页岩抑制剂的抑制机理及研究进展

张卫东，韩磊，王富华，蓝强，朱海涛，杨海荣，赵清源

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛 266580；2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257000）

0 引言

页岩储层占所钻地层的75%，导致了90%的井壁失稳问题，且页岩储层往往作为常规储层的盖层，因此即使是在常规油气资源的钻探过程中，也有很大概率钻遇页岩储层[1-2]。页岩储层黏土含量较高，因黏土成分、晶体结构、孔隙度和裂缝发育状况不同而呈现不同程度的水敏性，与水接触时，黏土矿物极易发生水化膨胀和分散[3]。黏土水化一般有表面水化、离子水化和渗透水化。表面水化是黏土与水在短距离范围内相互作用，这个距离约为1 nm。尽管表面水化导致的黏土矿物膨胀量不大，但是在狭小空间（微裂隙、微裂缝）中表面水化的膨胀压极大，约为4～400 MPa，该值远远高于钻井液所能提供的静液柱压力[4]，这也就能解释不含水敏性矿物（蒙脱石）的页岩地层也会发生严重垮塌的现象。为了抑制黏土水化，多年以来，油基钻井液一直是页岩油气钻探的首选，但是成本过高和日益严峻的环保问题限制了其应用。寻找高性能的、可替代的水基钻井液成为了油田工作者需要迫切解决的问题。

水敏性矿物蒙脱石和非水敏性矿物伊利石的结构非常相似，不同处在于伊利石的晶格取代主要发生在晶层表面的硅氧四面体中（约有1/6 的硅原子为铝原子取代），补偿电价的可交换阳离子主要为K+（蒙脱石的可交换阳离子为Na+、Ca2+）。钾离子直径（0.266 nm）与硅氧四面体片中的六方网格结构的内切圆直径（0.288 nm）相近，使它易进入网格结构中抑制黏土水化膨胀。为了最小化黏土膨胀和水化作用，往往需要高浓度的钾盐，浓度从2%到37%不等[5]。基于以上认识，自20 世纪60 年代以来，高浓度钾盐页岩抑制剂在许多页岩地层中得到了广泛的应用，但是这种高浓度钾盐的使用会对环境产生不利影响，导致处理成本高，且因为高浓度钾盐存在的毒性、高温失水失控以及腐蚀性等问题，迫切需要找到新的抑制产品[6]。黏土颗粒的端面和表面均带负电，基于此考虑，研究人员开发出了阳离子型表面活性剂作为页岩抑制剂。其抑制机理：通过起活性作用部分的阳离子在页岩表面吸附，中和页岩表面的负电性并使页岩表面反转为亲油表面而起到稳定页岩的作用。但是因为用量过大导致成本过高及工程处理难度大，使其很难得到广泛应用。

从寻找更加高效、环保以及成本方面进行考虑，国内外专家们进行了大量胺类页岩抑制剂的研究。此外，随着新材料以及工艺水平的提高，纳米材料、生物分子、离子液体等也被用于页岩抑制剂的研究，提供了页岩抑制剂发展新思路。

1 胺类页岩抑制剂

1.1 离子型胺类页岩抑制剂

离子型胺类页岩抑制剂分为阳离子胺类抑制剂和两性离子页岩抑制剂。

阳离子胺类分为一价阳离子胺类、阳离子化胺类和聚合物季胺类。从考虑减少氯离子质量分数出发，一价阳离子胺（铵）盐的阴离子可以是醋酸根、磷酸根或甲酸根离子。其抑制机理与钾盐的抑制机理相似（的水合尺寸（0.286 nm）与K+（0.266 nm）相近），一价阳离子胺类所提供的NH4+的水化能较低，其被黏土吸附后，促使黏土晶层层间脱水，使晶层受到压缩，且离子直径与硅氧四面体氧原子六角环网络的直径相当，可以嵌入此网络中依靠离子的晶格固定作用，形成类似伊利石的紧密结构，阻止水分子进入晶层，从而抑制黏土水化。但这类胺盐的热稳定性差、气味强烈（碱性条件下易释放出NH3）、毒性强，很难广泛应用。为了提供更多的阳离子吸附点，达到长久稳定页岩的目的，1989 年国外已开始了聚合物季胺类的研究，早期的Amoco 研究将聚（二甲胺-co-环氧氯丙烷）应用于北部海洋地区的一系列钻井中。与一价阳离子胺类、阳离子化胺类的抑制机理不同，由于分子量较大，聚合物季胺类不能像阳离子化胺类穿透进入黏土层间，其只能吸附在黏土表面。抑制机理是：通过其活性作用部分的阳离子在页岩表面吸附，中和页岩表面的负电性以及在黏土间通过桥接吸附起到稳定页岩的作用。

