纳米二氧化硅对微泡沫钻井液体系的影响

张兵

摘 要：【目的】微泡沫鉆井液是一种热力学不稳定体系。在复杂的地层环境中，钻井液的稳定性会下降，导致微泡沫钻井液的使用范围受到限制。为了稳定微泡沫钻井液，通常使用稳泡剂来增强泡沫的稳定性。随着对纳米颗粒研究的深入，发现纳米二氧化硅颗粒具有稳定泡沫的作用。本研究通过试验来对纳米二氧化硅颗粒进行研究。【方法】首先，以泡沫半衰期和发泡量为指标来验证纳米二氧化硅对泡沫稳定性的影响。其次，将纳米二氧化硅添加到微泡沫钻井液中，用来研究纳米二氧化硅对微泡沫钻井液性能的影响。【结果】由试验结果可知，纳米二氧化硅能极大增强微泡沫的稳定性，与未添加纳米二氧化硅的表面活性剂溶液相比，添加纳米二氧化硅后的半衰期增加60 min。在微泡沫钻井液中加入纳米二氧化硅后，钻井液的稳定性增加、流变性良好、黏度增加、失水降低。【结论】纳米二氧化硅在增强泡沫稳定性上具有显著作用，将其应用到微泡沫钻井液中，能有效提高钻井液的稳定性，降低钻井液的失水量，从而发挥出钻井液的良好性能。未来可以使用纳米二氧化硅来代替钻井液材料，能有效降低钻井液成本。

关键词：微泡沫钻井液；纳米二氧化硅；稳定性；流变性

中图分类号：O613.72；O647.2；TE357 文献标志码：A  文章编号：1003-5168（2024）03-0073-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.015

Effect of Nanosilica on Microfoam Drilling Fluid Systems

ZHANG Bing

（China Oilfield Services Limited，Shanghai Branch， Shanghai 200335，China）

Abstract： [Purposes] Micro-foam drilling fluid is a thermodynamically unstable system. In the complex formation environment， the stability of drilling fluid will decrease， resulting in the limited use of micro-foam drilling fluid. In order to stabilize the micro-foam drilling fluid， foam stabilizers are usually used to enhance the stability of the foam. With the in-depth study of nanoparticles， it has been found that nano-silica particles have the effect of stabilizing foam. In this study， nano-silica particles were studied by experiments. [Methods] Firstly， the effect of nano-silica on foam stability was verified by foam half-life and foaming amount. Secondly， nano-silica was added to micro-foam drilling fluid to study the effect of nano-silica on the performance of micro-foam drilling fluid. [Findings] The results showed that nano-silica could greatly enhance the stability of micro-foam. Compared with the surfactant solution without nano-silica， the half-life of nano-silica increased by 60 min. After adding nano-silica to the micro-foam drilling fluid， the stability of the drilling fluid increases， the rheology is good， the viscosity increases， and the water loss decreases.[Conclusions] Nano-silica has a significant effect on enhancing foam stability， so applying it to micro-foam drilling fluid can effectively improve the stability of high drilling fluid and reduce the water loss of drilling fluid， thus exerting the good performance of drilling fluid. In the future， nano-silica can be used instead of drilling fluid materials， which can effectively reduce the cost of drilling fluid.

Keywords： micro-foam drilling fluids; nano-silica; stability; rheology

0 引言

微泡沫钻井液主要应用于压力系数小于1的低压易漏地层中。相较于常规的水基钻井液，微泡沫钻井液具有密度低、可循环使用、成本低、配制简单等优点［1］。目前，微泡沫钻井液技术已被广泛应用于钻井项目中，在实际应用过程中具有良好的储层保护、提高机械转速、增强携岩携水能力等优势，可以有效减少压差卡钻等事故的发生［2］。然而，微泡沫属热力学不稳定体系，在高温、高压、高盐的地层环境中，泡沫稳定性会急剧下降，而传统的稳泡剂不能满足微泡沫钻井液的使用需求，严重阻碍了微泡沫钻井技术的发展［3］。学者们对如何提高泡沫稳定性进行了研究，并提出通过添加固体颗粒来解决这一问题［4-5］。Vatanparast等［6］研究了存在亲水纳米二氧化硅时的阴离子表面活性剂的界面行为，研究发现即便存在表面活性剂，纳米颗粒仍保持其非表面活性，表面活性剂的表面活性会随纳米颗粒浓度的增加而增加，但这归因于带负电荷的纳米粒子与阴离子表面活性剂分子之间的静电排斥作用。本研究将具有绿色环保的纳米二氧化硅颗粒作为一种特殊的稳泡剂，并将其使用在微泡沫钻井液中［7］，通过对纳米颗粒与表面活性剂的协同性进行研究，从而分析纳米二氧化硅与表面活性剂的作用机理及纳米二氧化硅对微泡沫钻井液稳定性、滤失性、流变性的影响。

