩稳定性的研究得到了大幅增长,多种类型的 NM 都被用作钻井液添加剂[7]。此外,使用表面活性剂及聚合物等对 NM 进行改性,已经被证明可以显著提高钻井液性能[8]。目前,关于 NM 的综述性文章已经较为丰富,但关于 NM 对页岩稳定性影响的综述尚不全面。因此笔者根据近年相关研究结果,对 NM 提高页岩稳定性的评价方法,材料类型、作用机制进行综述,并提出今后的发展方向。

  • 1 纳米材料提高页岩稳定性的评价方法

  • 目前,对于评价 NM 提高页岩稳定性的方法尚无统一标准,常用评价方法见表1。

  • 表1 NM 提高页岩稳定性的评价方法

  • Table1 Evaluation methods for improving shale stability using NM

  • 浸泡实验通常在常温条件下进行,将页岩样品放入溶液中,观测一定时间后样品水化膨胀程度,溶液抑制性越强,样品膨胀程度越小; 线性膨胀实验根据样品膨胀高度评价添加剂对页岩水化膨胀的抑制性; 页岩滚动回收率实验是将一定质量和尺寸的页岩样品放入钻井液中,在预定温度下,热老化一定时间(通常为 16 h),通过 40 目筛回收剩余页岩样品并称重,计算回收的页岩质量百分比,即页岩回收率,页岩回收率越高表明钻井液对页岩水化分散的抑制性越强。

  • 抗压强度是岩石的物理力学性质之一,抗压强度实验可用于研究页岩的破坏过程和强度极限。根据所受应力状态,岩石强度可分为单轴、双轴和三轴抗压强度。目前,三轴抗压强度实验还未被广泛采用。该实验的常规步骤是测试岩石强度之前,将页岩样品浸泡在钻井液中一段时间,然后进行强度测试。

  • 利用 NM 封堵页岩微孔,抑制水进入页岩内部,可减少页岩失稳情况的发生。孔隙压力传递实验(PPT)研究在一定压力、温度和时间条件下,页岩样品受到钻井液作用后的孔隙压力的变化,以模拟钻井作业期间页岩内部孔隙压力的产生及随时间的变化[9],实验装置如图1 所示。通过 PPT 实验,可以检测页岩孔隙压力的变化来证明 NM 对页岩孔隙的堵塞作用。测试过程中,若下游压力增加,则表明流体侵入岩心样品。相反,则表明流体未侵入岩心样品。对于页岩等低渗透率岩心样品,下游压力升高较为缓慢,因此实验周期往往较长。此外,根据上游和下游压力曲线,可以计算得到钻井液流过岩心样品前后的渗透率,渗透率的降低表明页岩稳定性的增加。渗透率计算公式为

  • k=μβVLA×lnpm-p0pm-pL,t2-lnpm-p0pm-pL,t1t2-t1.
    (1)
  • 式中,k 为渗透率,μm 2 ; μ 为液体黏度,mPa·s; β 为流体静态压缩比,MPa-1; V 为下游流体封闭体积,cm 3; L 为页岩岩心长度,cm; A 为页岩岩心截面积,cm 2; pm 为上游压力,MPa; p0 为下游压力,MPa; pLt 为实时下游压力,MPa; t 为实验时间,s。

  • 图1 PPT 装置示意图

  • Fig.1 Sketch map of PPT device

  • 滤失实验是评价 NM 封堵性能的常用方法,模拟在特定温度和压力条件下钻井液的滤失行为。滤失量越小,表明 NM 封堵效果越佳。滤失实验所用介质用于模拟井壁岩石,常用的介质包括滤纸和砂盘。然而,标准滤纸和砂盘的孔径为微米级别(2.5~8 μm),无法用于模拟纳米孔隙发育、渗透率极低的页岩。为此,研究人员使用人造泥饼代替滤纸作为低渗透率介质。该方法先使用滤纸为介质进行一次滤失实验,得到完整滤饼后,再进行一次以滤饼为介质的滤失实验。 NM 的封堵性能通过计算泥饼渗透率的变化来评价。尽管该方法以低渗透率泥饼为介质,但使用非标准化的人造泥饼,受人为因素影响严重,导致实验结果误差大,且不同研究无法横向对比分析,仍存在一定局限性。为更好地模拟页岩孔隙,孔径在纳米尺度的纤维滤膜被用作滤失介质。该实验直接以纳米滤膜替换滤纸,进行滤失实验。具有多种孔径规格的纤维滤膜( 100~1 000 nm),可提高滤失实验评价 NM 封堵性能的实验精度。

  • 气体吸附实验是评价 NM 封堵性能的另一类方法。该方法通常以二氧化碳或氮气为吸附气,测量不同压力条件下页岩样品的吸附气量,得到吸/ 脱附曲线。 NM 封堵前后页岩样品的孔径分布及比表面积变化可根据吸附曲线和理论模型得到。页岩孔隙体积和表面积的减少表明 NM 对页岩孔隙封堵的有效性。

  • 此外,通过测量页岩传递声波的速度也可用于评价 NM 的封堵性能。物质内部状态的变化直接影响声波传递,密度越大,声波传递速度越快。 NM 封堵页岩后,声波传递速度增加,则表明岩石致密程度增加。由于页岩孔隙较小,声波传递速度的变化量较小,对实验仪器的精度提出了要求,难以广泛应用。