与阳离子胺类页岩抑制剂相比，两性离子聚合物含有阴阳两种离子，具有更好的水化作用。其抑制机理是阳离子基团可以中和黏土晶层表面的负电荷，进而吸附在黏土表面，一定程度上阻止黏土表面与水分子的接触。而某些阴离子单体可以提高分子链的刚性，从而提高抑制剂的抗温抗盐性能。比如李伟等[7]研制的两性离子页岩抑制剂NMHC 中阴离子单体中含有苯环，使得聚合物分子链的刚性以及侧链尺寸得到增加，从而提高了抗温性能。两性基团的排斥作用也会进一步提高产品的溶解度。

1.2 聚氧丙烯二胺页岩抑制剂

聚氧丙烯二胺（SDA）水溶液为弱碱性，胺基氮原子上的电子云极易接受质子而呈正电性，甚至在水中也部分抢夺质子使水溶液而呈碱性。Greenwell H C 等[8]认为，一部分聚胺以自由胺基（—NH2）的分子形式插入黏土层间，另一部分聚胺以铵离子（—）的质子化形式插入黏土层间。与离子型胺类页岩抑制剂相比，SDA 在加量很少的情况下就可以最大限度地抑制黏土水化，且与阳离子型抑制剂（以NW-1 作为对比实验）相比，黏土颗粒电荷的变化温和，加入到钻井液体系中不会因为电性突变导致配伍性问题。

1.3 膦化胺类页岩抑制剂

实际钻井过程中，黏土矿物含量低于25%的井壁也会发生严重坍塌。说明黏土矿物不稳定不是泥页岩井壁失稳唯一的因素。Zare M R[9]等测试过不含黏土矿物的人造页岩在水和液体正十六烷中稳定存在的时间，结果显示该正十六烷液体中稳定存在的时间是水中的60 倍以上，证明极性溶液水容易破坏人造页岩颗粒之间的氢键联结。

从增强泥页岩颗粒接触点的氢键联结稳定性考虑，张艳娜等[10]合成了膦化胺类页岩抑制剂PAI。PAI 试剂存在的孤对电子，可以填充到氢键中氢原子的空轨道中，形成共价键，进而提高泥页岩在水中的稳定性。Zeta 电位分析的结果也证实，PAI 自身的孤对电子和膨润土晶体形成配位键，抑制了膨润土的水化分散作用。

1.4 聚醚胺类页岩抑制剂

低分子质量的聚胺，其水溶性一般都比较好，但对于高分子质量的聚胺，就需要额外考虑其试剂的水溶性，基于此，学者们开始了聚醚胺类页岩抑制剂的研究。一般来说，聚醚胺是一系列由氨基封端的聚合化烯烃化合物，属于胺类低聚物。醚键的存在，除了增强胺类化合物的水溶性之外还，可以消除胺类化合物中因为碳链稍长而引起的毒性问题，增强对泥页岩的抑制作用。

张克勤等[11]进行了醚乙二醇聚氨类页岩抑制剂的研究。醚乙二醇聚胺类也叫新胺盐技术，具备成膜作用。其抑制黏土水化的主要机理是束缚作用，通过其独特的分子结构，充填在黏土层间，将黏土颗粒束缚在一起，减少吸水倾向；另一部分质子化的胺分子通过金属阳离子吸附在黏土表面或者进行离子交换取代金属阳离子。通过泥页岩的成膜实验可以观察到其岩心端面分离出来清晰的聚合物膜。

