工程11（2022）101研究石油和天然气钻井工程用改性纳米SiO_2在页岩表面制备疏水多级表面用于钻井工程井壁加固黄贤斌a，b，孙金生a，b，刘伟，何丽a，b，王仁c，吕凯和a，b，李海超a，b非常规油气开发教育部重点实验室（中国石油大学（华东）），青岛266580b中国石油大学（华东）石油工程学院，青岛266580c中国石油工程技术研究&开发有限公司，有限公司、北京102206阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年1月18日收到2021年5月16日修订2021年5月28日接受2021年12月15日网上发售关键词：疏水纳米颗粒页岩抑制剂钻井液井壁稳定A B S T R A C T在油气勘探开发过程中，井壁稳定是安全高效钻井的关键.介绍了一种用于水基钻井液井壁加固的疏水纳米二氧化硅（HNS）。通过线膨胀试验、热轧恢复试验和抗压强度试验，研究了该材料的加固性能。通过Zeta电位、颗粒粒径、接触角、表面张力等实验，并借助扫描电镜（SEM），研究了其强化井壁的机理。采用接触角法计算了HNS处理前后泥页岩表面自由能的变化。实验结果表明，HNS具有良好的抑制泥页岩膨胀和分散的性能。与使用水相比，使用HNS导致膨润土颗粒的线性膨胀高度小20%，水敏性页岩的回收率高11.53倍，其性能超过了常用的页岩抑制剂KCl和多胺。更重要的是，HNS的加入有效地防止了页岩强度的降低。通过机理研究，认为HNS具有良好的井壁加固性能主要体现在三个方面。首先，带正电荷的HNS通过静电吸附平衡粘土的部分负第二，HNS在页岩表面吸附后形成具有微纳分级结构的荷叶状表面，显著提高了页岩表面的水接触角，降低了表面自由能，抑制了页岩表面水化。第三，毛细管作用的减小和泥质孔隙的有效堵塞减少了水的侵入，促进了井筒稳定。本文所述的方法可以提供抑制页岩的表面水合和渗透水合的途径©2021 THE COUNTORS.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍井眼失稳[1]是钻井工程中的一个严重问题，它严重地增加了钻井工程的成本，影响了钻井工程的安全和效率。当使用水基钻井液（WBF）在页岩地层中钻井时，该问题更为常见这是因为页岩通常富含粘土矿物，当与水接触时，粘土矿物水合并膨胀，导致几种井筒不稳定现象，例如井筒坍塌、致密化和膨胀。*通讯作者。电子邮件 地址： sunjsdri@cnpc.com.cnwww.example.com Sun）。洞，和卡住的管道。此外，页岩中纳米级和微米级孔隙或裂缝发育良好[2钻井液通过这些微通道侵入页岩地层，进一步加剧了页岩水化.页岩的水化[5]本质上是粘土矿物的水化，其由两种不同的机制引起：表面水化[6，7]和渗透水化[8]。表面水化以两种方式引起晶体膨胀：第一，硅酸盐粘土表面通过氢键直接吸附水分子;第二，表面附近吸附的阳离子吸附水分子。表面水化可发生在所有类型的粘土矿物中，引起小程度的膨胀（1.0渗透水合作用只是https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.05.0212095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engX. Huang，J.孙，H.Li等人工程11（2022）101102仅限于膨胀性粘土。夹层中的阳离子浓度高于周围的水，因此水进入夹层以恢复阳离子平衡。这种类型的水合可导致体积显著更大的增加（2为了降低水化引起的井筒不稳定性，使用页岩抑制剂来降低钻井液和页岩之间的相互作用;此类抑制剂包括盐[11，12]、多元醇[13]、胺[14，15]、纳米材料[16]和表面活性剂[17，18]。