  • 脉冲衰减法可用于精确测量页岩的低渗透率,评价 NM 的封堵效果。在岩样一端施加一个压力脉冲后,另一端压力逐渐增加,直至达到压力平衡。通过检测压力变化可得到压力衰减曲线,进而求得岩石渗透率。

  • 2 纳米材料的类型

  • 近年来,多种 NM 被证实可用于提高页岩的稳定性。这些 NM 包括无机 NM、金属 NM、聚合物 NM 和有机/ 无机复合 NM,具体分类见图2。

  • 图2 稳定井壁的 NM 分类

  • Fig.2 Classification of NM for stabilizing wellbore

  • 2.1 无机纳米材料

  • 用于提高页岩稳定性的无机 NM 主要包括硅 NM、碳 NM 及其他 NM 几类。

  • 2.1.1 硅纳米材料

  • 纳米二氧化硅(SiO2)因其成本低廉、来源广泛,是最早也是最广泛被研究用作钻井液添加剂抑制页岩失稳的纳米材料。纳米 SiO2 的 SEM 如图3 所示。早在 2009 年,已经开展了使用未改性纳米 SiO2 提高井壁稳定性的实验研究[10]。该研究使用压力传递实验(PPT)评价了墨西哥湾 Atoka 及 Gulf 页岩的渗透率的降低情况。与使用普通盐水相比,加入纳米 SiO2 后,页岩渗透率降低了 98%。此外,有研究通过数值模拟结合压力传递实验,也证实了 NM 提高井壁稳定性的作用[11]。钻井液中加入纳米 SiO2 后,井筒附近围岩的应力差和剪切应力显著降低。

  • 纳米 SiO2 尺寸和质量分数直接影响其提高井壁稳定的性能[12]。适当尺寸和质量分数的 NM 是防止水侵入页岩的关键。 NM 的质量分数越高,对页岩的封堵效率越高。部分研究认为,要获得有效的封堵性能,所需的纳米 SiO2 的最小质量分数为 10% [13-14]。除直接通过实验评价纳米 SiO2 对井壁稳定性的影响外,有研究基于离散元颗粒流模型,模拟流体黏度及颗粒粒径、质量分数、形状对页岩孔隙封堵效率的影响。模拟结果表明,封堵效率受颗粒粒径和质量分数影响,当颗粒粒径由孔隙出口尺寸的 1 / 5 增加到出口尺寸的 1 / 3 和 1 / 2 时,孔隙封堵效率分别增加 13%和 23%。此外,黏度也对封堵效率有影响,NM 黏度为 5 mPa·s 时,封堵效率比 1 mPa·s 时高 16.26%。

  • 图3 纳米 SiO2 的 SEM 图

  • Fig.3 SEM images of nano-SiO2

  • 2.1.2 碳纳米材料

  • 用于提高页岩稳定性的碳基 NM 主要包括石墨烯和碳纳米管两类,如图4 所示。与加量较大的纳米 SiO2 相比,低质量浓度(1.1 μg / L)的氧化石墨烯已经可以有效抑制膨润水化膨胀,提高钻井液的封堵性能[15]

  • 图4 石墨烯和多壁碳纳米管

  • Fig.4 Graphene and multi-walled carbon nanotubes

  • 由于石墨烯在水中分散性较差,而氧化石墨烯溶解性更好。氧化石墨烯在防止黏土矿物膨胀、堵塞纳米、微米级孔隙、抑制水侵入页岩、维持页岩强度等方面表现出更好的性能[16]。柔软而有弹性的氧化石墨烯薄片容易变形,从而堵塞页岩孔隙,减少水侵入页岩内部。

  • 此外,研究证实氨基化多壁碳纳米管提高页岩稳定性的效果优于纳米碳酸钙,其能够进入纳米孔缝并形成架桥封堵,阻止滤液侵入岩石。该 NM 质量分数为 3% 时,滤饼封堵率可达 77.70% 和 79.41%。

  • 2.1.3 其他纳米材料

  • 近年来,一种二维 NM-Laponite(纳米锂皂石)被研究用于封堵页岩的纳米孔隙,其作用机制如图5 所示[17]。纳米级的 Laponite 颗粒可以大大降低页岩的渗透率,形成纳米膜,减少水侵入地层。在提高页岩的稳定性方面,Laponite 比广泛使用的 KCl 具有更好的性能。

  • 此外,纳米碳酸钙(CaCO3)可有效增强钻井液的封堵性能,提高页岩的稳定性[18]。质量分数为 1%的纳米 CaCO3(粒径 10~40 nm),可使页岩渗透率降低 95.5%。然而,由于纳米 CaCO3 亲水性较差,常需使用表面活性剂作为分散剂,如十六烷基三甲基氯化铵等。

  • 图5 SiO2、laponite 和膨润土颗粒封堵页岩纳米裂缝的示意图(由文献[17]修改)

  • Fig.5 Schematic diagram of SiO2, laponite and bentonite particles (Na-BT) plugging shale nano fractures (modified from literature [17])

