智能流体研究进展及其在钻井液中的应用与展望

黄志洋 赵雄虎 苗留洁 贾相如

黄志洋,赵雄虎,苗留洁,贾相如. 智能流体研究进展及其在钻井液中的应用与展望[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):283-290 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.003
引用本文: 黄志洋,赵雄虎,苗留洁,贾相如. 智能流体研究进展及其在钻井液中的应用与展望[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):283-290 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.003
HUANG Zhiyang, ZHAO Xionghu, MIAO Liujie, JIA Xiangru. Research progress of intelligent fluid and its application to drilling fluids[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 283-290 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.003
Citation: HUANG Zhiyang, ZHAO Xionghu, MIAO Liujie, JIA Xiangru. Research progress of intelligent fluid and its application to drilling fluids[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 283-290 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.003

智能流体研究进展及其在钻井液中的应用与展望

doi: 10.13639/j.odpt.2022.03.003
详细信息
    作者简介:

    黄志洋(1996-),2018年毕业于成都理工大学石油工程专业,现就读于中国石油大学(北京)油气井工程专业,研究方向为钻井液、完井液理论技术。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)石油工程学院。电话:13647046125。E-mail: 2020210293@student.cup.edu.cn

    通讯作者:

    赵雄虎(1964-),主要从事钻井液、完井液理论及技术研究工作,教授。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)石油工程学院。电话:13701327202。E-mail: cpbzxh@cup.edu.cn

  • 中图分类号: TE254;TE39

Research progress of intelligent fluid and its application to drilling fluids

  • 摘要: 智能流体作为一种物理性能“可控”的智能材料,在航天、生物、医疗以及微电子等行业得到了广泛应用。根据智能流体响应条件,将智能流体分为了外场可控智能流体(以磁流变流体和电流变流体为代表)和刺激响应可控智能流体(以智能水凝胶为代表),系统总结了智能流体的流变机理、研究现状,指出将纳米材料引入智能流体是目前研究热点。在此基础上,介绍了可应用于钻井液中的智能流体室内研究进展,分析了智能流体应用于钻井液的可行性。最后结合智慧油田发展需求,提出了开发智能钻井液、研发智能钻井设备以及智能钻井液操控系统是未来智能钻井发展新方向。
  • 图  1  磁流变流体流变机理示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of rheological mechanisms of magneto-rheological fluids

    图  2  电流变流体流变机理示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of rheological mechanisms of electro-rheological fluids

  • [1] STANWAY R. Smart fluids: Current and future developments[J]. Materials Science and Technology, 2004, 20(8): 931-939. doi:  10.1179/026708304225019867
    [2] SIMS N D, STANWAY R, JOHNSON A R, et al. Smart fluid damping: Shaping the force/velocity response through feedback control[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2000, 11(12): 945-958. doi:  10.1106/M9TP-A5DR-FULX-119B
    [3] 周云, 徐龙河, 李忠献. 智能流体减振控制技术的研究与应用[J]. 世界地震工程, 1999(4):10-19.

    ZHOU Yun, XU Longhe, LI Zhongxian. Research and application of smart fluid damping control technology[J]. World Earthquake Engineering, 1999(4): 10-19.
    [4] JANOCHA H. Adaptronics and smart structures[M]. Berlin, Heidelberg: Springer, 1999.
    [5] ASHTIANI M, HASHEMABADI S H. The effect of nano-silica and nano-magnetite on the magnetorheological fluid stabilization and magnetorheological effect[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2015, 26(14): 1887-1892. doi:  10.1177/1045389X15580659
    [6] DE VICENTE J, KLINGENBERG D J, HIDALGO-ALVAREZ R. Magnetorheological fluids: A review[J]. Soft Matter, 2011, 7(8): 3701-3710. doi:  10.1039/c0sm01221a
    [7] RABINOW J. The magnetic fluid clutch[J]. Electrical Engineering, 1948, 67(12): 1167-1167. doi:  10.1109/EE.1948.6444497
    [8] 邱广明, 孙宗华. 水溶性磁流体的制备和性质[J]. 化学试剂, 1993(4):234-237,255. doi:  10.13822/j.cnki.hxsj.1993.04.012

    QIU Guangming, SUN Zonghua. Preparation and properties of water-soluble magnetic fluid[J]. Chemical Reagents, 1993(4): 234-237,255. doi:  10.13822/j.cnki.hxsj.1993.04.012
    [9] TAO R J. Fifth international conference on electrorheological fluids, magnetorheological suspensions, and associated technology[J]. Materials Technology, 1995, 10(7/8): 156-158. doi:  10.1080/10667857.1995.11752618
    [10] 杨瑞成, 郧栋, 穆元春. 纳米Fe3O4磁流体的制备及表征[J]. 兰州理工大学学报, 2008, 34(1):22-25. doi:  10.3969/j.issn.1673-5196.2008.01.006

    YANG Ruicheng, YUN Dong, MU Yuanchun. Preparation and characterization of Fe3O4 nanometer magnetic fluid[J]. Journal of Lanzhou University of Technology, 2008, 34(1): 22-25. doi:  10.3969/j.issn.1673-5196.2008.01.006
    [11] HONG C H, LIU Y D, CHOI H J. Carbonyl iron suspension with halloysite additive and its magnetorheology[J]. Applied Clay Science, 2013, 80–81: 366-371.
    [12] ASHTIANI M, HASHEMABADI S H, GHAFFARI A. A review on the magnetorheological fluid preparation and stabilization[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2015, 374: 716-730. doi:  10.1016/j.jmmm.2014.09.020
    [13] ELDERRAT H. Research towards the design of a novel smart fluid damper using a mckibben actuator[D]. Sheffield: University of Sheffield, 2013.
    [14] 肖革文, 魏宸官. 电流变流体及其潜在的工程应用[J]. 北京理工大学学报, 1998, 18(5):573-576. doi:  10.15918/j.tbit1001-0645.1998.05.009

