鉆井液用抑制劑研究現狀及發展趨勢

吳代國

（大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶 163413）

1 概述

鉆井液也稱為鉆井泥漿，優質高效的鉆井液可以完成深井、長水平段水平井等具有挑戰性的鉆井施工任務。鉆井液的主要功能包括：將鉆屑從井筒底部提升到地面、控制井底壓力、冷卻和潤滑鉆桿和鉆頭等井下鉆具、在等停期間阻止巖屑沉積、抑制頁巖膨脹、穩定裸眼段井壁等。

井筒失穩主要是由頁巖的不穩定引起的，因為裸眼井壁中的粘土礦物和水之間有很強的親和力（這些粘土礦物主要是蒙脫石、綠泥土和高嶺石）。此外，頁巖中還有不同粒徑的粉砂石、方石英、石英和伊利石[1-2]。頁巖的粘土成分、結構和顆粒分布等性質，都會影響頁巖抑制劑的有效性。因此，選擇頁巖抑制劑的重要前提是要了解頁巖的性質。在不同的地區頁巖地層的情況不同：①蒙脫石粘土礦物或富含蒙脫石層的層狀頁巖地層。這種類型的粘土具有高百分比的蒙脫石；②伊利石粘土礦物或富含伊利石的層狀頁巖地層。這種粘土在北美頁巖氣儲層中較為常見；③綠泥石粘土礦物；④蛭石粘土礦物；⑤高嶺土粘土礦物和具有砂巖透鏡體的反應性粉頁巖。

頁巖地層的性質和對鉆井液的影響很難簡單地進行概括和分類。每塊巖石都是一個獨特的系統，具有獨特的特性組合。賦含不同粘土地層的礦物成分、結構、顆粒分布、膠結情況和其它地質特性可能會有很大差異。一些巖石/流體相互作用研究表明，某些富含粘土地層的性質符合預期，而另一些地層可能具有非典型性響應。因此，有必要通過室內實驗的數據分析來預測井筒失穩情況并調整鉆井施工計劃。

2 頁巖抑制劑的分類及作用原理

鉆井液廣泛用于各種鉆井施工過程中，可分為：①水基鉆井液（WBM），細分為分散型水基鉆井液和不分散型水基鉆井液；②非水基鉆井液，俗稱油基鉆井液（OBM）；③空氣或氣體鉆井液。除了鉆井液中不同的連續相外，鉆井液還要和適當的添加劑一起使用。

OBM 在高溫高壓條件下的乳液穩定性較低，影響測井數據。因此，對環境友好的水基鉆井液及相應的頁巖抑制劑受到了廣泛的關注。目前，幾乎80%的鉆井施工使用WBM，水基鉆井液中含有約80%的水相和20%的鉆井處理劑。處理劑主要有以下作用：一是防止頁巖中的活性粘土與鉆井液相互作用引起頁巖膨脹；二是提高表觀粘度、塑性粘度、動切力等流變性能，這些性能可以保障鉆井液在循環、靜止以及恢復流動時從井筒中返出巖屑的能力。頁巖具有多種多樣的地層特性，因此要獲得有效的鉆井體系配方，需要了解頁巖的性質以及頁巖與這些流體之間可能的相互作用。

頁巖抑制劑是添加到水基鉆井液中用以防止粘土礦物水化、膨脹和降解的材料或化學品。與油基體系相比，水基流體更適宜使用頁巖抑制劑，因為它們具有更好的成本效益。常規的有機抑制劑有聚乙二醇、聚丙烯酰胺和部分水解聚丙烯酰胺、聚酰胺、黃原膠等。KCl溶液有較好的抑制性，但其在高濃度時有一定的生物毒性，而黃原膠和其他有機添加劑在高溫下往往不穩定。目前抑制劑的研究熱點集中在非常規頁巖抑制劑方面[3-5]。

2.1 無機抑制劑

無機抑制劑主要包括氯化鉀、氯化鈣和氯化鈉等鹽類。在這些鹽中，氯化鉀使用最廣泛。鹽的消耗或含鹽流體被淡水置換會導致所鉆探地層發生粘土水合、膨脹和失穩。硅酸鹽也屬于無機抑制劑，液態和固態硅酸鹽在鉆井液中已經有很多年的使用歷史了。無機鹽價格相對低廉，并且在世界各地都容易獲得。它們適用的鉆井環境較為廣泛。它們在各種pH 條件下都具有化學穩定性。然而，大量的無機鹽會對生態系統構成威脅。但使用無機鹽還會使鉆井液可供選擇的處理劑種類變少。

2.2 有機抑制劑

有機抑制劑通常被稱為粘土穩定劑，最常用的是胺類化合物。有機頁巖抑制劑通過一種或多種的陽離子交換機制與頁巖發生化學作用，可以進入頁巖基質或在頁巖表面發生反應。胺基頁巖抑制劑對具有高陽離子交換容量的頁巖非常有效。但是，部分有機抑制劑在高溫和高pH條件下會發生分解，產生令人討厭的氨氣味。根據化學結構，胺類抑制劑可以分為三類：單體、低聚和聚合胺化合物。

2.2.1 單體胺抑制劑

單體胺抑制劑具有簡單的結構并具有活性陽離子點位。大多數單陽離子胺頁巖抑制劑的頁巖抑制水平低于低聚物和聚合物。簡單的胺鹽也有氣味、毒性和穩定性的問題，目前現場已經較少使用了。

