钻井液用抑制剂研究现状及发展趋势

2024-01-12吴代国

西部探矿工程 2023年12期

吴代国

（大庆钻探工程公司，黑龙江大庆 163413）

1 概述

钻井液也称为钻井泥浆，优质高效的钻井液可以完成深井、长水平段水平井等具有挑战性的钻井施工任务。钻井液的主要功能包括：将钻屑从井筒底部提升到地面、控制井底压力、冷却和润滑钻杆和钻头等井下钻具、在等停期间阻止岩屑沉积、抑制页岩膨胀、稳定裸眼段井壁等。

井筒失稳主要是由页岩的不稳定引起的，因为裸眼井壁中的粘土矿物和水之间有很强的亲和力（这些粘土矿物主要是蒙脱石、绿泥土和高岭石）。此外，页岩中还有不同粒径的粉砂石、方石英、石英和伊利石[1-2]。页岩的粘土成分、结构和颗粒分布等性质，都会影响页岩抑制剂的有效性。因此，选择页岩抑制剂的重要前提是要了解页岩的性质。在不同的地区页岩地层的情况不同：①蒙脱石粘土矿物或富含蒙脱石层的层状页岩地层。这种类型的粘土具有高百分比的蒙脱石；②伊利石粘土矿物或富含伊利石的层状页岩地层。这种粘土在北美页岩气储层中较为常见；③绿泥石粘土矿物；④蛭石粘土矿物；⑤高岭土粘土矿物和具有砂岩透镜体的反应性粉页岩。

页岩地层的性质和对钻井液的影响很难简单地进行概括和分类。每块岩石都是一个独特的系统，具有独特的特性组合。赋含不同粘土地层的矿物成分、结构、颗粒分布、胶结情况和其它地质特性可能会有很大差异。一些岩石/流体相互作用研究表明，某些富含粘土地层的性质符合预期，而另一些地层可能具有非典型性响应。因此，有必要通过室内实验的数据分析来预测井筒失稳情况并调整钻井施工计划。

2 页岩抑制剂的分类及作用原理

钻井液广泛用于各种钻井施工过程中，可分为：①水基钻井液（WBM），细分为分散型水基钻井液和不分散型水基钻井液；②非水基钻井液，俗称油基钻井液（OBM）；③空气或气体钻井液。除了钻井液中不同的连续相外，钻井液还要和适当的添加剂一起使用。

OBM 在高温高压条件下的乳液稳定性较低，影响测井数据。因此，对环境友好的水基钻井液及相应的页岩抑制剂受到了广泛的关注。目前，几乎80%的钻井施工使用WBM，水基钻井液中含有约80%的水相和20%的钻井处理剂。处理剂主要有以下作用：一是防止页岩中的活性粘土与钻井液相互作用引起页岩膨胀；二是提高表观粘度、塑性粘度、动切力等流变性能，这些性能可以保障钻井液在循环、静止以及恢复流动时从井筒中返出岩屑的能力。页岩具有多种多样的地层特性，因此要获得有效的钻井体系配方，需要了解页岩的性质以及页岩与这些流体之间可能的相互作用。

页岩抑制剂是添加到水基钻井液中用以防止粘土矿物水化、膨胀和降解的材料或化学品。与油基体系相比，水基流体更适宜使用页岩抑制剂，因为它们具有更好的成本效益。常规的有机抑制剂有聚乙二醇、聚丙烯酰胺和部分水解聚丙烯酰胺、聚酰胺、黄原胶等。KCl溶液有较好的抑制性，但其在高浓度时有一定的生物毒性，而黄原胶和其他有机添加剂在高温下往往不稳定。目前抑制剂的研究热点集中在非常规页岩抑制剂方面[3-5]。

2.1 无机抑制剂

无机抑制剂主要包括氯化钾、氯化钙和氯化钠等盐类。在这些盐中，氯化钾使用最广泛。盐的消耗或含盐流体被淡水置换会导致所钻探地层发生粘土水合、膨胀和失稳。硅酸盐也属于无机抑制剂，液态和固态硅酸盐在钻井液中已经有很多年的使用历史了。无机盐价格相对低廉，并且在世界各地都容易获得。它们适用的钻井环境较为广泛。它们在各种pH 条件下都具有化学稳定性。然而，大量的无机盐会对生态系统构成威胁。但使用无机盐还会使钻井液可供选择的处理剂种类变少。

2.2 有机抑制剂

有机抑制剂通常被称为粘土稳定剂，最常用的是胺类化合物。有机页岩抑制剂通过一种或多种的阳离子交换机制与页岩发生化学作用，可以进入页岩基质或在页岩表面发生反应。胺基页岩抑制剂对具有高阳离子交换容量的页岩非常有效。但是，部分有机抑制剂在高温和高pH条件下会发生分解，产生令人讨厌的氨气味。根据化学结构，胺类抑制剂可以分为三类：单体、低聚和聚合胺化合物。

