劉徐三

納米材料增強水基鉆井液熱容性能實驗研究

劉徐三

（中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077）

針對鉆探工作中鉆頭冷卻不及時，嚴重影響鉆頭的使用壽命甚至發(fā)生燒鉆等井下復雜事故這一技術難題，本文采用向鉆井液中加入納米材料的方法，提高鉆井液熱容性能，達到增強鉆井液冷卻鉆頭效果的目的。因此，通過實驗研究，分析了不同納米材料對水基鉆井液熱容性能的影響，并計算加入納米材料后鉆井液的比熱容。研究結果表明：鉆井液比熱容隨著納米材料加量的增加而增大，其中，TiO2提升鉆井液比熱容的能力最強，加量0.5%時，比熱容提升率達35.33%。此外，鉆井液的黏度和動切力也隨納米材料加量的增加而增大，但靜切力幾乎不受其影響。本研究為鉆探特別是金剛石取心鉆探中避免鉆頭壽命縮短甚至燒鉆事故的發(fā)生具有積極的意義。

鉆頭冷卻；納米材料；鉆井液；熱容性能；比熱容

鉆頭在破碎巖石的過程中，與巖石摩擦會產生大量的熱量，導致鉆頭溫度急劇升高（黃鵬，2007；況雨春等，2018；黃晟輝等，2019）。若沒有得到及時的冷卻，會縮短鉆頭的使用壽命。對于金剛石鉆頭，可能還會造成燒鉆，產生嚴重的井下事故（羅永貴等，2016；孫孝剛等，2018；高飛等，2020）。目前，鉆頭的冷卻主要依靠鉆井液，通過鉆井液的循環(huán)，帶走鉆頭與地層摩擦產生的熱量，使鉆頭的溫度處于較低的水平，從而達到冷卻鉆頭的目的。目前，在鉆探施工過程中，為了保證鉆頭的充分冷卻，一般都從保證鉆井液循環(huán)路徑的暢通入手，確保鉆井液能充分到達井底鉆頭部位。如果鉆井液在循環(huán)路徑遇阻或發(fā)生漏失，只有少量鉆井液到達井底，就會導致鉆頭冷卻不徹底，影響鉆頭壽命甚至發(fā)生燒鉆事故。因此，有必要采用新的技術思路，確保在鉆井液發(fā)生漏失或循環(huán)路徑遇阻的情況下，井底鉆頭得到充分冷卻。近年來，納米材料在鉆井液領域的應用研究比較活躍，利用納米材料的高顆粒強度、高比表面積和高表面能等特性，調節(jié)優(yōu)化鉆井液的流變性能、濾失造壁性能、封堵性能等（任保友等，2018；武元鵬等，2019；張毅等，2020；盧震等，2020）。研究還表明，納米材料可以增強物質的熱容性能（程曉敏等；2016；熊亞選等，2018；田禾青等，2020）。利用納米材料增強鉆井液熱容性能，即鉆井液升高相同溫度條件下，需要吸收更多的熱量。那么，在發(fā)生泄漏而只有部分鉆井液到達井底的情況下，使鉆頭能夠充分冷卻，避免鉆頭壽命縮短或燒鉆事故的發(fā)生?；诖?，本文通過向水基鉆井液中添加不同的納米材料，測量并計算水基鉆井液比熱容變化情況，為水基鉆井液有效冷卻鉆頭提供新的技術方案。

1 基本理論

比熱容，是指沒有相變和化學變化時，單位質量均相物質升高單位溫度所需要的熱量，其數學表達式如下：

比熱容無法直接測出，由式（1）可知，可以通過測量一定質量的物質升高一定溫度所吸收的熱量，計算出該物質的比熱容。

固體與周圍液體之間傳遞的熱量可由牛頓冷卻定律計算，即：

由式（2）可知，對于一定的鉆頭與鉆井液體系，熱適應系數和接觸表面積是定值，只要鉆井液吸收鉆頭的熱量后溫度變化越小，即鉆井液比熱容大，他們之間傳遞的熱量就越多。因此，通過提高鉆井液的比熱容，增強鉆井液冷卻鉆頭的能力，在理論上是可行的。

2 納米材料對鉆井液比熱容的影響

2.1 實驗材料

本文選用了三種納米材料，分別是納米四氧化三鐵(Fe3O4)、納米氧化鈦(TiO2)、納米氮化硼(BN)，三種材料均由江蘇泰鵬金屬材料有限公司生產，它們的性能見表1。

