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%，總有機質含量為 9%。

 

  飽和度和低滲透率的結合，使得只有很少量的濾液滲透進入地層，導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。實驗中，將保存完好的 Marcellus 巖心暴露在 65.5 ℃的淡水中，數(shù)天之后產生了寬 5～45 ?m 的平行于層理面的裂縫。該結果說明 Marcellus 頁巖與水幾乎不發(fā)生反應，但是易于產生裂縫，能夠導致井眼失穩(wěn)，特別是在長水平井段。

 

  納米硅的生產方法.

 

  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。

 

  從結構的觀點看，硅原子處于與 4 個氧原子四面體配位，可以由此形成眾多不同的結構。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，添加劑的設計需考慮 2 個因素 ：成本和配伍性。納米硅的生產成本要盡量低，且必須與其他鉆井液添加劑配伍，熱力學穩(wěn)定性良好，能夠抗固相污染。

 

  頁巖膜試驗.

 

  用頁巖膜試驗（SMT）研究納米硅粒子對頁巖的封堵作用。SMT的實驗原理見圖5，在恒壓（P2，P3）下，實驗流體被泵送流過頁巖樣品的上表面，同時應用小部分恒定體積來測量容器底部的壓力恢復值。試驗用頁巖樣品的滲透率可以通過底部壓力恢復值（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。

 

  實驗步驟如下 ：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，同時滲透率降低。