甲基葡萄糖苷在泥页岩地层的膜效率规律研究

雷祖猛，甄剑武，司西强，王忠瑾

(中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001)



甲基葡萄糖苷在泥页岩地层的膜效率规律研究

雷祖猛，甄剑武，司西强，王忠瑾

(中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳 457001)

通过泥球在甲基葡萄糖苷(MEG)水溶液中的浸泡实验，研究了MEG在泥页岩(泥岩)地层的膜效率变化规律。研究结果表明，MEG在泥岩表面有吸附作用，浸泡时间越长，吸附现象越明显。MEG在泥岩表面的膜效率与泥岩含水量、MEG的浓度及浸泡时间有关。泥岩含水量越高，MEG浓度越大，膜效率越高；浸泡时间延长，膜效率降低。

甲基葡萄糖苷 泥页岩 半透膜 膜效率

泥页岩(又称泥岩)具有半透膜作用，目前研究的重点是利用物理和化学的方法建立起泥页岩的“半透膜”，并增强其“理想性”[1]。通过渗透作用控制水在钻井液与泥页岩之间迁移的关键因素是提高泥页岩的膜效率[2]。泥页岩通常表现为非理想的半透膜特性，水分子和溶质都可通过泥页岩移动，但溶质分子的移动速率低于水分子的移动速率,张华辉[3]采用泥页岩井壁稳定性水化/力学耦合模拟实验装置证明多羟基糖苷能提高泥页岩的膜效率。王军义等[4]发现黏土对甲基葡萄糖苷(MEG)具有吸附作用，经MEG吸附后的蒙脱石的晶层间距缩小，MEG吸附于黏土上，可抑制其进一步水化。王彬等[5]通过泥球实验证明，当泥球表面吸附足够多的MEG后，泥球表面会形成半透膜，泥球在渗透压作用下失水而质量降低。

笔者通过泥球浸泡MEG水溶液实验，模拟MEG钻井液在泥页岩地层的吸附成膜情况，深入研究了MEG钻井液在泥页岩地层的膜效率影响因素及规律，为MEG钻井液的现场应用提供理论支持。

1 实验原理

用钠膨润土与水做成泥球，模拟不同含水量的泥页岩地层的井壁，用不同浓度的MEG水溶液模拟不同MEG含量的钻井液体系。MEG分子结构中有4个亲水的羟基，可以通过氢键的作用吸附溶液中的自由水，降低钻井液的水活度，同时可以通过氢键吸附亲水的泥页岩井壁，当钻井液中的MEG分子足够多时，便会在泥页岩表面形成一层吸附膜。当钻井液水活度低于泥页岩水活度时，在渗透压的作用下，泥页岩中的水将向钻井液中移动，部分抵消因水力压差作用进入泥页岩的水量[3-6]。

2 实验方案

方案A：用钠膨润土和水制成相同大小的泥球，称泥球质量，将泥球放入装有不同质量分数的MEG水溶液的烧杯中，浸泡一定时间后取出并称其质量，观察泥球的变化。

方案B：用钠膨润土和水制成大小相同、土水比不同的泥球，称泥球质量，将泥球放入装有一定质量分数的MEG溶液的烧杯中，浸泡一定时间后取出并称其质量，观察泥球的变化。

3 结果与讨论

3.1 MEG浓度对膜效率的影响

在方案A中，当泥球中的土水比为5∶4、质量约为25 g、在不同质量分数的MEG水溶液中浸泡24 h后，泥球的变化如图1所示。

图1 泥球在MEG水溶液中浸泡后的变化

从图1可看出，MEG的质量分数<40%时泥球仍会膨胀，泥球表面因吸水变得松软粗糙。但由于泥球表面吸附了一定的MEG分子，自由水进入泥球变得困难，MEG的浓度越高，泥球吸水越难，膨胀效果越不明显，但因此时MEG浓度较低，在泥球表面吸附的量少，泥球呈现本身的黄色；当MEG的质量分数约为40%时，泥球体积收缩，表面变得坚硬，泥球表面因吸附大量的MEG分子而颜色变深；当MEG的质量分数达到100%时，泥球原本光滑的表面会出现蛋壳破碎状的小裂缝。