    XIAO Gewen, WEI Chenguan. Electrorheological fluids and its potential engineering applications[J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 1998, 18(5): 573-576. doi:  10.15918/j.tbit1001-0645.1998.05.009
    [15] WINSLOW W M. Induced fibration of suspensions[J]. Journal of Applied Physics, 1949, 20(12): 1137-1140. doi:  10.1063/1.1698285
    [16] 温维佳, 黄先祥, 杨世和, 等. 巨电流变效应及其机理[J]. 物理, 2003, 32(12):777-779. doi:  10.3321/j.issn:0379-4148.2003.12.001

    WEN Weijia, HUANG Xianxiang, YANG Shihe, et al. The giant electrorheological effect and its mechanism[J]. Physics, 2003, 32(12): 777-779. doi:  10.3321/j.issn:0379-4148.2003.12.001
    [17] LIANG Y D, YUAN X, WANG L J, et al. Highly stable and efficient electrorheological suspensions with hydrophobic interaction[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2020, 564: 381-391. doi:  10.1016/j.jcis.2019.12.129
    [18] KUZNETSOV N M, BELOUSOV S I, KAMYSHINSKY R A, et al. Detonation nanodiamonds dispersed in polydimethylsiloxane as a novel electrorheological fluid: Effect of nanodiamonds surface[J]. Carbon, 2021, 174: 138-147. doi:  10.1016/j.carbon.2020.12.014
    [19] EL-SHERBINY I M, YACOUB M H. Hydrogel scaffolds for tissue engineering: Progress and challenges[J]. Global Cardiology Science & Practice, 2013, 2013(3): 316-342. doi:  10.5339/gcsp.2013.38
    [20] 刘晓华, 王晓工, 刘德山. 智能型水凝胶结构及响应机理的研究进展[J]. 化学通报, 2000, 63(10):1-6. doi:  10.3969/j.issn.0441-3776.2000.10.001

    LIU Xiaohua, WANG Xiaogong, LIU Deshan. Recent development of the research on the structure effects and responsive mechanism of intelligent hydrogels[J]. Chemistry, 2000, 63(10): 1-6. doi:  10.3969/j.issn.0441-3776.2000.10.001
    [21] SHI J Y, YU L, DING J D. PEG-based thermosensitive and biodegradable hydrogels[J]. Acta Biomaterialia, 2021, 128: 42-59. doi:  10.1016/j.actbio.2021.04.009
    [22] CHENG Q H, HAO A Y, XING P Y. Stimulus-responsive luminescent hydrogels: Design and applications[J]. Advances in Colloid and Interface Science, 2020, 286: 102301. doi:  10.1016/j.cis.2020.102301
    [23] LIAO J, HUANG H H. Smart pH/magnetic sensitive Hericium erinaceus residue carboxymethyl chitin/Fe3O4 nanocomposite hydrogels with adjustable characteristics[J]. Carbohydrate Polymers, 2020, 246: 116644. doi:  10.1016/j.carbpol.2020.116644
    [24] CAO L L, TIAN D, LIN B C, et al. Fabrication of self-healing nanocomposite hydrogels with the cellulose nanocrystals-based Janus hybrid nanomaterials[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 184: 259-270. doi:  10.1016/j.ijbiomac.2021.06.053
    [25] 查刘生, 王秀琴, 邹先波, 等. 智能纳米水凝胶的制备及其刺激响应性能和应用研究进展[J]. 石油化工, 2012, 41(2):131-142. doi:  10.3969/j.issn.1000-8144.2012.02.002

    CHA Liusheng, WANG Xiuqin, ZOU Xianbo, et al. Progresses in investigation of preparation, stimulus responsive properties and application of intelligent Nano-Hydrogels[J]. Petrochemical Technology, 2012, 41(2): 131-142. doi:  10.3969/j.issn.1000-8144.2012.02.002
    [26] BOUILLOT P, VINCENT B. A comparison of the swelling behaviour of copolymer and interpenetrating network microgel particles[J]. Colloid and Polymer Science, 2000, 278(1): 74-79. doi:  10.1007/s003960050012
    [27] HEIDARIAN P, KAYNAK A, PAULINO M, et al. Dynamic nanocellulose hydrogels: Recent advancements and future outlook[J]. Carbohydrate Polymers, 2021, 270: 118357. doi:  10.1016/j.carbpol.2021.118357
    [28] AMANULLAH M, RAMASAMY J. Nanotechnology can overcome the critical issues of extremely challenging drilling and production environments[C]//Paper presented at the Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference, November 2014, Abu Dhabi, UAE: SPE-171693-MS. DOI:  10.2118/171693-MS.
    [29] FINK J. Petroleum engineer's guide to oil field chemicals and fluids[M]. [S. l. ]: Gulf Professional Publishing, 2021.
    [30] 陈斌, 赵雄虎, 李外, 等. 纳米技术在钻井液中的应用进展[J]. 石油钻采工艺, 2016, 38(3):315-321. doi:  10.13639/j.odpt.2016.03.008

