44、水基泥浆中纳米颗粒和聚合物对泥浆性能的影响研究

水基泥浆中纳米颗粒和聚合物对泥浆性能的影响研究

在石油钻探领域，水基泥浆（WBM）的性能对钻探效率和井眼稳定性至关重要。本文将探讨二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒和木质素磺酸钠（SLS）聚合物对水基泥浆各项性能的影响。

1. 聚合物浓度对原油与水界面张力的影响

界面张力（IFT）是影响原油采收率的重要因素。随着SLS聚合物浓度的增加，聚合物溶液与原油之间的界面张力逐渐降低。初始界面张力为17.57 mN/m，当SLS浓度达到0.4 wt%时，界面张力显著下降至4.33 mN/m，当浓度增加到3.2 wt%时，界面张力进一步降至0.93 mN/m。

这是因为随着聚合物浓度的增加，聚合物分子向极性物质逐渐变得更密集，其亲水部分和疏水部分会吸附在油水界面上，从而降低界面张力。当聚合物浓度接近临界胶束浓度（CMC）时，单体开始结合形成胶束，随着浓度继续增加，胶束浓度增加，但单体浓度没有显著提高。界面张力的降低有助于去除井筒表面的油渣，提高原油采收率。

聚合物浓度（wt%）	界面张力（mN/m）
0	17.57
0.4	4.33
0.8	3.68
1.6	2.755
3.2	0.93

2. 纳米颗粒和SLS聚合物对水基泥浆密度的影响

泥浆密度对于控制井眼稳定性和地层压力至关重要。在水基泥浆中添加SiO₂纳米颗粒和SLS聚合物后，测量了老化前后的泥浆密度。

当向基础水基泥浆中添加0.2、0.4和0.8 g的SLS聚合物时，泥浆密度保持在8.7 ppg不变。当分别向钻井泥浆中添加0.2、0.4、0.8和1.6 g的SiO₂纳米颗粒时，老化前后的泥浆密度几乎不变，平均为8.7 ppg。

然而，在纳米水基泥浆中，当聚合物添加量从0.8 g增加到1.6 g时，泥浆密度显著降低，从8.7 ppg降至8.46 ppg，降幅为2.75%。这是因为聚合物的密度相对较低，添加后有助于降低钻井泥浆的整体密度。总体而言，在纳米水基泥浆中添加聚合物对泥浆密度没有显著影响。

较低的泥浆密度会导致较高的穿透率或钻速，而较高的泥浆密度则可以防止地层流体进入井筒。

graph LR
    A[添加纳米颗粒和聚合物] --> B{泥浆密度变化}
    B --> C[基本不变（多数情况）]
    B --> D[显著降低（聚合物从0.8g到1.6g）]

3. 纳米颗粒和聚合物对水基泥浆pH值的影响

pH值对防止钻井设备和套管腐蚀至关重要。不同浓度的纳米颗粒和聚合物添加到水基泥浆中后，pH值呈现出一定的变化趋势。

从0.4到1.6 g的聚合物添加到水基泥浆中时，pH值略有下降。在老化前，从0.2 g到0.8 g的纳米颗粒添加量下，pH值略有降低，当纳米颗粒浓度达到1.6 g时，pH值增加了0.68%。老化后，0.2 g、0.4 g、0.8 g和1.6 g的纳米颗粒对应的pH值分别为9.07、9.08、8.78和8.85。

在纳米水基泥浆中，从0.2到1.6 g的聚合物添加量下，老化前后的pH值均略有降低。这是因为聚合物与水相互作用，导致溶液中游离氢离子浓度降低，从而使pH值下降。

所有测量的pH值在老化前后均呈碱性（高于pH 7.0）。通过保持钻井泥浆的pH值在适当的范围内（通常为8.0至10.5的弱碱性），可以最大程度地减少与钻井泥浆接触的金属表面的腐蚀，延长设备使用寿命，确保井眼完整性。从总体结果来看，添加0.8 g的纳米颗粒时获得的pH值最低，表明该浓度是最优选择。