聚醚胺类页岩抑制剂的设计需要考虑到相对分子质量、疏水基团与亲水基团比例、抗高温性能。醚键的存在可以一定程度上增加聚合物的水溶性，考虑到聚胺需要进入黏土晶层才可以更好地发挥抑制作用，因此设计的含有活性胺基的聚合物的相对分子质量不可以过大。含有醚键的SIAT 胺基化合物拥有良好的抑制作用，除了聚醚胺类页岩抑制剂中胺基的吸附作用外，还有就是其相对分子质量不超过1000，能嵌入黏土片层，阻止水分子的进入，破坏黏土的水化结构，性能比较好的还有PF-HAB聚醚胺类化合物。国外应用比较好的有EDR148（NH2（CH2CH2O）2CH2CH2NH2）和D230（NH2（CH（CH3）CH2O）2.5CH2CH（CH3）NH2）（均为工业级小分子聚醚胺类页岩抑制剂）。对于EDR148 来说，—CH2CH2—的疏水能力很强，提高了抑制性的同时，恶化了滤失性能，相比来说D230 的性能更为优越。

因为醚键的存在，聚醚胺类页岩抑制剂的抗高温性能较差，限制了其在高温井下的使用。张馨等[12]为满足超高温深井钻井工程的需要，研选了一种新型的超高温页岩抑制剂HT-HIB。该分子结构与聚醚二胺类似，端部含有两个胺基，但分子链为刚性的环烷基，抗高温达到220 ℃。郝彬彬等[13]以低相对分子质量的聚醚胺类聚合物和非离子的线性嵌段聚合物组成了抗高温的ATROL高性能页岩抑制剂。

1.5 超支化聚乙烯亚胺类页岩抑制剂

相比于聚醚胺类页岩抑制剂等线性聚合物，超支化聚合物由于其独特的分子特征和性能受到了科学界和工业界的普遍关注，研究表明，阳离子超支化聚合物在黏土絮凝方面更有独特的优势。从絮凝黏土方面考虑，宣扬等[14]由聚乙烯亚胺开环聚合生成具有超支化结构的水溶性聚胺（该类高效页岩抑制剂能够用于高性能无土相水基钻井液中）。低相对分子质量聚乙烯亚胺（相对分子质量700）通过离子交换作用进入膨润土晶层，依靠—NH3+的水化自由能抑制膨润土的表面水化和晶层膨胀。高相对分子质量聚乙烯亚胺（相对分子质量达到75 000），此时较长聚合物分子链和特殊的超支化结构能同时吸附在多个膨润土晶粒表面，通过架桥作用抑制晶层膨胀。低相对分子质量的聚乙烯亚胺抑制剂与阴离子处理剂的配伍性更好，更适用于高性能无土相水基钻井液。

树枝状聚合物是指具有完美树枝形状的大分子，具有缺陷的树枝状聚合物称之为超支化聚合物。对于树枝状聚胺，可由胺与丙烯腈不断反应再加氢还原制备，比如聚丙烯亚胺。1978 年，Voltgle[15]首次合成了树枝状聚合物。在2013 年的SPE 中东油气展览会议上，Amanullah[16]对树枝状聚合物在提高泥页岩井壁稳定方面进行了系统介绍。其应用潜力主要表现在以下几个方面：降低钻井液与泥页岩的作用，提高泥页岩膜效率，提高抑制时效性，阻缓或者消除压力传递和随钻井眼强化。

