用于水基鉆井液的頁巖抑制劑研究進(jìn)展

付世豪，桑文鏡，胡棚杰，吳亞迪

(1 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

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用于水基鉆井液的頁巖抑制劑研究進(jìn)展

付世豪1，桑文鏡2，胡棚杰2，吳亞迪2

(1 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100)

鉆井過程中使用的水基鉆井液費(fèi)用低且對(duì)環(huán)境友好，但水基鉆井液是以水作為連續(xù)相，頁巖地層遇水極易水化膨脹，水基鉆井液中的頁巖抑制劑對(duì)井壁穩(wěn)定起著重要的作用。本文主要分無機(jī)頁巖抑制劑和有機(jī)頁巖抑制劑兩大類介紹國(guó)內(nèi)的水基鉆井液抑制劑種類并分析其作用機(jī)理，分別介紹了胺類、瀝青類、聚合醇類、腐殖酸類、無機(jī)鹽類、無機(jī)正電膠類頁巖抑制劑。未來的水基鉆井液頁巖抑制劑向著無毒、無熒光、抗鹽和抗高溫等方向發(fā)展。

水基鉆井液；頁巖抑制劑；頁巖地層；水化膨脹；綜述

1 國(guó)內(nèi)的水基鉆井液頁巖抑制劑發(fā)展?fàn)顩r

從水基鉆井液頁巖抑制劑發(fā)展來看，各種各樣的抑制劑用于處理水敏性頁巖。其中應(yīng)用最早、最廣泛的方法就是使用高濃度鹽，最早研發(fā)的頁巖抑制鉆井液包括氯化鈉鉆井液、硅酸鹽鉆井液、氧化鈣鉆井液，但是這些鹽的使用量大時(shí)，嚴(yán)重影響了生態(tài)系統(tǒng)且配伍性差。在20世紀(jì) 70年代早期，聚合物/氯化鉀鉆井液應(yīng)用較為廣泛，各種聚合物與氯化鉀協(xié)同提高鉆井液的抑制水平。低濃度的部分水解聚丙烯酰胺和氯化鉀就能達(dá)到較好的抑制水平。然而由于抑制不完全導(dǎo)致頁巖表面膨脹，水解丙烯酰胺所產(chǎn)生的氨和殘留的丙烯酰胺單體對(duì)人體也是非常有害的，因而沒有達(dá)到理想效果。20世紀(jì)80年代后期開發(fā)出混合金屬層狀氫氧化物以及胺類頁巖抑制劑抑制黏土膨脹有顯著的效果[1-3]。國(guó)內(nèi)頁巖抑制劑從開始的單一抑制劑到后面發(fā)展的多種抑制劑相互協(xié)同提高了鉆井液的抑制性能，并且在無毒，無熒光，環(huán)境友好，性能穩(wěn)定等方面向前發(fā)展[4]。

2 水基鉆井液各種類型頁巖抑制劑的特點(diǎn)及機(jī)理

2.1 有機(jī)頁巖抑制劑

2.1.1 胺類頁巖抑制劑

為減輕頁巖抑制劑對(duì)于環(huán)境的影響并且提高綜合性能，胺類頁巖抑制劑作為一種頁巖穩(wěn)定劑。它能夠滲透到頁巖基質(zhì)中或者在黏土層的表面進(jìn)行反應(yīng)，其中陽離子交換容量非常大，因此在抑制效果上是非常顯著的。但是這些處理劑在高溫或者堿性較強(qiáng)的環(huán)境下極不穩(wěn)定，為了處理胺類頁巖抑制劑的毒性、氨味、穩(wěn)定性以及整體性能，研制出一系列的胺類頁巖抑制劑。根據(jù)化合物的結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能，主要分為三類：?jiǎn)误w、低聚、高聚胺類頁巖抑制劑[5-6]。

(1)單體胺類頁巖抑制劑(圖1)，這種較小的分子會(huì)進(jìn)入黏土礦物的層間通過陽離子交換機(jī)制降低黏土的水化作用，陽離子胺類頁巖抑制劑可以替換黏土礦物中的鈉離子，以此來降低水進(jìn)入黏土中的可能性。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是要達(dá)到較好的抑制效果，相比較于無機(jī)抑制劑，它的處理會(huì)更加的簡(jiǎn)單。但是大多數(shù)單體胺類頁巖抑制劑的抑制效果并不是很理想,而且在使用中會(huì)釋放出大量的氨氣。因此它在油氣開發(fā)中的應(yīng)用受到了限制。胺類頁巖抑制劑包括像氯化銨、四甲基氯化銨、氯化膽堿以及胺鹽的衍生物，這些都在不同的油氣田開發(fā)中取得了不錯(cuò)的效果。