最常用的页岩抑制剂是氯化钾（KCl）[11]。由于K+具有低水化能，它可以迁移到粘土的层间空间，同时保持与粘土表面结合，形成稳定的结构。井壁是一种理想的半透膜，因此高浓度甚至饱和的低水活度无机盐和有机盐可以有效地降低水侵，抑制水化作用[19]。聚醇抑制剂可以相分离并吸附到井壁上，以防止温度超过其浊点时的水聚醚胺作为一种高性能的页岩抑制剂已被广泛研究。它进入粘土夹层，并通过氢键和/或静电引力强烈吸附到粘土上。纳米材料如纳米SiO2[20]和锂皂石[16]由于其强吸附能力、孔堵塞性能等也有利于页岩抑制。具有长碳链的表面活性剂[21，22]、氨基硅烷醇[23]和离子液体[24]可以改变接触角并减弱水在岩石表面上的吸附通常，接触角不能超过90度。越来越多的研究人员意识到，具有小膨胀体积的水化作用可产生高的膨胀压力，导致页岩崩解和严重的井筒不稳定性[25，26]。然而，大多数页岩抑制剂的目的是抑制渗透水化，因为抑制性能表面水化的程度很难评估。增加接触角可以降低页岩表面的自由能。从热力学的观点来看，这可以降低水吸附的驱动力，从而减少表面水合。基于通过X射线衍射（XRD）分析确定两种页岩样品的矿物组成，结果列于表1中。2.2. 疏水纳米二氧化硅HNS的制备路线如图1所示。将一定量的水和乙醇在烧杯中充分混合。然后使用超声分散器将纳米SiO2分散到溶液中。将上述混合物转移到三颈圆底烧瓶中并在水浴中加热至70 °C。然后将STAC加入烧瓶中。反应进行6小时在70 °C下，在300 r/min-1下搅拌。当反应完全时，通过真空蒸馏装置除去乙醇和部分水，使产物的固含量达到20%。本文所称的HNS是指这种固含量为20%的改性二氧化硅乳液2.3. 疏水纳米二氧化硅使 用Zetasizer Nano ZS （ Malvern Instruments Ltd.; 英 国 ）。HNS的形态学研究使用表1通过XRD分析页岩样品的矿物组成。矿物成分含量（wt%）混合层根据这一理论，本文报道了疏水由纳米二氧化硅和长链季铵盐制备的纳米二氧化硅（HNS）及其用于增加页岩接触角的用途对HNS的井壁加固性能进行了深入研究，并对其机理进行了分析。本文所述的方法可以提供抑制页岩的表面水合和渗透水合的途径。2. 材料和方法2.1. 材料SiO2纳米颗粒（20 nm）、硬脂基三甲基氯化铵（STAC; 98重量%）、乙醇（99.5重量%）和KCl（99.5重量%）购自AladdinReagent Co.，有限公司（中国）。聚醚胺（D230，99重量%）购自BASF（德国）。膨润土由中国石油天然气集团公司工程技术研究开发（R& D）有限公司提供，公司（中国）。在这项研究中使用了两种页岩样品一个是从中国四川省广汉市获得的水敏性这种类型的页岩在热轧采收率试验中在水中的采收率较低另一个是取自四川龙马溪组的详细Fig. 1.合成HNS的化学反应式和合成步骤。水敏性页岩脆性泥页岩石英41.051.0钾长4.03斜长石12.02方解石15.09白云石03黄铁矿02菱铁矿1.00赤铁矿粘土高岭石2.01.010伊利石10.023绿泥石1.53伊利石/蒙皂石（I/S）12.53X. Huang，J.孙，H.Li等人工程11（2022）101103×1000m1××þDpLLSSLDSLdcpSp5升1一HLLLSS高分辨率透射电子显微镜（TEM，Tecnai G2 F20，FEI; USA）。2.4. 井壁加固性能2.4.1. 线性膨胀试验线膨胀度是评价粘土矿物水化膨胀程度的重要参数。 首先，制备膨润土颗粒（约/25 mm 9.5 mm通过使用液压机和圆筒模具在10 MPa压力下压缩10 g干燥膨润土粉末5 min。