孫金聲 李賀 呂開河 黃賢斌 楊崢

收稿日期：2023-08-19

基金項目：國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目 （52288101）；山東省重點研發(fā)計劃（院士團(tuán)隊支持項目）（2020ZLYS07）

第一作者及通信作者：孫金聲（1965-），男，中國工程院院士，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為鉆井液、儲集層保護(hù)、天然氣水合物鉆采理論與技術(shù)。E-mail： sunjsdri@cnpc.com.cn。

文章編號：1673-5005（2024）02-0074-09??? doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.02.008

摘要：維持井壁穩(wěn)定一直是油氣鉆探過程中的技術(shù)難題。由于頁巖微納米孔縫與層理發(fā)育、水敏性高，井壁失穩(wěn)問題在頁巖層尤為突出。提高鉆井液的性能是減少井壁失穩(wěn)的重要途徑。納米材料因其獨特的尺度和性質(zhì)，可作為水基鉆井液添加劑以提高頁巖的穩(wěn)定性。通過對國內(nèi)外技術(shù)的跟蹤與分析，闡述納米材料提高頁巖穩(wěn)定性的評價方法、納米材料類型及其作用機(jī)制。開展納米材料在非均質(zhì)地層的基礎(chǔ)理論研究，開發(fā)在高溫高壓及高鹽環(huán)境下穩(wěn)定有效的新型納米材料，建立納米材料提高頁巖穩(wěn)定性的微觀評價方法，是納米材料的重要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：納米材料； 頁巖； 井壁穩(wěn)定； 水基鉆井液

中圖分類號：TE 254??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引用格式：孫金聲，李賀，呂開河，等.納米材料提高水基鉆井液頁巖穩(wěn)定性研究進(jìn)展［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2024，48（2）：74-82.

SUN Jinsheng， LI He， L Kaihe， et al. Research progress on improving shale stability of water-based drilling fluid by nano-materials［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（2）：74-82.

Research progress on improving shale stability of

water-based drilling fluid by nano-materials

SUN Jinsheng1，2， LI He1， L Kaihe1， HUANG Xianbin1， YANG Zheng2

（1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

2.Research Institute of Engineering and Technology Limited， CNPC， Beijing 102200， China）

Abstract：Maintaining wellbore stability has always been a technical challenge in oil and gas well drilling， which is particularly prominent in shale formations due to their micro and nano pores and laminae and high-water sensitivity. Improving the performance of drilling fluids is an important way to reduce wellbore instability. Nano-materials can be used as additives in water-based drilling fluids to enhance the stability of shale due to their unique particle size and properties. In this paper， the technical development of using nano-materials to enhance wellbore stability was reviewed， including the evaluation methods for shale stabilization， the types of nano-materials that can be used and their action mechanisms. It is important to conduct basic and theoretical research for nano-materials to be used in heterogeneous shale formation， develop new type of nano-materials that is stable and effective under high temperature， high pressure and high salt conditions， and establish microscopic methods for shale stabilization evaluation.