  • 2.2 金属纳米材料

  • 常见的金属 NM 包括二氧化钛(TiO2)、氧化锌(ZnO)、氧化镁( MgO)、氧化铜( CuO)、氧化铝(Al2O3)、四氧化三铁( Fe3O4)等,均被研究作为钻井液添加剂提高页岩的稳定性。

  • Gao 等[19] 首次使用含有不同类型( MgO、 Al2O3)、不同粒径( 10~40 nm)和不同质量分数(3%、10%)的 NM 流体对 Mancos 页岩和 Eagle Ford 页岩进行 PPT 实验。结果显示,降低 Eagle Ford 页岩和 Mancos 页岩孔隙压力的最佳组合分别为 10% 的 10 nm Al2O3 和 10% 的 30 nm Al2O3。此外,该团队通过建立综合考虑化学势、孔隙封堵和渗透率的数值模型,结合室内实验结果,证实 NM 有效降低了 Eagle Ford 页岩和 Mancos 页岩孔隙压力传递[20],结果如图6 所示。金属 NM 具有小尺寸、亲水性、带正电等特性,可较好地覆盖在页岩表面,封堵页岩孔隙。

  • 图6 3%KCl+10%20 nm Al2O3 的实验结果和模拟结果的比较(由文献[19]修改)

  • Fig.6 Comparison of experimental and simulation results for 3% KCl + 10% 20 nm Al2O3 (modified from literature [19])

  • 2.3 聚合物纳米材料

  • 由于 NM 的尺寸特性,易出现自聚结,分散性差等问题。此外,未改性 NM 往往需要在高浓度下才具有一定的提高页岩稳定性的功效。因此合成聚合物 NM 得到广泛研究[21]

  • 由于具有较好的刚性及高温稳定性,以聚苯乙烯和聚丙烯酸酯类为核心的聚合物 NM 成为了研究热点。这种 NM 主要以乳液形式加入钻井液中,其粒径可控且分散性较好[22]。在低质量分数(1%~2%)下即可在页岩表面形成致密的封堵膜,具有优异的封堵性能[23]。通过在分子结构中引入温敏性单体,可制备具有不同低临界溶液温度(LCST)的温敏聚合物 NM [24]。当温度高于其 LCST 值时,该 NM 具有物理封堵和化学抑制的双重作用,封堵层转变为疏水层,减缓压力传递,提高页岩的稳定性,作用机制见图7。此外,与传统的刚性纳米 SiO2 和柔性 NM 相比,具有自交联特性的聚合物 NM 具有更好的封堵性能。在高温高压条件下,该 NM 发生自交联,封堵效果增强,其作用机制如图8 所示[24]

  • 2.4 有机/ 无机复合纳米材料

  • 研究发现,除直接合成 NM 外,对无机 NM 改性,使无机 NM 与有机 NM 相结合,在提高页岩稳定性方面具有更好的效果。

  • 图7 SD-SEAL 稳定井壁的作用机制(由文献[23]修改)

  • Fig.7 Mechanism of SD-SEAL to stabilize wellbore (modified from literature [23])

  • 图8 自交联 PMSN 作用机制(由文献[24]修改)

  • Fig.8 Mechanism of self-cross-linked PMSN (modified from literature [24])

  • 纳米 SiO2 因具有来源广泛、成本廉价、易改性等优点,成为最常被改性的无机 NM。在无机 NM 表面接枝有机聚合物是改性的常用方式之一。通过在纳米 SiO2 表面接枝亲水聚合物,可使 NM 在水中更好地分散,从而更容易进入并封堵页岩孔隙[25]。在纳米 SiO2 表面接枝阳离子聚合物,使纳米 SiO2 颗粒具有正电荷,可提高其在水中的分散性,并使其具有化学抑制和物理堵塞双重作用。改性纳米 SiO2 表面接枝的聚合物通过静电力和氢键强烈吸附在黏土表面,有效抑制了页岩的水化和膨胀,如图9 所示。而无机纳米 SiO2 封堵页岩的微孔,阻止了流体的侵入。

  • 除直接对纳米 SiO2 进行表面接枝外,使用硅烷偶联剂对纳米 SiO2 尽行修饰以引入双键,再与其他有机单体进行聚合是制备有机/ 无机复合 NM 的另一种途径[26]。 Huang 等[27] 综合无机纳米颗粒和高分子聚合物的优点,合成了一种具有核壳结构的丙烯酸树脂/ 纳米 SiO2 复合材料(AR/ SiO2)。在地下高温条件下,AR/ SiO2 聚合物壳呈橡胶状,AR/ SiO2 颗粒被压差压入页岩孔隙,但由于刚性 SiO2 颗粒提供的支撑,颗粒无法深入岩石内部,它们变形并被挤压在井壁附近,使得封堵效果更强,作用机制如图10 所示。其他研究也表明,具有核壳结构的 NM 能有效阻缓压力传递与滤液侵入,显著降低页岩渗透率,提高裂缝性页岩井壁的稳定性[28]

  • 图9 纳米 SiO2 / 阳离子聚合物复合材料稳定井壁机制(由文献[25]修改)

  • Fig.9 Mechanisms of stabilization of wellbore by nano-SiO2 / cationic polymer composites (modified from literature [25])

