硅酸鹽在鉆完井液中的應用與研究進展

楊中鋒，趙 穎，汪 倩，劉騰蛟，王 惠，魏盡然，王紅芳

（1.天津市復雜條件鉆井液企業重點實驗室，天津 300280；2.中石油集團渤海鉆探泥漿技術服務分公司，天津 300280）

迄今為止的研究表明作為天然礦物的二氧化硅和硅酸鹽既是構成地球地殼和地幔最重要的部分，也是非常重要的原材料和工業化學品。在地殼中，硅元素的原子數和質量僅次于氧。同時，只有碳、硅與其他元素形成了數量最多的化合物[1]。其中的硅酸鹽不易燃、不易爆、無機、無毒、成本效益高、環境友好，被美國農業部、美國食品和藥物管理局公認為安全的（GRAS），不屬于有毒和危險化學品類別[2-4]。

可溶性硅酸鹽以其獨特的物理、化學、經濟性和功能特性可以有效且經濟地解決工業和化學過程中出現的許多問題[5]。其廣泛用途包括黏合劑、水泥、洗滌劑、清潔劑、緩蝕劑、助凝劑、催化劑、涂層、脫絮凝劑、沸石等。據1998年估計，全球可溶性硅酸鹽的年產量為300 萬噸至400 萬噸[6－7]。2016年，北美（美國、加拿大、墨西哥）硅酸鈉市場規模為7.37 億美元[8]。由于硅酸鹽的這些特性和功能性，使其在油氣和地熱井作業中也具有多重用途。這些用途包括不限于鉆井液處理劑、堵漏、固井、油藏增產和油井廢棄等諸多領域[9-11]。為了進一步推廣硅酸鹽在鉆完井液領域里被廣泛應用，更好地滿足開發油氣資源同時對環境的保護，介紹了硅酸鹽的特性、環保優勢，在油氣、地熱井作業中的應用和研究進展以及遇到的技術挑戰。最后，討論了硅酸鹽技術研究和應用的潛在方向。

1 硅酸鹽材料的特性與健康、安全和環境（HSE）優勢

硅酸鹽的特性與其可能發生四種類型的反應密切相關，即：凝膠化/聚合、沉淀/金屬離子交換反應、水合/脫水、表面電荷改性。用于鉆井、堵漏、固井、堵水、提高采收率、水力壓裂和其他油田應用中的主要是凝膠和沉淀反應。

1.1 凝膠化/聚合

凝膠化是硅酸鹽結構的自聚合或縮合，形成含水的無定形硅酸鹽凝膠結構。高pH 值環境下的硅酸鹽pH 值的下降會導致凝膠化，當pH 值低于10.5 時，聚合可以迅速發生。無機酸，如HCl 和H2SO4，可以與硅酸鹽反應，產生沉淀和凝膠[12－13]。

1.2 沉淀/金屬離子交換反應

硅酸鹽沉淀是硅酸鹽分子通過多價陽離子（主要是Ca2+、Mg2+、Al3+和Fe3+）交聯。多價金屬陽離子可與硅酸鹽反應，生成在較寬的pH 環境內溶解度都較低的硅酸鹽沉淀。

凝膠和沉淀反應涉及的酸或金屬離子，稱為活化劑。當工作液中的硅酸鹽與頁巖中常見的微酸性（pH 6～8）和多價陽離子豐富的地層水接觸時，會發生局部凝膠反應，并伴有沉淀。這些反應不僅能夠阻止工作液進入地層，還能封堵和膠結地層的微裂縫、裂縫和碎石。因此，硅酸鹽可以穩定地層水中含有弱酸的頁巖。這些反應特性使得硅酸鹽可以廣泛應用在泥頁巖抑制、鉆井提速、防漏、堵漏、井眼修復、區域隔離、堵水、提高采收率等諸多領域里[14-16]。

雖然有諸多優點，但是由于許多地區早期缺乏嚴格的環境法規，硅酸鹽體系相比有機分散劑膨潤土等鉆井液體系流變性控制難度更大，在鉆完井液中使用的成本也更高，使得在此前很長時間限制了硅酸鹽在鉆完井液中的應用。但自1999年以來，硅酸鹽在北美再次開始被廣泛應用在鉆完井液中，這不僅因為硅酸鹽是最有效的水基頁巖抑制劑之一，更主要是因為它體現出顯著的HSE 效益[17]。

