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Minerals 纳米纤维状黏土矿物助力深地油气开采：机遇与挑战

2025-5-23 20:26

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在全球油气需求持续攀升的背景下，深井、超深井及复杂地层的钻探对钻井液性能提出了更高要求。传统膨润土基水基钻井液在高温、高压、高盐等极端环境中易失效。纳米纤维黏土矿物——坡缕石与海泡石因其独特的结构和优异的性能，为这一难题提供了潜在的解决方案。最近，广东工业大学庄官政副教授和中国石油大学 (北京) 李强博士等人在 Minerals 发表综述文章，深入探讨了这两种天然纳米矿物在钻井液中的应用前景和面临的挑战。

传统钻井液的困境与纳米黏土矿物的优势

传统的水基钻井液主要依赖膨润土 (蒙脱石) 来提供所需的流变性能。蒙脱石是一种2:1型层状黏土矿物，具有分散性、膨胀性、表面负电性和阳离子交换性等性质。蒙脱石在水中易于分散、膨胀、甚至剥离，其片状颗粒的边缘带正电，表面带负电，颗粒间通过静电作用形成“卡房式”网络结构，从而为钻井液提供流变性能。然而，蒙脱石的表面电荷密度大 (层电荷数0.2—0.6)，在含盐体系中 (如盐水钻井液或钻遇含盐地层时) 极易发生絮凝，导致钻井液流变性能下降。

相比之下，选用具有优异流变性和抗盐性的天然矿物作为高性能水基钻井液的流变助剂则具有显著的资源优势和经济优势。其中，纳米纤维状黏土矿物坡缕石和海泡石是一类含水的铝硅酸盐黏土矿物，在微观上呈纳米纤维状，纤维长度一般为200—2000 nm，宽10—20 nm，厚5—10 nm。这两种黏土矿物表面具有大量的亲水基团 (如羟基)，在水中极易分散，并形成“干草堆”网络结构，从而具有优异的流变性能。更重要的是，由于坡缕石和海泡石的表面电荷密度较低 (层电荷数 < 0.12)，其流变行为受电解质的影响较小，即使在盐水或海水中仍然能够保持分散稳定性。实验研究表明，一些坡缕石和海泡石的增稠能力优于怀俄明膨润土，且在200 ℃高温下仍能保持稳定。

图1. 安徽明光坡缕石 (a) 和西班牙海泡石 (b) 的TEM图。

纳米纤维状黏土矿物如何发挥作用？

坡缕石和海泡石之所以能有效提升钻井液性能，主要归功于其独特的纳米纤维结构。这些纤维在水中相互交织，形成一个能够提供适宜黏度、剪切稀释性和触变性的网络。网络的强度和稳定性直接决定了钻井液的流变性和抗盐性。影响其性能的关键因素包括矿物的浓度、纤维的长径比、晶束的解离程度以及加工方式等。通常，浓度越高，黏度越大。适当的机械分散等方法有助于矿物晶束的解离，提高性能，但需避免过度破碎。虽然抗盐性良好，但高浓度的电解质仍然会对它们的流变行为产生一定影响。

实际应用中的挑战与未来方向

尽管前景广阔，但纳米纤维状黏土矿物在实际应用中仍面临一些挑战。主要包括：

1.矿物原料的精准选择

作为一类天然矿物，其结构、组成和理化性质受其成因、产地和成矿条件的制约。因此，不同地区的矿物原料在应用特性上存在显著差异。因此，如何从根本上指导坡缕石和海泡石矿物原料的筛选，以及定向改造，对高性能水基钻井液的开发至关重要。现有的研究主要集中于矿物原料的加工和应用工艺层面，缺乏从矿物微观结构特性 (如离子占位、离子价态、类质同象取代程度等) 出发，建立纳米纤维状黏土矿物在水基钻井液体系中应用的“构-效”关系和选材依据。

2.极端环境下的流变行为及其机制

油气钻井常面临高温高压、低温高压和高盐等极端环境。目前对坡缕石和海泡石在这些条件下的流变行为及其机制研究尚不充分，尤其是在海洋油气开发中，海水和高温高压或低温高压等多因素耦合的影响需要进一步研究。这一方向的难点在于矿物在钻井液中的微观结构和高温高压 (或低温高压) 极端环境下的流变行为研究。近年来，冷冻电子显微镜技术和原位流变分析技术的发展将有助于解决上述问题。

3.多组分界面行为和协同作用

为了满足实际钻井的需求，钻井液中通常还需要添加各类化学助剂，这些助剂主要包括聚合物、表面活性剂、纳米颗粒、离子液体等。因此，实际钻井液是一种成分十分复杂的分散体系。纳米纤维状黏土矿物在钻井液中的流变行为不仅受到矿物本身结构特性的制约，还受到其他组分的影响。因此，要充分挖掘纳米纤维状黏土矿物在水基钻井液中的应用潜力，就必须考虑矿物与其他组分的界面作用及其对钻井液流变行为的影响。

4.低品位矿物资源综合利用

在实际应用中，坡缕石和海泡石资源的品位可能较低，无法满足实际钻井的需求。除了添加聚合物增强性能外，还应探索将坡缕石或海泡石与其他矿物 (甚至尾矿或固废) 协同使用，以提高性能并降低成本。要实现这一目标，其关键在于理解纳米纤维状黏土矿物与其他助剂之间的界面作用和协同增效机制。例如，坡缕石与蒙脱石复配应用，可有效提高钻井液的流变性，并降低滤失量。