  • 图10 核壳结构丙烯酸树脂/ 纳米 SiO2 复合材料封堵机制(由文献[27]修改)

  • Fig.10 Plugging mechanism of core-shell structured acrylic resin/ nano-SiO2 composite (modified from literature[27])

  • 此外,多项研究表明,疏水改性 NM 可以提高页岩的稳定性。疏水 NM 主要是通过硅烷偶联剂、氟化物或长链表面活性剂等低表面能物质修饰纳米 SiO2 制得[29]。疏水 NM 吸附于页岩表面并形成疏水膜,从而使页岩表面润湿反转,减少页岩与水的相互作用,以抑制页岩水化[30],如图11 所示。在使用疏水 NM 处理后,页岩的自发吸水速率显著降低,页岩样品的单轴抗压强度仅有小幅下降。

  • 除对纳米 SiO2 进行改性外,具有独特性能的二维碳 NM 石墨烯也成为了研究热点。使用乙二胺对石墨烯表面改性,引入氨基阳离子基团,可增加石墨烯抑制黏土水化膨胀的性能[31]。与修饰纳米 SiO2 类似,阳离子表面活性剂(如十六烷基三甲基氯化铵)也可用于改性石墨烯,使其表面具有疏水性。其通过氢键吸附在页岩表面,堵塞页岩孔隙,减少页岩水化作用[32]。另外,已有研究证明,对石墨烯进行羧化改性可以提高石墨烯在水中的溶解性和封堵性能[33]。具有含氧基团的羧基化石墨烯片可以通过氢键吸附在黏土矿物上,柔性的石墨烯可以变形,适应页岩孔隙的不同形状并堵塞这些孔隙,作用机制如图12 所示。

  • 图11 疏水 NM 改变页岩润湿性机制(由文献[30]修改)

  • Fig.11 Mechanism of shale wettability modification by hydrophobic NM (modified from literature[30])

  • 图12 石墨烯改性及吸附机制(由文献[33]修改)

  • Fig.12 Graphene modification and adsorption mechanism (modified from literature[33])

  • 2.5 作用机制

  • 页岩的稳定性与 NM 的物理堵塞作用(孔隙压力传递、渗透率降低)、化学抑制作用(表面电荷、颗粒间相互作用)和表面修饰能力( 润湿性)密切相关。

  • 2.5.1 物理封堵

  • 物理封堵是 NM 提高页岩稳定性的主要作用机制。页岩孔隙喉道尺寸范围广泛。钻井液中的 NM 通过封堵页岩的微孔,减少流体侵入页岩地层并降低孔隙压力传递,提高页岩的稳定性。目前,对于刚性封堵粒子,普遍认为架桥和填充是封堵主要机制。

  • 架桥封堵指刚性粒子在页岩孔隙表面或内部形成桥梁结构,堵塞孔隙。其中较为认可的架桥理论包括 1 / 3 准则和 2 / 3 准则。 1 / 3 准则表明,要在岩石孔隙形成架桥,封堵粒子的粒径应大于或等于岩石孔隙平均直径的 1 / 3。在此基础上,有研究提出了 2 / 3 准则,即封堵粒子的平均粒径是地层平均孔隙的 2 / 3,可实现较好的架桥封堵[34]

  • 填充封堵理论认为,NM 可填充在页岩孔隙内部,形成致密填充层,阻止钻井液滤液侵入页岩内部。 Sudduth [35]提出的较完善的 d1/ 2 理论认为,要达到最优的封堵效果,封堵材料的累积体积分数应与颗粒粒径的平方根成正比。但是,架桥封堵和填充封堵均将地层理想化,未考虑地层的非均质性,因此具有局限性。

  • 由于具有形变特性,柔性封堵材料更为适应地层的非均质性。柔性封堵材料(如聚酯类微球)在进入地层孔隙后,在温度和压力等作用下发生形变(交联、膨胀、吸附、凝固等),填充封堵孔隙。对于刚性封堵材料难以封堵的微小孔隙,以及形成架桥的粒子间的孔缝,柔性封堵材料能够很好地填充封堵,减少地层渗透率,达到稳定井壁的效果。

  • 2.5.2 化学抑制

  • 化学抑制作用通常是添加剂与页岩之间的化学相互作用,包括吸附、离子交换及嵌入晶层空间等。部分 NM 的化学抑制作用源于 NM 表面修饰的官能团与页岩的作用,例如支化聚乙烯亚胺改性的纳米 SiO2 通过氢键和静电作用将接枝的聚乙烯亚胺分子嵌入到黏土晶层间,压缩黏土层间距,抑制黏土水化膨胀。此外,研究表明,钻井液 pH 值增加会导致页岩内矿物溶解,降低页岩抗压强度,造成井壁失稳[23]。纳米 SiO2 可以与羟基反应,降低钻井液碱度,提高页岩的稳定性。