圖1 單體胺類頁巖抑制劑

(2)低聚胺類頁巖抑制劑(圖2)，它的抑制機(jī)理與單體胺類頁巖抑制劑類似，它們進(jìn)入黏土層間阻止水分子進(jìn)入。但是相比單體胺類頁巖抑制劑，由于它本身帶有兩到四個(gè)胺基，這些官能團(tuán)能夠吸附在黏土層上，它的抑制效果更加穩(wěn)定和顯著，并且合成這種抑制劑更加簡(jiǎn)單[7]。之前研制出的聚醚胺，自身的化學(xué)結(jié)構(gòu)能夠有效的抑制黏土礦物的水化作用。在過去五十年里，各種各樣的低聚胺類化合物常作為頁巖抑制劑使用在鉆井液中。

圖2 低聚胺類頁巖抑制劑

(3)高聚胺類頁巖抑制劑(圖3)，高聚胺類鹽有很多活性很高的胺官能團(tuán)，分子與分子之間形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)附著在黏土表面。但是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)太大，不能有效地滲透到黏土層間。因此，應(yīng)用在水化作用極強(qiáng)的頁巖時(shí)，它的抑制效果并不能達(dá)到要求。毒性、配伍性能差使它的應(yīng)用開發(fā)受到了限制[8]。

圖3 高聚胺類頁巖抑制劑

2.1.2 瀝青類

瀝青是由不同分子量的碳?xì)浠衔锛捌浞墙饘傺苌锝M成的黑褐色復(fù)雜混合物，屬于原油精煉后的殘留物。對(duì)它進(jìn)行一定的化學(xué)處理，可以制成對(duì)頁巖膨脹具有抑制作用的產(chǎn)物。鉆井液處理劑中瀝青類產(chǎn)品包括磺化瀝青、釋烷基化瀝青、陽離子瀝青、乳化瀝青、氧化瀝青及其中一種或幾種與表面活性劑、腐殖酸類等輔調(diào)配成的瀝青摻合物等[9]。瀝青類頁巖抑制劑抑制頁巖遇水膨脹的作用機(jī)理有兩大方式：

(1)以化學(xué)作用為主，此種抑制劑水溶性的物質(zhì)含量較高，水溶性部分含大量電負(fù)性離子，這些帶負(fù)電的粒子通過化學(xué)作用吸附在黏土顆粒或者頁巖的正電荷的邊緣上并與正電荷相結(jié)合，防止自由水進(jìn)入頁巖，抑制黏土膨脹和頁巖分散，少量水不溶性粒子則靠物理吸附或覆蓋作用減少自由水進(jìn)入頁巖，抑制頁巖的分散和坍塌。

(2)以物理作用為主，利用瀝青的軟化點(diǎn)特性即當(dāng)瀝青的軟化點(diǎn)與地層的溫度接近時(shí)，瀝青的水溶性物質(zhì)含量較低，當(dāng)鉆遇頁巖地層時(shí)，若在井筒的正壓力下軟化的瀝青處理劑會(huì)發(fā)生塑性流動(dòng)，嵌入并堵塞不規(guī)則井壁微裂縫隙。在高溫高壓下，瀝青粘附在井壁上形成簿而韌、滲透性小的可壓縮性濾餅而起封堵作用，防止頁巖表面水化和滲透水化,抑制頁巖膨脹、解離和剝落性脫落，達(dá)到護(hù)壁防塌及保護(hù)油氣層的目的。

瀝青的化學(xué)性能不穩(wěn)定，易氧化、磺化和縮合，磺化瀝青是常見的瀝青類處理劑。瀝青與磺化劑發(fā)生磺化反應(yīng)而得到磺化瀝青?；腔癁r青類防塌劑對(duì)水 、酸及堿有很高的穩(wěn)定性。它是通過可溶于水的磺酸基吸附在頁巖晶層斷面上和不溶于水的部分充填空隙、裂縫中阻止頁巖的分散膨脹。現(xiàn)在研發(fā)出的仿磺化瀝青頁巖抑制劑無熒光性，2%的水溶液中無毒，但是相比于與磺化瀝青處理劑的抑制性能略差[10]。

