鉆井液用無機鹽類抑制劑評價方法適應性探究

迪娜·木拉提，鄭文龍，烏效鳴

［中國地質大學（武漢），湖北武漢430074］

鉆井工程中鉆遇水敏性地層的幾率很高。國外90%的鉆孔失穩發生在泥頁巖地層的鉆進過程中［1］。鉆井液中的水與地層粘土礦物發生水化反應，引起井眼縮徑、掉塊等井下復雜情況。為解決地層的水敏性問題，需盡可能地減少鉆井液的侵入量，或減少侵入液對地層的影響。從這兩種抑制粘土水化的思路出發，國內外研究人員研發了多種鉆井液降濾失劑和泥頁巖抑制劑［2-3］。

泥頁巖抑制劑大致包括無機鹽類［4-5］、聚合物類、有機鹽類、腐植酸類［6］、硅酸鹽類［7］、胺類［8］、瀝青類［9］和表面活性劑類［10］。抑制性評價方法有浸泡法、粘土造漿法、線性膨脹法、滾動回收法、CST 法［11］、抗壓強度法、亞甲基藍比表面積法［12］、離心法［13］、激光粒度法［14］、析水率法［15］、孔壓傳遞法、動態濾失法［16］等。實際上，不同種類抑制劑的作用機理各異［17］，各種評價方法的實驗原理也不盡相同，而這些評價方法又各自存在一定的缺點或局限性，例如CST 法誤差較大［18］、亞甲基藍法標準溶液濃度范圍較寬、離心法測量精度有限、 激光粒度法易受樣品分散程度的影響等。

在進行浸泡實驗時發現，與蒸餾水相比無機鹽類抑制劑KCl 的加入加速了人工巖心的水化分散，這與預期的實驗現象不一致。邱正松［19］認為鉀鹽的抑制效果同時受到K+濃度和鉀鹽陰離子種類兩個因素的影響。為研究低濃度鹽溶液中粘土的水化規律，項國圣等［20］對蒸餾水和不同濃度NaCl 溶液中浸泡的膨潤土試樣進行了表面分維分析，發現低濃度鹽溶液中試樣的表面粗糙度較蒸餾水中高。于海浩等［21］實驗結果則表明，在低的初始含水率條件下，與蒸餾水相比低濃度NaCl 溶液中的壓實膨潤土試樣具有更高的膨脹應變值。

筆者在認真分析實驗異常現象產生的原因基礎上，結合巖心浸泡實驗、線性膨脹實驗、滾動回收實驗和掃描電鏡觀察實驗，探討了抑制劑種類與抑制性評價方法之間的適應性問題。

1 實驗部分

1.1 原料和儀器

原料：鈣基蒙脫石粉、無水碳酸鈉、氯化鉀、硅酸鉀，均為分析純。聚乙烯醇PVA 1788、聚丙烯酸鉀KPAM、高粘羧甲基纖維素鈉鹽HV-CMC、黃原膠XC、腐植酸鉀KHm、磺化瀝青粉FT-1、聚合醇、改性淀粉FLD、均為市售商品。蒸餾水。原礦土，來自某礦區。

儀器：NP-01 型常溫常壓膨脹量測定儀；ZNND6B 型六速旋轉粘度計；XGRL-4A 型數顯式高溫變頻熱滾爐；Phenom pro 型臺式掃描電子顯微鏡（SEM）；DJ1C-100 型電動攪拌機；GJSS-B12K 型變頻高速攪拌器；PM100 型巖樣壓制機；鉆井液陳化釜；標準分樣篩。

1.2 鈣（鈉）基蒙脫石基漿的配制

取10 L 蒸餾水，開啟DJ1C-100 型電動攪拌機，于1000 r/min 轉速下進行攪拌。稱取650 g 鈣基蒙脫石粉，在攪拌狀態下緩慢加入到蒸餾水中，攪拌2 h 后密封，靜置水化24 h，制得鈣基蒙脫石基漿。另制10 L 鈣基蒙脫石基漿，制備時另加入32.5 g 無水碳酸鈉，即得鈉基蒙脫石基漿（Na-mmt）。

1.3 處理劑溶液的制備

量取500 mL 待測溶液，置于GJSS-B12K 型變頻高速攪拌器上于11000 r/min 轉速攪拌40 min。取350mL 攪拌后的處理劑溶液，用ZNN-D6B 型六速旋轉粘度計測試其粘度。