1 试验

1.1 试验材料

本研究所用到的试验材料具体情况如下：α-烯基磺酸钠（AOS，上海阿拉丁试剂公司）、亲水性纳米SiO2（上海麦克林生化科技有限公司）、黄原胶XC（上海麦克林生化科技有限公司）、亲水纳米SiO2（上海麦克林生化科技有限公司）、钠基膨润土（荆州嘉华科技有限公司）。

1.2 试验仪器

本研究所用到的试验仪器具体情况如下：电子天平（METTLER-TOLEDO ME104E）、高速搅拌器（中国青岛同春石油仪器有限公司）、量筒（长征化学玻璃仪器）、超声波粉碎仪（LAWSONSCIENTIFIC）、水浴加热锅（常州国宇优器制造有限公司）、六速旋转黏度计（ZNN-D6）、滚子加热炉（OFITE）、变频高速搅拌器（HAITONGDA）、中压滤失仪（青岛海通达）、超声波粉碎仪（LAWSON SCIENTIFIC）、光学显微镜（永新光学股份有限公司）。

1.3 试验方法

1.3.1 基液制备。称取一定质量的二氧化硅颗粒，先将二氧化硅颗粒放入磁力搅拌器中搅拌30 min，再将纳米颗粒溶液放入超声波粉碎仪中分散处理5 h，配制出的纳米颗粒浓度为9%。根据需要用清水对纳米颗粒进行稀释，并加入一定量的黄原胶稳泡剂和发泡剂，最终配制成钻井液基液。使用搅拌（Waring-Blender）法对泡沫性能进行评价，用量筒称取100 ml配制好的泡沫基液，倒入高速搅拌杯中，并将其放到高速搅拌器上以8 000 r/min的转速搅拌2 min，然后立即将泡沫倒入到量筒中并计时。泡沫的起泡体积为基液的发泡量，量筒中泡沫随时间变化而析出的液体为总基液一半时所用的时间为该泡沫基液的半衰期，利用泡沫的半衰期来评价该泡沫的稳定性。

1.3.2 微泡沫钻井液滤失性能评价。分别配制常温、80 ℃、100 ℃的未加入纳米二氧化硅及不同浓度（浓度分别为1%、2%、3%、4%）纳米二氧化硅颗粒的微泡沫钻井液，将配制好的钻井液倒入中压滤失仪中，静置30 min后观察不同钻井液的失水量，并评价不同浓度的纳米二氧化硅颗粒对微泡沫钻井液产生的影响及高温环境下纳米二氧化硅颗粒对微泡沫钻井液产生的影响。

1.3.3 微泡沫钻井液流变性能评价。利用六速旋转黏度计来测试未添加纳米二氧化硅颗粒与添加纳米二氧化硅颗粒的微泡沫钻井液溶液的流变性，并评价纳米二氧化硅颗粒对微泡沫钻井液流变性产生的影响。

2 纳米二氧化硅对微泡沫的作用机理

为了研究纳米二氧化硅颗粒对泡沫的作用机理，需要先分析影响泡沫破裂的因素，包括重力因素（在重力作用下，泡沫中的液相会逐渐向下移动，从而形成气相在上、液相在下，气泡的表层会逐渐变薄，最终导致泡沫破裂）、气泡合并（在压力作用下，导致小气泡不断被大气泡聚并，使大气泡越来越大，最终导致破裂）、泡沫歧化（小气泡中的气压高于大气泡中的气压，导致小气泡中的气体扩散到大气泡中，从而使泡沫发生破裂［8-9］）等因素。