2.1.3 聚合醇頁巖抑制劑

作為頁巖抑制劑的聚合醇包括聚乙二醇、聚丙二醇和聚丙三醇等。該抑制劑是非離子表面活性劑，其溶解度隨著溫度的上升而下降。聚合醇鉆井液具有油基鉆井液的優(yōu)異性能，不干擾地質(zhì)錄井，環(huán)保特性良好，同時(shí)也能明顯地抑制頁巖水化膨脹[11]。國(guó)內(nèi)學(xué)者將其抑制機(jī)理分為三點(diǎn)：

(1)降低活度，即通過滲透作用穩(wěn)定泥頁巖。

(2)吸附作用，聚合醇可在泥頁巖表面強(qiáng)烈吸附，形成吸附層。聚合醇是一種非離子型飽和碳鏈聚合物，其分子主鏈為碳原子，側(cè)鏈上有許多羥基，因此聚合物分子可以與黏土分子形成大量氫鍵，從而降低頁巖分散膨脹的可能性。

(3)濁點(diǎn)效應(yīng)，在常溫的情況下可溶于水，當(dāng)溫度超過一定值之后，聚合醇溶液就會(huì)形成濁狀的微乳液，分子便聚集成塑性的團(tuán)粒。在壓力的作用下，團(tuán)粒便會(huì)擠入地層的空隙和裂縫之中，起到穩(wěn)定井壁的作用。濁點(diǎn)受到鉆井液的酸堿度以及壓力影響較小，它與聚合物的濃度、加量以及電解質(zhì)種類有密切的關(guān)系[12-14]。

2.1.4 腐殖酸類

腐殖酸是一種高分子化合物，無定型，內(nèi)有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)。常規(guī)的腐殖酸主要應(yīng)用于頁巖抑制，它在大自然中儲(chǔ)量豐富，存在于煤炭、泥炭、土壤以及風(fēng)化煤之中。腐殖酸和聚合適當(dāng)?shù)募谆璐荚阡X鹽的催化作用下縮合形成的油基的硅腐殖酸鹽既有腐殖酸類處理劑的降濾失、降粘作用，又有有機(jī)硅類處理劑的抑制性和高溫穩(wěn)定性，對(duì)頁巖的造壁性有顯著的改善。利用氯硅烷改性的腐殖酸制作的抑制劑有很好的分散作用和穩(wěn)定性，可以抑制鉆屑、頁巖膨脹。除此之外，腐殖酸的鉀鹽、高價(jià)鹽以及有機(jī)硅等都可用做頁巖抑制劑[15-16]。

2.2 無機(jī)頁巖抑制劑

2.2.1 硅酸鹽類頁巖抑制劑

硅酸鹽作為頁巖抑制劑在鉆井液體系中應(yīng)用廣泛。它在溶液中以復(fù)雜的聚合物形式存在，硅酸鹽存在三種主要成分，即二氧化硅、氧化鈉和氯化鉀。硅酸鹽抑制作用主要是通過與地層中頁巖發(fā)生作用產(chǎn)生凝膠，并與黏土礦物等發(fā)生膠結(jié)作用封固頁巖而改善提高泥頁巖的膜效率[17]。硅酸鹽鉆井液是具有成膜效應(yīng)的水基鉆井液之一，能有效控制壓力傳遞，穩(wěn)定井壁，其膜效率僅次于油基鉆井液，因此硅酸鹽鉆井液具有良好的井壁穩(wěn)定作用，抑制性能接近油基鉆井液。相比之下，無毒、無熒光且成本低等特質(zhì)，它被認(rèn)為是具有發(fā)展前景的水基鉆井液。最常用的硅酸鹽是硅酸鈉，是由蘇打粉和硅石粉在1000～1200 ℃的條件下進(jìn)行反應(yīng)生成的一種無機(jī)物[18]。