2.2.1 单体胺抑制剂

单体胺抑制剂具有简单的结构并具有活性阳离子点位。大多数单阳离子胺页岩抑制剂的页岩抑制水平低于低聚物和聚合物。简单的胺盐也有气味、毒性和稳定性的问题，目前现场已经较少使用了。

2.2.2 低聚胺和聚合胺

低聚胺和聚合胺抑制剂具有简单的结构，但由于存在可吸附在粘土上的多个活性位点，它可以提供比单体胺更持久的稳定性，因此不太容易发生逆转吸附。理论上聚合胺具有多个阳离子活性位点，所以应该具有最佳的抑制性能，但实际情况并非如此。由于聚合胺的高分子特性，它比低聚体具有更低的粘土渗透能力，因此其阳离子位点与粘土层之间的相互作用较少，使得它不如低聚胺有效。此外，市面上有一些其他类型的有机抑制剂，例如纤维素材料、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺、聚酰胺等。

页岩抑制剂还可以根据其环境友好性分为五类，即丙烯酰胺、乙二醇和甘油、胺和亚胺、硅酸盐和生物分子，其中最主要的是有机抑制剂。这些化合物都已在现场应用，并且表现出不同的流变性和滤失性，它们在不同应用环境中也具有各自的优缺点。

2.3 纳米抑制剂

纳米技术在石油和天然气工业中的应用规模正迅速扩大，目前已经成为研究和开发的重要领域。高盐浓度下钻井液流型不稳和环保压力，高温高压下聚合物类抑制剂的失效，促使科研工作者寻找替代方法。纳米粒子(NPs)已被证明可以改善水基钻井液的流变和滤失性。与不含纳米颗粒的流体相比，纳米颗粒可以堵塞微米级孔缝，降低渗透率，从而减少滤失量。由于粒子形态、表面电荷和附着的官能团等多种原因影响，纳米粒子会对钻井液的流体性质产生影响。在钻井液中较低组份含量的纳米粒子存在就可以显着改变微观环境，从而改变宏观的流体特性。例如，由于纳米颗粒的体积小，它们可以堵塞页岩中的细小孔隙，防止流体渗透到地层中。因此，它们有助于封闭页岩中的微裂缝，从而使滤饼变得致密、更薄且不透水。因为颗粒尺寸小，它们在钻井液中减少了磨损作用，从另一个角度提高了润滑性和动能损失。

粘土膨胀的机理可分为三种：①由水分子与粘土硅酸盐层表面上的氧原子氢键键合引起的表面水合；②离子水合，可交换阳离子周围的水合壳可补偿由于粘土晶体中的离子取代而导致的电荷不足；③渗透水合，某些类型的粘土晶粒完全结晶膨胀然后暴露于自由水后开始的水合过程。前两种机制可以称为结晶溶胀。通常，用于测试页岩膨胀的方法也可以用于测试页岩抑制效率。纳米粒子具有优异的化学、物理和机械性能，纳米颗粒与页岩之间的强烈吸附使纳米颗粒很容易被困在微孔和微裂缝中，因此页岩的渗透率会降低，水对页岩的侵入会显著减少，孔隙的堵塞可以最大限度地减少页岩的膨胀并减少裂缝的形成。图1为纳米颗粒的物理封堵示意图。

图1 纳米粒子封堵示意图

纳米抑制剂可以单独使用，也可以分散在其他有机化合物中，用以改善流变性、滤失性和页岩抑制性。表1 总结了部分纳米抑制剂在钻井液中的应用研究情况。

表1 纳米抑制剂在钻井液中应用情况

3 测试页岩膨胀常用的方法

页岩膨胀测试方法的选择取决于页岩特性、可用页岩岩芯样品的数量以及最终的页岩/流体相互作用等因素。由于页岩地层中存在复杂的化学和物理变化，页岩对钻井和流体的响应和行为是复杂的，所以目前仍没有很好的页岩测试方法。

3.1 毛细管法(CST)

该测试用于将不同的页岩抑制剂进行比较，主要是测量粘土浆料通过滤纸的时间。首先，将含有某种抑制剂的粘土分散体置于圆筒内。装有具有特定厚度的滤纸的圆柱体连接到计时器和电极上。监测粘土浆从电极一端穿过游离水到达另一端所需的时间。较高的CST 表明可用的自由水较少，大量保留在粘土矿物中，而低CST表明可用的自由水较多，因此保留在粘土矿物上的量较少。