1.6 其他新型胺类页岩抑制剂

学者们开始着眼于分子结构、低分子质量、抗高温、亲和性或官能团组合等方面研制其他新型胺类页岩抑制剂。Zhang J 等[17]以有机二酸和小分子胺为原料合成了多胺型泥页岩抑制剂。与传统聚胺抑制剂相比，可以通过控制酸与胺的比例调整抑制剂中质子化胺的数量，增大质子化胺的数量，来提高黏土层间的束缚能力，显示出良好的抑制性能。此外，还有通过引入硅烷偶联剂单体KH-570 得到的抗高温有机硅-胺类抑制剂PKDAS[18]，在黏土颗粒的吸附量更大，PKDAS 水化后携带大量硅烷基，通过缩合反应生成Si—O—Si 键后可在层间形成众多吸附点。Zhong H 等[19]依据分子结构设计，优选出一种两亲性低分子多胺BHTA，分子中不含有易水解的酯键和容易氧化的醚键，抗温性能有所提升，温度达到200 ℃时，依然保持良好的抑制作用。主要通过质子化铵离子与黏土表面的氧原子形成氢键作用，由于其多胺结构的特点，与国外Ultrahib 相比，抑制性能更加明显。多胺和十二烷基二羟乙基胺氧化物吸附到页岩表面增强疏水性，且对于伊利石含量较高的页岩的表面水化也有较强的抑制性能。以小分子抑制剂-月桂酸-二乙烯三胺产物、油酸-四乙烯五胺产物的聚合糖钻井液体系有显著的提黏作用，钻井液的表观黏度提高2～3倍。上述新型的胺类抑制剂（相对分子质量较小）一般采用的都是单层插层进入黏土层间，通过吸附作用，降低黏土的水化，进入的胺基通过静电吸引和形成氢键来抑制黏土分散。低分子质量、环保无毒、抗高温是大多数新型胺类抑制剂的特点，但是资料中对于与其他处理剂配伍性的研究比较少。

2 离子液体页岩抑制剂

离子液体是熔融温度较低的有机盐，离子液体由各种阳离子合成，包括铵、咪唑、哌啶和吡咯烷酮，如溴化物、氯化物和四氟硼酸盐等[20]。离子液体由于其独特的性质，如离子电导率、低蒸气压和特定的溶解能力，具有许多工业应用。学者们已经开始用离子液体代替氯化钾和二甲基氯化铵，以抑制页岩膨胀分散。

Berry 等人（2008 年）首次提出离子液体(ILS)取代传统抑制剂的有效页岩抑制剂。Yang L 等[21]研究了单体1-乙烯基-3-乙基咪唑溴化铵及其聚合物在水基钻井液中对页岩渗透性能的影响。实验测定得到页岩抑制剂VeiBr 的溶胀率（68.6%）低于EPTAC 和氯化钾，显示出良好的抑制性能。单体和聚合物离子液体都有疏水侧链和亲水骨架，但后者可以利用其较大的分子量包裹黏土矿物，在黏土矿物周围形成疏水屏蔽[22]，近一步提高了抑制性能。Luo Z 等[23]在240 ℃的高温下，在极低的浓度（0.05%）下，测试了一种高热稳定的离子液体的流变性和HTHP 过滤性能，进行了插层、润湿性、流变性、毛细管吸力时间和过滤等实验研究。研究发现离子液体分子的亲水部分附着在离子液体的带负电荷层上，起到阻隔水与黏土相互作用的作用。总的来说，离子液体是一种新的页岩抑制剂，近年来开始用于页岩储层，以防止页岩地层的水化和膨胀，与传统的页岩抑制剂相比，离子液体在深井或超深井钻井过程中具有更高的效率和热稳定性。离子液体的多样性使它们成为一种优越的页岩抑制剂，因为独特的分子结构在钻井中充当水的绝缘体，离子液体在水基钻井液中的存在可用于更好的井筒稳定性和保持地层完整性。