  • 2.5.3 润湿改变

  • 通过疏水 NM 改变页岩的润湿性,是提高页岩稳定性的有效手段。疏水 NM 与页岩之间的静电相互作用(相互吸引和排斥),与疏水 NM 和页岩的表面电荷密度和表面电位有关,影响 NM 在页岩表面的吸附情况。另外,疏水 NM 表面的化学键,可与页岩表面的 Si—OH、Al—OH 等形成氢键和共价键,使 NM 稳固吸附在页岩表面。疏水 NM 通过物理化学作用(氢键、静电力、共价键)吸附在页岩表面后,改变了页岩表面结构,形成疏水层,减少页岩与水的反应活性和相互作用,抑制页岩水化。

  • 3 展望

  • 在水基钻井液中使用 NM 提高页岩稳定性的研究得到了快速发展,但仍存在一定的局限性。综合来看,仍需在基础理论研究、新 NM 的研发、评价方法的建立等方面继续加强。

  • (1)NM 现有作用机制仍存在局限性,未来的研究应进一步加深 NM 提高页岩稳定性作用机制的研究。封堵理论,如 1 / 3 准则、2 / 3 准则及 d1/ 2 理论等均未充分考虑地层的非均质性。加强 NM 封堵基础理论的研究,开展 NM 在孔隙分布不均匀地层的架桥与填充理论的研究,对 NM 的现场应用更具指导意义。通过建立模型,可以评价不同粒径、浓度、颗粒释放方式和形状因素对页岩纳米孔隙封堵效率的影响[36]。建议未来的研究采用模拟和实验相结合的方法,加深研究页岩孔隙中 NM 的运移及与 NM 页岩的相互作用力,进行页岩孔喉颗粒封堵规律模拟研究。

  • (2)合成聚合物类 NM 是提高页岩稳定性研究的重点方向。随着钻探井深逐渐增加,地下的复杂条件包括温度、压力、盐度和 pH 值等直接影响 NM 的形态与作用。因此需深入研究 NM 的表面功能化,开发新型 NM,确保 NM 在高温高压及高盐环境下在钻井液中的分散稳定性与封堵高效性。

  • (3)传统提高页岩稳定性的评价方法不适用于 NM,需建立 NM 提高页岩稳定性新的评价方法。对于 NM 提高页岩稳定性的评价方法,多在宏观评价 NM 作用,尚未具有统一标准。由于评价方法不同,导致不同研究 NM 的效果难以横向对比分析。且评价方法存在介质尺度与 NM 不匹配(如滤失实验)、实验周期长(如 PPT 实验)、实验仪器要求高等问题,造成实验结果偏差大、可重复性差。因此亟需建立适用于 NM 的井壁稳定评价方法。可考虑基于页岩孔隙度和渗透率等参数建立 NM 提高页岩稳定性评价的仿真模拟方法,在微观尺度对 NM 进行评价。

  • 参考文献

    • [1] 宣扬,蒋官澄,宋然然,等.超支化聚乙烯亚胺作为钻井液页岩抑制剂研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(6):178-186.XUAN Yang,JIANG Guancheng,SONG Ranran,et al.Study on hyper-branched poly(ethyleneimine)as shale inhibitor inwater-based drilling fluid[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(6):178-186.

    • [2] 孙金声,黄贤斌,吕开河,等.提高水基钻井液高温稳定性的方法、技术现状与研究进展[J].中国石油大学学报(自然科学版),2019,43(4):73-81.SUN Jinsheng,HUANG Xianbin,LÜ Kaihe,et al.Methods,technical progress and research advance of improving hightemperature stability of water based drilling fluids[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2019,43(4):73-81.

    • [3] ALBOOYEH M,KIVI I R,AMERI M.Promoting wellbore stability in active shale formations by water-based muds:a case study in Pabdeh shale,Southwestern Iran [J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,56:166-174.

    • [4] 王富强,梁华旭,林波,等.基于时域有限差分法光学设计电介质纳米球薄膜钙钛矿光伏电池[J].中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(6):97-102.WANG Fuqiang,LIANG Huaxu,LIN Bo,et al.Optical design of dielectric nanosphere thin film perovskite photovoltaiccells based on finite difference time domain method [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2020,44(6):97-102.

    • [5] 吕其超,张星,周同科,等.SiO2 纳米颗粒强化的 CO2 泡沫压裂液体系[J].中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(3):114-123.LÜ Qichao,ZHANG Xing,ZHOU Tongke,et al.CO2 foam fracturing fluid system enhanced by SiO2 nanoparticles[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2020,44(3):114-123.

    • [6] BAYAT A E,SHAMS R.Appraising the impacts of SiO2,ZnO and TiO2 nanoparticles on rheological properties and shale inhibition of water-based drilling muds [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2019,581:123792.

    • [7] LIU F,ZHANG C,LI X,et al.Investigation of the inhibition mechanism of polymer/nano-silica composite as shale inhibitor in water-based drilling fluids[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2022,636:128099.

    • [8] 李东平,赵贤正,王子毓,等.新型有机硅聚合物抑制封堵剂性能及作用机制[J].中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(4):135-141.LI Dongping,ZHAO Xianzheng,WANG Ziyu,et al.Performance and mechanism of new silicone polymer for inhibitor andplugging agent[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2020,44(4):135-141.

    • [9] SENSOY T,CHENEVERT M E,SHARMA M M.Minimizing water invasion in shale using nanoparticles [ R].SPE 124429-MS,2009.