Keywords：nano-materials; shale; wellbore stability; water-based drilling fluids

維持井壁穩(wěn)定一直是油氣鉆探過程中的復(fù)雜技術(shù)難題。鉆井液是鉆井過程中必須的流體體系，成本占整個鉆井成本的15%以上［1］。頁巖與鉆井液的相互作用，尤其是與水基鉆井液的作用，是造成井壁失穩(wěn)的關(guān)鍵因素之一。井壁坍塌等失穩(wěn)問題會導(dǎo)致鉆井總成本的大幅增加［2］。在過平衡鉆井作業(yè)中，鉆井液中的水在壓差作用下會侵入地層，其中的水和離子化合物被頁巖吸收，導(dǎo)致地層孔隙壓力增大，強(qiáng)度降低，井壁周圍的應(yīng)力分布改變，導(dǎo)致井壁坍塌失穩(wěn)［3］。使鉆井液在井壁上形成優(yōu)良的低滲透率的泥餅，是減少濾液侵入地層的有效方法。然而，由于頁巖具有較低的滲透率和納米級的孔隙通道，水基鉆井液中的傳統(tǒng)添加劑，如黃原膠、聚陰離子纖維素（PAC）、聚丙烯酰胺（PHPA）、硅酸鈉等，粒徑均大于頁巖地層孔隙尺寸而無法形成有效的泥餅，無法阻止流體侵入地層。為了在頁巖上形成低滲透率的泥餅，添加劑粒徑應(yīng)小于頁巖孔喉尺寸。因此納米材料（NM）被引入了水基鉆井液配方中。納米材料因其獨特的性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、材料制造等多個領(lǐng)域［4］。在石油領(lǐng)域，NM在提高采收率方面已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注［5］。在鉆井液方面，由于NM具有較小的粒徑和較大的比表面積，因而具有更好的物理和化學(xué)性質(zhì)。這種特性使其在發(fā)泡/消泡、增黏、穩(wěn)定乳液、濾失控制、潤滑和穩(wěn)定井壁等多個方面的應(yīng)用也得到了越來越多的關(guān)注［6］。近年來，關(guān)于NM作為鉆井液添加劑，提高頁巖穩(wěn)定性的研究得到了大幅增長，多種類型的NM都被用作鉆井液添加劑［7］。此外，使用表面活性劑及聚合物等對NM進(jìn)行改性，已經(jīng)被證明可以顯著提高鉆井液性能［8］。目前，關(guān)于NM的綜述性文章已經(jīng)較為豐富，但關(guān)于NM對頁巖穩(wěn)定性影響的綜述尚不全面。因此筆者根據(jù)近年相關(guān)研究結(jié)果，對NM提高頁巖穩(wěn)定性的評價方法，材料類型、作用機(jī)制進(jìn)行綜述，并提出今后的發(fā)展方向。

1? 納米材料提高頁巖穩(wěn)定性的評價方法

目前，對于評價NM提高頁巖穩(wěn)定性的方法尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，常用評價方法見表1。

浸泡實驗通常在常溫條件下進(jìn)行，將頁巖樣品放入溶液中，觀測一定時間后樣品水化膨脹程度，溶液抑制性越強(qiáng)，樣品膨脹程度越??；線性膨脹實驗根據(jù)樣品膨脹高度評價添加劑對頁巖水化膨脹的抑制性；頁巖滾動回收率實驗是將一定質(zhì)量和尺寸的頁巖樣品放入鉆井液中，在預(yù)定溫度下，熱老化一定時間（通常為16 h），通過40目篩回收剩余頁巖樣品并稱重，計算回收的頁巖質(zhì)量百分比，即頁巖回收率，頁巖回收率越高表明鉆井液對頁巖水化分散的抑制性越強(qiáng)。

抗壓強(qiáng)度是巖石的物理力學(xué)性質(zhì)之一，抗壓強(qiáng)度實驗可用于研究頁巖的破壞過程和強(qiáng)度極限。根據(jù)所受應(yīng)力狀態(tài)，巖石強(qiáng)度可分為單軸、雙軸和三軸抗壓強(qiáng)度。目前，三軸抗壓強(qiáng)度實驗還未被廣泛采用。該實驗的常規(guī)步驟是測試巖石強(qiáng)度之前，將頁巖樣品浸泡在鉆井液中一段時間，然后進(jìn)行強(qiáng)度測試。

利用NM封堵頁巖微孔，抑制水進(jìn)入頁巖內(nèi)部，可減少頁巖失穩(wěn)情況的發(fā)生。孔隙壓力傳遞實驗（PPT）研究在一定壓力、溫度和時間條件下，頁巖樣品受到鉆井液作用后的孔隙壓力的變化，以模擬鉆井作業(yè)期間頁巖內(nèi)部孔隙壓力的產(chǎn)生及隨時間的變化［9］，實驗裝置如圖1所示。通過PPT實驗，可以檢測頁巖孔隙壓力的變化來證明NM對頁巖孔隙的堵塞作用。測試過程中，若下游壓力增加，則表明流體侵入巖心樣品。相反，則表明流體未侵入巖心樣品。對于頁巖等低滲透率巖心樣品，下游壓力升高較為緩慢，因此實驗周期往往較長。此外，根據(jù)上游和下游壓力曲線，可以計算得到鉆井液流過巖心樣品前后的滲透率，滲透率的降低表明頁巖穩(wěn)定性的增加。滲透率計算公式為

k=μβVLA×lnpm-p0pm-p（L，t2）-lnpm-p0pm-p（L，t1）t2-t1 .（1）

式中，k為滲透率，μm2；μ為液體黏度，mPa·s；β為流體靜態(tài)壓縮比，MPa-1;V為下游流體封閉體積，cm3；L為頁巖巖心長度，cm；A為頁巖巖心截面積，cm2；pm為上游壓力，MPa；p0為下游壓力，MPa；p（L，t）為實時下游壓力，MPa;t為實驗時間，s。