    CHEN Bin, ZHAO Xionghu, LI Wai, et al. Application of nano technology to drilling lfuid[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2016, 38(3): 315-321. doi:  10.13639/j.odpt.2016.03.008
    [31] LEE J K, SEFZIK T, SON Y H, et al. Use of magnetic nanoparticles for smart drilling fluids[C]//Proceedings of the AADE National Technical Conference and Exhibition, New Orleans, LA, USA. 2009, 31.
    [32] VRYZAS Z, KELESSIDIS V C, BOWMAN M B, et al. Smart magnetic drilling fluid with in-situ rheological controllability using Fe3O4 nanoparticles[C]//Paper presented at the SPE Middle East Oil & Gas Show and Conference, March 2017, Manama, Kingdom of Bahrain: SPE-183906-MS. DOI:  10.2118/183906-MS.
    [33] ESTRADA J, AKBARI B, NIELSEN G. Use of magnetorheological fluids for pressure drop generation[C]//Paper presented at the Offshore Technology Conference, April 2018, Houston, Texas, USA: OTC-28749-MS. DOI:  10.4043/28749-MS.
    [34] NAIR S D, WU Q, COWAN M, et al. Cement displacement and pressure control using magneto-rheological fluids[C]// Paper presented at the SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition, March 2015, London, England, UK: SPE-173124-MS. DOI:  10.2118/173124-MS.
    [35] HUANG W A, LEI M, WANG J W, et al. Method and mechanism of regulating rheological properties of Water-Based drilling fluid by High-Frequency and High-Voltage alternating current electric field[J]. SPE Journal, 2020, 25(5): 2220-2233. doi:  10.2118/201192-PA
    [36] ZHAO X H, LI W, LI S L, et al. Application of several kinds of clays and a new type of nano-modified bontonite in drilling fluids[J]. Advanced Materials Research, 2013, 746: 489-495. doi:  10.4028/www.scientific.net/AMR.746.489
    [37] KIM J W, LIU F, CHOI H J, et al. Intercalated polypyrrole/Na+-montmorillonite nanocomposite via an inverted emulsion pathway method[J]. Polymer, 2003, 44(1): 289-293. doi:  10.1016/S0032-3861(02)00749-8
    [38] LU J, ZHAO X P. A new approach of enhancing the shear stress of electrorheological fluids of montmorillonite nanocomposite by emulsion intercalation of poly-N-methaniline[J]. Journal of Colloid and Interface Science, 2004, 273(2): 651-657. doi:  10.1016/j.jcis.2004.02.066
    [39] CARNEY L L, GUVEN N, PANFIL D S. Water-Base mud system having most of the advantages of any Oil-Base system plus ecological advantages[C]//Paper presented at the International Meeting on Petroleum Engineering, November 1988, Tianjin, China: SPE-17616-MS. DOI:  10.2118/17616-MS.
    [40] KUTALKOVA E, PLACHY T, SEDLACIK M. On the enhanced sedimentation stability and electrorheological performance of intelligent fluids based on sepiolite particles[J]. Journal of Molecular Liquids, 2020, 309: 113120. doi:  10.1016/j.molliq.2020.113120
    [41] QUINN D, SUNDE E, BARET J F. Mechanism of a novel shear-sensitive plugging fluid to cure lost circulation[C]//Paper presented at the SPE International Symposium on Oilfield Chemistry, February 1999, Houston, Texas: SPE-50722-MS. DOI:  10.2118/50722-MS.
    [42] JOHNSON L, MURPHY P, ARSANIOUS K. Improvements in Lost-Circulation control during drilling using Shear-Sensitive fluids[C]//Paper presented at the Canadian International Petroleum Conference, June 2000, Calgary, Alberta: PETSOC-PE2000. DOI:  10.2118/2000-062.
    [43] 孙金声, 赵震, 白英睿, 等. 智能自愈合凝胶研究进展及在钻井液领域的应用前景[J]. 石油学报, 2020, 41(12):1706-1718. doi:  10.7623/syxb202012023

    SUN Jinsheng, ZHAO Zhen, BAI Yingrui, et al. Progress in research of intelligent self-healing gel and its application prospects in the field of drilling fluid[J]. Acta Petrolei Sinica, 2020, 41(12): 1706-1718. doi:  10.7623/syxb202012023
    [44] LIU X L, QU J L, WANG A, et al. Hydrogels prepared from cellulose nanofibrils via ferric ion-mediated crosslinking reaction for protecting drilling fluid[J]. Carbohydrate Polymers, 2019, 212: 67-74. doi:  10.1016/j.carbpol.2019.02.036
  • [1] 赵向阳, 孟英峰, 侯绪田, 杨顺辉, 鲍洪志, 李皋.  沥青质稠油与钻井液重力置换规律与控制技术 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2016.05.015
    [2] 周定照, 邢希金, 蒋世全, 刘书杰.  一种深水合成基钻井流体流变稳定剂的研发 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2015.01.021
    [3] 郑文龙, 乌效鸣, 朱永宜, 王稳石, 张林生, 许洁.  松科2 井特殊钻进工艺下钻井液技术 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2015.03.008
    [4] 康毅力, 皇凡生, 游利军, 俞杨烽, 练章华.  钻井液浸泡页岩裂缝宽度的模拟及应用 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2014.04.011
    [5] 张洁, 孙金声, 杨枝, 葛云华, 张绍云, 王建华.  抗高温无固相钻井液研究 . 石油钻采工艺,
    [6] 舒刚, 孟英峰, 李红涛, 贾红军, 严俊涛, 李海旭.  裂缝内钻井液的漏失规律研究 . 石油钻采工艺,
    [7] 徐加放, 邱正松.  水基钻井液低温流变特性研究 . 石油钻采工艺,
    [8] 艾贵成, 王宝成, 李佳军.  深井小井眼钻井液技术 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2007.03.027
    [9] 金胜利, 王东.  塔深1井钻井液技术 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2007.04.024
    [10] 王军义, 王在明, 王栋.  生物聚合物甲基葡萄糖甙钻井液抑制机理 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2006.06.008
    [11] 郑淑杰, 许京国, 苏秀纯, 王凌梅.  千米桥潜山小间隙欠平衡钻井液研究 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2002.01.011
    [12] 王富华, 邱正松, 冯京海, 陈永浩, 顾法钊, 梁国昌.  KCl-BPS聚合物钻井液体系 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2002.03.006
    [13] 张景富, 俞庆森, 严世才.  侧钻井钻井液携屑能力试验研究 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2000.02.003
    [14] 汪海阁, 郝明惠, 杨丽平.  高温高压钻井液P-d-T特性及其对井眼压力系统的影响 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2000.01.005
    [15] 郝立志, 刘刚强, 韩玉华, 陈宏, 王泽浦, 于百军.  汤原断陷钻井液研究与应用 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1999.01.008
    [16] 许永志, 王波, 郑韬, 赵玉娟, 谢凤臣, 郝立志.  侧钻水平井钻井液研究与应用 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1999.01.007
    [17] 陈鹏, 刘爱平, 赵树立, 孙学东, 冯京海, 李祥银.  钻井液转变成固井液的固井技术研究 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1997.01.007
    [18] 赵江印, 吴廷银, 王芬荣.  两口长裸眼井的钻井液工艺 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1997.05.010
    [19] 侯吉瑞, 郭恒, 安策, 温雪莉.  MTC设计用分散剂的研制及其对浆体流变性的影响 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1996.02.005
    [20] 许永志, 郑韬, 敬增秀.  固井、钻井液添加剂室内实验研究 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.1994.02.008
  • 加载中
图(2)
计量
  • 文章访问数:  0
  • HTML全文浏览量:  0
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 修回日期:  2022-02-16
  • 网络出版日期:  2022-09-26