3 纳米复合材料类

纳米材料凭借自身的尺寸小、比表面积大、吸附能力强和表面反应活性等特点，可以通过物理吸附堵塞纳米孔，防止水侵入黏土矿物。但是，纳米二氧化硅等无机纳米材料具有较强的自聚集倾向，直接影响了其在水基钻井液中的分散。基于此，Shervin T 等[24]研究了硅铝纳米钻井液体系，作为替代KCl/聚合物钻井液体系的一种方案，该体系减缓了纳米材料的自聚集倾向，具有其他抑制剂无法达到的机械和化学抑制作用。Mukaila A 等[25]设计了活性炭基接枝丙烯酸聚合物，称为C—g—AA—NH2。材料中纳米碳颗粒的存在有助于抑制水与页岩相互作用，且材料具有优异的耐温性。SEM 观察到C—g—AA—NH2与黏土表面相互作用，使得黏土结构收缩，形成聚合物膜。C—g—AA—NH2接枝聚合物中的—OH 和—NH2接枝聚合物部分与黏土表面形成氢键，同时，中心的碳纳米粒子参与封堵纳米微孔，进一步阻止水侵入黏土。含有特殊配方纳米添加剂的纳米钻井液可以通过增稠钻井液中的水、堵塞页岩中的孔隙来抑制页岩水化膨胀、分散。研究发现，含有纳米材料的钻井液具有降低井筒不稳定性的能力。Yu xiu 等制备了化学修饰的石墨烯纳米颗粒，并测试了其作为页岩抑制剂的有效性，与常规情况下，与10%作为有效抑制剂的纳米二氧化硅相比，乙二胺修饰石墨烯（EDA—G）在碳含量为0.2%的浓度下就表现出较好的抑制与封堵性能。Suri 等认为，为了架桥堵塞孔洞，纳米材料的粒径不应大于孔道的三分之一。纳米钻井液的页岩抑制机理主要是：纳米颗粒足够小，可以穿透并封闭页岩中的孔隙喉道，并形成内部泥饼，从而减少流体对页岩的渗透。Jiang G 等[26]合成了超双亲纳米流体(SAN)，SAN是球形，直径约为100 nm，可以构建微纳米结构,由于颗粒表面具有特殊的结构和官能团（全氟辛基），SAN 可以改变页岩表面的润湿性，并将毛细管力从吸引力逆转为排斥力，从而抑制水分子进入黏土片层。未来，对于纳米材料类抑制剂的研究也可以作为一个重点方向。

4 其他页岩抑制剂

4.1 聚合醇类页岩抑制剂

传统页岩储层应用的油基钻井液和钾盐体系环保压力大，阳离子体系成本过高和配伍性差。大量的国内外实践表面，聚合醇体系在复杂地质条件和环境敏感地区使用具有明显的技术优势。聚合醇类页岩抑制剂抑制黏土水化的作用机理主要表现在高于浊点温度时的封堵作用和低于浊点温度时的吸附作用。封堵作用：当低于一定温度是水溶性，但高于此温度时从水中析出乳化液滴，形成的乳化液滴起封堵作用，阻止流体侵入和钻井液压力渗透，达到稳定页岩的目的。吸附作用：聚合醇在黏土上的吸附能力大于水与黏土的吸附作用，可以优先吸附在黏土矿物表面。当温度低于浊点温度时，其抑制机理是：一方面是聚合醇分子中极性较强的—OH吸附在黏土表面形成分子层，聚合醇结构中的—CH3和碳环内的碳暴露在分子层中朝向井眼方向，形成憎水性的分子膜，阻止液相渗入岩石内部；另一方面聚合醇分子还可以进入黏土片层之间，通过与片层之间的相互作用减缓水化。

4.2 聚赖氨酸页岩抑制剂

钻井实践告诉我们，在非膨胀性的高岭石和伊利石的页岩同样会发生井壁失稳现象，由此可以看出，黏土的水化膨胀不是井壁失稳的唯一原因。Wilson 等[27]认为泥页岩失稳的机理，是由于泥页岩孔隙表面原本由于低压作用而相互交叠的黏土扩散双电层间斥力的释放。基于Wilson 的失稳理论，宣扬等[28]认为一种有效的页岩抑制剂并不一定需要嵌入黏土晶层，而更重要的是能够吸附在泥页岩微孔隙/裂缝表面并极大程度压缩暴露在微孔隙/微裂隙外表面的黏土扩散双电层，且分子量不能过高。应用可降解的氨基酸（L—赖氨酸）作为聚合单体，制备出来一种低分子量聚赖氨酸作为环保高效型页岩抑制剂。聚赖氨酸页岩抑制剂的主要抑制机理在于可以有效中和泥页岩膨润土表面负电荷，降低Zeta 电位，但是却又不会使得电性反转，从而最大限度地压缩扩散双电层，使得泥页岩不易分散。聚赖氨酸页岩抑制剂的出现，对于不含水敏性矿物（蒙脱石）的易坍塌地层，提供了一种新的思路。