微泡沫含有高粘双层膜，内层含有表面活性剂，内层的疏水末端指向核心，内层的亲水末端位于外壳内；外层具有表面活性剂，外层的亲水末端指向外壳，外层的疏水末端位于基液中。加入纳米颗粒后的微泡沫结构示意如图1所示。在加入纳米二氧化硅颗粒后，纳米二氧化硅粒子被吸附于泡沫液膜的外层，导致泡沫的黏度增加，减缓了泡沫生成，并在重力作用下，导致排液速度减缓。同时，也延迟了泡沫的聚并和歧化，从而增加了泡沫的稳定性［10］。

3 纳米二氧化硅对微泡沫钻井液性能的影响

3.1 纳米二氧化硅对微泡沫钻井液稳定性的影响

在微泡沫钻井液中，泡沫的稳定性会影响到钻井液整体的稳定性，纳米二氧化硅自身具有吸附性，使其吸附到气泡的气液界面上，从而增强泡沫的稳定性。然而，纳米二氧化硅的加量会对泡沫的稳定性会产生一定影响。为了研究纳米二氧化硅能否增强泡沫的稳定性及纳米二氧化硅加量对泡沫稳定性产生的影响，需要分别对普通泡沫结构和加入纳米二氧化硅的泡沫结构的稳定性进行研究。显微镜下不同泡沫结构如图2所示。

利用磁力搅拌器将纳米二氧化硅颗粒进行分散，将0.5%的阴离子表面活性剂AOS、0.3%的XC加入不同浓度的纳米二氧化硅溶液中，使用高速搅拌器将溶液在8 000 r/min转速下搅拌2 min，记录溶液的发泡体积和泡沫半衰期。纳米二氧化硅加量对发泡剂发泡性能的影响如图3所示。

由图3可知，随着纳米二氧化硅浓度的增加，起泡剂的半衰期也逐渐增加。当纳米二氧化硅浓度为3%时，泡沫半衰期为450 min，比未添加纳米二氧化硅颗粒的泡沫半衰期增加了60 min，这充分说明纳米二氧化硅能明显增强泡沫的稳定性。从起泡体积来看，随着纳米二氧化硅濃度的增加，泡沫体积呈先上升后下降的趋势。这是因为纳米二氧化硅加量较少时，未对微泡沫产生较大的影响，而随着纳米颗粒增加，其对表面活性剂的吸附能力也越来越强［12］，这体现在逐渐上升的泡沫半衰期上。随着纳米二氧化硅颗粒加量继续上升，表面活性剂被纳米颗粒吸附得更强，导致基液表面活性剂分子减少，使泡沫的发泡体积降低。由此可知，纳米二氧化硅具有增强泡沫稳定性的能力，同时，纳米二氧化硅的加量也会影响泡沫的发泡性能，纳米二氧化硅加量过多，会导致大量表面活性剂被吸附，从而降低发泡量，不能满足正常的起泡量要求。

3.2 纳米二氧化硅对微泡沫钻井液流变性的影响

对加入纳米二氧化硅颗粒的微泡沫钻井液和未添加纳米二氧化硅颗粒的微泡沫钻井液在80 ℃下热滚16 h，并测试钻井液的流变性。对二者的流变性进行对比，纳米二氧化硅对微泡沫钻井液流变性的影响见表1。该试验所用的微泡沫钻井液配方为3%膨润土浆+0.3%XC+0.5%CMC-LV+0.3%纳米二氧化硅。

由表1可知，在加入納米二氧化硅后，钻井液的黏度出现小幅度上升，这是因为纳米颗粒吸附于泡沫的液膜上，使泡沫的黏度上升；钻井液密度出现小幅度上升，但总体上微泡沫钻井液仍具有良好的流变性。

3.3 纳米二氧化硅对微泡沫钻井液滤失性的影响

钻井过程中，在压差作用下，钻井液滤液会不可避免地向地层渗入，导致井壁失稳、储层损害等问题。将纳米二氧化硅颗粒加入到微泡沫钻井液中，纳米二氧化硅对微泡沫钻井液的影响及高温下纳米二氧化硅对钻井液失水的影响情况如图4、图5所示。