2.2.2 低聚胺和聚合胺

低聚胺和聚合胺抑制劑具有簡單的結構，但由于存在可吸附在粘土上的多個活性位點，它可以提供比單體胺更持久的穩定性，因此不太容易發生逆轉吸附。理論上聚合胺具有多個陽離子活性位點，所以應該具有最佳的抑制性能，但實際情況并非如此。由于聚合胺的高分子特性，它比低聚體具有更低的粘土滲透能力，因此其陽離子位點與粘土層之間的相互作用較少，使得它不如低聚胺有效。此外，市面上有一些其他類型的有機抑制劑，例如纖維素材料、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚酰胺等。

頁巖抑制劑還可以根據其環境友好性分為五類，即丙烯酰胺、乙二醇和甘油、胺和亞胺、硅酸鹽和生物分子，其中最主要的是有機抑制劑。這些化合物都已在現場應用，并且表現出不同的流變性和濾失性，它們在不同應用環境中也具有各自的優缺點。

2.3 納米抑制劑

納米技術在石油和天然氣工業中的應用規模正迅速擴大，目前已經成為研究和開發的重要領域。高鹽濃度下鉆井液流型不穩和環保壓力，高溫高壓下聚合物類抑制劑的失效，促使科研工作者尋找替代方法。納米粒子(NPs)已被證明可以改善水基鉆井液的流變和濾失性。與不含納米顆粒的流體相比，納米顆粒可以堵塞微米級孔縫，降低滲透率，從而減少濾失量。由于粒子形態、表面電荷和附著的官能團等多種原因影響，納米粒子會對鉆井液的流體性質產生影響。在鉆井液中較低組份含量的納米粒子存在就可以顯著改變微觀環境，從而改變宏觀的流體特性。例如，由于納米顆粒的體積小，它們可以堵塞頁巖中的細小孔隙，防止流體滲透到地層中。因此，它們有助于封閉頁巖中的微裂縫，從而使濾餅變得致密、更薄且不透水。因為顆粒尺寸小，它們在鉆井液中減少了磨損作用，從另一個角度提高了潤滑性和動能損失。

粘土膨脹的機理可分為三種：①由水分子與粘土硅酸鹽層表面上的氧原子氫鍵鍵合引起的表面水合；②離子水合，可交換陽離子周圍的水合殼可補償由于粘土晶體中的離子取代而導致的電荷不足；③滲透水合，某些類型的粘土晶粒完全結晶膨脹然后暴露于自由水后開始的水合過程。前兩種機制可以稱為結晶溶脹。通常，用于測試頁巖膨脹的方法也可以用于測試頁巖抑制效率。納米粒子具有優異的化學、物理和機械性能，納米顆粒與頁巖之間的強烈吸附使納米顆粒很容易被困在微孔和微裂縫中，因此頁巖的滲透率會降低，水對頁巖的侵入會顯著減少，孔隙的堵塞可以最大限度地減少頁巖的膨脹并減少裂縫的形成。圖1為納米顆粒的物理封堵示意圖。

圖1 納米粒子封堵示意圖

納米抑制劑可以單獨使用，也可以分散在其他有機化合物中，用以改善流變性、濾失性和頁巖抑制性。表1 總結了部分納米抑制劑在鉆井液中的應用研究情況。

表1 納米抑制劑在鉆井液中應用情況

3 測試頁巖膨脹常用的方法

頁巖膨脹測試方法的選擇取決于頁巖特性、可用頁巖巖芯樣品的數量以及最終的頁巖/流體相互作用等因素。由于頁巖地層中存在復雜的化學和物理變化，頁巖對鉆井和流體的響應和行為是復雜的，所以目前仍沒有很好的頁巖測試方法。

3.1 毛細管法(CST)

該測試用于將不同的頁巖抑制劑進行比較，主要是測量粘土漿料通過濾紙的時間。首先，將含有某種抑制劑的粘土分散體置于圓筒內。裝有具有特定厚度的濾紙的圓柱體連接到計時器和電極上。監測粘土漿從電極一端穿過游離水到達另一端所需的時間。較高的CST 表明可用的自由水較少，大量保留在粘土礦物中，而低CST表明可用的自由水較多，因此保留在粘土礦物上的量較少。

3.2 線性膨脹測試(LST)

該測試用于確定不同抑制劑的有效性和特性。它使用不同的頁巖樣品顆粒，一種抑制劑相對于另一種抑制劑的有效性是時間的函數。優異的抑制劑在設定的時間段內表現出較小的頁巖膨脹效應。頁巖與含抑制劑流體之間的反應性是選擇抑制劑的決定因素。使粘土塊溶脹量最小的抑制劑是最佳的選擇。

3.3 其他測試

其他測試主要包括頁巖顆粒崩解測試、分散熱軋測試、頁巖浸泡測試、體積硬度測試、吸水性測試、裂縫發育測試、zeta電位測試、潤濕性改變測試、孔隙壓力傳遞測試、層間距測量測試和陽離子交換容量測試。

4 結論和建議

（1）本文綜述了頁巖的性質、常用頁巖抑制劑的分類及作用機理。

（2）業內已經廣泛開展了納米材料在提高鉆井液性能方面的研究。各種類型的納米材料已被用于改善鉆井液的頁巖抑制性、流變性和濾失性。

（3）頁巖的性質和抑制劑材料的類型與其作用效果是息息相關的。因此，更深入的了解頁巖的性質，以及它與基于鉆井液之間的物理和化學作用十分必要。

（4）為了進一步提高鉆井液抑制性，可以將兩種或三種納米材料進行組合，這些組合可以進一步改善納米材料的特性。