硅酸鹽被認為是在用的最溫和的工業化學品之一，無論是固體粉末、液體還是聚合形式。美國農業部、美國食品和藥物管理局普遍認為硅酸鹽是安全的（GRAS）[18-20]，不屬于有毒和危險化學品類別。硅酸鹽的pH 值與液體洗碗洗滌劑非常相似。硅酸鹽完全是無機的，所以它不需要殺菌劑。它不易燃、不揮發，化學性質相對惰性，不存在諸如低閃點或易燃等危險。列入美國食品化學品法典、美國藥典和國家處方集，并被允許作為食品添加劑、化妝品和藥品。NSF 認證其可用于飲用水處理。可溶性硅酸鹽作為工業化學品來源并最終回歸自然，例如二氧化硅（SiO2）和可溶性鈉和鉀化合物。由于它們是地球上最常見的化學成分之一，它們幾乎不可能對環境產生有害影響。符合環保要求，可以排入海洋。當釋放到海水中時，會快速沉淀，形成相對惰性且無毒的鈣、鎂硅酸鹽沉淀物。在一些地區，硅酸鹽為海洋生物提供營養，如鮭魚、扇貝和貽貝。硅酸鹽包含的部分成分也使其便于處理和運輸。

2 硅酸鹽在鉆完井液中的應用與研究進展

硅酸鹽的這些特性和HSE 優勢，使其作為助劑被使用在石油工業的鉆完井液、固井、水力壓裂、油藏增產、廢棄油井等一系列作業中[21－22]。其中在鉆完井液中加入硅酸鹽，可以封堵和膠結地層的微裂縫、裂縫和碎石，顯著提高地層的承壓能力和鉆井液的抑制性，有效減少工作液流體侵入地層，保護油氣藏提高采收率，高效封堵地層漏失，抑制腐蝕保護鉆具，本文主要從四個方面概述硅酸鹽在鉆完井液中的應用與研究進展。

2.1 提高鉆井液抑制性

2004年左右，INA Naftaplin 公司在伊朗扎格羅斯盆地Hayane 區塊開發的六口井，地層中含有高含量的硬石膏、黏土、白云石和鹽。INA Naftaplin 公司在飽和鹽鉆井液中加入2.6%（質量分數）的硅酸鈉，40 kg/m3的K2CO3增強抑制作用，并在鉆井期間周期性加入NaOH 保持pH>11，減少石膏污染。該鉆井液系統成功提高地層的承壓能力，抑制了敏感頁巖地層的水化膨脹，抑制了巖屑的水化分散，保證了鉆屑上返過程的完整性。因而，有效減少了鉆井作業過程中鉆井液的密度，降低了固體污染物的排放量，廢棄物管理相關成本大幅降低[23]。

斯倫貝謝劍橋研究中心發現[24]，可以通過硅酸鹽和乙二醇的組合來保證對頁巖的強抑制，從而減少頁巖鉆屑的水化分散，控制鉆井液中的劣質固相含量，提高泥餅質量，增強井壁的潤滑性。這種混合物尤其適用于含有大量易破碎分散性頁巖的區塊。如英國牛津開采的牛津頁巖，對其進行的X 射線衍射分析測試發現，頁巖中黏土含量較高：高嶺石含量為18%，蒙皂石含量為17%，綠泥石含量為7%，伊利石含量為30%。測試表明，硅酸鹽和乙二醇的組合能顯著提高鉆井液的各項性能，使得牛津頁巖巖屑更穩定不易分散，有效減少了鉆井液中的微顆粒，從而加快了鉆井速度，改善了濾餅質量，減少了鉆井周期和事故復雜率。

