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纳米技术在钻井液中的应用
文摘
在非常规页岩地层中可以放心使用水基钻井液，它的潜力已经通过使用工程化的纳米颗粒物理的堵塞纳米尺寸的孔隙减少页岩渗透性的研究证明。
本文讨论了纳米技术的发展和该技术在马塞勒斯和曼克斯页岩开发应用中的测试报告。
此外，新的方法，以更好地理解堵塞机理目前正在评估。
在这项研究中纳米粒子是专门设计的物理上堵塞页岩纳米尺寸孔隙，从而降低输送到页岩的压力。
二氧化硅纳米粒子可以商购，并且可以设计成满足目的所需要的所有规格。
粒径可在5nm和100nm之间变化。
选择合适尺寸的纳米颗粒并且与正确的钻井液滤失体系结合可以减少流体与岩石的相互作用。
对纳米硅的表面处理被发现对最终性能有重大影响。
据透露，适当尺寸的表面处理的在钻井中能与离子相容的纳米颗粒和地层流体是有效堵漏所需要的。
马塞勒斯和曼克斯页岩由于其广泛的产业利益和相似的地质都用于开发阶段。
作者研究了室内的方法，仍处于开发阶段的页岩膜试验，目的在于提供使用各种页岩样品定量堵漏和滤饼测量的数据。
介绍
纳米技术已经到了研究的前沿，在过去的十年里在各种工业中广泛的使用。
有数以百计的基于纳米技术的产品面世，其中大部分是在医疗保健，国防和涂层产业。
他们的产品主要是基于纳米颗粒所组成的材料，以提高耐久性或者排斥性，药品输送和电子产品。
油田提供了充足的机会以应用这些材料。
调查发现使用纳米颗粒作为钻井液添加剂，以提高井筒稳定性已经成功。
该纳米材料在地层和井筒之间起作用，几乎切断水的运动。
在毫微达西渗透性的页岩地层中，如马塞勒斯，依靠滤饼减少一般钻井液方法的流体损失（或者无泄露）不被使用，因为极低渗透性页岩（图
1）一般不形成滤饼。
此问题的解决方案是设计一种加在钻井液中去堵塞页岩孔隙和关闭失水的纳米颗粒。
粒子的设计原则和测试在本文中描述。
图1：滤饼的厚度依赖于流体在地层中的滤失和泄露。
在低渗透页岩地层，在井筒中几乎没有形成滤饼。
背景
在非常规页岩气的活动积聚增加，由于技术的进步在整个复杂的钻井和生产阶段。
主要使用油基钻井液是由于其钻井性能和低反应性的页岩地层，同时要保持井壁稳定，但是环境机构，从EPA到当地机关，是确保运营商在气体开采过程中通过坚持确定的协议规范他们的钻井作业。
合成基泥浆可能是下一个目标。
我们的目标是使用一个创新水基钻井液与油基钻井液竞争。
不幸的是，目前的水基钻井液由于与页岩地层的相互作用有更低的渗透速率并可能导致井筒不稳定。
饱和盐水体系可以带来一些好处，但要求垃圾处理，由于固体的导电性增加了对环境的影响和每一口井的成本。
这些可能是该项目的总成本的2-4%，导致我们需要开发出笔直，简单，低成本的良心设计，排除了使用氯基材料，并且提供页岩稳定性之低反应页岩。
改进钻井性能和减少盐的使用会显著减少费用的浪费和增加水基钻井液在页岩地层中的使用。
保持页岩地层井壁稳定性的障碍是控制岩石与水的相互作用。
水通过孔隙进入页岩裂缝的规模在3至100纳米（Sensoy 2009）之间变化从而导致井筒稳定性的降低。
通过有效地堵塞岩石裸露的孔隙，而不是允许水进入保持井筒稳定性。
一个常规的桥接理论被称为过滤的三分之一规则（亚伯拉罕的理论），其中用于堵塞的细孔的材料需要是中值孔开口的尺寸的大约三分之一至七分之一。
还有其他具有不同尺寸要求的堵漏材料的理论，但是，没有一个是完美的。
一个理想的堵漏材料也将适应在地层内孔中的可变性。
目前的办法是利用页岩地层的化学反应来稳定井筒。
合成的或油基钻井液是一种简单的方法来补救水侵入地层，但费用昂贵，或具有环境问题。
当使用目前的水基钻井液时，在钻井液中高含盐量减少钻井液和地层之间的阳离子交换量。
胺化学还用于保持在地层化学反应性的稳定，但是低CEC值和低膨胀性粘土含量的非常规页岩不是这种情况。
一种纳米颗粒稳
定井筒的新方法不依赖于这些机制。
为了更好地理解页岩中井筒稳定性与它们在钻井液中表现，室内研究蜡封保存的马塞勒斯页岩岩心示范页岩如何膨胀和压裂。
样品浸没在150°F淡水或氯化钠溶液（109PPB）中十二天。
在淹没之前页岩将被拍照，6至12天后从钻井液中取出。
图2是页岩岩心与淡水接触六天后肉眼可见的裂缝的结果。
氯化钠样品具有类似的结果。
根据对裂缝的进一步调查，发现样品具有5-45微米可比性裂缝宽度。
相交裂缝是常见的，并且裂缝总是平行于层理平面，如图2。
即使高含盐量的或者合成油钻井液中，页岩是被迫形成裂缝，从而导致井筒的稳定性降低。
图2：一个淹没在150°F淡水中保存的马塞勒斯页岩岩心样品。
裂缝的存在可以看出样本超过12天（上图）。
淹没在淡水（左下）和氯化钠溶液中的页岩岩心样品的放大部分（109 ppb的，右下图）。
两个样本有类似的裂缝宽度。
比例尺是500微米。