智能流体研究进展及其在钻井液中的应用与展望

doi: 10.13639/j.odpt.2022.03.003
    作者简介:

    黄志洋(1996-),2018年毕业于成都理工大学石油工程专业,现就读于中国石油大学(北京)油气井工程专业,研究方向为钻井液、完井液理论技术。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)石油工程学院。电话:13647046125。E-mail: 2020210293@student.cup.edu.cn

    通讯作者: 赵雄虎(1964-),主要从事钻井液、完井液理论及技术研究工作,教授。通讯地址:(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)石油工程学院。电话:13701327202。E-mail: cpbzxh@cup.edu.cn
  • 中图分类号: TE254;TE39

摘要: 智能流体作为一种物理性能“可控”的智能材料,在航天、生物、医疗以及微电子等行业得到了广泛应用。根据智能流体响应条件,将智能流体分为了外场可控智能流体(以磁流变流体和电流变流体为代表)和刺激响应可控智能流体(以智能水凝胶为代表),系统总结了智能流体的流变机理、研究现状,指出将纳米材料引入智能流体是目前研究热点。在此基础上,介绍了可应用于钻井液中的智能流体室内研究进展,分析了智能流体应用于钻井液的可行性。最后结合智慧油田发展需求,提出了开发智能钻井液、研发智能钻井设备以及智能钻井液操控系统是未来智能钻井发展新方向。

English Abstract

黄志洋,赵雄虎,苗留洁,贾相如. 智能流体研究进展及其在钻井液中的应用与展望[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):283-290 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.003
引用本文: 黄志洋,赵雄虎,苗留洁,贾相如. 智能流体研究进展及其在钻井液中的应用与展望[J]. 石油钻采工艺,2022,44(3):283-290 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.003
HUANG Zhiyang, ZHAO Xionghu, MIAO Liujie, JIA Xiangru. Research progress of intelligent fluid and its application to drilling fluids[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 283-290 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.003
Citation: HUANG Zhiyang, ZHAO Xionghu, MIAO Liujie, JIA Xiangru. Research progress of intelligent fluid and its application to drilling fluids[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2022, 44(3): 283-290 doi:  10.13639/j.odpt.2022.03.003
    • 智能流体是一种智能材料,它能够对外场(如磁场、电场等)或刺激响应因素(如pH值、温度、盐质量分数、溶剂含量等)迅速做出相应判断并调节自身物理性质,其行为具有可逆性[1-2]。智能流体分为外场可控智能流体和刺激响应可控智能流体,其中外场可控智能流体在加场、退场过程中,能迅速完成“自识别、自调节、自适应”,主要以磁流变流体和电流变流体为代表[3];刺激响应可控智能流体能够在相应的刺激响应因素影响下,发生体积、含水量、软硬度等物理性能的变化,主要指智能水凝胶。智能流体因独特的物理性能“可控”特性,被广泛应用于航天、生物、医药、化工、微电子等各个行业,是具有较好实际应用前景的材料。

      随着钻探目标逐渐向深井/超深井方向发展、油气资源从常规油气资源向非常规油气资源(如页岩油气、致密油气等)拓展,钻井工程面临复杂的井下环境挑战,对钻井液性能提出了更高要求。如果能将物理性能“可控”的智能流体应用于钻井液中,开发出一系列能够识别井下复杂环境、自动调节性能的智能钻井液体系将有助于减少甚至避免井下复杂情况的发生。首先对三大智能流体的流变机理和研究现状进行了总结,在此基础上介绍了可应用于钻井液中的智能流体的室内研究进展,分析了其在钻井液中实际应用的可行性,提出了开发智能钻井液、研发智能钻井设备和智能钻井液操控系统是智能钻井发展新方向。