表1 納米材料基本性能

2.2 實驗方法

配制水基鉆井液體系，其配方為：水+4%膨潤土+0.2%純堿+0.3%CMC-HV+0.3%XC。向該水基鉆井液體系中分別加入各納米材料，加量分別為0.1%、0.2%、0.3%、0.5%，用磁力攪拌機攪拌120分鐘，保證納米材料在水基鉆井液中充分分散。然后取100mL樣品置于熱容測量裝置（圖1）的容器中，記錄樣品的初始溫度。打開熱容測量裝置，開始對樣品進行加熱，樣品溫度逐漸升高，間隔一定時間記錄樣品的溫度和熱量。利用式（1）就可以得到一個直線方程，該方程的斜率就是水基鉆井液的比熱容。每次實驗重復3次，計算比熱容的平均值作為最終值。

圖1 比熱容測量裝置

圖2 鉆井液基漿的比熱容

2.3 結果與討論

2.3.1 水基鉆井液比熱容

水基鉆井液比熱容測試結果如圖2所示。對實驗數據進行擬合，得到一條直線，該直線的斜率為4.206，即本實驗所用的水基鉆井液的比熱容為4.206 J/g·℃。

表2 納米材料對鉆井液的比熱容影響

由式（1）可知，只要測出一定質量的鉆井液升高不同溫度所吸收的熱量，便可以擬合得到一個直線方程，該直線的斜率，就是該鉆井液的比熱容。以基漿為例，對該計算方法進行說明。經過對100mL水基鉆井液升高不同溫度所吸收熱量的測量，并對測量結果進行擬合，得到一條擬合直線，結果如圖2所示。該直線的斜率為4.206，即本實驗所用的鉆井液基漿的比熱容為4.206 J/g·oC。鉆井液基漿中加入不同納米材料后，按照此方法得到其比熱容，結果見表2。

2.3.2 納米材料對水基鉆井液比熱容的影響

水基鉆井液中加入不同的納米材料后，對水基鉆井液比熱容的影響結果見表2。由表2可見，納米材料的存在增加了鉆井液的比熱容，且隨著納米材料的濃度增加而增大，呈非線性上升。比較起來，TiO2增大鉆井液比熱容的能力最強，其中0.5%的TiO2可以將鉆井液基漿的比熱容提高35.33%。這一結果跟TiO2的粒徑更小，比表面積更大有關。納米材料的粒徑越小，其表面原子的熱振動能就越大（巨新等，1996），導致鉆井液的熱容量就越高。同時，隨著納米材料比表面積的增加，表面原子的數量也隨之增加（王立國等，2016）。要把表面原子的溫度提高一度，就需要更多的熱量，因而加有納米材料的鉆井液的熱容量也就更高。除此之外，納米材料的布朗運動、粒子團聚效應以及形成納米層等對鉆井液熱容性能都有影響（成堅等，2014；常泰維等，2017；胡毓浩等，2020）。由此可見，納米材料能有效增強水基鉆井液的熱容性能，在鉆井液發(fā)生泄漏而只有部分鉆井液到達井底的情況下，

表3 納米材料對鉆井液流變性能影響

可以有效冷卻鉆頭，從而保證鉆頭的使用壽命甚至避免燒鉆事故的發(fā)生。

3 納米材料對鉆井液流變性能的影響

鉆井液流變性能是影響鉆井液攜帶懸浮巖屑、穩(wěn)定井壁等重要性能。眾多研究表明，納米材料的加入，會對鉆井液的流變性能產生一定的影響。本研究使用的鉆井液基漿加入不同的納米材料以后，其流變性能變化見表3。

由表3可見，隨著Fe3O4、BN加量的增加，鉆井液的表觀黏度和塑性黏度也逐步增加。但TiO2的加入，鉆井液的表觀黏度和塑性黏度變化出現(xiàn)了反復，加量超過0.2%以后，才隨加量的增加而增加。納米材料的加入增加了鉆井液內部的摩擦力，從而導致鉆井液黏度的升高。鉆井液動切力反映了其攜帶巖屑的能力，但動切力過高，又會導致高泵壓和激動壓力。隨著納米材料濃度的增加，鉆井液的動切力也隨之增大。同等加量的條件下，BN提升鉆井液動切力的能力最強，可高達12 Pa。隨著納米材料濃度變化，鉆井液的靜切力變化不明顯。相比較而言，BN對鉆井液的靜切力影響較明顯，加量為0.5%時，鉆井液靜切力達5 Pa。

4 結論

針對鉆探特別是金剛石取心鉆探工作中鉆頭冷卻問題，對納米材料增強鉆井液熱容性能進行了實驗研究。通過在鉆井液基漿中添加不同濃度的納米材料Fe3O4、TiO2和BN，測量并對比其比熱容、流變參數等變化規(guī)律，得到如下結論：

（1）納米材料的存在可以增大鉆井液的比熱容，但不同類型的納米材料對比熱容影響不一樣，且隨著濃度的增大而成非線性上升。其中，加入 0.5% 的TiO2后，鉆井液獲得更大的比熱容，比基漿增大了 35.33%。

（2）納米材料的加入，對鉆井液的流變性能有一定的影響。鉆井液的黏度和動切力隨著納米材料濃度的增加而增加，但靜切力受納米材料的影響不明顯。

（3）本研究表明，納米材料能有效提升鉆井液冷卻鉆頭的能力，對鉆探特別是金剛石取心鉆探工作中防止鉆頭壽命減低甚至燒鉆事故具有積極意義。

黃鵬. 2007.鉆井鉆頭冷卻系統(tǒng)流場模擬軟件的開發(fā)[J]. 礦山機械, (06): 32-33.