    • [10] SONG J,YUAN Y,GU S,et al.2D numerical simulation of improving wellbore stability in shale using nanoparticles based drilling fluid [J].Energies,2017,10(5):651.

    • [11] JUNG C M,ZHANG R,CHENEVERT M,et al.Highperformance water-based mud using nanoparticles for shale reservoirs[R].SPE 1581549-MS,2013.

    • [12] AKHTARMANESH S,SHAHRABI M J A,ATASHNEZHAD A.Improvement of wellbore stability in shale using nanoparticles [J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2013,112:290-295.

    • [13] 杨现禹,蔡记华,蒋国盛,等.维持页岩井壁稳定的物理封堵模拟和化学抑制实验研究[J].钻探工程,2021,48:37-46.YANG Xianyu,CAI Jihua,JIANG Guosheng,et al.Experimental study on physical plugging simulation and chemical inhibition to maintain shale well wall stability [J].Drilling Engineering,2021,48:37-46.

    • [14] AFTAB A,ISMAIL A R,IBUPOTO Z H.Enhancing the rheological properties and shale inhibition behavior of water-based mud using nanosilica,multi-walled carbon nanotube,and graphene nanoplatelet[J].Egyptian Journal of Petroleum,2017,26(2):291-299.

    • [15] WANG K,JIANG G,LI X,et al.Study of graphene oxide to stabilize shale in water-based drilling fluids [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2020,606:125457.

    • [16] 陈力力,郭建华,谢刚.碳纳米管封堵剂在水基钻井液中的作用机理[J].钻井液与完井液,2022,39(1):29-35.CHEN Lili,GUO Jianhua,XIE Gang.Mechanism of carbon nanotube plugging agents in water-based drilling fluids[J].Drilling and Completion Fluids,2022,39(1):29-35.

    • [17] LIU F,JIANG G C,WANG K,et al.Laponite nanoparticle as a multi-functional additive in water-based drilling fluids [J].Journal of Materials Science,2017,52(20):12266-12278.

    • [18] ZHANG H,ZHONG Y,SHE J,et al.Experimental study of nano-drilling fluid based on nano temporary plugging technology and its application mechanism in shale drilling[J].Applied Nanoscience,2019,9(8):1637-1648.

    • [19] GAO C,MISKA S Z,YU M,et al.Effective enhancement of wellbore stability in shales with new families of nanoparticles[R].SPE 180330-MS,2016.

    • [20] 田月昕,黄进军,郭星波,等.纳米封堵剂Fe3O4性能评价与机理探究[J].化学世界,2018,59:440-447.TIAN Yuexin,HUANG Jinjun,GUO Xingbo,et al.Performance evaluation and mechanism investigation of nano-sealing agent Fe3O4 [J].Chemistry World,2018,59:440-447.

    • [21] HUANG X,MENG X,LÜ K,et al.Development of a high temperature resistant nano-plugging agent and the plugging performance of multi-scale micropores [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2022,639:128275.

    • [22] 薛森.抗盐耐温型纳米乳胶封堵剂 PF-NSEAL 的研制与应用[J].当代化工,2022,51(8):1938-1942.XUE Sen.Development and application of salt-resistant and temperature-resistant nanoemulsion sealer PFNSEAL[J].Contemporary Chemistry,2022,51(8):1938-1942.

    • [23] XU J,QIU Z,HUANG W,et al.Preparation and performance properties of polymer latex SDNL in waterbased drilling fluids for drilling troublesome shale formations[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2017,37:462-470.

    • [24] WANG W J,QIU Z S,ZHONG H Y,et al.Thermosensitive polymer nanospheres as a smart plugging agent for shale gas drilling operations[J].Petroleum Science,2017,14(1):116-125.

    • [25] LEI M,HUANG W,SUN J,et al.The utilization of self-crosslinkable nanoparticles as high-temperature plugging agent in water-based drilling fluid [J].SPE Journal,2022,27(5):2628-2641.

    • [26] QIU Z,XU J,YANG P,et al.Effect of amphiphilic polymer/nano-silica composite on shale stability for water-based muds [J].Applied Sciences,2018,8(10):1839.

    • [27] HUANG X,SUN J,LÜ K,et al.Application of coreshell structural acrylic resin/nano-SiO2 composite in water based drilling fluid to plug shale pores[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,55:418-425.

    • [28] 王伟吉.页岩地层核壳结构纳米封堵剂研制及应用 [J].科学技术与工程,2020,20(9):3585-3590.WANG Weiji.Development and application of nanosealers for core-shell structure of shale formations[J].Science,Technology and Engineering,2020,20(9):3585-3590.

    • [29] NI X,JIANG G,LI Y,et al.Synthesis of superhydrophobic nanofluids as shale inhibitor and study of the inhibition mechanism [J].Applied Surface Science,2019,484:957-965.

    • [30] LI H,SUN J,LÜ K,et al.Wettability alteration to maintain wellbore stability of shale formation using hydrophobic nanoparticles[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2022,635:128015.

    • [31] AN Yuxiu,JIANG Gguancheng,QI Yourong,et al.High-performance shale plugging agent based on chemically modified graphene [J].Journal of Natural Gas Science & Engineering,2016,32:347-355.