    • 磁流变流体在有、无磁场的转换过程中,能在极短时间(一般毫秒量级) 内完成液态—半固态—液态的转变,具备实时可控、耗能小、转化可逆、表观黏度连续等优点[4]。因磁流变流体具有独特的流变特性,使其在控制元件、传动装置、医疗器材等领域得到应用,凸显了极大的潜力。

      磁流变流体是由载液、添加剂和可磁化微粒均匀混合而成的一种悬浮液,其中载液[5]作为分散相,一般要求具有无毒环保、不易挥发、耐温性能好、剪切稳定性好、黏度较低、流体表面张力小、价格低廉等特点,能提高可磁化微粒在载液中的分散效果以及磁流变液的性能;添加剂是为提高磁流变流体性能,因可磁化微粒比表面积大、粒径小、密度大,易聚集结块而沉降,需向磁流变流体中加入不同种类添加剂以增强可磁化微粒的分散性、再分散性、沉降稳定性、极化能力以及耐磨性等;可磁化微粒[6]一般以微米级(0.5~10 µm)球形颗粒为主,并要求具有耐温、耐磨、无毒环保、磁化强度高饱和、高磁化率、低密度等特点。

      磁流变流体流变机理如图1所示,在无外加磁场作用下,可磁化微粒随机分布在载液中,无明显排列规律;在外加磁场作用下,可磁化颗粒在磁化后,瞬间从无规则状形成顺着磁场方向的链条状,失去了流动性能,完成了液态到半固态的转变。

      图  1  磁流变流体流变机理示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of rheological mechanisms of magneto-rheological fluids

      早在19世纪40年代Rabinow就配制了磁流变流体并将其应用在离合器装置中[7]。在1993年邱广明等[8]在碱性条件下利用聚乙二醇作为分散剂和稳定剂、蒸馏水为非磁性载体、用氧化亚铁盐制备出了一种稳定的磁流变流体。但直到最近几十年国内外学者才开始重视磁流变流体的开发和应用。德国学者Kormann等将30 nm铁氧体粉与非磁性载液混合,研制出了稳定的、纳米级磁流变智能流体[9]。杨瑞成等 [10]利用化学沉淀法制备出了粒径为15 nm的Fe3O4磁性颗粒,再用聚乙二醇为改性剂、蒸馏水为载液,制备出了稳定的Fe3O4水基磁流变流体,该纳米水基磁流变流体具有良好的磁响应特性和沉降稳定特性。Cheng Hai Hong[11]将微米级软磁羰基铁与硅油均匀混合形成一种磁流变流体,同时往配制而成的磁流变流体中加入纳米黏土矿物,再利用涡轮分析仪进行观察,得出了纳米黏土矿物阻碍了可磁化微粒的沉降,提高了磁流变智能流体的稳定性。

      尽管磁流变智能流体的优点显而易见,但也需要克服诸多困难才能真正实现工业化应用,比如,其一是由于可磁化微粒较高密度,使得可磁化微粒难以均匀分散在其他流体中,无法保障混合后流体的均质性[12];其二是由于磁流变智能流体存在沉降稳定性问题,影响了其广泛应用;其三是可磁化微粒的价格问题,可磁化微粒价格非常昂贵,在选择使用磁流变流体时需要进行经济技术分析,来确保成本效益的平衡。一旦这些困难被克服,加上磁流变流体能够产生较高的屈服应力、对污染物不敏感、受温度变化影响较小等优点[13],磁流变智能流体将会在高温高压环境中得到重用。

    • 电流变流体是一种由连续相、添加剂和半导电粒子均匀混合而成的悬浮液[14],其黏度会随着外加电场强度的增强而逐渐增大,当电场强度增大到一个阈值时,其流变特性就会发生改变,这一过程通常发生在几毫秒内,且该转变过程是可逆的,是一种智能流体。其中连续相是电流变流体的重要组成部分,用来分散半导电粒子,需要具有较好的绝缘性能、较低的凝固点、较高的沸点、良好的化学稳定性和在无电场时有较低的黏度等特性,对电流变流体的强度等性能有着重要影响;添加剂的加入是为了增强分散相中半导电粒子在连续相液体中的稳定性、提高半导电粒子的介电常数、加大半导电粒子在连续相中的润湿性等;半导电粒子是电流变流体的重要组成部分,改变其形状、大小和密度都会对电流变流体性能产生显著影响,需要具备较高的介电常数,在较宽的温度范围内有稳定的物理和化学性质,并且粒径和密度适中。

      电流变流体流变机理如图2所示,在无外加电场作用下,半导电粒子随机分布在连续相中;当施加外加电场后,半导电粒子迅速沿着电场方向排列成柱状;当电场强度增大到一定值时,柱状排列结构更加密集,呈现出更优的力学性能。

      图  2  电流变流体流变机理示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of rheological mechanisms of electro-rheological fluids

      最早Winslow等[15]在硅油中分散面粉和石灰配置出了电流变流体并发现了电流变效应,但电流变流体并没有因为电流变效应得到充分研究。直到2003年,温维佳等 [16]提出了“巨电流变效应”,让电流变流体的研究进入了新时期,他研制出的纳米颗粒电流变流体所表现出来的电流变效应不仅超出了预测值、剪切强度超过了100KPa,而且还具有温度稳定性好、响应时间快、电流密度低、不沉淀以及化学稳定性好等诸多优点,为继续优化“巨电流变流体”的各项性能,他们在配制新的添加剂或研究新机制等方面做了大量研究,创新性地在连续相硅油中添加了比硅油浸润性更差的小分子烷烃,形成了高稳定性、高效性、高质量分数的双液相电流变流体,该电流变流体的电流变效应大幅度提升,在降低电场强度的同时提高了其稳定性能[17]。随着纳米材料的发现,将纳米材料引入电流变流体以增强电流变效应、改善悬浮液沉降稳定性的尝试逐渐增多。Nikita M. Kuznetsov等 [18]将4~5 nm的纳米金刚石颗粒悬浮至聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,形成电流变智能流体,实验研究发现纳米金刚石颗粒表面的官能团能显著增强电流变效应,并且在极低质量分数下也能拥有高的屈服应力值,但其最突出的特性还是拥有良好的沉降稳定性。