称取泥球在不同质量分数MEG溶液中浸泡后的质量，结果如图2所示。MEG的质量分数<40%时泥球质量增加，而且随着MEG质量分数的增加，泥球表面吸附的MEG分子增多，自由水进入泥球变得困难，MEG的质量分数越大，此现象越明显，所以泥球质量增加率逐渐降低；当MEG的质量分数≥40%时，泥球质量均降低，而且随着MEG质量分数的增加，泥球的质量降低率先增大后减小，MEG的质量分数为80%时，泥球质量降低率达到最大值，后又升高。说明当MEG的质量分数达到40%时，溶液中有足够的MEG分子吸附在泥球表面，形成了半透膜，泥球中的水在半透膜的作用下流入MEG水溶液，MEG的质量分数越大，泥球表面吸附的MEG分子越多，半透膜更致密，膜效率也不断增强；而当MEG的质量分数增至100%后，泥球表面吸附了很多MEG分子，使得表面黏土周围自由水减少，泥球表面黏土的黏合力变差，变得越来越坚硬，最终出现裂缝，新出现的裂缝断面要重新吸附成膜，使得泥球质量与MEG的质量分数为80%时相比反而有所增加。掰开浸泡7 d后的泥球会发现，在低质量分数MEG水溶液中浸泡后的泥球，其内部是均一的颜色和质地，而经高质量分数MEG水溶液浸泡后的泥球，表面坚硬，颜色较深，内部保留了泥球本身黏土的颜色，质地柔软。这也充分说明自由水和MEG分子通过半透膜进入泥球是一个由外及内的渐进过程，MEG水溶液的浓度升高后，泥球表面因吸附更多的MEG分子，形成了更高效率的半透膜，半透膜表面朝外的是MEG疏水的烷基，对自由水的进入有一定的阻挡作用，使得泥球的水化趋势放缓。

图2 泥球在MEG水溶液中浸泡后的质量增加率

3.2 泥球含水量对膜效率的影响

在方案B中，MEG水溶液的质量分数为40%时，选取4个不同含水量的泥球，在MEG水溶液中浸泡24 h，考察泥球土水比与泥球质量增加率的关系，结果如图3所示。随着泥球自身含水量的增加，泥球质量增加率逐渐降低，质量增加率先为正值，后变为负值。在此浓度下MEG分子足以在泥球表面形成半透膜，起初泥球内部水活度高，自由水会在渗透压作用下流入溶液，但半透膜靠近泥球一侧由于吸附了MEG分子，自由水减少，水活度降低，半透膜靠近MEG水溶液的一侧MEG分子吸附在泥球上，自由水增多，水活度升高，溶液中的自由水在半透膜作用下重新进入泥球内部，泥球质量增加。当泥球含水量小，即自由水少时，泥球内部水活度降低得快，泥球吸水趋势大于脱水趋势，泥球质量增加；随着泥球含水量增大，泥球内部水活度降低得慢，质量增加率降低；当含水量继续增加时，在24 h内泥球内部水活度仍高于外部水活度，泥球在此时间内仍在失水，表现为泥球质量降低。

图3 泥球在40%MEG水溶液中浸泡后的质量增加率

3.3 浸泡时间对膜效率的影响

方案A中，泥球浸泡时间与泥球质量增加率的关系如图4所示。当MEG的质量分数<40%时，随着浸泡时间的延长，泥球质量均不断增加，同一浓度下泥球质量的增幅逐渐减小，其中用清水浸泡的泥球在进入第三天时已经完全坍塌，无法测量。这是因为随着浸泡时间的延长，泥球表面吸附的MEG分子增多，自由水进入的难度增大，自由水和MEG分子进入泥球内部的趋势逐渐变弱，表现为泥球质量增加率不断减小，在第五天基本达到吸附平衡。当MEG的质量分数>40%时，随着浸泡时间的延长，同一浓度下泥球质量降低率不断减小，且减幅越来越小。这是因为在此浓度下泥球表面已形成致密半透膜，泥球中自由水通过渗透压流出而质量降低，但随着浸泡时间延长，泥球表面吸附的MEG分子逐渐增多，半透膜靠近泥球一侧由于吸附了更多的MEG分子，水活度逐渐降低，半透膜靠近MEG水溶液的一侧，由于一部分MEG分子吸附在泥球上，水活度逐渐升高，溶液中的自由水在半透膜作用下重新进入泥球内部，所以泥球质量降低率不断减小。但由于半透膜表面朝外的是MEG疏水的烷基，对自由水的进入有一定的阻挡作用，所以随着浸泡时间延长，泥球表面吸附的APG分子增多，使得自由水进入泥球内部变得越来越困难，表现为泥球质量降低率的减幅越来越小。MEG的质量分数为40%时，第一天泥球质量增加率为负值，第二天以后泥球质量增加率为正值，并不断增大，很直观地印证了上述现象。