濾失實驗是評價NM封堵性能的常用方法，模擬在特定溫度和壓力條件下鉆井液的濾失行為。濾失量越小，表明NM封堵效果越佳。濾失實驗所用介質(zhì)用于模擬井壁巖石，常用的介質(zhì)包括濾紙和砂盤。然而，標(biāo)準(zhǔn)濾紙和砂盤的孔徑為微米級別（2.5～8 μm），無法用于模擬納米孔隙發(fā)育、滲透率極低的頁巖。為此，研究人員使用人造泥餅代替濾紙作為低滲透率介質(zhì)。該方法先使用濾紙為介質(zhì)進(jìn)行一次濾失實驗，得到完整濾餅后，再進(jìn)行一次以濾餅為介質(zhì)的濾失實驗。NM的封堵性能通過計算泥餅滲透率的變化來評價。盡管該方法以低滲透率泥餅為介質(zhì)，但使用非標(biāo)準(zhǔn)化的人造泥餅，受人為因素影響嚴(yán)重，導(dǎo)致實驗結(jié)果誤差大，且不同研究無法橫向?qū)Ρ确治觯源嬖谝欢ň窒扌?。為更好地模擬頁巖孔隙，孔徑在納米尺度的纖維濾膜被用作濾失介質(zhì)。該實驗直接以納米濾膜替換濾紙，進(jìn)行濾失實驗。具有多種孔徑規(guī)格的纖維濾膜（100～1000 nm），可提高濾失實驗評價NM封堵性能的實驗精度。

氣體吸附實驗是評價NM封堵性能的另一類方法。該方法通常以二氧化碳或氮氣為吸附氣，測量不同壓力條件下頁巖樣品的吸附氣量，得到吸/脫附曲線。NM封堵前后頁巖樣品的孔徑分布及比表面積變化可根據(jù)吸附曲線和理論模型得到。頁巖孔隙體積和表面積的減少表明NM對頁巖孔隙封堵的有效性。

此外，通過測量頁巖傳遞聲波的速度也可用于評價NM的封堵性能。物質(zhì)內(nèi)部狀態(tài)的變化直接影響聲波傳遞，密度越大，聲波傳遞速度越快。NM封堵頁巖后，聲波傳遞速度增加，則表明巖石致密程度增加。由于頁巖孔隙較小，聲波傳遞速度的變化量較小，對實驗儀器的精度提出了要求，難以廣泛應(yīng)用。

脈沖衰減法可用于精確測量頁巖的低滲透率，評價NM的封堵效果。在巖樣一端施加一個壓力脈沖后，另一端壓力逐漸增加，直至達(dá)到壓力平衡。通過檢測壓力變化可得到壓力衰減曲線，進(jìn)而求得巖石滲透率。

2? 納米材料的類型

近年來，多種NM被證實可用于提高頁巖的穩(wěn)定性。這些NM包括無機(jī)NM、金屬NM、聚合物NM和有機(jī)/無機(jī)復(fù)合NM，具體分類見圖2。

2.1? 無機(jī)納米材料

用于提高頁巖穩(wěn)定性的無機(jī)NM主要包括硅NM、碳NM及其他NM幾類。

2.1.1? 硅納米材料

納米二氧化硅（SiO2）因其成本低廉、來源廣泛，是最早也是最廣泛被研究用作鉆井液添加劑抑制頁巖失穩(wěn)的納米材料。納米SiO2的SEM如圖3所示。早在2009年，已經(jīng)開展了使用未改性納米SiO2提高井壁穩(wěn)定性的實驗研究［10］。該研究使用壓力傳遞實驗（PPT）評價了墨西哥灣Atoka及Gulf頁巖的滲透率的降低情況。與使用普通鹽水相比，加入納米SiO2后，頁巖滲透率降低了98%。此外，有研究通過數(shù)值模擬結(jié)合壓力傳遞實驗，也證實了NM提高井壁穩(wěn)定性的作用［11］。鉆井液中加入納米SiO2后，井筒附近圍巖的應(yīng)力差和剪切應(yīng)力顯著降低。