      电流变流体作为一种智能流体,其流变特性随着电场强度的变化而变化,有着鲜明的特点和优势,但电流变流体由于存在沉降稳定性、力学性能、再分散性能等问题,制约了电流变流体的实际应用。而实验表明引入纳米材料来改善电流变流体性能,这一尝试是可行的,将纳米颗粒作为半导电粒子加入连续相中,不仅能减小半导电粒子的密度,而且能改善电流变流体的沉降稳定性、增强电流变效应。纳米材料的出现为制备稳定性更好、电流变效应更强的电流变流体开辟了新道路。

    • 水凝胶智能流体是指能对周围环境的刺激(如温度、pH值、溶剂等微小的变化或其他外部刺激)做出一系列敏感响应的流体。目前水凝胶的研究已经从传统水凝胶过渡到了智能水凝胶,由于传统的水凝胶对周围环境的变化不敏感、自愈自合能力差等原因,让越来越多研究者对开发一种多功能、刺激响应特性好以及能够自愈自合的水凝胶智能流体产生兴趣,使得这种多功能水凝胶智能流体能够在复杂环境下表现出可控特性[19]

      研究最多的智能水凝胶主要集中在温度敏感性智能水凝胶、pH响应智能水凝胶、磁响应智能水凝胶以及光敏感智能水凝胶这四类[20]。其中聚乙二醇基水凝胶作为温敏性智能水凝胶的一种[21],已经取得了重大研究进展,不仅具有温度敏感特性,还具有可降解特性,但是对热诱导凝胶做出敏感反应的机理还不太清楚;光敏性水凝胶是通过发光材料负载至水凝胶基质中制备而成,可以对荧光强度等外部物理或化学刺激做出响应,使其在实际应用方面前景良好,但如何高效合成光敏性智能水凝胶成为了制约其发展的桎梏[22];在医药学上,将纳米Fe3O4与羧甲基甲壳素水凝胶基质均匀混合[23],制备出了一种pH/磁双重响应的智能水凝胶,这种水凝胶既能对磁场做出响应,还能对酸碱度敏感。不难发现,水凝胶智能流体正逐渐从单因素响应向双重响应甚至多重响应方向发展。

      随着纳米材料以及智能水凝胶的出现,使得智能水凝胶研究朝着纳米级方向发展,通过在水凝胶制备中加入纳米材料,不仅使得制备出的纳米水凝胶智能流体具备良好的力学性质,还能增强其自愈自合的能力[24]。迄今为止,智能纳米水凝胶制备方法主要有4类[25]:(1)沉淀聚合/交联法;(2)反相乳液聚合/交联法;(3)自组装/交联法;(4)微模板成型/交联法。典型的例子就是Bouillot等 [26]采用反相微乳液聚合法合成的由聚丙烯酸和聚丙烯酰胺形成的具有互穿聚合物网络结构的纳米水凝胶,当温度从25℃升至45℃时,该纳米水凝胶内部的分子链上的氢键会发生断裂进而发生性能变化。当今,由于纳米纤维素材料的优异特性(亲水性、可降解性以及生物相容性等),正逐渐引起人们的注意,制备一种动态纳米纤维素水凝胶智能流体[27]来克服水凝胶存在的不足(如机械强度不足、自愈自合能力差)是现在的主流方向。

      纳米水凝胶作为一种智能流体,除了具有传统水凝胶刺激响应性特点以外,还具有粒径小、比表面积大,具有掺入大量官能团的可能性以及更高的热稳定性等优点[28],如果能将水凝胶智能流体机械强度不足、自愈自合能力差等问题得到解决,同时还能往双重甚至多重响应方向开发的话,那么水凝胶智能流体将会为解决现场实际问题提供助力,应用前景良好。

    • 根据美国石油学会(API)的定义[29],钻井液是旋转钻井过程中所用的循环流体,它可以满足钻井作业的各种需要。钻井液是由液相和固相组成的多相混合体系,也称为多分散体系。液相可以由气体、油、水或油水组合而成,而固相主要由具有特定功能的固体材料和钻井产生的岩屑组合而成。在钻井作业过程中,井下状况不断变化,例如,随着井眼加深,井眼下部的物理和化学特性是不断发生变化的;另外,在钻井过程中有岩屑滞留在钻井液中,这将导致钻井液黏度等性能在井眼中不断变化,因此必须调整钻井液组分以保持钻井液性能在适当范围内,但在钻井过程中直接调整钻井液组分是困难的,因此开发具有响应特性的钻井液体系以满足现场钻井作业需求是必要的。

      虽然智能流体已成为国内外主流,在医疗、航天等行业应用广泛。但在石油工程领域,智能流体的应用起步较晚。现针对传统钻井液存在的不足,结合智能流体的特性以及纳米材料在钻井液中应用 [30],介绍智能流体在钻井液中室内研究进展,分析智能流体在钻井液中实际应用的可行性,指出钻井液发展方向。