況雨春，王芳，馮明，魏莉鴻. 2018. 流道形狀對PDC鉆頭攜巖和冷卻效率影響研究[J]. 機械設計，35(03)：49-56.

黃晟輝，奎中，吳金生，趙遠剛，房昕. 2019. 湘永地1井鉆進施工及事故處理技術[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程)， 46(02)：23-29.

羅永貴，古世丹，羅璇，王東寅. 2016. 深孔小口徑金剛石鉆進嚴重燒鉆事故的預防與處理[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 43(03): 37-40.

孫孝剛，盧忠友. 2018. 巖心鉆探燒鉆事故分析及實踐[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程), 45(03): 28-32.

高飛，徐柳，楊芝廣，羅思賢，李龍，張開林. 2020. 紅格、蘭尖、朱家包包釩鈦磁鐵礦區(qū)SYZX繩索取心式液動錘生產試驗及推廣應用[J]. 四川地質學報, 40(01)：68-74.

任保友，蒲曉林，曹成，馬川. 2018.納米鉆井液提高地層承壓能力實驗[J]. 石油鉆采工藝, 40(02): 179-184.

武元鵬，田應佩，羅平亞，林元華. 2019. 納米碳酸鈣的制備及在水基鉆井液的應用研究[J]. 鉆井液與完井液, 36(04): 407-413.

張毅, 陳東，紀元，張慧，劉富. 2020. TiO_2聚丙烯酰胺納米復合材料對水基鉆井液性能的影響[J]. 當代化工, 49(10): 2138-2141.

盧震，黃賢斌，孫金聲，李明，楊崢，周志世. 2020. 水基鉆井液用耐高溫納米聚合物封堵劑的研制[J]. 石油鉆采工藝, 42(05)：587-591.

程曉敏，朱石磊，向佳緯，喻國銘，李元元. 2016. 利用SiO_2納米顆粒增強硝酸鹽儲熱材料比熱容的實驗研究[J]. 儲能科學與技術, 5(04)：492-497.

熊亞選，王振宇，徐鵬，吳玉庭，丁玉龍，馬重芳. 2018. 添加納米MgO和SiO_2顆粒對二元碳酸鹽(Li_2CO_3-K_2CO_3)比熱容的影響[J]. 化工學報, 69(12)：4959-4965.

田禾青, 周俊杰，郭茶秀. 2020. 熔鹽儲熱材料比熱容強化的研究進展[J]. 化工進展, 39(02): 584-595.

巨新，胡天斗，宮竹芳，蘇慶德，熊曹水. 1996.球磨納米碳粉的表征和光聲光譜[J]. 應用基礎與工程科學學報, (01)：40-44.

王立國，張樹鵬，李東旭. 2016. 納米材料改性水泥基材料的研究應用進展[J]. 硅酸鹽通報, 35(07): 2128-2134.

成堅，王銘，樊利民. 2014. 納米顆粒雜化膜材料的分散、表征方法[J]. 化工生產與技術， 21(03): 45-50+9-10.

常泰維，劉正，魯亮，孫澤昊. 2017. 超越石墨烯:二維納米材料[J]. 大學化學, 32(04)：79-87.

胡毓浩. 2020. 納米材料改性膨潤土膨脹變形特性研究進展[J]. 科技創(chuàng)新與應用, (12): 64-65.

Experimental Study of Enhancing Heat Capacity of Water-Based Drilling Fluid with Nano-Material

LIU Xu-san

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077)

Because the drill bit is not cooled in time, the service life of the drill bit is short, even the drill bit is burned. This study tries to improve heat capacity of drilling fluid by means of adding nano-material to drilling fluid in order to cool the drill bit in time. The results indicate that the specific heat capacity of drilling fluid increases with the increase of nano-material content. And the ability of nano-TiO2to enhance the specific heat capacity of drilling fluid is the best. The specific heat capacity of the drilling fluid with 0.5% nano-TiO2increases by 35.33%. In addition, the viscosity and dynamic shear force of drilling fluid also increase with the increase of nano-TiO2, but the static shear force is hardly affected.

drill bit cooling; nano-material; drilling fluid; specific heat capacity

TE242

A

1006-0995（2022）02-0331-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.029

2021-10-29

國家重點研發(fā)計劃課題（2018YF0808005）

劉徐三(1983— )，男，山東省日照市人，碩士，助理研究員，從事鉆探技術研究