2019年田波等[25]針對珠江口盆地古近系地層在鉆井過程中，多口井出現坍塌、卡鉆、起下鉆遇阻、井壁失穩，增加鉆井密度又出現壓差卡鉆、鉆井時效低的問題進行研究。最后構建的新型硅酸鹽鉆井液體系在使用3%硅酸鉀基礎上，采用淡水取代膨潤土漿，減少硅酸根離子在黏土顆粒上的吸附，保證鉆井液中硅酸鹽含量及效果，篩選出滾后不增黏淀粉作為體系降濾失劑。保持了硅酸鹽鉆井液的抑制性強、封堵性好、降低地層坍塌壓力、增強巖石強度的特點，同時解決了硅酸鹽鉆井液體系遇到的流變性和濾失量控制問題。與古近系已用PLUS-KCl 鉆井液、油基鉆井液相比，優化的硅酸鹽水基防塌鉆井液浸泡后巖石具有抗壓強度更高、內聚力更強等特點，其內聚力高達11.7 MPa，是PLUS-KCl鉆井液的1.9 倍，是油基鉆井液的1.5 倍。

2017年魏凱等[26]構建了模數2.8～3.0、硅酸鈉加量3%、pH 值維持在11 以上的硅酸鹽鉆井液體系，應用在黏土礦物平均含量56%，以伊蒙混層為主，伊利石次之的鄂爾多斯盆地東勝氣田二疊系石千峰組、石盒子組的泥頁巖地層。通過硅酸鹽體系強抑制性，與地層礦物反應生成絮狀沉淀微小裂縫封堵能力，實現了環境保護和井壁穩定的目的，取得了較好的應用效果。

2010年孫仲等[27]根據蘇丹油田某區塊地層泥頁巖的礦物組成以伊蒙間層和伊利石為主，微觀結構為層理裂縫發育、地層孔隙壓力異常、地應力高，再結合其理化性能資料，構建出適于該區塊頁巖地層同時能保護油氣儲層的硅酸鹽防塌鉆井液體系。該鉆井液體系對蘇丹油田頁巖巖屑的一次回收率為90%，二次回收率為75%。鉆井液頁巖穩定指數（SSI）值為88.6。在溫度120 ℃、壓差3.5 MPa、時間125 min 的條件下，對蘇丹油田直徑2.5 cm、長度6 cm 的天然巖心進行了儲層損害評價實驗。實驗結果表明，其Kd/Ko值達到79.2%（Kd為損害后的滲透率，Ko為原始滲透率），說明該體系可以同時滿足保護油氣儲層的需要。

2.2 保護油氣藏提高采收率

2001年ALFORD S 等[28]研究顯示，硅酸鹽通過與地層表面的吸附和化學反應為裸眼井壁提供了一層薄薄的壓力和化學屏障。這道屏障阻止流體和細顆粒進入地層，從而使硅酸鹽體系對生產區的損害很小，600×10-3μm2的巖心滲透率恢復值為85%，200×10-3μm2的巖心滲透率恢復值可以達到93%。且硅酸鹽鉆井液體系侵入地層引起的損害主要局限在巖心的5 mm 表面，而在淺層造成的損害在生產（鉆井和后期作業）過程中是可以恢復的[29]。

2018年JAFAROV 等[30]在滲透率小于0.2 mD 的致密非常規氣藏中進行了硅酸鹽體系的相關實驗，實驗通過硅酸鈉盡可能減少固體和流體的侵入來防止水堵塞。在法赫德國王大學設計的鉆井液中，優化的硅酸鈉濃度為0.075%（質量分數），同時加入3%KCl，通過形成0.7 mm 致密且易于清除的泥餅，獲得高回滲性（高達100%），提高油井采收率。實驗室濾失測試表明，0.075%（質量分數）Na2SiO3為最優加量，其濾液體積和泥餅厚度最小。實驗室分析結果表明，在現場條件下，可以實現初始的、完全未受損的油氣產能。

2019年ELKATATNY 等在致密氣藏的多分支井和水平井作業項目中進行了硅酸鈉改性水基鉆井液的致密砂巖巖心回滲率測試[31-33]，盡可能減少液體和固體侵入致密地層，以避免水相圈閉對地層造成損害。同時還評估了硅酸鈉對鉆井液性能的影響。評估結果顯示0～0.1%（質量分數）加量的硅酸鈉對鉆井液的密度和pH 值都沒有影響。鉆井液流變性能的測試結果表明，溫度在25～149 ℃最佳的硅酸鈉加量為0.075%（質量分數）。使用0.075%（質量分數）硅酸鈉時，濾液體積減少53%，濾餅厚度減少65%。機械去除泥餅后，斷層掃描（CT）顯示，在149 ℃和2.07 MPa 壓差實驗條件下，過濾測試前后的CT 結果非常接近（幾乎相同），表明固體侵入為零，硅酸鈉有效減少和預防了儲層被損害。

