纳米技术在钻井液中的应用现状

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1、纳米技术在钻井液中的应用现状2007年第10期内蒙古石油化工11纳米技术在钻井液中的应用现状王童,王平全(西南石油大学,成都610500)摘要:本文主要综述了纳米材料的特性以及纳米技术与胶体科技的区别,探讨了国内纳米技术在钻井液中的应用,并指出了纳米技术在钻井液应用中存在的问题和发展方向.关键词:钻井液;纳米技术;应用纳米技术是指在纳米尺度范围内,研究电子,原子和分子的内在规律和特征,并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术;纳米材料是指晶粒或颗粒尺寸在1～100nm范围内的超细材料,纳米材料是纳米技术发展的重要基础,也是纳米技术最

2、重要的研究对象纳米技术具有旺盛的生命力,已经渗透到各个技术领域,但在钻井液技术领域实际应用还很少.因此有必要对纳米技术进行进一步了解,分析探讨纳米技术在钻井液领域中的应用并对发展方向提出建议.1纳米技术的总体认识,1.1纳米技术与纳米材料纳米技术是20世纪80年代末诞生并崛起的高新科技,它的基本涵义是指在纳米尺寸范围内研究物质的组成,通过直接操纵和安排原子,分子而创造新物质.同时纳米技术又是一门以许多现代科学技术为基础的科学技术,是现代科学和现代技术结合的产物,其内容十分广泛.目前,在中国主要是材料(学)方面,纳米材料是纳米技术发展的重

3、要基础,也是纳米技术最重要的研究对象.纳米材料是指晶粒或颗粒尺寸在1～100nm数量级的超细材料.常规材料的晶粒或颗粒尺寸在10～lO00gm的数量级,微米材料晶粒或颗粒尺寸在1m的数量级,亚微米材料的晶粒或颗粒尺寸在100nm的数量级,严格意义的纳米材料的晶粒或颗粒尺寸在1～10nm的数量级,而广义的纳米材料则包括了亚微米材料.纳米材料可分为纳米颗粒材料,纳米晶粒材料,纳米复合材料.而按纳米结构被约束的空间维数,可将纳米材料分为:①零维的纳米颗粒材料,即粒径不大于2nm的纳米粒子,亦称原子簇(团);②一维纤维纳米材料,两个方向的尺寸为

4、纳米尺度,长度显着大于直径,如碳纳米管;③二维层状纳米材料,仅厚度方向为纳米尺度,长度和宽度尺寸显着大于厚度,亦称膜材料;④三维纳米材料,三维方向上的尺寸都在纳米尺度,如等轴微晶.纳米材料的表面原子数与总原子数之比随晶粒或颗粒尺寸的变小而急剧增大引起的性质上的变化.随粒子线尺寸的减小,其比表面积会显着增大,收稿日期:2oo7一o4—14作者简介:王童,西南石油大学研究生院,油气井工程专业.表面原子所占的百分数会显着增加,这将使其表面原子配位数严重失衡且具有非常高的表面能,由此使纳米材料具有非常高的化学活性,易于通过与外界原子结合而获得稳

5、定.1.2纳米技术与胶体科技的区别1.2.1研究对象不同胶体是指一种或多种物质以一定的粒度分散在另一种物质中形成的多相分散体系,其分散颗粒的尺寸在1～100nm范围内.胶体是物质的一种存在状态,而不是一种物质名称.虽然广义的纳米粉体材料和胶体颗粒尺寸都在1～100nm范围,但两者有本质的区别.胶体科技的研究对象是宏观的胶体分散体系或称为纳米微粒分散体系,而不是胶体颗粒本身.纳米技术的主要研究对象是纳米材料本身及其由此导致的宏观特征,但更侧重于微观本质.1.2.2研究任务不同胶体科技主要揭示胶体分散体系的规律,侧重于体系的表观行为,与组成

6、胶体体系的材料性质关系不大.纳米技术主要揭示纳米材料本身特有的规律,主要任务是创造新物质和新材料.1.2.3研究手段不同胶体科技研究的手段主要是采用宏观的方法,不需要先进的精密仪器;而纳米技术的研究则必须借助特别精密的仪器,如扫描隧道显微镜和原子力显微镜等.正是由于需要的研究手段不同,导致了纳米技术的诞生比胶体科技晚100多年.2纳米技术在钻井液中的应用钻井液是紧紧围绕着粘土颗粒的利用和抑制而发展的.在钻井液中加入各种处理剂,是为了改变粘土性质,使其保持合适的颗粒状态,保持钻井液合理的流变性,造壁性,润滑性和抑制性.由于粘土在钻井液中的

7、分散过程,颗粒表面聚集了大量的负电荷,负电性钻井液处理剂的加入,进一步加剧了粘土的分散,导致颗粒比表面的增大.充分水化的钻井液中分散的粘土颗粒直径为0.O05~--2gm,具有较大的比表面和较高的负电性,要将钻井液的负电荷进一步降低,就需要开发出一种呈正电性,颗粒粒径极小,比表面积极大的钻井液处理剂,这就是正电性纳米12内蒙古石油化工2007年第1O期处理剂.正电性纳米处理剂加入钻井液中后,不仅能中和粘土表面的负电荷,更重要的是能进入粘土晶格内,压缩双电层,固结粘土颗粒,防止粘土的水化分散,从而使钻井液具有更优良的抑制能力,稳定井眼能力

8、和更好的油层保护能力.纳米技术在钻井液中的应用,可有望出现一种具有强抑制性的钻井液和相应的新技术,从而有效地解决钻井过程中的井壁稳定及油气储层保护等问题,同时在非直井的钻井过程中,利用纳米钻井液体系较高的表