刘徐三
纳米材料增强水基钻井液热容性能实验研究
刘徐三
（中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710077）
针对钻探工作中钻头冷却不及时，严重影响钻头的使用寿命甚至发生烧钻等井下复杂事故这一技术难题，本文采用向钻井液中加入纳米材料的方法，提高钻井液热容性能，达到增强钻井液冷却钻头效果的目的。因此，通过实验研究，分析了不同纳米材料对水基钻井液热容性能的影响，并计算加入纳米材料后钻井液的比热容。研究结果表明：钻井液比热容随着纳米材料加量的增加而增大，其中，TiO2提升钻井液比热容的能力最强，加量0.5%时，比热容提升率达35.33%。此外，钻井液的黏度和动切力也随纳米材料加量的增加而增大，但静切力几乎不受其影响。本研究为钻探特别是金刚石取心钻探中避免钻头寿命缩短甚至烧钻事故的发生具有积极的意义。
钻头冷却；
纳米材料；
钻井液；
热容性能；
比热容
钻头在破碎岩石的过程中，与岩石摩擦会产生大量的热量，导致钻头温度急剧升高（黄鹏，2007；
况雨春等，2018；
黄晟辉等，2019）。若没有得到及时的冷却，会缩短钻头的使用寿命。对于金刚石钻头，可能还会造成烧钻，产生严重的井下事故（罗永贵等，2016；
孙孝刚等，2018；
高飞等，2020）。目前，钻头的冷却主要依靠钻井液，通过钻井液的循环，带走钻头与地层摩擦产生的热量，使钻头的温度处于较低的水平，从而达到冷却钻头的目的。目前，在钻探施工过程中，为了保证钻头的充分冷却，一般都从保证钻井液循环路径的畅通入手，确保钻井液能充分到达井底钻头部位。如果钻井液在循环路径遇阻或发生漏失，只有少量钻井液到达井底，就会导致钻头冷却不彻底，影响钻头寿命甚至发生烧钻事故。因此，有必要采用新的技术思路，确保在钻井液发生漏失或循环路径遇阻的情况下，井底钻头得到充分冷却。近年来，纳米材料在钻井液领域的应用研究比较活跃，利用纳米材料的高颗粒强度、高比表面积和高表面能等特性，调节优化钻井液的流变性能、滤失造壁性能、封堵性能等（任保友等，2018；
武元鹏等，2019；
张毅等，2020；
卢震等，2020）。研究还表明，纳米材料可以增强物质的热容性能（程晓敏等；
2016；
熊亚选等，2018；
田禾青等，2020）。利用纳米材料增强钻井液热容性能，即钻井液升高相同温度条件下，需要吸收更多的热量。那么，在发生泄漏而只有部分钻井液到达井底的情况下，使钻头能够充分冷却，避免钻头寿命缩短或烧钻事故的发生。基于此，本文通过向水基钻井液中添加不同的纳米材料，测量并计算水基钻井液比热容变化情况，为水基钻井液有效冷却钻头提供新的技术方案。
比热容，是指没有相变和化学变化时，单位质量均相物质升高单位温度所需要的热量，其数学表达式如下：
比热容无法直接测出，由式（1）可知，可以通过测量一定质量的物质升高一定温度所吸收的热量，计算出该物质的比热容。
固体与周围液体之间传递的热量可由牛顿冷却定律计算，即：
由式（2）可知，对于一定的钻头与钻井液体系，热适应系数和接触表面积是定值，只要钻井液吸收钻头的热量后温度变化越小，即钻井液比热容大，他们之间传递的热量就越多。因此，通过提高钻井液的比热容，增强钻井液冷却钻头的能力，在理论上是可行的。
2.1 实验材料
本文选用了三种纳米材料，分别是纳米四氧化三铁(Fe3O4)、纳米氧化钛(TiO2)、纳米氮化硼(BN)，三种材料均由江苏泰鹏金属材料有限公司生产，它们的性能见表1。
表1 纳米材料基本性能
2.2 实验方法
配制水基钻井液体系，其配方为：水+4%膨润土+0.2%纯碱+0.3%CMC-HV+0.3%XC。向该水基钻井液体系中分别加入各纳米材料，加量分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.5%，用磁力搅拌机搅拌120分钟，保证纳米材料在水基钻井液中充分分散。然后取100mL样品置于热容测量装置（图1）的容器中，记录样品的初始温度。打开热容测量装置，开始对样品进行加热，样品温度逐渐升高，间隔一定时间记录样品的温度和热量。利用式（1）就可以得到一个直线方程，该方程的斜率就是水基钻井液的比热容。每次实验重复3次，计算比热容的平均值作为最终值。
图1 比热容测量装置