納米SiO2尺寸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響其提高井壁穩(wěn)定的性能［12］。適當(dāng)尺寸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NM是防止水侵入頁巖的關(guān)鍵。NM的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，對頁巖的封堵效率越高。部分研究認(rèn)為，要獲得有效的封堵性能，所需的納米SiO2的最小質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%［13-14］。除直接通過實驗評價納米SiO2對井壁穩(wěn)定性的影響外，有研究基于離散元顆粒流模型，模擬流體黏度及顆粒粒徑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、形狀對頁巖孔隙封堵效率的影響。模擬結(jié)果表明，封堵效率受顆粒粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響，當(dāng)顆粒粒徑由孔隙出口尺寸的1/5增加到出口尺寸的1/3和1/2時，孔隙封堵效率分別增加13%和23%。此外，黏度也對封堵效率有影響，NM黏度為5 mPa·s時，封堵效率比1 mPa·s時高16.26%。

2.1.2? 碳納米材料

用于提高頁巖穩(wěn)定性的碳基NM主要包括石墨烯和碳納米管兩類，如圖4所示。與加量較大的納米SiO2相比，低質(zhì)量濃度（1.1 μg/L）的氧化石墨烯已經(jīng)可以有效抑制膨潤水化膨脹，提高鉆井液的封堵性能［15］。

由于石墨烯在水中分散性較差，而氧化石墨烯溶解性更好。氧化石墨烯在防止黏土礦物膨脹、堵塞納米、微米級孔隙、抑制水侵入頁巖、維持頁巖強(qiáng)度等方面表現(xiàn)出更好的性能［16］。柔軟而有彈性的氧化石墨烯薄片容易變形，從而堵塞頁巖孔隙，減少水侵入頁巖內(nèi)部。

此外，研究證實氨基化多壁碳納米管提高頁巖穩(wěn)定性的效果優(yōu)于納米碳酸鈣，其能夠進(jìn)入納米孔縫并形成架橋封堵，阻止濾液侵入巖石。該NM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時，濾餅封堵率可達(dá)77.70%和79.41%。

2.1.3? 其他納米材料

近年來，一種二維NM-Laponite（納米鋰皂石）被研究用于封堵頁巖的納米孔隙，其作用機(jī)制如圖5所示［17］。納米級的Laponite顆粒可以大大降低頁巖的滲透率，形成納米膜，減少水侵入地層。在提高頁巖的穩(wěn)定性方面，Laponite比廣泛使用的KCl具有更好的性能。

此外，納米碳酸鈣（CaCO3）可有效增強(qiáng)鉆井液的封堵性能，提高頁巖的穩(wěn)定性［18］。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米CaCO3（粒徑10～40 nm），可使頁巖滲透率降低95.5%。然而，由于納米CaCO3親水性較差，常需使用表面活性劑作為分散劑，如十六烷基三甲基氯化銨等。

2.2? 金屬納米材料

常見的金屬NM包括二氧化鈦（TiO2）、氧化鋅（ZnO）、氧化鎂（MgO）、氧化銅（CuO）、氧化鋁（Al2O3）、四氧化三鐵（Fe3O4）等，均被研究作為鉆井液添加劑提高頁巖的穩(wěn)定性。

Gao等［19］首次使用含有不同類型（MgO、Al2O3）、不同粒徑（10～40 nm）和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)（3%、10%）的NM流體對Mancos頁巖和Eagle Ford頁巖進(jìn)行PPT實驗。結(jié)果顯示，降低Eagle Ford頁巖和Mancos頁巖孔隙壓力的最佳組合分別為10% 的10 nm Al2O3和10% 的30 nm Al2O3。此外，該團(tuán)隊通過建立綜合考慮化學(xué)勢、孔隙封堵和滲透率的數(shù)值模型，結(jié)合室內(nèi)實驗結(jié)果，證實NM有效降低了Eagle Ford頁巖和Mancos頁巖孔隙壓力傳遞［20］，結(jié)果如圖6所示。金屬NM具有小尺寸、親水性、帶正電等特性，可較好地覆蓋在頁巖表面，封堵頁巖孔隙。