由图4可知，随着纳米二氧化硅颗粒加量的增加，微泡沫钻井液失水呈下降趋势，出现这种情况的原因有两个，一是纳米二氧化硅颗粒的吸附作用会导致泡沫的液膜增厚，从而使泡沫的稳定性增强；二是纳米二氧化硅颗粒能增强泡沫的黏度，从而使钻井液失水降低［13］。由图5可知，在高温下，纳米颗粒加量为4%的纳米二氧化硅对微泡沫钻井液具有良好的稳定和降滤失效果，此时钻井液失水变化幅度较小。

4 结论

①纳米二氧化硅颗粒能明显增强泡沫的稳定性，当纳米颗粒加量为3%时，该基液的泡沫半衰期为450 min。但加量过多会导致基液中的表面活性剂分子减少，从而降低基液的发泡量。

②加入3%的纳米二氧化硅后，钻井液在高温老化后的黏度上升，但其仍具有良好的流变性，这说明在合适的加量下，纳米二氧化硅不会影响微泡沫钻井液的流变性能。

③纳米二氧化硅颗粒对微泡沫钻井液具有一定的降滤失效果，这是因为纳米颗粒的加入会增加泡沫的黏度，从而降低钻井液的失水。由于泡沫属热力学不稳定体系，即在高温下微泡沫体系呈现不稳定状态。通过老化（100 ℃）试验证明，加入纳米二氧化硅能有效增强泡沫的稳定性，使钻井液失水降低。

总的来说，钻井液中纳米材料的使用可为钻井作业各个方面带来经济效益，通过纳米颗粒来代替一些昂贵的钻井液添加剂，可降低钻井液的生产成本。

参考文献：

［1］刘德胜，苑旭波，申威.微泡沫钻井粗泡沫堵漏工艺在TBK气田的应用［J］.石油钻采工艺，2004（6）：27-30，84.

［2］宋菲.无黏土相可循环微泡沫钻井液的室内研究［J］.石油化工应用，2015（7）：97-103.

［3］孙乾.改性SiO2纳米颗粒稳泡机理及渗流特征研究［D］.东营：中国石油大学（华东），2015.

［4］HUNTER T N，WANLESS E J，JAMESON G J，et al.Non-ionic surfactant interactions with hydrophobic nanoparticles： impact on foam stability［J］.Colloids and Surfaces A：Physicochemical and Engineering Aspects，2008（1）：81-89.

［5］KUMAR S，MANDAL A.Investigation on stabilization of co2 foam by ionic and nonionic surfactants in presence of different additives for application in enhanced oil recovery［J］.Applied Surface Science，2017，420：9-20.

［6］VATANPARAST H，SHAHABI F，BAHRAMIAN A，et al.The role of electrostatic repulsion on increasing surface activity of anionic surfactants in the presence of hydrophilic silica nanoparticles［J］.Scientific Reports，2018（1）：7251.

［7］DICKINSON E.Food emulsions and foams：stabilization by particles［J］.Current Opinion in Colloid & Interface Science，2009（1）：40-49.

［8］黄斌，张璐，王怡欢，等.泡沫破裂机制及其稳定性影响因素研究［J］.石油化工，2022（5）：575-581.

［9］孙乾，李兆敏，李松岩，等.SiO2纳米颗粒稳定的泡沫体系驱油性能研究［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2014（4）：124-131.

［10］陈根生.改性二氧化硅纳米粒子提升泡沫稳定性研究［J］.化学与生物工程，2023（10）：45-49.

［11］邓少刚，郭丽潇，高志婷，等.纳米二氧化硅对去污泡沫稳定性的影响研究［J］.当代化工，2022（6）：1388-1391.

［12］OMIDI F，BEHBAHANI M，BOJDI K M，et al.Solid phase extraction and trace monitoring of cadmium ions in environmental water and food samples based on modified magnetic nanoporous silica［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2015，395：213-220.

［13］吕其超，李兆敏，李宾飞，等.纳米颗粒与黏弹性表面活性剂稳定的泡沫体系滤失性实验研究［J］.中国科技论文，2017（3）：241-248.