接着，将膨润土颗粒分别浸入水 和 不 同 抑 制 剂 的 溶 液 中 ， 并 使 用 CPZ-2 双 通 道 线 性 溶 胀 仪（Tongchun; China）测量颗粒在每种液体中的线性溶胀高度.2.4.2. 热轧回复试验热轧回收试验是美国石油学会（API）的标准实验[27]，评价页岩岩屑在高温下在某种液体中的分散程度。对于该测试，使用水敏性露头页岩样品。首先，将尺寸在6和10目之间的页岩钻屑（20 g）和350 mL抑制剂溶液倒入不锈钢老化池中。然后将老化电池在GW300-PLC辊式烘箱（同春）中在一定温度下热轧16小时。冷却至室温后，用40目筛筛选剩余的钻屑。最后，将回收的钻屑在105 °C下干燥4小时并称重。页岩采收率Rs通过方程计算。（一）.每个测试重复五次。Rs%m 2100%100%其中M1表示热轧前的页岩钻肩的质量（g），M2是回收的干页岩钻肩的质量（g）。2.4.3. 抗压强度试验通过抗压强度试验，定量分析了泥页岩试样在不同溶液中浸泡后的强度变化。 使用脆性露头页岩样品处理圆柱形岩心（/25 mm-50mm）。将五个岩心分别置于同一老化池中，其中含有250 mL去离子（DI）水或抑制剂溶液然后将老化电池置于120°C的加热烘箱中72小时。冷却后本文介绍了一台微机控制的岩石三轴试验机（TAW-100，使用Zetasizer NanoZS 90（MalvernInstruments Ltd.; 英国）。2.5.2. 疏水性纳米二氧化硅悬浮液在室温下，使用DCAT 21张力计（Dataphysics; Germany），采用Wilhelmy平板法[28]测定不同浓度HNS悬浮液的表面张力2.5.3. 接触角测量通过使用线切割机切割脆性页岩样品来制备厚度为2-4 mm的薄页岩片。将页岩切片置于老化池中并浸入250 mL不同浓度的HNS悬浮液中。然后将老化电池在120 °C下老化16小时。之后，取出页岩切片并使用102 °C 的电烘箱干燥。使用OCA 25型接触角测量装置（DataPhysics）分析去离子水在页岩切片表面上的接触角。2.5.4. 形态使用扫描电子显微镜（SEM; Hitachi S-4800;日本）研究接触角测量后页岩切片表面的微观形态还观察了页岩岩屑在HNS悬浮液中热轧前后的形貌变化2.5.5. 表面自由能表面自由能是泥页岩表面水化的根本原因，降低泥页岩表面自由能是抑制泥页岩表面水化的最使用接触角法（也称为Wu法[29]）计算D230和不同浓度HNS处理前后页岩的表面自由能变化首先，测量去离子水和二碘甲烷在页岩表面上的接触角。然后，将数据代入Wu方法的模型（等式10）。（3））。这样，得到了表面自由能的色散分量（cd）和表面自由能的极性分量（cp）最后，表面自由能（cS）根据等式（1）计算。（四）、所用液体的表面张力组分列于表2中。.cdcdc cpp pp长春市朝阳试验仪器有限公司;中国），然后用于分析五个核心的抗压强度。平均抗压强度使用方程计算。（二）、cccL吕锡ð4ÞS s sr-¼1XPið2Þ其中是接触角（°），c是液体表面张力（mJ·m-2），cd和cp分别为色散分量和极性分量其中r-是平均压缩强度（MPa），i是总和，P为试验岩心的破坏荷载（N），A为横截面积（mm2）。2.5. 机理分析2.5.1. 膨润土悬浮液的粒度分布和Zeta电位（mJ·m-2）。cS是固体的表面自由能（mJ·m-2），cd和cp分别是cS的色散分量和极性分量（mJ·m-2）。表2水和二碘甲烷的表面张力值及其色散和极性分量。将膨润土粉末（24 g）分散在600 mL DI水中并搅拌24 h。