模擬結(jié)果的比較（由文獻(xiàn)［19］修改）

2.3? 聚合物納米材料

由于NM的尺寸特性，易出現(xiàn)自聚結(jié)，分散性差等問題。此外，未改性NM往往需要在高濃度下才具有一定的提高頁巖穩(wěn)定性的功效。因此合成聚合物NM得到廣泛研究［21］。

由于具有較好的剛性及高溫穩(wěn)定性，以聚苯乙烯和聚丙烯酸酯類為核心的聚合物NM成為了研究熱點。這種NM主要以乳液形式加入鉆井液中，其粒徑可控且分散性較好［22］。在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1%～2%）下即可在頁巖表面形成致密的封堵膜，具有優(yōu)異的封堵性能［23］。通過在分子結(jié)構(gòu)中引入溫敏性單體，可制備具有不同低臨界溶液溫度（LCST）的溫敏聚合物NM［24］。當(dāng)溫度高于其LCST值時，該NM具有物理封堵和化學(xué)抑制的雙重作用，封堵層轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷畬?，減緩壓力傳遞，提高頁巖的穩(wěn)定性，作用機(jī)制見圖7。此外，與傳統(tǒng)的剛性納米SiO2和柔性NM相比，具有自交聯(lián)特性的聚合物NM具有更好的封堵性能。在高溫高壓條件下，該NM發(fā)生自交聯(lián)，封堵效果增強(qiáng)，其作用機(jī)制如圖8所示［24］。

2.4? 有機(jī)/無機(jī)復(fù)合納米材料

研究發(fā)現(xiàn)，除直接合成NM外，對無機(jī)NM改性，使無機(jī)NM與有機(jī)NM相結(jié)合，在提高頁巖穩(wěn)定性方面具有更好的效果。

納米SiO2因具有來源廣泛、成本廉價、易改性等優(yōu)點，成為最常被改性的無機(jī)NM。在無機(jī)NM表面接枝有機(jī)聚合物是改性的常用方式之一。通過在納米SiO2表面接枝親水聚合物，可使NM在水中更好地分散，從而更容易進(jìn)入并封堵頁巖孔隙［25］。在納米SiO2表面接枝陽離子聚合物，使納米SiO2顆粒具有正電荷，可提高其在水中的分散性，并使其具有化學(xué)抑制和物理堵塞雙重作用。改性納米SiO2表面接枝的聚合物通過靜電力和氫鍵強(qiáng)烈吸附在黏土表面，有效抑制了頁巖的水化和膨脹，如圖9所示。而無機(jī)納米SiO2封堵頁巖的微孔，阻止了流體的侵入。

除直接對納米SiO2進(jìn)行表面接枝外，使用硅烷偶聯(lián)劑對納米SiO2盡行修飾以引入雙鍵，再與其他有機(jī)單體進(jìn)行聚合是制備有機(jī)/無機(jī)復(fù)合NM的另一種途徑［26］。Huang等［27］綜合無機(jī)納米顆粒和高分子聚合物的優(yōu)點，合成了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的丙烯酸樹脂/納米SiO2復(fù)合材料（AR/SiO2）。在地下高溫條件下，AR/SiO2聚合物殼呈橡膠狀，AR/SiO2顆粒被壓差壓入頁巖孔隙，但由于剛性SiO2顆粒提供的支撐，顆粒無法深入巖石內(nèi)部，它們變形并被擠壓在井壁附近，使得封堵效果更強(qiáng)，作用機(jī)制如圖10所示。其他研究也表明，具有核殼結(jié)構(gòu)的NM能有效阻緩壓力傳遞與濾液侵入，顯著降低頁巖滲透率，提高裂縫性頁巖井壁的穩(wěn)定性［28］。

