為了解決頁巖地層井眼失穩(wěn)問題，M-I SWACO公司的 Meghan Riley 等人研發(fā)了一種改性納米硅水基鉆井液，它配方簡單，維護(hù)方便，具有好的流變特性，能夠保持井眼穩(wěn)定，且環(huán)境保護(hù)性能好。納米粒子能夠物理封堵納米級孔隙，從而降低頁巖滲透性。

 

  納米硅材料工業(yè)來源豐富，經(jīng)過改造可以滿足地層要求。下面介紹該鉆井液在 Marcellus 頁巖的應(yīng)用情況。

 

  Marcellus頁巖特性.

 

  Marcellus 是美國重要的頁巖氣田。通過測定取 自 井 深 2 045.53～2 045.70 m 處 的 巖 樣， 得 到Marcellus 頁巖的礦物組成和性質(zhì)為 ：含 4% 蒙脫石、25% 伊利石、47% 石英、10% 長石、5% 黃鐵礦、6%綠泥石、3% 鐵白云石，CEC 值為 3 meq/100 g 膨潤土，在 20.7 和 41.4 MPa 下測得的滲透率分別為 19×10-9和 6×10-9μm2，孔隙度為 10%，總有機(jī)質(zhì)含量為 9%。

 

  飽和度和低滲透率的結(jié)合，使得只有很少量的濾液滲透進(jìn)入地層，導(dǎo)致近井地帶孔隙流體壓力增加，因此造成了較不穩(wěn)定的井眼條件。實(shí)驗(yàn)中，將保存完好的 Marcellus 巖心暴露在 65.5 ℃的淡水中，數(shù)天之后產(chǎn)生了寬 5～45 ?m 的平行于層理面的裂縫。該結(jié)果說明 Marcellus 頁巖與水幾乎不發(fā)生反應(yīng)，但是易于產(chǎn)生裂縫，能夠?qū)е戮凼Х€(wěn)，特別是在長水平井段。

 

  納米硅的生產(chǎn)方法.

 

  近幾年對納米硅土的定義一直有爭議。納米粒子被定義為直徑小于 100 nm 的物體。最近，提出更多的其它定義是基于表面積而不是直徑，也不存在明確尺寸的界限。硅土是二氧化硅的俗名，有以下幾種存在形式 ：非晶和晶態(tài)、多孔和無孔、無水和羥基化。

 

  從結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)看，硅原子處于與 4 個(gè)氧原子四面體配位，可以由此形成眾多不同的結(jié)構(gòu)。硅土主要從水溶液中合成，通過分離單體硅酸，或者從某種硅化合物的蒸汽中分離得到 ；還有許多其它合成路線。傳統(tǒng)納米硅土的分散體系由分散相和連續(xù)相組成。如果形成的分散體系不穩(wěn)定，那么粒子將凝聚、沉淀。通常，在被吸附到分散粒子上之后，分散劑可以通過空間位阻或靜電方法防止相分離。在鉆井液中應(yīng)用納米硅粒子作封堵材料來減小水向納米級孔隙的滲透，添加劑的設(shè)計(jì)需考慮 2 個(gè)因素 ：成本和配伍性。納米硅的生產(chǎn)成本要盡量低，且必須與其他鉆井液添加劑配伍，熱力學(xué)穩(wěn)定性良好，能夠抗固相污染。

 

  頁巖膜試驗(yàn).

 

  用頁巖膜試驗(yàn)（SMT）研究納米硅粒子對頁巖的封堵作用。SMT的實(shí)驗(yàn)原理見圖5，在恒壓（P2，P3）下，實(shí)驗(yàn)流體被泵送流過頁巖樣品的上表面，同時(shí)應(yīng)用小部分恒定體積來測量容器底部的壓力恢復(fù)值。試驗(yàn)用頁巖樣品的滲透率可以通過底部壓力恢復(fù)值（P1）來體現(xiàn)。與初始鹽水相比，水基鉆井液滲透率下降得越顯著，固體和納米粒子的物理封堵效果越好。

 

  實(shí)驗(yàn)步驟如下 ：將水活度與頁巖孔隙流體相同的鹽水裝入容器；應(yīng)用回壓為0.35 MPa，最高壓力為2.07MPa ；測量鹽水（孔隙流體）壓 力 傳遞的底部壓力，得到初始頁巖滲透率 ；用鉆井液驅(qū)替上游流體，測量流體壓力傳遞的底部壓力，得到頁巖封堵后的滲透率。

 

  可以看出，隨著納米硅濃度從 5% 增加到 29%（m/m），封堵效果越來越好，同時(shí)滲透率降低。