2.3 高效封堵地層漏失

當鉆井液流入一個或多個地層而不是通過環空返回至地面時，就會發生井漏。井漏可能導致其他鉆井問題，如卡鉆、破壞生產層段，甚至井涌、井噴。快速有效地堵漏對于鉆井作業非常重要。

當鉆井液發生井漏時，通常首先嘗試加入堵漏材料（LCM）進行補救。堵漏材料包括纖維狀（天然植物纖維、礦物纖維）、片狀（云母片、塑料薄片）或顆粒狀（不同粒徑的石灰石或大理石、廢棄木材、堅果殼）材料。如果這些材料組合沒有完成堵漏，那么泵入水泥塞是更進一步的解決方案。即停止鉆井，在漏失區泵入水泥塞，候凝，然后重新開始鉆井。

然而，當遇到裂縫、大孔隙、高溫地熱環境（80～300 ℃）時，在漏層極易發生水泥漏失、遷移或不足以填充所有裂縫孔隙的情況。因此，就需要前置另一種流體來幫助留置水泥塞。

2005年BAUER 等[34]使用加入10%CaCl2的硅酸鹽流體作為堵漏鉆井液和水泥漿前置液。硅酸鹽材料是一種很好的封堵材料，它可以有效封堵裂縫和孔隙，具有極好的熱穩定性和化學穩定性，易于泵送，承壓能力強，堵漏后可以即時繼續鉆井，易于處理、無害、環保。在泥漿嚴重漏失的情況下，作為前置液可以有效提高泵入水泥漿的使用效能，將水泥漿留置在需要封堵的寬裂縫、大孔隙、高溫地熱環境區域[35-38]。

為解決地熱鉆井中嚴重的井漏問題，BAUER 等進行了進一步的實驗室研究，研究了不同活化劑在不同溫度（25～300 ℃）、壓力（0.10～8.62 MPa）和持續時間（最多10 周）條件下硅酸鹽的凝膠化時間和穩定性。研究表明溫度升高導致凝膠時間增加，隨著時間的推移，形成的CaSiO3·H2O 晶體塞在化學和機械穩定性方面則變得更加出色，硅酸鹽材料在延長封堵時間和高溫下表現出良好的穩定性。CaCl2和硅酸鹽可以通過兩個管柱一起注入；或者，將CaCl2和硅酸鹽封裝注入一根鉆桿柱中，并在封裝劑熔化時熱活化。這兩種方法都能使硅酸鹽封堵材料短距離進入地層，并在井底形成有效封堵。

FINGER 等[39]和LIU 等[40]研究顯示外部催化的可溶硅酸鹽體系在溫度為4～288 ℃的油氣井、地熱井鉆井作業中可以有效完成堵漏和井眼修復。但外部催化限制了基質滲透到近井筒區域的深度，因而在嚴重井漏的井下條件下，該硅酸鹽體系通常在水泥擠壓作業之前泵送，分成兩個階段操作：（1）在高鹽度地層中，在水泥擠壓之前，注入的硅酸鹽與含有多價陽離子（如Ca2+或Mg2+）的高鹽度巖層水混合時，首先形成非常硬的半固態硅膠。這種反應幾乎是瞬時的，因此必須在硅酸鹽前后泵入淡水隔離液。地層中形成的半固態硅膠會橋接、堵塞，有效留置隨后泵送的水泥漿。（2）泵送擠入水泥。當它與硅酸鹽混合時，會形成更硬的凝膠，從而完成堵漏，同時有效提高薄弱地層的承壓能力。該硅酸鹽體系可以替代不溶于水的吸收性結晶合成聚合物（多晶技術）、交聯聚合物凝膠和用于堵漏時快速產生作用的合成聚合物材料。