HNS的五个量（0、0.5、1.0、1.5和2.0 g）分别加入到5个100 mL膨润土悬浮液中，液体表面张力cL（mJ·m-2）分散体组分cd（mJ·m-2）极性组件cp（mJ·m-2）活泼地 然后将混合物在300 r/min-1下搅拌24 h。水二碘甲烷50.8 48.5 2.3膨润土的粒度分布和Zeta电位c L10000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ð3ÞX. Huang，J.孙，H.Li等人工程11（2022）1011043. 结果和讨论3.1. 疏水纳米二氧化硅用阴离子表面活性剂STAC对纳米SiO2进行改性，合成了HNS。HNS是一种具有一定流动性的粘性有机硅乳液，如图2（a）所示。用透射电镜观察了纳米SiO2和HNS的形貌实验结果如图3所示。在改性之前， SiO2纳米颗粒均匀分布而没有聚集（图1A和1B）。3（a）和（b））。改性后，观察到了宽的颗粒尺寸分布，每个聚集体由几个到几十个SiO2纳米颗粒组成（图1和2）。3（c）和（d））。使用动态光散射法测量纳米SiO2和HNS的粒度分布，结果如图2（b）所示。未改性的纳米SiO2具有窄的粒径分布，z-平均粒径为19.39 nm。相比之下，HNS的粒度在100-术语“粒度”是二氧化硅聚集体的粒度，而不是单个二氧化硅颗粒的粒度。激光粒度测量的结果与透射电子显微镜观察到的粒度分布相吻合。3.2. 疏水性纳米二氧化硅采用线性膨胀试验、热轧恢复试验和页岩抗压强度试验3种评价方法，3.2.1. 线性膨胀试验泥页岩地层中粘土矿物的水化膨胀是井壁失稳的重要原因。线性膨胀试验可以通过精确测量粘土在水溶液中的膨胀高度来评估HNS在抑制水化和不稳定性方面的性能。图4示出了分别浸入水、5重量%KCl、2重量%聚醚胺D230和1重量%HNS中的膨润土粒料的线性溶胀高度。如图4所示，浸入水中的膨润土粒料的线性溶胀高度迅速增加。测试24 h（1440 min）后，在水中的线性溶胀高度达到7.45相反，膨润土颗粒在5重量% KCl、2重量% D230和1重量% HNS中的线性溶胀高度分别为6.07、6.55和5.95 mm。其中，线性膨胀HNS悬浮液中的高度最低，说明HNS比KCl和D230更能有效抑制粘土矿物的水化膨胀，更有利于钻井过程中的井壁稳定。3.2.2. 热轧回复试验页岩地层中矿物的水化作用容易导致坍塌或井眼坍塌。通过热轧恢复试验，评价了HNS的防塌能力。图5示出了在120 °C下热轧16小时后水和不同抑制剂溶液的页岩切屑回收率。去离子水的Rs百分数仅为6.8%，这表明页岩岩屑是非常水敏的。常用的页岩抑制剂KCl不能有效抑制页岩水化，5wt%KCl和7wt%KCl的页岩回收率分别仅为8.4%和11.2%。对于1wt%D230，Rs为57.5%，这表明聚醚胺在一定程度上抑制页岩水化。表面活性剂STAC的Rs仅为3.1%，不具有缓蚀性能。未改性的纳米SiO2可使Rs提高26.3%。然而，STAC改性的纳米SiO2（即，HNS）具有显著高于KCl、原始纳米SiO2或D230的Rs对于1重量%的HNS悬浮液，页岩回收率高达85.2%，表明HNS能够防止页岩在水性介质中的水化和分散3.2.3. 抗压强度试验泥页岩抗压强度试验是评价HNS加固井壁性能的直接方法测试了未经处理的页岩岩心和经HNS悬浮液处理的页岩岩心的抗压强度，结果如图所示。 六、最大抗压强度的原始核心，183.82 MPa为四川露头。该核心的抗压强度显著降低，134.49 MPa的热轧处理后的水。结果表明，用HNS悬浮液处理的岩心比用水处理的岩心具有更大的抗压强度。随着HNS浓度的增加，岩心的抗 压 强 度 也 增 加 。 当 HNS 浓 度 为 3wt% 时 ， 芯 的 强 度 增 加 到186.69MPa，这略大于原始芯的强度。