4. 纳米颗粒和SLS聚合物对水基泥浆流变性能的影响

4.1 表观粘度（AV）

纳米颗粒和聚合物对水基泥浆的表观粘度有不同的影响。添加纳米颗粒会使水基泥浆的表观粘度增加，这是因为纳米颗粒具有高表面积和小体积，增强了纳米颗粒与膨润土表面之间的接触，通过化学键连接。而添加聚合物则会使水基泥浆和纳米水基泥浆的表观粘度降低。

在纳米水基泥浆中添加聚合物后的表观粘度低于仅添加纳米颗粒的水基泥浆，这表明可以通过添加聚合物来降低水基泥浆的表观粘度。老化后的表观粘度大于老化前的表观粘度，这是由于温度升高导致粘土颗粒的聚集和絮凝以及粘土颗粒的脱水，从而增加了钻井泥浆的粘度。

4.2 塑性粘度（PV）

在老化前，塑性粘度随着纳米颗粒浓度的增加而增加，随着聚合物浓度的增加而降低。添加聚合物获得的塑性粘度是添加纳米颗粒时的一半。纳米颗粒会导致增稠行为，而聚合物在水基泥浆中起到稀释剂的作用。在钻井中，最优的塑性粘度值是最低的，因为低粘度的泥浆可以更快地钻进。

4.3 屈服点（YP）

屈服点是指钻井泥浆在钻井过程中携带岩屑的能力。在老化前，从0.2到0.8 g的纳米颗粒添加量下，屈服点从5.67 lb/100 ft²降至4.1 lb/100 ft²。这可能是由于SiO₂纳米颗粒在膨润土中的粘土板上团聚，降低了泥浆的总静电势。

当向水基泥浆中添加纳米颗粒时，屈服点值比添加聚合物时增加得更多。与聚合物相比，添加聚合物的水基泥浆的屈服点值较低。因此，纳米水基泥浆在不添加聚合物的情况下也可以携带岩屑，因为在流动条件下，泥浆中活性粘土颗粒之间的吸引力更强。

4.4 凝胶强度

凝胶强度是指在静态条件下启动流体滑动运动所需的最小剪切应力，负责通过悬浮钻井液成分和岩屑来去除钻井产物。

在老化前，随着纳米颗粒添加量的增加，10 s和10 min的凝胶强度值略有降低，这是由于纳米颗粒的解絮凝性质。相反，老化后，10 s和10 min的凝胶强度随着纳米颗粒浓度的增加而增加。

在纳米水基泥浆中，随着聚合物浓度的增加，10 s的凝胶强度在老化前后变化较小或不受影响，而10 min的凝胶强度在老化前后均随着聚合物添加量的增加而增加。在0.8至1.6 g的SLS聚合物浓度范围内，凝胶强度的改善最为显著，表明具有更好的岩屑悬浮能力。

在热滚和老化前，相同浓度的纳米颗粒和聚合物下，10 s的凝胶强度几乎相同。从10 min的凝胶强度来看，添加纳米颗粒的凝胶强度远高于添加聚合物的凝胶强度。因此，纳米颗粒可以用于控制钻井泥浆的凝胶强度。

水基泥浆中纳米颗粒和聚合物对泥浆性能的影响研究

5. 纳米颗粒和聚合物对水基泥浆流体流动行为的影响

在未老化的水基泥浆中添加纳米颗粒和聚合物后，泥浆的流体流动行为呈现出特定规律。随着剪切速率的增加，泥浆的粘度会降低，这表明水基泥浆表现出剪切稀化或假塑性流动行为。

对于添加纳米颗粒的情况，在较低剪切速率下，纳米颗粒之间的相互作用和缠结形成网络结构，使得泥浆具有较高的粘度。当剪切速率升高时，这些网络结构被破坏，流体的流动阻力减小，粘度随之降低。