此外，多項研究表明，疏水改性NM可以提高頁巖的穩(wěn)定性。疏水NM主要是通過硅烷偶聯(lián)劑、氟化物或長鏈表面活性劑等低表面能物質(zhì)修飾納米SiO2制得［29］。疏水NM吸附于頁巖表面并形成疏水膜，從而使頁巖表面潤濕反轉(zhuǎn)，減少頁巖與水的相互作用，以抑制頁巖水化［30］，如圖11所示。在使用疏水NM處理后，頁巖的自發(fā)吸水速率顯著降低，頁巖樣品的單軸抗壓強(qiáng)度僅有小幅下降。

除對納米SiO2進(jìn)行改性外，具有獨特性能的二維碳NM石墨烯也成為了研究熱點。使用乙二胺對石墨烯表面改性，引入氨基陽離子基團(tuán)，可增加石墨烯抑制黏土水化膨脹的性能［31］。與修飾納米SiO2類似，陽離子表面活性劑（如十六烷基三甲基氯化銨）也可用于改性石墨烯，使其表面具有疏水性。其通過氫鍵吸附在頁巖表面，堵塞頁巖孔隙，減少頁巖水化作用［32］。另外，已有研究證明，對石墨烯進(jìn)行羧化改性可以提高石墨烯在水中的溶解性和封堵性能［33］。具有含氧基團(tuán)的羧基化石墨烯片可以通過氫鍵吸附在黏土礦物上，柔性的石墨烯可以變形，適應(yīng)頁巖孔隙的不同形狀并堵塞這些孔隙，作用機(jī)制如圖12所示。

2.5? 作用機(jī)制

頁巖的穩(wěn)定性與NM的物理堵塞作用（孔隙壓力傳遞、滲透率降低）、化學(xué)抑制作用（表面電荷、顆粒間相互作用）和表面修飾能力（潤濕性）密切相關(guān)。

2.5.1? 物理封堵

物理封堵是NM提高頁巖穩(wěn)定性的主要作用機(jī)制。頁巖孔隙喉道尺寸范圍廣泛。鉆井液中的NM通過封堵頁巖的微孔，減少流體侵入頁巖地層并降低孔隙壓力傳遞，提高頁巖的穩(wěn)定性。目前，對于剛性封堵粒子，普遍認(rèn)為架橋和填充是封堵主要機(jī)制。

架橋封堵指剛性粒子在頁巖孔隙表面或內(nèi)部形成橋梁結(jié)構(gòu)，堵塞孔隙。其中較為認(rèn)可的架橋理論包括1/3準(zhǔn)則和2/3準(zhǔn)則。1/3準(zhǔn)則表明，要在巖石孔隙形成架橋，封堵粒子的粒徑應(yīng)大于或等于巖石孔隙平均直徑的1/3。在此基礎(chǔ)上，有研究提出了2/3準(zhǔn)則，即封堵粒子的平均粒徑是地層平均孔隙的2/3，可實現(xiàn)較好的架橋封堵［34］。

填充封堵理論認(rèn)為，NM可填充在頁巖孔隙內(nèi)部，形成致密填充層，阻止鉆井液濾液侵入頁巖內(nèi)部。Sudduth［35］提出的較完善的d1/2理論認(rèn)為，要達(dá)到最優(yōu)的封堵效果，封堵材料的累積體積分?jǐn)?shù)應(yīng)與顆粒粒徑的平方根成正比。但是，架橋封堵和填充封堵均將地層理想化，未考慮地層的非均質(zhì)性，因此具有局限性。

由于具有形變特性，柔性封堵材料更為適應(yīng)地層的非均質(zhì)性。柔性封堵材料（如聚酯類微球）在進(jìn)入地層孔隙后，在溫度和壓力等作用下發(fā)生形變（交聯(lián)、膨脹、吸附、凝固等），填充封堵孔隙。對于剛性封堵材料難以封堵的微小孔隙，以及形成架橋的粒子間的孔縫，柔性封堵材料能夠很好地填充封堵，減少地層滲透率，達(dá)到穩(wěn)定井壁的效果。