1.4 常溫常壓線性膨脹實驗

稱取5 g 粒度小于150 μm 的鈣基蒙脫石粉，置于PM100 型巖樣壓制機的巖心壓制筒內，于10 MPa壓力穩壓5 min 制得人工巖心，記為鈣土心。將制得的巖心置于膨脹量測定儀的巖心測試筒內，組裝完成后調整千分尺讀數為零，注入400 mL 待測溶液，記錄膨脹量隨時間的變化。巖心在1 h 內的膨脹量不大于0.1 mm 時為膨脹結束。

1.5 巖心浸泡實驗

量取100 mL 待測溶液，倒入100 mL 量杯中，將巖心自液面落入待測溶液中，觀察巖心的形態隨浸泡時間的變化。

1.6 滾動回收實驗

量取350 mL 待測溶液倒入鉆井液陳化釜中，加入粒度范圍為2.00～3.35 mm 的原礦土50 g，于40 ℃熱滾16 h，冷卻至室溫，將陳化釜內的物質傾倒至孔徑為385 μm 標準篩上，以蒸餾水充分洗滌后，將篩網上的顆粒轉移至電熱鼓風恒溫干燥箱內，于105 ℃烘干至質量恒定，稱其質量，計算熱滾回收率。

1.7 巖心滴染掃描電鏡觀察實驗

用膠頭滴管滴5 滴待測溶液滴染鈣土心，置于恒溫干燥箱內于105 ℃烘干至質量恒定，利用Phenom pro 型掃描電鏡觀察表面孔隙的大小與分布。

2 浸泡實驗結果

圖1 不同種類處理劑浸泡鈣土心實驗結果

鈣土心在蒸餾水、5%氯化鉀、5%硅酸鉀和0.1%KPAM（均為質量分數，下同）溶液中的浸泡實驗結果見圖1。鈣土心在蒸餾水、5%KCl 溶液和5%硅酸鉀溶液中發生整體破碎所需的時間分別為7、4、90 min；而在0.1%KPAM 溶液中浸泡12 h 的過程中基本保持形狀穩定。由于K+能夠通過離子吸附和晶格固定的方式抑制粘土礦物的水化，與蒸餾水相比上述含鉀離子的3 種處理劑應均能起到抑制粘土的水化分散、延長巖心穩定時間的效果。但是實驗現象表明，與蒸餾水相比KCl 溶液中的巖心水化失穩用時更短；在NaCl 溶液中觀察到同樣的實驗現象。發生該實驗現象可能的原因在于，鈣土心接觸鹽溶液時，蒙脫石發生離子水化引起的膨脹應變較在蒸餾水中大，有利于水通過巖心空隙向內部進一步滲透，引發了鈣土心加速水化分散的反常現象； 而KPAM和硅酸鉀在鈣土心表面吸附成膜阻水，不同程度地延長了巖心的穩定時間。所以，浸泡實驗不適用于對低濃度鹽溶液的抑制性進行評價。

3 常溫常壓線性膨脹實驗結果

3.1 處理劑種類的影響

首先對比了處理劑種類對鈣土心線性膨脹量的影響，結果見圖2。由圖2a 可知，各處理劑溶液中鈣土心的膨脹量均隨實驗時間的延長而增加。值得注意的是，在實驗前1.25 h 內，除5%KCl 溶液外，鈣土心在其他溶液中的膨脹量均小于蒸餾水中的膨脹量。由圖2b 可知，所有鈣土心在實驗開始后的6 h內膨脹基本結束； 實驗結束時鈣土心在各溶液中的膨脹量均小于在蒸餾水中的膨脹量（3.07 mm），說明各處理劑溶液均能不同程度地抑制粘土的水化膨脹，尤其以硅酸鉀（0.87 mm）的抑制效果最好。線性膨脹法對于絕大多數的抑制劑均具有良好的適應性。為準確地評價抑制效果，應該取鈣土心膨脹穩定時的實驗結果作為評價依據，避免因膨脹未結束得到錯誤的評價結論。

圖2 不同種類處理劑溶液中鈣土心線性膨脹曲線

3.2 處理劑濃度的影響

為明確處理劑濃度是否對實驗結論產生影響，對比了不同濃度的處理劑溶液中鈣土心膨脹量隨時間的變化，結果見圖3。由圖3 可知，溶液的種類和濃度均對鈣土心的膨脹量和膨脹速率產生不同程度的影響。總體而言，膨脹量隨著實驗時間的延長而逐漸增加；溶液種類一定時，膨脹量隨著濃度的增加而減少，濃度越高實驗結束所需的用時越長。值得注意的是，除PVA 外鈣土心在其他處理劑最低濃度溶液中的膨脹量均高于在蒸餾水中的膨脹量。