这一发现表明，HNS可以防止钻井过程中岩石强度的下降，甚至在较高浓度下增加岩石强度。上述三个实验表明，HNS通过减少页岩水化和减缓岩石强度的下降而在稳定井筒方面是有效的图二、HNS样品的外观及其粒度分布。（a）HNS样品的图片;（b）通过动态光散射法测量的纳米SiO2和HNS的粒度分布PDI：多分散指数。X. Huang，J.孙，H.Li等人工程11（2022）101105图三. （a，b）未处理的纳米SiO2和（c，d）疏水改性的纳米SiO2的TEM图像。见图4。膨润土颗粒在水和各种抑制剂溶液中的线性膨胀曲线。3.3. 机制3.3.1. ζ电位测量HNS与粘土矿物之间的相互作用是吸附的根本原因，决定了良好的井筒加固性能。静电相互作用是将HNS吸附到粘土矿物或页岩表面上的驱动力，因为粘土带负电荷而HNS带正电荷。zeta电位测试检查HNS和膨润土之间的静电吸引。测定了不同浓度HNS悬浮液的zeta电位。随着浓度从0.5重量%增加到2.5重量%，ζ电位从27.2 mV增加到34.8 mV（图7（a）），这表明HNS由带正电的纳米颗粒组成。由于粘土矿物在自然形成过程中晶格置换造成的晶格缺陷，使粘土矿物带负电[6，7]。 如图 7（a），zeta电位图五.页岩岩屑回收水和各种不同浓度的水溶液。膨润土的电位为-21.1 mV。当HNS的加入量从0.25wt%增加到2wt%时，膨润土的zeta电位从-20.6mV增加因此，zeta电位测试证明HNS和膨润土之间存在静电吸引。根据静电稳定性理论，HNS的加入粘土颗粒倾向于聚集，导致颗粒尺寸增加 如图如图7（b）所示，当HNS的浓度增加到1.0重量%时，膨润土的D50从4.56增加到30.0 μ m，这证明了HNS抑制渗透水合的能力。3.3.2. 接触角、页岩表面形态和表面自由能3.3.2.1. 接触角在120 °C下用HNS处理16小时后，将纳米颗粒层（以白色显示）吸附到纳米颗粒上。X. Huang，J.孙，H.Li等人工程11（2022）101106R见图6。未处理的页岩岩心和通过DI水和HNS悬浮液在120 °C下处理72小时的页岩岩心的抗压强度。见图7。 HNS对4wt%膨润土悬浮液的（a）zeta电位和（b）粒度的影响。如图8所示，页岩切片的表面。随着HNS浓度的增加，吸附量也增加。去离子水在原始页岩和用1重量% HNS、2重量% HNS和3重量% HNS处理的页岩切片上的接触角分别为13.4°、143.7°、102°和110°。很明显，在HNS处理后，接触角从亲水性反转为疏水性。当HNS的浓度为1重量%时，接触角非常接近于超疏水材料接触角表面（>150°）。在较高浓度的HNS下接触角减小的原因可能是当吸附量较大时页岩的粗糙度增加。泥岩地层中的微孔隙和微裂缝十分发育。因此，在页岩储层的钻井过程中，毛细管作用比较大，导致页岩吸水，最终降低井壁的强度。如等式1所示。（5）、毛细力与接触角和表面张力有关。根据表面张力测试结果，HNS对水的表面张力没有影响。经HNS处理后，泥页岩表面变得疏水，毛细管作用变为抵抗水侵，有利于提高井壁稳定性。PC¼2rcoshð5Þ其中PC是毛细管压力（Pa），r是表面张力（mN·m-1），h是水在页岩上的接触角（°），r是毛细管的内径。图8.第八条。去离子水在原始页岩上和在经1重量% HNS、2重量% HNS和3重量%HNS处理的页岩上的成膜效果和接触角3.3.2.2. 页 岩 的 表 面 形 态 。 利 用 SEM 观 察 了 原 始 页 岩 切 片 和 用1.0wt% HNS处理后的页岩切片 如图如图9（a）和（b）所示，在原始页岩切片的表面上存在许多微米尺寸的颗粒。 