图2 钻井液基浆的比热容
2.3 结果与讨论
2.3.1 水基钻井液比热容
水基钻井液比热容测试结果如图2所示。对实验数据进行拟合，得到一条直线，该直线的斜率为4.206，即本实验所用的水基钻井液的比热容为4.206 J/g·℃。
表2 纳米材料对钻井液的比热容影响
由式（1）可知，只要测出一定质量的钻井液升高不同温度所吸收的热量，便可以拟合得到一个直线方程，该直线的斜率，就是该钻井液的比热容。以基浆为例，对该计算方法进行说明。经过对100mL水基钻井液升高不同温度所吸收热量的测量，并对测量结果进行拟合，得到一条拟合直线，结果如图2所示。该直线的斜率为4.206，即本实验所用的钻井液基浆的比热容为4.206 J/g·oC。钻井液基浆中加入不同纳米材料后，按照此方法得到其比热容，结果见表2。
2.3.2 纳米材料对水基钻井液比热容的影响
水基钻井液中加入不同的纳米材料后，对水基钻井液比热容的影响结果见表2。由表2可见，纳米材料的存在增加了钻井液的比热容，且随着纳米材料的浓度增加而增大，呈非线性上升。比较起来，TiO2增大钻井液比热容的能力最强，其中0.5%的TiO2可以将钻井液基浆的比热容提高35.33%。这一结果跟TiO2的粒径更小，比表面积更大有关。纳米材料的粒径越小，其表面原子的热振动能就越大（巨新等，1996），导致钻井液的热容量就越高。同时，随着纳米材料比表面积的增加，表面原子的数量也随之增加（王立国等，2016）。要把表面原子的温度提高一度，就需要更多的热量，因而加有纳米材料的钻井液的热容量也就更高。除此之外，纳米材料的布朗运动、粒子团聚效应以及形成纳米层等对钻井液热容性能都有影响（成坚等，2014；
常泰维等，2017；
胡毓浩等，2020）。由此可见，纳米材料能有效增强水基钻井液的热容性能，在钻井液发生泄漏而只有部分钻井液到达井底的情况下，
表3 纳米材料对钻井液流变性能影响
可以有效冷却钻头，从而保证钻头的使用寿命甚至避免烧钻事故的发生。
钻井液流变性能是影响钻井液携带悬浮岩屑、稳定井壁等重要性能。众多研究表明，纳米材料的加入，会对钻井液的流变性能产生一定的影响。本研究使用的钻井液基浆加入不同的纳米材料以后，其流变性能变化见表3。
由表3可见，随着Fe3O4、BN加量的增加，钻井液的表观黏度和塑性黏度也逐步增加。但TiO2的加入，钻井液的表观黏度和塑性黏度变化出现了反复，加量超过0.2%以后，才随加量的增加而增加。纳米材料的加入增加了钻井液内部的摩擦力，从而导致钻井液黏度的升高。钻井液动切力反映了其携带岩屑的能力，但动切力过高，又会导致高泵压和激动压力。随着纳米材料浓度的增加，钻井液的动切力也随之增大。同等加量的条件下，BN提升钻井液动切力的能力最强，可高达12 Pa。随着纳米材料浓度变化，钻井液的静切力变化不明显。相比较而言，BN对钻井液的静切力影响较明显，加量为0.5%时，钻井液静切力达5 Pa。
针对钻探特别是金刚石取心钻探工作中钻头冷却问题，对纳米材料增强钻井液热容性能进行了实验研究。通过在钻井液基浆中添加不同浓度的纳米材料Fe3O4、TiO2和BN，测量并对比其比热容、流变参数等变化规律，得到如下结论：
（1）纳米材料的存在可以增大钻井液的比热容，但不同类型的纳米材料对比热容影响不一样，且随着浓度的增大而成非线性上升。其中，加入 0.5% 的TiO2后，钻井液获得更大的比热容，比基浆增大了 35.33%。
（2）纳米材料的加入，对钻井液的流变性能有一定的影响。钻井液的黏度和动切力随着纳米材料浓度的增加而增加，但静切力受纳米材料的影响不明显。
（3）本研究表明，纳米材料能有效提升钻井液冷却钻头的能力，对钻探特别是金刚石取心钻探工作中防止钻头寿命减低甚至烧钻事故具有积极意义。
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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
国家重点研发计划课题（2018YF0808005）
刘徐三(1983— )，男，山东省日照市人，硕士，助理研究员，从事钻探技术研究
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