2.5.2? 化學(xué)抑制

化學(xué)抑制作用通常是添加劑與頁巖之間的化學(xué)相互作用，包括吸附、離子交換及嵌入晶層空間等。部分NM的化學(xué)抑制作用源于NM表面修飾的官能團(tuán)與頁巖的作用，例如支化聚乙烯亞胺改性的納米SiO2通過氫鍵和靜電作用將接枝的聚乙烯亞胺分子嵌入到黏土晶層間，壓縮黏土層間距，抑制黏土水化膨脹。此外，研究表明，鉆井液pH值增加會導(dǎo)致頁巖內(nèi)礦物溶解，降低頁巖抗壓強(qiáng)度，造成井壁失穩(wěn)［23］。納米SiO2可以與羥基反應(yīng)，降低鉆井液堿度，提高頁巖的穩(wěn)定性。

2.5.3? 潤濕改變

通過疏水NM改變頁巖的潤濕性，是提高頁巖穩(wěn)定性的有效手段。疏水NM與頁巖之間的靜電相互作用（相互吸引和排斥），與疏水NM和頁巖的表面電荷密度和表面電位有關(guān)，影響NM在頁巖表面的吸附情況。另外，疏水NM表面的化學(xué)鍵，可與頁巖表面的Si—OH、Al—OH等形成氫鍵和共價鍵，使NM穩(wěn)固吸附在頁巖表面。疏水NM通過物理化學(xué)作用（氫鍵、靜電力、共價鍵）吸附在頁巖表面后，改變了頁巖表面結(jié)構(gòu)，形成疏水層，減少頁巖與水的反應(yīng)活性和相互作用，抑制頁巖水化。

3? 展? 望

在水基鉆井液中使用NM提高頁巖穩(wěn)定性的研究得到了快速發(fā)展，但仍存在一定的局限性。綜合來看，仍需在基礎(chǔ)理論研究、新NM的研發(fā)、評價方法的建立等方面繼續(xù)加強(qiáng)。

（1）NM現(xiàn)有作用機(jī)制仍存在局限性，未來的研究應(yīng)進(jìn)一步加深NM提高頁巖穩(wěn)定性作用機(jī)制的研究。封堵理論，如1/3準(zhǔn)則、2/3準(zhǔn)則及d1/2理論等均未充分考慮地層的非均質(zhì)性。加強(qiáng)NM封堵基礎(chǔ)理論的研究，開展NM在孔隙分布不均勻地層的架橋與填充理論的研究，對NM的現(xiàn)場應(yīng)用更具指導(dǎo)意義。通過建立模型，可以評價不同粒徑、濃度、顆粒釋放方式和形狀因素對頁巖納米孔隙封堵效率的影響［36］。建議未來的研究采用模擬和實驗相結(jié)合的方法，加深研究頁巖孔隙中NM的運移及與NM頁巖的相互作用力，進(jìn)行頁巖孔喉顆粒封堵規(guī)律模擬研究。

（2）合成聚合物類NM是提高頁巖穩(wěn)定性研究的重點方向。隨著鉆探井深逐漸增加，地下的復(fù)雜條件包括溫度、壓力、鹽度和pH值等直接影響NM的形態(tài)與作用。因此需深入研究NM的表面功能化，開發(fā)新型NM，確保NM在高溫高壓及高鹽環(huán)境下在鉆井液中的分散穩(wěn)定性與封堵高效性。

（3）傳統(tǒng)提高頁巖穩(wěn)定性的評價方法不適用于NM，需建立NM提高頁巖穩(wěn)定性新的評價方法。對于NM提高頁巖穩(wěn)定性的評價方法，多在宏觀評價NM作用，尚未具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。由于評價方法不同，導(dǎo)致不同研究NM的效果難以橫向?qū)Ρ确治?。且評價方法存在介質(zhì)尺度與NM不匹配（如濾失實驗）、實驗周期長（如PPT實驗）、實驗儀器要求高等問題，造成實驗結(jié)果偏差大、可重復(fù)性差。因此亟需建立適用于NM的井壁穩(wěn)定評價方法。可考慮基于頁巖孔隙度和滲透率等參數(shù)建立NM提高頁巖穩(wěn)定性評價的仿真模擬方法，在微觀尺度對NM進(jìn)行評價。

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（編輯? 李志芬）