在用1重量%的HNS处理后，纳米颗粒层被吸附到页岩表面上，从而在页岩表面上人工制造微纳米结构（图1）。 9（c））。X. Huang，J.孙，H.Li等人工程11（2022）101107·见图9。 （a，b）原始页岩;（c，d）在120 °C下用1.0重量% HNS处理16小时的页岩;和（e，f）荷叶的表面的SEM图像。在更高的放大倍数下，可以清楚地观察到纳米级颗粒，如图9（d）所示。这种微纳米分级结构类似于荷叶的表面结构（图1A和1B）。9（e）和（f）），其是极疏水的;因此，页岩结构获得疏水效果。荷叶具有超疏水性的原因在文献中已多次报道[30，31]。 图图10（a）描绘了荷叶表面的超疏水机制的示意图。首先，荷叶表面有许多微米大小的乳突。第二，荷叶的表面，包括乳突的表面，被一层非常致密的纳米级蜡管叠加。因此，莲花效应是化学疏水性（叶子上的蜡质成分）和物理图案（微纳米分级结构）的组合。未经处理的页岩表面具有微米级的颗粒;经具有化学疏水性的HNS处理后，页岩表面形成荷叶状结构，产生较强的疏水效果。在本研究中，在空气条件下测试接触根据Cassie-Baxter模型（Fig. 10（b）），空气被困在水滴下，并作为形成超疏水表面的重要因素[32]。然而，地下没有空气（天然气储层除外），钻井工程因此，需要更多的研究在水条件下的表面润湿性。3.3.2.3. 表面自由能测量去离子水和二碘甲烷在改性页岩表面上的接触角，结果示于表3中。如第2.5.5节所述计算表面自由能，结果见表4。可以看出，原始页岩的表面自由能为80.83mJm-2。经1wt%D230处理后，表面自由能略有降低。然而，用HNS处理后，在所研究的浓度下，表面自由能显著降低。表面自由能是水吸附的驱动力，降低泥页岩表面自由能是抑制泥页岩表面水化的根本途径页岩具有较大的表面自由能，在钻井过程中对钻井液中的水分子具有较强的吸附能力HNS处理后，页岩的表面自由能显著降低。水的吸附能力也因此大大降低，从而从热力学角度有效地相比之下，广泛使用的页岩X. Huang，J.孙，H.Li等人工程11（2022）101108图10个。在（a）莲花状态和（b）Cassie-Baxter状态下的液滴的示意图表3DI水和二碘甲烷在未处理的页岩表面上和在用2wt%D230和用不同浓度的HNS处理的页岩表面上的接触角接触角（°）未处理页岩处理方法页岩2重量% D2301重量%HNS2重量%HNS3重量%HNSDI水13.444.6144102110二碘甲烷7.05.062128126表4未经处理的页岩和经D230和HNS处理的页岩的表面自由能及其分量。S Sa由于Wu方法不是通用的，所以用1重量% HNS处理的页岩的极性分量可能是无意义的，因为它是负的。抑制剂KCl和聚醚胺缺乏抑制表面水合的能力。3.3.3. 页岩岩屑热轧后，回收的页岩岩屑进行了SEM观察原始页岩钻屑和在0.5重量%HNS和1.0重量%HNS悬浮液中热轧后的页岩钻屑的SEM图像示于图11中。如图如图11（a）和（b）所示，在原始页岩岩屑中存在丰富的微孔，其为水侵入提供通道。然而，在用0.5wt%HNS和1.0wt%HNS处理后，页岩钻屑的形态明显改变。页岩岩屑的多孔表面在用以下物质处理后转变成无缝表面：0.5 wt% HNS（图1A和1B）。11（c）和（d））。在用1.0重量%HNS处理后，表面变得更加无缝，并且可以看到许多纳米级颗粒附着到页岩表面（图1A和1B）。11（e）和（f））。页岩表面形貌的变化表明HNS很容易吸附和粘附在页岩表面。吸附后，HNS颗粒有效地堵塞了微孔，并在页岩表面形成致密的疏水膜。 这减少了水侵入页岩并防止页岩水化，这是HNS产生高水平Rs的原因，因为在第3.2.2节中进行了讨论。