圖3 不同濃度處理劑溶液中鈣土心線性膨脹曲線

4 巖心滴染掃描電鏡觀察實驗結果

分別取0.1%KPAM、5%FT-1、5%聚合醇、5%KCl和5%硅酸鉀溶液滴染鈣土心，觀察鈣土心表面的孔隙尺寸分布情況，樣品SEM 照片見圖4。由圖4可知，鈣土心表面普遍存在寬為1～10 μm 的孔隙；KPAM 溶液對鈣土心表面孔隙的封堵效果最佳；FT-1 處理后在巖心表面形成一層表面非均質的封堵層，封堵層裂隙寬度為1～3 μm；滴染聚合醇的巖心表面孔隙有所減小，但封堵效果不理想；KCl 溶液處理后的巖心封堵效果最差，巖心表面存在大量寬度為3～5 μm 的孔隙； 硅酸鉀滴染的巖心表面存在厚度為3～5 μm 的水化凝膠層，凝膠層的裂隙寬度為2～100 μm。掃描電鏡觀察結果基本符合浸泡實驗和膨脹實驗所得結論，滴染KCl 后巖心表面未能形成有效隔水封堵，有利于水沿著孔隙向內部進一步滲透。掃描電鏡觀察方法可以在一定程度上評價抑制劑的抑制能力。

圖4 不同種類處理劑滴染鈣土心SEM 照片

5 滾動回收實驗結果

5.1 處理劑的影響

探討了處理劑的種類和濃度對滾動回收率的影響，實驗結果見圖5。由圖5a 可知，質量分數為0.1%的FLD、XC、KPAM 溶液的表觀粘度分別為0.50、3.25、3.50 mPa·s，滾動回收率分別為31.4%、52.9%、83.2%。總體而言，粘度越高的溶液滾動回收率越高；而后二者，兩種溶液的粘度基本相當，但是回收率差別極大。說明不同種類抑制劑在相同濃度條件下對滾動回收率實驗結果的影響各異。由圖5b可知，質量分數為0.1%、0.3%、0.5%的XC 溶液的表觀粘度分別為3.25、9.75、16.5 mPa·s，回收率分別為52.9%、64.9%、69.0%。說明XC 溶液的表觀粘度隨濃度的增加而增加，滾動回收率也明顯提高。由圖5c可知，質量分數為0.1%、0.3%、0.5%的FLD 溶液的表觀粘度分別為0.50、0.75、0.90 mPa·s，回收率分別為31.4%、37.9%、38.6%。隨著FLD 濃度增加，盡管溶液表觀粘度的增量很小（最大差值為0.4 mPa·s），滾動回收率仍有一定程度的提高，這也進一步說明處理劑的種類和濃度均對滾動回收實驗結果產生影響。

圖5 不同處理劑溶液的表觀粘度和熱滾回收率

5.2 基漿的影響

圖6 不同濃度鈉基蒙脫石基漿的表觀粘度和熱滾回收率

探討了鈉基蒙脫石基漿粘度對熱滾回收率的影響，實驗結果見圖6。結果表明，蒸餾水中的滾動回收率為27.9%。隨著基漿質量分數從0 增加至2%、6%、10%，基漿的表觀粘度分別增加至0.5、1.5、5.5 mPa·s，滾動回收率分別增加了4.8%、10.6%、16.2%。眾所周知，蒙脫石作為粘土礦物本身不具備抑制性，出現該現象的原因可能是由于隨著蒙脫石濃度的增加，形成的基漿具有一定的粘度和結構穩定性，能夠懸浮鉆屑顆粒，減少了鉆屑顆粒間發生碰撞進而變小的幾率，從而在一定程度上提高了回收率。而且，在鈉基蒙脫土基漿中也觀察到了同樣的實驗現象。所以，在進行抑制性相關評價的過程中，應充分考慮基漿的粘度引起的實驗誤差。

6 結論

1）巖心浸泡實驗、線性膨脹實驗、泥頁巖熱滾回收實驗和巖心滴染電鏡觀察實驗均能在一定程度上評價材料的抑制效果，但是浸泡實驗不適用于評價低濃度無機鹽溶液的抑制效果。

2）膨脹量實驗的結論受到測試時間、處理劑濃度、處理劑類型的多重影響。為確保結論準確，建議測試時間不低于6 h；增粘效果不強的材料，其在溶液中的質量分數應不低于5%，增粘型材料的質量分數不低于0.3%。

3）泥頁巖熱滾回收實驗操作簡便、可重復性強，相比于其他方法得到的結論可靠性更強。

4）對不同抑制劑溶液滴染后的巖心樣品進行掃描電鏡觀察是一種可行的評價方法，具有一定的可靠度。