2.4 抑制腐蝕保護鉆具

白尼羅石油公司在南蘇丹鉆探的油井極具挑戰性，因為該區塊的Aradeiba 地層中存在高度反應性和分散性頁巖，井眼極不穩定，同時致密井段測井困難，取心效率差。在2002年左右采用硅酸鈉/KCl 體系之前，幾種傳統的抑制性水基鉆井液的效果都不理想。作為最后解決方案的硅酸鈉鉆井液含有39.0～46.7 lb/bbl的硅酸鈉，同時加入KCl 或K-formate、黃原膠、淀粉、聚陰離子纖維素（PAC）和乙二醇。該硅酸鹽鉆井液體系，提高ROP30%～60%，鉆井時間減少24%，頁巖鉆屑具有良好的完整性，順利完成裸眼測井，表現出卓越的取心效率。同時硅酸鈉與鐵質材料發生反應，在管具表面形成保護涂層，無需在鉆井液中添加其他緩蝕劑，就防止了工作液對鉆具的侵蝕[41]。使用硅酸鈉作為緩蝕劑后，泥漿幾乎100%回收，節省了30%～60%的鉆井液成本[18]。

MAINIER 等[42]在2016年對使用硅酸鈉作為緩蝕劑進行了深入的研究，在3.5%氯化鈉的充氣溶液中使用濃度為250～2 000 mg/L Na2SiO3·9H2O 作為緩蝕劑，通過質量分析測試和電化學測試進行分析。研究發現當硅酸鹽濃度大于1 250 mg/L 時，碳鋼的防腐效率大于92%。成本低，且對環境無害的硅酸鈉工作液在鋼表面形成一層均勻透明的保護膜，薄膜呈凝膠狀，由硅酸鐵、硅酸鈣、硅酸鎂和二氧化硅組成，薄膜在充氣鹽水中也能極為有效保護碳鋼。

專利[43]介紹當硅酸鈉與正磷酸鹽配比為1∶3 時，復合增效作用最佳，可用于抑制鋼鐵腐蝕，還具有減少鉛的溶解以及穩定鎂離子等作用。當硅酸鈉的濃度為0.1～100.0 mg/L 時，在pH 為7.5 的水質中，腐蝕速率最低可達0.04 mm/a。另一專利報道，硅酸鈉30 mg/L、葡萄糖酸鈉30 mg/L、HEDP 5 mg/L、聚合物10 mg/L 的硅酸鈉非磷緩蝕劑與含磷緩蝕劑復合使用的配方表明，復合劑的緩蝕效果大幅度增加，能夠顯著降低金屬的腐蝕速率，兩者之間表現出很好的協同效應。BASF 公司的專利介紹了一種用硅酸鈉做緩蝕劑的清洗液，配方為EDTA 5%、多輕基、單或二羧基葡萄糖酸鈉5%、硅酸鈉10%、亞硝酸鈉3%，能有效防腐蝕的同時還具有除垢效果。

3 結論與展望

硅酸鹽作為一種非常有效和有益的化學品，20世紀30年代就成為石油行業的鉆完井液添加劑。但由于技術和經濟原因，在很長一段時間里沒有被廣泛使用。但是在新世紀，因為硅酸鹽非常顯著的健康、安全和環境效益，使其再次開始被廣泛應用在石油工業中。同時，硅酸鹽在鉆完井液中研究與應用的拓展和改進還有很大的空間，（1）較高模數的硅酸鹽（>3.2）在封堵和膠結地層微裂縫、裂縫，頁巖抑制，凝膠時間控制，流體侵入阻隔和腐蝕抑制上都表現的更好。然而，主要的困難和問題集中在生產條件和成本上，例如，溫度要求快速增加、熔融黏度的增加以及催化劑的要求。目前，對高模數硅酸鹽的研究與應用還比較缺乏，需要更多的室內研究和現場試驗來提高它的效益。（2）在堵漏應用中，研究和發現更匹配的活化劑或現場作業措施，實現更好地凝膠化時間控制，以便更精確的控制凝膠化在井筒中發生的位置。（3）針對有機硅酸鹽開展更多的工作，例如作為緩蝕劑使用時，無機硅酸鹽有機化，保持無機硅的緩蝕效果好、無污染、易操作等優點的同時，克服無機硅易結垢的問題。進一步拓展硅酸鹽在石油工業中應用的廣度和深度。