    • [32] RANA A,ARFAJ M K,YAMI A S,et al.Cetyltrimethylammonium modified graphene as a clean swelling inhibitor in water-based oil-well drilling mud[J].Journal of Environmental Chemical Engineering,2020,8(4):103802.

    • [33] ZHANG H,YAO J,ZHANG S,et al.Carboxylized graphene oxide nanosheet for shale plugging at high temperature [J].Applied Surface Science,2021,558:149901.

    • [34] YANG X,CAI J,JIANG G,et al.Nanoparticle plugging prediction of shale pores:a numerical and experimental study[J].Energy,2020,208:118337.

    • [35] SUDDUTH R D.Theoretical development of a graphical analysis technique to optimize the particle size distribution of pigments in paints and coatings[J].Journal of Coatings Technology,2003,75(940):9-15.

    • [36] YANG X,CAI J,JIANG G,et al.Modeling of nanoparticle fluid microscopic plugging effect on horizontal and vertical wellbore of shale gas [J].Energy,2022,239:122130.

  • 参考文献

    • [1] 宣扬,蒋官澄,宋然然,等.超支化聚乙烯亚胺作为钻井液页岩抑制剂研究[J].中国石油大学学报(自然科学版),2017,41(6):178-186.XUAN Yang,JIANG Guancheng,SONG Ranran,et al.Study on hyper-branched poly(ethyleneimine)as shale inhibitor inwater-based drilling fluid[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(6):178-186.

    • [2] 孙金声,黄贤斌,吕开河,等.提高水基钻井液高温稳定性的方法、技术现状与研究进展[J].中国石油大学学报(自然科学版),2019,43(4):73-81.SUN Jinsheng,HUANG Xianbin,LÜ Kaihe,et al.Methods,technical progress and research advance of improving hightemperature stability of water based drilling fluids[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2019,43(4):73-81.

    • [3] ALBOOYEH M,KIVI I R,AMERI M.Promoting wellbore stability in active shale formations by water-based muds:a case study in Pabdeh shale,Southwestern Iran [J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,56:166-174.

    • [4] 王富强,梁华旭,林波,等.基于时域有限差分法光学设计电介质纳米球薄膜钙钛矿光伏电池[J].中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(6):97-102.WANG Fuqiang,LIANG Huaxu,LIN Bo,et al.Optical design of dielectric nanosphere thin film perovskite photovoltaiccells based on finite difference time domain method [J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2020,44(6):97-102.

    • [5] 吕其超,张星,周同科,等.SiO2 纳米颗粒强化的 CO2 泡沫压裂液体系[J].中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(3):114-123.LÜ Qichao,ZHANG Xing,ZHOU Tongke,et al.CO2 foam fracturing fluid system enhanced by SiO2 nanoparticles[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2020,44(3):114-123.

    • [6] BAYAT A E,SHAMS R.Appraising the impacts of SiO2,ZnO and TiO2 nanoparticles on rheological properties and shale inhibition of water-based drilling muds [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2019,581:123792.

    • [7] LIU F,ZHANG C,LI X,et al.Investigation of the inhibition mechanism of polymer/nano-silica composite as shale inhibitor in water-based drilling fluids[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2022,636:128099.

    • [8] 李东平,赵贤正,王子毓,等.新型有机硅聚合物抑制封堵剂性能及作用机制[J].中国石油大学学报(自然科学版),2020,44(4):135-141.LI Dongping,ZHAO Xianzheng,WANG Ziyu,et al.Performance and mechanism of new silicone polymer for inhibitor andplugging agent[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2020,44(4):135-141.

    • [9] SENSOY T,CHENEVERT M E,SHARMA M M.Minimizing water invasion in shale using nanoparticles [ R].SPE 124429-MS,2009.

    • [10] SONG J,YUAN Y,GU S,et al.2D numerical simulation of improving wellbore stability in shale using nanoparticles based drilling fluid [J].Energies,2017,10(5):651.

    • [11] JUNG C M,ZHANG R,CHENEVERT M,et al.Highperformance water-based mud using nanoparticles for shale reservoirs[R].SPE 1581549-MS,2013.

    • [12] AKHTARMANESH S,SHAHRABI M J A,ATASHNEZHAD A.Improvement of wellbore stability in shale using nanoparticles [J].Journal of Petroleum Science and Engineering,2013,112:290-295.

    • [13] 杨现禹,蔡记华,蒋国盛,等.维持页岩井壁稳定的物理封堵模拟和化学抑制实验研究[J].钻探工程,2021,48:37-46.YANG Xianyu,CAI Jihua,JIANG Guosheng,et al.Experimental study on physical plugging simulation and chemical inhibition to maintain shale well wall stability [J].Drilling Engineering,2021,48:37-46.

    • [14] AFTAB A,ISMAIL A R,IBUPOTO Z H.Enhancing the rheological properties and shale inhibition behavior of water-based mud using nanosilica,multi-walled carbon nanotube,and graphene nanoplatelet[J].Egyptian Journal of Petroleum,2017,26(2):291-299.

    • [15] WANG K,JIANG G,LI X,et al.Study of graphene oxide to stabilize shale in water-based drilling fluids [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2020,606:125457.