    • 由于钻井液的流变响应特性取决于钻井液中各种无机物和聚合物组分,一旦钻井液组分确定好了,钻井液流变响应特性在井眼中不受控,同时钻井过程中的环境不断发生变化,钻井液固定组分就限制了钻井液的性能变化,而磁流变智能流体在钻井液中的合理应用便可以很好地解决此类问题。

      国外Lee等 [31]利用磁流变智能流体制备成可磁化钻井液,当可磁化钻井液受到磁力作用时,磁性粒子通过范德华力、库仑力、空间力和其他力之间的相互作用使其重新排列达到平衡,形成一种流变性可控的智能流体,并且这些磁性纳米颗粒流体十分具有潜力,它不仅能够快速调节可磁化钻井液的流变响应特性、改善钻井液流动性能,而且还具备良好的热导性。

      Zisis Vryzas研究了磁性纳米水基钻井液体系[32],该体系是通过悬浮的磁性纳米颗粒与膨润土颗粒建立有效的链接,形成一个微观的刚性结构网络,从而配制出了具有优异滤失特性和在高温高压下具有最佳流变特性的水基钻井液体系,通过试验研究,发现了随着磁场强度的增加,流体的剪切应力以及表观黏度等参数呈现单调增加,得出了磁性纳米水基钻井液能够在外部磁场作用下实现对钻井液黏度和屈服力的现场控制的结论。

      为有效控制在钻遇窄压力窗口时钻井液严重漏失情况,John Estrada在淡水—膨润土钻井液体系中添加可磁化颗粒羰基铁粉[33],通过充分搅拌,研制出一种磁响应钻井液,通过实验模拟,提出了一种非化学改变流体性能的方法,即在磁场存在的情况下可磁化颗粒的质量分数可改变流体流变性能以及流体压降效应会随着钻井液在磁场中流动时间的增加而增加,这种压降效应有望在未来用于控制流体漏失。

      磁流变智能流体在2015年被Sriramya D引入固井水泥浆领域[34],他将磁性颗粒(例如磁铁矿、羰基铁粉等)与水泥浆充分混合,制备出磁流变智能水泥浆,使得该水泥浆具备磁响应特性,在外加磁场条件下能够对流体黏度、流变特性以及流动方向等进行实时调控,保证该流体具备最佳顶替黏度,达到提高钻井液顶替效率的目的,尤其是在套管不居中等复杂情况下,可以通过精准控制磁场线,将流体定向引导至狭窄缝隙中,减少甚至消除顶替不完全的情况,同时也能起到隔离作用,避免流体污染等情况的发生。

      目前已通过室内实验验证了磁流变智能流体能够保证钻井液在钻进至不同地层时,可根据地质特征、井下状况等因素调整磁场强度或磁性颗粒质量分数,使其达到最优流变特性,符合钻井安全需求。另外,磁流变智能流体还有很多有待开发的潜力,比如,对不断变化的钻井环境做出即时响应变化,不仅可以提高井控能力、提高顶替效率,还能使得钻井更加环保、经济。

    • 由于电流变智能流体一般是由悬浮在介质流体中的半导电粒子组成的,用电流变智能流体配制的钻井液也具有电流变流体特性,即可通过外加电场改变钻井液流变特性。通常情况下,施加电场后钻井液会固化成黏弹性固体导致钻井液表观黏度发生变化,变化特点为:施加的外加电场越大,钻井液的黏性就越大。一旦施加的电场被还原,根据电流变流体变化的可逆性,由电流变智能流体配制而成的钻井液就会恢复至初始黏度。

      为探究水基钻井液在外加电场作用下流变性能变化规律,黄维安等 [35]建立了一种利用高频高压交流电场调节水基钻井液流变特性的物理方法,得出了膨润土悬浮液的表观黏度随电场的增加而增大、随时间的推移而减小的结论,同时钻井液还会表现出记忆效应。水基钻井液普遍是由膨润土、水、各种处理剂以及加重材料等组成的多相分散体系,但在高频高压电场作用下能起反应的一般只有膨润土、少许表面带电的加重剂,若将电流变智能流体应用于钻井液中,其中悬浮的半导电离子可在低电势作用下固化,降低流体表观黏度的效果更好。

      黏土矿物作为一种常见钻井液体系材料,其在钻井液中的应用评价也十分有必要。早在2013年,赵雄虎[36]就对几种黏土矿物以及一种新型改性纳米膨润土在钻井液中的应用做了评价研究,总结出来改性纳米膨润土可以优化钻井液各项性能,并且海泡石也是配制钻井液的一种很好的材料,这也为用黏土矿物制备电流变智能流体,并应用在钻井液中提供了思路。

      蒙脱土是用于配制钻井液一种常用粘土矿物,同时也是一种重要的层状无机化合物,具有较低的密度以及较好的抗沉降能力,其晶格间距可以通过阳离子的交换来改变,因此蒙脱土被广泛应用于制备有机-无机纳米复合材料[37]。在此基础上,Jun Lu等[38]采用蒙脱土以及聚n-甲基苯胺制备出了一种具备高介电常数和高导流能力的纳米复合材料(PNMA-MMT),并配制成了一种电流变智能流体,同时,通过室内实验研究了PNMA-MMT电流变智能流体/硅油悬浮液在外加直流电场作用下的流变特性,实验表明在直流电场作用下,悬浮液具有良好的电流变效应,不仅拥有较高的剪切应力,而且还具备很好的抗高温能力以及抗沉降稳定性能。

