虽然可再生能源是世界能源系统的未来发展方向，但化石能源目前仍占据主导地位。页岩气作为一种采热效率高、污染低、世界储量大的非常规油气资源，其开发可以极大地改变世界能源格局。中国拥有世界上最大的页岩气储量，但由于复杂的地质条件和埋藏深度，页岩气的开发面临着巨大挑战。页岩是一种低渗透岩石，具有纳米大小的孔隙，含有一定量的粘土矿物以及蒙脱石、方解石等矿物。当钻井进入对水敏感的页岩地层时，水的浸入会导致页岩粘土矿物，尤其是蒙脱土的水化和膨胀。研究表明，大多数井壁失稳问题都发生在页岩地层中。在众多类型的钻井液中，水基钻井液（WBDFs）以其经济环保的优点得到了最广泛的应用，约80%的油气井钻井时都使用了WBDFs。当使用WBDFs钻井时，页岩暴露在WBDFs中，水的作用一是会促进页岩矿物的水化分散和膨胀，二是水会通过钻井液的水压和渗透压经过纳米孔和裂缝渗透到页岩结构中。大量研究表明，在WBDFs中添加封堵剂和抑制剂对于保持页岩壁的稳定性和减少钻井事故至关重要。封堵剂通过密封页岩孔隙来减少水浸入页岩，抑制剂通过改变井壁页岩层的化学性质来抑制页岩土壤的水化和分散。
目前使用的页岩抑制剂主要有氯化钾（KCl）、季铵盐、多胺和聚醚等。其中，最广泛使用的是KCl和多胺类抑制剂。KCl为无机盐抑制剂，其抑制效果并不理想，且往往需要高浓度，而高浓度的钾离子也会造成严重的环境污染和钻头腐蚀。对于多胺页岩抑制剂，大分子多胺分子链可同时吸附在多个钠基膨润土（Na-MMT）颗粒表面，并通过桥接效应抑制晶体层的膨胀。聚醚二胺、端胺基聚酰胺等分子链末端的伯胺基团在碱性环境下质子化，转化为季铵盐离子，通过静电相互作用被吸附在带负电荷的粘土矿物上，使粘土矿物中相邻的片层结构结合在一起，阻碍水分子的进入。由于多胺类页岩抑制剂的抑制能力明显优于KCl，近年来胺类页岩抑制剂得到了广泛研究。聚乙烯亚胺（PEI）是一种水溶性多胺聚合物，因分子结构中含有丰富的伯胺基团，在粘土水化抑制方面很受关注。随着纳米材料的兴起，纳米材料已成功应用于钻井技术领域。纳米颗粒（NPs）比表面大，具有大量官能基能满足钻井液的各种功能要求。同时，NPs的尺寸非常小，可用于井壁的微纳米缝隙。
为了解决井壁失稳问题，研究人员尝试了多种处理剂，通过不同的方法提高页岩的稳定性。但这些药剂大多只能以一种方式发挥有限的作用，如果药剂具有有效的协同作用，则可以维持页岩的化学稳定性，同时防止流体浸入页岩孔隙空间，显著提高页岩的稳定性。西南石油大学的郑学成等人采用两种合成方法，将PEI-30000接枝于TiO2纳米粒子和Fe3O4纳米粒子表面，合成了PET和PEF两种纳米复合材料。他们的研究得到以下结论：
1. 作者对纳米材料的分子结构、热稳定性、颗粒尺寸分布进行了表征。结果发现，PET和PEF均具有良好的热稳定性，NPs在水中的分散稳定性优于未接枝的材料。
2. 与金属氧化物纳米颗粒（MONPs）相比，掺入PET和PEF显著降低了页岩的线性膨胀高度，在80和100℃老化后，页岩岩屑的采收率大幅提高。PEI-30000改性的纳米材料通过静电和氢键作用在粘土表面吸附和桥接，有效抑制了粘土的水化和膨胀，减小了水化粘土颗粒的层间距。
3. PET和PEF均表现出良好的封堵性能。加入PET和PEF降低了Na-MMT的滤失，降低了钻井液浆体的高温和高压滤失，且效果优于MOPNs，聚合物包覆纳米颗粒在解决团聚问题的同时保持了自身的刚性，其良好的分散性有利于页岩孔隙的均匀阻塞，而复合纳米颗粒在高温下表现出更好的弹性，在相互挤压作用下使孔隙空间处的堵塞更加致密。
4. 虽然两种纳米材料在WBDFs和页岩稳定方面都能起到很好的作用，但在相同含量下，无论是在抑制粘土水化还是在封堵地层孔隙方面，PET均优于PEF。这可能是由于PET的分散稳定性较好，PEI30000在纳米TiO2的表面接枝率较高。它们适用于泥浆页岩地层，但其空间结构在高温下不稳定，在复杂的油气田环境中仍会受到各种潜在因素的影响，如高矿化和岩屑污染等。
文献来源：Xuecheng Zheng*, Xuefeng Zhou, Siqi Chen, Fan Wei, Mengdie Huang, Ting Hu. J. Appl. Polym. Sci. 2024; e55102.
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