4.3 生物分子页岩抑制剂

源于自然资源的页岩抑制剂，通常被称为生物抑制剂（具有天然的环保优势），由于其优异的溶胀抑制作用，近年来受到学者们的重视，它们的溶胀抑制机制和影响是由于独特的官能团，使它们能够有效地防止黏土矿物的渗透和分散。海纳提取物是从海纳植物中获得的一种非离子型植物基表面活性剂，称为鱼腥草。研究发现海纳提取物在水基钻井液中具有良好的相容性和润滑性能。Moslemizadeh A 等[29]研究了海纳提取物在28～105 ℃温度范围内72 h 的膨胀抑制特性，发现其显示出良好的抑制性能。Barati 等[30]研究了马尾草，这种草本植物的几个部分提取物含有几种矿物质，如硅酸、硅酸盐、钾和钙以及有机类黄酮、葡萄糖苷、生物碱和皂苷等化合物。马尾提取物的抑制机制主要取决于有机复合物，并强调了富含黄酮类化合物的活性羟基离子能够形成稳定的氢键，与黏土表面的氧原子结合，从而减少了水的吸附。到目前为止，关于页岩生物抑制剂的研究还很少。生物分子抑制剂有大量的植物和动物化合物的来源，基于此可以进一步探索，以获得更多高效的生物分子页岩抑制剂。

4.4 多糖类页岩抑制剂

乙基葡糖苷分子中，C—C 键和C—O 键键能增加，具有不错的抗温性能。基于以上的认识，赵素丽等[31]制备得到乙基葡糖苷页岩抑制剂。相比较普通的页岩抑制剂，研究表明，乙基葡糖苷是非离子型表面活性剂，钙、盐对它性能的影响很小，可以在高矿化度的地区使用。壳聚糖（CS）是一种可生物降解、无毒、水溶性的多糖，经酰氯疏水和胺基化得到阳离子产物。疏水改性阳离子壳聚糖（HMTC），改性壳聚糖的阳离子电荷有助于强结合黏土的带负电荷的层间空间，由于其疏水特性而消除了水，抑制了页岩膨胀[32]。葡萄糖接枝共铵（GGPA）通过氢键在黏土表面的强吸附和疏水作用[33]，来抑制黏土膨胀。

除了上述的页岩抑制剂，蒋官澄团队[34]通过实验发现碱金属油基硅酸盐类的另一个成员——甲基硅酸钾的页岩抑制性明显高于甲基硅酸钠，其强抑制性的主要来源是钾离子和甲基硅酸根阴离子的协同作用。从对泥页岩膜效率和钻井液水活度影响考虑，吕开河[35]等以淀粉为原料合成了甲基葡萄糖苷（MEG）。一般来说，钻井液的水活度越少，经渗透作用进入地层的水越小，越有利于井壁稳定。甲基葡萄糖苷抑制机理主要是通过提高泥页岩膜效率及降低钻井液水活度，在钻井液/泥页岩体系间产生有效的渗透压，通过渗透作用降低钻井液中的自由水方式，加大水进入黏土层间的难度，从而抑制黏土颗粒的水化膨胀、分散，但是需要高浓度的甲基葡萄糖苷才能达到足够的效率，带来不少的成本压力。