见图11。HNS处理前后页岩岩屑的SEM图像。（a，b）原始页岩钻肩的SEM图像;用（c，d）0.5重量% HNS和（e，f）1.0重量% HNS在120 °C下处理16小时的页岩钻肩的SEM图像。页岩类型cS（mJ·m-2）cd（mJ·m-2）cp（mJ·m-2）原生页岩80.8344.2636.571重量% D23069.0744.6624.411重量%HNS15.4321.93–6.502重量%HNS18.303.0715.233重量%HNS14.363.5910.77X. Huang，J.孙，H.Li等人工程11（2022）1011093.3.4. 机理分析在上述实验的基础上，对高氮水泥强化井壁的机理进行了总结。如图12所示，分析了HNS吸附到页岩表面上的驱动力。当HNS颗粒靠近但不接触页岩表面时，作用在HNS颗粒上的力主要是静电吸引力（红色箭头）。在静电引力作用下，HNS纳米粒子接近并进入页岩表面水化层.在这一点上，HNS纳米颗粒受到另一种力：疏水排斥力（蓝色箭头）。由于静电引力的强度大于疏水相互作用的强度，HNS纳米粒子不断靠近并最终与页岩基质接触。接下来，HNS纳米颗粒表面上的羟基基团与页岩表面上的羟基基团之间可能发生由氢键键合（绿色箭头）引起的吸引。总的来说，对纳米颗粒的综合作用是指向页岩表面的吸引力，这使得HNS牢固地吸附在页岩表面吸附后，HNS通过静电吸附平衡粘土的部分负电荷，降低排斥水化力，从而降低渗透水化。此外，HNS改变了页岩表面的微观结构。在页岩表面形成类似荷叶表面结构的微纳米分级结构，显著增加页岩表面的接触角。这导致页岩表面的自由能显著降低，这有助于抑制页岩的表面水合。此外，HNS降低了泥质孔隙的毛细作用和封堵作用，减少了钻井液的侵入。这三个方面共同作用，可以有效抑制页岩水化，防止钻井过程中页岩强度下降，从而有助于提高井眼稳定性。4. 结论在这项工作中，一种名为HNS的疏水纳米材料被合成用于增强井壁。在水性介质中，HNS的z泥页岩的线膨胀试验、热轧恢复试验和抗压强度试验均表明HNS具有良好的井壁强化性能。与KCl和聚醚胺相比，HNS抑制水敏性泥页岩分散的能力明显增强此外，HNS可以防止钻井过程中岩石强度的降低井壁强化的主要机理可概括如下。在静电吸引下，HNS见图12。HNS吸附在页岩表面的驱动力。平衡粘土的部分负电荷，从而减少排斥水合力和渗透水化。HNS的吸附改变了页岩表面的微观结构，使接触角显著增大。这种润湿性改变导致页岩表面的自由能显著降低，这有助于抑制表面水化。此外，HNS能有效封堵泥页岩孔隙，形成无缝膜，从而减少水的侵入，促进井壁稳定。致谢黄贤斌、孙金生、李贺、王仁、吕凯和、李海潮感谢国家自然科学基 金 （ U1762212 和 51904329 ） 和 山 东 省 自 然 科 学 基 金 （ ZR2019BEE002）。遵守道德操守准则Xianbin Huang、Jinsheng Sun、He Li、Ren Wang、Kaihe Lv和Haichao Li声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] Zeynali ME.钻井作业过程中井筒稳定性的机械和物理化学方面。J Petrol Sci Eng2012;82-83：120-4.[2] ClarksonCR，Solano N，Bustin RM，Bustin AMM，Chalmers GRL，He L，等.利用USANS/SANS、气体吸附和汞侵入对北美页岩气储层的孔隙结构表征 燃料2013;103：606-16.[3] 刘K，Ostadhassan M，Zhou J，Gentzis T，Rezaee R.