      海泡石会随着温度的升高从条状变为薄片状结构的富镁蒙脱石,可以更好地控制流变性和滤失量,更适合用于抗高温钻井液中[39]。在海泡石研究方面,Erika等[40]将电流变智能流体与海泡石钻井液体系联系了起来,为增强电流变智能流体沉降稳定性,研究了利用纳米海泡石颗粒增强电流变流体的电流变效应的可能性,在实验过程中,将纳米海泡石颗粒与硅油基液混合制备了海泡石钻井液,该钻井液在无外加电场情况下,会形成固体凝胶状结构,增强了其内部静态屈服应力,进而增加了电流变智能流体的沉降稳定性,同时通过震荡测试和介电谱分析,得出了在外加电场作用下,海泡石质量分数的增加可以调节电流变智能流体的性能以及增强其沉降稳定性。

      目前开始逐渐将电流变智能流体引入钻井液研究中,但仅限于室内实验研究,探究电流变智能流体沉降稳定性问题以及评价其在外加电场作用下钻井液的流变特性机理。亟待更好地开发电流变智能流体在钻井液中的实际应用,为电流变智能钻井液将来更好的服务于钻井现场,保障钻井过程中的作业安全打下坚实的理论基础。

    • 在钻井过程中井漏会诱发多种问题,比如,由井漏导致的井壁失稳、坍塌甚至井喷等事故。钻井液大量流失不仅造成了经济上的损失,也对储层伤害巨大。因此在钻井过程中钻井液防堵漏性能十分重要。水凝胶智能流体是能够对外界刺激做出响应,从而应对环境变化,实现自身高效堵漏性能的一类材料,因此有学者提出可将其作为钻井液堵漏材料使用。

      1999年Quinn介绍了一种新型的应力敏感性凝胶堵漏液[41],该堵漏液是由溶于油的交联剂和溶于水的高浓度多糖聚合物反相乳液合成,在钻进过程中,堵漏液通过底部钻具组合后,因应力发生改变而导致其迅速凝结形成“胶塞”,达到堵漏的目的。Johnson针对此新型应力敏感性凝胶堵漏液进行了现场试验[42],现场应用了30多次,堵漏成功率达到75%。孙金声团队[43]将自愈合理念引入聚合物凝胶材料中,基于疏水缔合原理,以甲基丙烯酸脂、十二烷基三甲基溴化铵等为原料,研发出一种具有自愈合功能的凝胶,该凝胶进入漏失地层后悬浮的凝胶颗粒可架桥堆积,在压力刺激下实现颗粒间自愈合,形成凝胶整体,有效提高了漏失地层的承压能力。

      油气田开发向着深井、超深井挺进,深部地层的高温高压环境给钻井液的稳定性带来了极大挑战,降滤失剂作为钻井液处理剂中一个重要组成部分,但一些常规聚合物容易在高温、高压下发生分解,因此开发一种在高温、高压、高盐等复杂环境下保持稳定的降滤失剂尤为重要。Xiongli Liu等 [44]将聚2-丙烯酰胺基-2甲基丙烷磺酸(AMPS)、N-N-二甲基丙烯酰胺(DMA)以及纤维素纳米纤维(CNF)浸入氯化铁水溶液中,通过交联反应,将AMPS以及DMA交联至CNF结构中,合成PADC-Fe3+水凝胶,通过与常规CNF水凝胶进行对比实验,发现合成的PADC- Fe3+水凝胶具有更好的抗盐性、抗高温性以及抗剪切特性,很好解决了常规CNF水凝胶存在的问题,在淡水基钻井液体系中加入PADC- Fe3+水凝胶作为降滤失剂,进行高温高压实验,发现在200℃高温条件下形成的滤饼致密,滤失量明显减少。此项研究为开发新型水凝胶智能流体用作钻井液处理剂提供了理论依据。

      总体而言,水凝胶智能流体可“智能”地适应各种复杂地层环境,既能解决地层漏失问题,达到堵漏的目的;还能作为钻井液处理剂,提高钻井液性能。未来应继续致力于提高水凝胶智能流体各项性能的研究(比如,抗盐/抗高温性能、抗剪切性能、自愈自合性能等),使水凝胶智能流体能在钻井液领域得到更好的应用;同时应拓宽水凝胶智能流体在钻井液体系中的适用范围,不应局限于堵漏剂、降滤失剂的应用,还应拓展到钻井液其他处理剂的开发应用。

    • (1)目前智能流体主要以磁流变智能流体、电流变智能流体以及水凝胶智能流体为代表,可通过施加某些外场或添加刺激响应因素的方法改变其物理性能。但这3种智能流体均存在部分缺陷,限制了实际应用。未来应该拓宽智能流体研究思路,实现纳米材料与智能流体的有效结合,研发出更具实际应用性的智能流体。

      (2)当钻井液不能正常发挥作用时,需要对钻井液性能进行不断地调整以保证钻井液性能参数保持在合理的范围内,但目前常规处理方法并不能达到时时调整的目的。智能流体既有“可控”的特性更为智能的是能可逆地改变其流变特性,具备很高的“自适应性”。开发智能流体,将常规钻井液升级成一种可以通过施加外场或根据井下环境变化来“自调节”钻井液性能的想法是可行的,不仅可以增强对钻井过程的控制,还能减少生产时间和降低钻井成本,有望成为未来钻井液创新发展的新方向。

      (3)智能钻井液的实际应用也引出智慧油田其他方面的协同发展。首先是钻井过程中智能钻井设备的研发,可以更好地实时调控钻井液性能,以保证安全钻进;其次是构建一套行之有效的智能钻井液设计系统,根据井下环境调整钻井液性能,以充分发挥智能流体在钻井中的实际应用潜力。开发智能钻井液、研发智能钻井设备和智能钻井液操控系统是智能钻井发展新方向。

参考文献 (44)

目录

    /

    返回文章
    返回