在國(guó)內(nèi)最早應(yīng)用的硅酸鹽鉆井液是1987年川東臥96井的硅酸鉀鈉聚合物鉆井液體系，防塌效果良好，機(jī)械鉆速提高10.8%～21.2%；勝利油田在諸參1井4380～5005 m井段應(yīng)用硅酸鹽鉆井液體系，使鉆井液費(fèi)用降低了50%，井眼穩(wěn)定，防塌封堵、防漏效果好，井徑擴(kuò)大率僅為15%。在國(guó)外20世紀(jì)30年代開始使用硅酸鹽體系，由于流變性難以控制而失敗，直到1994年BW和MobilNSL在北海使用成功[19-20]。

2.2.2 鉀、鈣、鈉等離子無機(jī)鹽頁巖抑制劑

無機(jī)鹽頁巖抑制劑通過在黏土表面進(jìn)行陽離子交換的機(jī)制能夠有效地抑制黏土膨脹。它可以運(yùn)用到很多復(fù)雜的地層環(huán)境中，比如高溫、高壓等復(fù)雜情況。但大量的使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染，而且在鉆井過程中，無機(jī)鹽與鉆井液體系中的其他添加劑配伍性差[21]。

鈣離子頁巖抑制劑主要指的是氯化鈣。對(duì)頁巖水化膨脹起到抑制作用的鈣離子會(huì)壓縮黏土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層，使水化膜變薄，ζ電位下降，從而引起黏土鏡片面—面和端—面聚結(jié)，造成黏土顆粒分散度下降，其次鈣離子和鈉離子進(jìn)行交換，將鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土。鈣土水化能力弱，分散度低，會(huì)使整個(gè)鉆井液體系的分散度明顯下降，轉(zhuǎn)化的程度取決于黏土的陽離子交換容量和濾液中鈣離子的濃度[22]。

2.2.3 無機(jī)正電膠頁巖抑制劑

傳統(tǒng)水基鉆井液體系都是帶負(fù)電的黏土一水分散體系,鉆井液中處理劑多為陰離子型，而無機(jī)正電膠(MMH)在鉆井液中迅速分散溶解并與溶液中帶負(fù)電的黏土顆粒相結(jié)合形成正電膠鉆井液體系。鉆井液體系性能與鉆井液中黏土含量和MMH含量存在密切的關(guān)系，其溶液對(duì)黏土有極強(qiáng)的抑制作用，在鈣蒙脫土中，1%的MMH正溶膠的抑制性大于10%的氯化鉀的溶液，抗溫可達(dá)到233 ℃，抗鹽可達(dá)到飽和[23]。

3 結(jié) 語

自21世紀(jì)初以來，國(guó)內(nèi)外對(duì)頁巖氣的開發(fā)的重視程度越來越高，出現(xiàn)了一大批抑制性優(yōu)異的鉆井液處理劑。其中頁巖抑制劑為水平井、超深井、復(fù)雜井的開發(fā)展現(xiàn)出了更美好的發(fā)展前景，與此同時(shí)，單單只是抑制性強(qiáng)的處理劑已不能滿足鉆井要求。無毒、抗鹽、無熒光、抗高溫、環(huán)境友好、配伍性好、適應(yīng)pH值寬等要求是未來頁巖抑制劑發(fā)展的方向。

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Research Progress on Shale Inhibitor Used in Water-based Drilling Fluid

FUShi-hao1,SANGWen-jing2,HUPeng-jie2,WUYa-di2

(1 College of Earth Sciences, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100; 2 College of Earth Sciences,Yangtze University, Hubei Wuhan 430100, China)

Water-based drilling fluid costs less and it is friendly with environment when drilling, but water is the continuous phase in water-based drilling fluid, and shale formation will expanse easily if it meets with water, shale inhibitor used in water-based drilling fluid plays an important role in well stable. Many kinds of water-based drilling fluid shale inhibitor in China were mainly introduced and shale inhibitor mechanism was analyzed. Including inorganic and organic shale inhibitor, amines, kerite, polyol, humic substances, inorganic salt and inorganic MMH class shale inhibitor were introduced, respectively. In the future, water-based drilling fluid shale inhibitor will develop toward non-toxic, non-fluorescence, resistance to salt and high temperature, and so on.

water-based drilling fluid; shale inhibitor; shale formation; hydrate swelling; abstract

付世豪(1995-)，男，專業(yè)方向?yàn)橛吞锘瘜W(xué)。

TE254 3

A

1001-9677(2016)024-0018-03