美国巴肯页岩的纳米级孔隙结构表征。《燃料》，2017年;209：567-78。[4] 李C，孔L，Ostadhassan M，Gentzis T.致密油地层的纳米尺度孔隙结构表征：巴肯地层的实例研究。能源燃料2019;33（7）：6008-19。[5] Shadizadeh SR，Moslemizadeh A，Dezaki AS.一种抑制页岩水化的新型非离子表面活性剂。 应用粘土科学2015;118：74-86.[6] 杨文辉，陈文辉，陈文辉. 膨胀粘土在氯化钠溶液中的结晶膨胀和渗透膨胀。Geotech Geol Eng2013;31（4）：1399-404.[7] Anderson RL，Ratcliffe I，Greenwell HC，Williams PA，Cliffe S，Coveney PV.粘土膨胀--油田的一大 难题。 Earth Sci Rev 2010;98（3-4）：201-16.[8] 作者：Wilson L.粘土矿物学和页岩不稳定性：另一种概念分析。Clay Miner2014;49（2）：127-45.[9] Sun L，Tanskanen JT，Hirvi JT，Kasa S，Schatz T，Pakkanen TA.蒙脱石结晶膨胀的分子动力学研究：层间阳离子种类和含水量的作用。 Chem Phys 2015;455：23-31.[10] Davis A，Yeong YH，Steele A，Loth E，Bayer IS.长时间高冲击模拟降雨后纳米复合涂层超疏水性的恢复。RSC Adv 2014;4（88）：47222-6。[11] 施新，王丽，郭杰，苏青，卓新。抑制剂KCl对页岩膨胀性及力学性能的影响 石油2019;5（4）：407-12。[12] 作者：Hu W.对抗井筒不稳定性：根据页岩-流体相互作用的实验室研究参加：IADC/SPE亚太钻井技术会议及展览会; 2012年7月9日;中国天津; 2012年。[13] 张松，何燕，陈忠，盛俊杰，付良。应用聚醚胺、多元醇或KCl维持含钠蒙脱石和钙蒙脱石页岩的稳定性。Clay Miner2018;53（1）：29-39.[14] 白新，王红，罗勇，郑新，张新，周胜，等。水基钻井液用端胺超支化聚合物页岩抑制剂的结构与应用。 J Appl Polym Sci 2017;134（46）：45466.[15] 谢刚，罗萍，邓明，苏军，王正，龚荣，等。支化聚乙烯亚胺在钠基膨润土中的插层行为及其对流变性能的影响。Appl Clay Sci2017;141：95-103.[16] 黄霞，沈宏，孙军，吕凯，刘军，董新，等。纳米锂皂石作为水基钻井液稳定井壁的潜在页岩抑制剂及机理研究。ACS Appl Mater Interfaces 2018;10（39）：33252-9.[17] 放大图片Shettigar RR，Misra NM，Patel K.阳离子表面活性剂（CTAB）是聚合物基钻井液中的一种多用途添加剂。J Pet Explor Prod Technol 2018;8（2）：597-606.[18] 吕凯，黄新，李宏，孙军，杜伟，李明。改性生物表面活性剂阳离子烷基糖苷对高活性页岩的抑制作用。能源燃料2020;34（2）：1680-7。[19] Yin S，Yan F.利用水活度回灌提高泥页岩地层井壁稳定性。Fresenius EnvironBull 2019;28：7492[20] IsmailAR，Mohd NMNA，Basir NF，Oseh JO，Ismail I，Blkoor SO. 改善水基钻井液流变性和滤失性的 研究X. 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