5 页岩抑制剂抑制效果评价方法

页岩滚动分散实验、抑制膨润土造浆实验和线性膨胀实验是评价页岩抑制剂最常见、最简单有效的方法。此外，还有其他方法用来评价抑制效果和机理研究。⑴页岩颗粒崩散实验：通过测定页岩样品在不同抑制剂溶液中崩解时间，来评价抑制效果；⑵层间间距测量：XRD 分析是通过测量材料的层间距来判断材料的抑制性能；⑶毛细管吸收时间测试：测定滤液在一特种滤纸上从一电极渗滤到另一电极所需时间为CST 值。这个时间越长说明页岩的分散性越强，经过抑制剂处理后，时间越短，抑制性能越好；⑷扫描电镜实验：SEM 是对页岩样品进行高分辨率放大的重要仪器，可以通过观察处理前后样品的微观特征来判断抑制剂的抑制效果；⑸阳离子交换容量：阳离子交换容量是评价泥页岩在水中活性的依据，即可判断泥页岩中黏土矿物的性质、类型及水化强弱，阳离子交换容量越高，表示其水化膨胀分散性能越强；⑹分光光度分析法：测定黏土矿物在不同浓度页岩抑制剂溶液中对页岩抑制剂的吸附量；⑺密度法测定交替率：密度的变化来确定页岩的水化分散情况；⑻粒度分析：测定膨润土或钻屑在钻井液及处理剂浸泡的粒度分布；⑼岩粉压片浸泡膨胀测定：用泥页岩膨胀仪测定；⑽压力传递实验：泥页岩具有半透膜的性质，考察页岩抑制剂对页岩渗透性的影响；⑾Zeta 电位测定：Zeta 电位值的降低说明黏土的水化分散受到抑制；⑿接触角的测定：反映润湿性的变化，润湿性越小，越疏水，抑制水化膨胀能力越强。近年来，又出现了一些新的评价方法。①屈曲硬度测试：测定页岩岩样经不同抑制剂溶液作用后的硬度变化，钻屑越硬，扭矩读数越大，抑制性越强；②黏附聚结实验：主要考察实验用模拟棒与钻井液滚动过程中的钻屑黏附程度；③钻屑耐崩散实验：与传统的热滚分散实验类似，但其实验环境更能模拟钻屑在井眼中的实际情况；④激光后向散射技术：通过监测不同抑制剂随时间对每个页岩样品的CLD（颗粒粒径分布），以研究不同介质条件下的反应性样品和典型页岩抑制剂在此过程中的作用[36]。

6 页岩抑制剂的研究展望

页岩抑制剂抑制页岩水化膨胀、分散的方法总的来说包含物理和化学2 个方面。物理方法主要是通过对页岩微裂缝、微裂隙的封堵，阻止压力传递，阻止裂缝的扩张，从而达到抑制效果。化学方法主要是黏土层间离子交换、降低Zeta 电位压缩双电层、页岩表面进行润湿反转以及架桥吸附等来抑制页岩的水化膨胀分散。各类页岩抑制剂大多数都是从这两个方面来对抑制性能进行优化发展的。

未来，由于愈加严格的环保压力，以及钻井行业逐渐走向更深、更复杂的地层。对于页岩抑制剂的研发提出来更高要求，为了实现生物降解性，应该探索由天然分子组成的抑制剂，这一探索需要深入了解生物降解材料的特点，如热稳定性、流体稳定性以及钻井液中添加的有效浓度，以及评价任何对环境的潜在风险。总体来说，一种优良的页岩抑制剂应该具有以下特点：①应是一种水溶性的大分子，其结构具有明显的疏水和亲水部分，亲水区有助于将分子与黏土表面结合，而疏水区有助于破坏水的氢键结构，阻碍水进入黏土片层；②有能力用一些疏水的阳离子代替水合的层间阳离子，比如铵离子代替钠离子；③应具有分散良好的多个阳离子官能团，支持抑制剂与黏土层的硅氧烷基团结合，显著减少黏土的膨胀[37]。这些是设计页岩抑制剂的关键性能指标，对于高温井，还必须考虑试剂的耐高温性能（离子液体具有高的稳定性，耐温可达300 ℃，且抑制性能比较优异）。为了更好地改善页岩抑制剂的性能，还可以考虑2 种或2 种以上试剂的协同效应。未来页岩抑制剂的开发除了满足钻井的需求，更重要的是对环境无害甚至是有益于环境。页岩抑制剂的使用应该使得勘探开发成为一个更可持续、更绿色的过程。