图4 泥球在MEG水溶液中的质量增加率与浸泡时间的关系

方案B中，不同土水比的泥球在40%的MEG水溶液中的浸泡试验结果如图5所示。随着浸泡时间的延长，不同含水量的泥球因不断吸水膨胀，质量不断增大，其中土水比为2∶1的泥球在进入第三天时已完全坍塌，无法测量。这是因为泥球中的自由水比MEG水溶液中的自由水少得多，随着浸泡时间的延长，水溶液中的自由水会在半透膜的作用下慢慢进入泥球内部，膜效率降低，泥球质量不断增加。

图5 泥球在40%MEG水溶液中的浸泡试验结果

4 结论

1)MEG在泥岩表面有吸附作用，浸泡时间越长，吸附现象越明显。

2)MEG在泥岩表面的膜效率与泥岩含水量、MEG的浓度及浸泡时间有关。泥岩含水量越高，MEG浓度越大，膜效率越高；浸泡时间延长，膜效率降低。

3)在现场泥岩地层使用MEG钻井液时，MEG被大量吸附在井壁，同时井壁在钻井过程中不断被冲刷破坏，吸附在泥饼和钻屑上的MEG不断被带出井底。随着钻井液在井底时间的延长，为保持井壁的膜效率，应有计划地补充MEG，使钻井液中的MEG浓度保持在合适的范围内。

[1] 张克勤，方慧，刘颖，等. 国外水基钻井液半透膜的研究概述[J]. 钻井液与完井液，2003，20(6)：1-5.

[2] 吕开河，邱正松，孙明波. 甲基葡萄糖苷的防塌机理研究[J]. 天然气工业，2007，27(2)：70-73.

[3] 张华辉. 多羟基糖苷防塌剂的合成及性能研究[J]. 海洋石油，2011，31(1)：82-85.

[4] 王军义，王在明，王栋. 甲基葡萄糖甙钻井液抑制机理研究[J]. 天然气勘探与开发，2006 ，29(3)：62-65.

[5] 王彬，樊世忠，李竞，等. MEG水基钻井液的研究与应用[J]. 石油钻探技术，2005，33(3)：22-25.

[6] 张琰，陈铸. 新型抑制性钻井液的研究[J]. 地质与勘探，2000，36(2)：80-84.

Study on Membrane Efficiency Change Law of Alkyl Glycoside in Mud Shale Formation

Lei Zumeng,Zhen Jianwu,Si Xiqiang,Wang Zhongjin

(DrillingEngineeringTechnologyResearchInstituteofSinopecZhongyuanPetroleumEngineeringCo.Ltd.,Puyang,Henan457001)

Membrane efficiency change law of methyl glucoside (MEG) in mud shale formation was studied in an experiment of soaking mud balls in the aqueous solution of MEG. The results of study have shown that MEG can be adsorbed onto the surface of mud shale, and the longer the soak time is, the more evident the adsorption effect is. The membrane efficiency with regard to MEG being adsorbed onto the surface of mud shale is affected by the water content in mud shale, the concentration of MEG and the soak time, the larger the water content in mud shale and the concentration of MEG are, the higher the membrane efficiency is, and the longer the soak time is, the lower the membrane efficiency is.

methyl glucoside; mud shale; semi-permeable membrane; membrane efficiency

2014-06-06。

中国博士后科学基金“钻井液用两性甲基葡萄糖苷的合成及其作用机理”(2012T50641)。 作者简介：雷祖猛，工程师，硕士，从事钻井液体系及处理剂的研发工作。