而添加聚合物时，流体中的长聚合物链在受到剪切力作用时，会沿着剪切流动方向排列。随着剪切速率的增加，这种排列更加明显，形成更流畅的流动，从而降低了流动阻力和粘度。

6. 纳米颗粒和SLS聚合物对水基泥浆过滤性能的影响

6.1 流体损失

流体损失是指由于静水压力和地层压力之间的压差，钻井液基液注入地层的体积。增加纳米颗粒数量会使过滤体积减小，随着固体含量的增加，滤饼的渗透率降低。

在纳米水基泥浆中，随着聚合物浓度的增加，滤液损失增加。老化前，在1.6 g的SLS聚合物浓度下，30分钟内的流体损失最高，达到34.67 mL。老化后，1.6 g的SLS聚合物浓度下的流体损失比0.2 g时增加了40.26%。

总体而言，在水基泥浆中添加聚合物会增加流体损失，而添加纳米颗粒会减少流体损失。纳米颗粒可以改善过滤特性，减少钻井泥浆侵入地层的体积，SiO₂纳米颗粒可作为滤液减少剂，提高水基泥浆胶体系统的稳定性。

添加剂	浓度（g）	老化前流体损失（mL/30min）	老化后流体损失变化
聚合物	0.2	-	-
聚合物	1.6	34.67	比0.2g时增加40.26%
纳米颗粒	-	-	过滤体积减小

graph LR
    A[添加添加剂] --> B{流体损失变化}
    B --> C[增加（聚合物浓度增加）]
    B --> D[减少（纳米颗粒增加）]

6.2 泥饼厚度

泥饼是由于井筒和地层压力差而沉积的固体钻井泥浆颗粒层。在老化前，0.2、0.4、0.8和1.6 g的纳米颗粒浓度下，泥饼厚度分别为0.122、0.14、0.103和0.125英寸。老化后，随着纳米颗粒浓度增加到1.6 g，泥饼厚度从0.117英寸增加到0.166英寸。

在纳米水基泥浆中，随着聚合物浓度的增加，泥饼厚度在老化前后均增加，从0.2 g到1.6 g的聚合物浓度下，泥饼厚度增加了65.15%。

总体来看，聚合物浓度增加会使泥饼厚度增加，而添加纳米颗粒会使泥饼厚度减小。滤液损失与泥饼厚度有关，取决于滤饼的渗透率。添加0.8 g的纳米颗粒时，滤液损失仅为18.67 mL，泥饼厚度为0.103英寸，低于其他情况，因此0.8 g的纳米颗粒是添加到水基泥浆中的最佳浓度。

7. 纳米颗粒和聚合物对水基泥浆表面张力的影响

向水基泥浆中添加纳米颗粒或聚合物都会使表面张力（SFT）降低。在纳米颗粒浓度从0.2 g到1.6 g的范围内，老化前表面张力从76.1 mN/m降至67.13 mN/m。添加1.6 g纳米颗粒后，老化后的表面张力降低了4.45%。

当纳米颗粒与聚合物在纳米水基泥浆中结合时，表面张力显著降低，老化前降低了23.05%，老化后降低了15.17%。由于SLS聚合物也是一种表面活性剂，它会引发纳米颗粒与表面活性剂的吸附行为，表面活性剂吸收纳米颗粒后将其推向流体表面，表面活性剂分子越多，表面张力降低越明显。

较低的表面张力有助于提高原油采收率，减少钻井过程中卡管等问题。

8. 结论

SiO₂纳米颗粒和SLS聚合物对钻井泥浆的性能有显著影响。向水基泥浆中添加纳米颗粒可以改善泥浆的流变性能和过滤性能，避免井眼不稳定、滤液体积过大、卡管和页岩膨胀等问题。

而SLS聚合物在过滤性能、表观粘度和塑性粘度方面与添加量呈反向关系，可作为泥浆稀释剂。在所有研究的钻井泥浆性能中，添加0.8 g的纳米颗粒是最优选择，因为此时泥饼厚度较低，pH值也较低。

不过，本研究存在一定局限性，不同的钻井条件，如温度、井深和岩性等，可能未得到充分研究。未来的研究可以进一步探索这些因素对泥浆性能的影响，以更好地优化钻井过程。