    • [16] 陈力力,郭建华,谢刚.碳纳米管封堵剂在水基钻井液中的作用机理[J].钻井液与完井液,2022,39(1):29-35.CHEN Lili,GUO Jianhua,XIE Gang.Mechanism of carbon nanotube plugging agents in water-based drilling fluids[J].Drilling and Completion Fluids,2022,39(1):29-35.

    • [17] LIU F,JIANG G C,WANG K,et al.Laponite nanoparticle as a multi-functional additive in water-based drilling fluids [J].Journal of Materials Science,2017,52(20):12266-12278.

    • [18] ZHANG H,ZHONG Y,SHE J,et al.Experimental study of nano-drilling fluid based on nano temporary plugging technology and its application mechanism in shale drilling[J].Applied Nanoscience,2019,9(8):1637-1648.

    • [19] GAO C,MISKA S Z,YU M,et al.Effective enhancement of wellbore stability in shales with new families of nanoparticles[R].SPE 180330-MS,2016.

    • [20] 田月昕,黄进军,郭星波,等.纳米封堵剂Fe3O4性能评价与机理探究[J].化学世界,2018,59:440-447.TIAN Yuexin,HUANG Jinjun,GUO Xingbo,et al.Performance evaluation and mechanism investigation of nano-sealing agent Fe3O4 [J].Chemistry World,2018,59:440-447.

    • [21] HUANG X,MENG X,LÜ K,et al.Development of a high temperature resistant nano-plugging agent and the plugging performance of multi-scale micropores [J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2022,639:128275.

    • [22] 薛森.抗盐耐温型纳米乳胶封堵剂 PF-NSEAL 的研制与应用[J].当代化工,2022,51(8):1938-1942.XUE Sen.Development and application of salt-resistant and temperature-resistant nanoemulsion sealer PFNSEAL[J].Contemporary Chemistry,2022,51(8):1938-1942.

    • [23] XU J,QIU Z,HUANG W,et al.Preparation and performance properties of polymer latex SDNL in waterbased drilling fluids for drilling troublesome shale formations[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2017,37:462-470.

    • [24] WANG W J,QIU Z S,ZHONG H Y,et al.Thermosensitive polymer nanospheres as a smart plugging agent for shale gas drilling operations[J].Petroleum Science,2017,14(1):116-125.

    • [25] LEI M,HUANG W,SUN J,et al.The utilization of self-crosslinkable nanoparticles as high-temperature plugging agent in water-based drilling fluid [J].SPE Journal,2022,27(5):2628-2641.

    • [26] QIU Z,XU J,YANG P,et al.Effect of amphiphilic polymer/nano-silica composite on shale stability for water-based muds [J].Applied Sciences,2018,8(10):1839.

    • [27] HUANG X,SUN J,LÜ K,et al.Application of coreshell structural acrylic resin/nano-SiO2 composite in water based drilling fluid to plug shale pores[J].Journal of Natural Gas Science and Engineering,2018,55:418-425.

    • [28] 王伟吉.页岩地层核壳结构纳米封堵剂研制及应用 [J].科学技术与工程,2020,20(9):3585-3590.WANG Weiji.Development and application of nanosealers for core-shell structure of shale formations[J].Science,Technology and Engineering,2020,20(9):3585-3590.

    • [29] NI X,JIANG G,LI Y,et al.Synthesis of superhydrophobic nanofluids as shale inhibitor and study of the inhibition mechanism [J].Applied Surface Science,2019,484:957-965.

    • [30] LI H,SUN J,LÜ K,et al.Wettability alteration to maintain wellbore stability of shale formation using hydrophobic nanoparticles[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2022,635:128015.

    • [31] AN Yuxiu,JIANG Gguancheng,QI Yourong,et al.High-performance shale plugging agent based on chemically modified graphene [J].Journal of Natural Gas Science & Engineering,2016,32:347-355.

    • [32] RANA A,ARFAJ M K,YAMI A S,et al.Cetyltrimethylammonium modified graphene as a clean swelling inhibitor in water-based oil-well drilling mud[J].Journal of Environmental Chemical Engineering,2020,8(4):103802.

    • [33] ZHANG H,YAO J,ZHANG S,et al.Carboxylized graphene oxide nanosheet for shale plugging at high temperature [J].Applied Surface Science,2021,558:149901.

    • [34] YANG X,CAI J,JIANG G,et al.Nanoparticle plugging prediction of shale pores:a numerical and experimental study[J].Energy,2020,208:118337.

    • [35] SUDDUTH R D.Theoretical development of a graphical analysis technique to optimize the particle size distribution of pigments in paints and coatings[J].Journal of Coatings Technology,2003,75(940):9-15.

    • [36] YANG X,CAI J,JIANG G,et al.Modeling of nanoparticle fluid microscopic plugging effect on horizontal and vertical wellbore of shale gas [J].Energy,2022,239:122130.

  • 版权所有 中国石油大学学报(自然科学版)编辑部 Copyright©2008 All Rights Reserved
    主管单位:中华人民共和国教育部 主办单位:中国石油大学(华东)
    地址: 青岛市黄岛区长江西路66号中国石油大学期刊社 邮编:266580 电话:0532-86983553 E-mail: journal@upc.edu.cn
    本系统由:北京勤云科技发展有限公司设计