硅酸鹽／聚乙烯醇抑制性能研究

張宇睿 萬里平 馬晨洮 舒小波 李 皋 朱 利

（西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室）

泡沫流體作為低密度鉆井流體技術(shù)的一種，具有靜液柱壓力低、漏失量小、攜巖攜水能力強、對油層損害小等特點，能有效地解決日益加大的低壓低滲地層和油田開采后期所存在的漏失問題和儲層保護(hù)問題［1－6］。雖然泡沫流體在穩(wěn)定井壁方面具有積極作用，但是隨著鉆井時間的增加，泡沫基液不斷侵入泥頁巖地層，會引起泥頁巖力學(xué)參數(shù)和井壁穩(wěn)定性發(fā)生變化，最終導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。目前，解決泡沫鉆井井壁失穩(wěn)的主要辦法是添加化學(xué)處理劑。針對這一問題，室內(nèi)優(yōu)選了硅酸鉀／聚乙烯醇抑制劑，通過不同的實驗方法評價了硅酸鉀／聚乙烯醇的抑制性能，并探討了其抑制作用機理。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

實驗樣品：硅酸鉀（阿拉丁，28%（w）溶液）、聚乙烯醇、氫氧化鈉、新疆中非夏子街膨潤土（中非夏子街膨潤土有限責(zé)任公司）、AES、XC。

實驗儀器：變頻滾子加熱爐BGRL－5、泥頁巖硬度測試儀、泥頁巖自吸測試儀、Innov－X Terra便攜式X射線衍射儀（功率85～90W，X射線管功率10 W，Cu靶，XRD分辨率0.25°，2θ范圍5°～55°）、六速旋轉(zhuǎn)黏度計、離心機、Waring－Blender 7012S攪拌機。

1.2 實驗方法

抑制膨潤土造漿［7］的測試步驟為在300mL待評價液體中加入6g新疆中非夏子街膨潤土，在80℃滾子爐中恒溫滾動16h后，測試該溶液的表觀黏度。然后在此溶液中再加入6g新疆中非夏子街膨潤土，在80℃滾子爐中恒溫滾動16h后，再次測試該溶液的表觀黏度，如此反復(fù)，直到溶液的黏度太大而不能進(jìn)行測試為止。

滾動回收率的實驗步驟為：①取6～10目50g干燥巖樣裝入盛有待測液體的高溫罐中，在80℃滾子爐中恒溫滾動16h，取出高溫罐，冷卻至室溫；②在40目分樣篩上傾倒出罐內(nèi)的所有液體和巖樣，并用自來水濕式篩洗1min；③在105℃的鼓風(fēng)恒溫箱中對篩余巖樣烘干4h，取出冷卻，并在室溫靜置24h后稱量，計算滾動回收率。

2 硅酸鉀／聚乙烯醇抑制性能評價

2.1 泥頁巖自吸實驗

泥頁巖自吸水是泥頁巖黏土水化的必備過程，通過自吸作用，水溶液不斷侵入泥頁巖地層內(nèi)部，擴大泥頁巖水化范圍，從而加劇了泥頁巖水化的進(jìn)程。因此，有效地降低泥頁巖地層的吸水速度是維持泥頁巖井壁穩(wěn)定的先決條件。室內(nèi)采用泥頁巖自吸評價儀分別評價了泥頁巖壓制巖樣在清水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%PVA溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%硅酸鉀溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%PVA＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%硅酸鉀溶液中吸水量隨時間的變化情況，實驗結(jié)果見圖1。從圖1可看出，聚乙烯醇與硅酸鉀均能顯著降低泥頁巖自吸水的作用，當(dāng)兩者相互復(fù)配時，其作用效果更為顯著。通過降低泥頁巖自吸水的速度，可大范圍降低水溶液侵入的深度，從而顯著降低泥頁巖的水化速度，進(jìn)而達(dá)到維持井壁穩(wěn)定的作用。

2.2 抑制膨潤土造漿測試

膨潤土抑制性測試是評價泥頁巖抑制劑抑制性能的最簡單方法。通過該方法，可以測定出一定量的某種泥頁巖抑制劑所能處理的最大膨潤土量。室內(nèi)分別稱取不同加量的膨潤土置于清水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%PVA溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%硅酸鉀溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%PVA＋質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%硅酸鉀溶液中，測定經(jīng)80℃熱滾16h后，不同溶液表觀黏度的變化，實驗結(jié)果見圖2。從圖2可看出，PVA與硅酸鉀均能起到抑制泥頁巖水化的作用，但硅酸鉀的抑制作用明顯強于PVA。同時，PVA與硅酸鉀的復(fù)配溶液與單獨采用硅酸鉀時的溶液相比，兩者的抑制性能相差較小。因此，在PVA與硅酸鉀的復(fù)配溶液中，硅酸鉀在泥頁巖抑制上起首要作用。

2.3 滾動回收實驗

低分散和高回收率是滾動回收實驗評價泥頁巖抑制性能好壞的重要指標(biāo)。室內(nèi)采用滾動回收實驗評價了不同處理劑對須家河組泥頁巖巖樣的抑制作用。同時，采用二次清水滾動回收實驗評價了經(jīng)不同處理劑處理后的泥頁巖巖樣在清水中的回收率，實驗結(jié)果見表1。從表1可看出，硅酸鉀和PVA都能提高溶液的抑制性，但硅酸鉀的抑制能力強于PVA。當(dāng)兩者復(fù)配使用后，其一次回收率高達(dá)96.9%，表現(xiàn)出較強的抑制特性。其次，從二次清水滾動回收實驗結(jié)果可知，硅酸鉀和聚乙烯醇的復(fù)配溶液能展現(xiàn)出持久的抑制特性，二次清水回收率為90.34%，雖然硅酸鉀和聚乙烯醇分別還具有一定的抑制特性，但其抑制能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

表1 泥頁巖滾動回收實驗Table 1 Rolling recovery experiment of shale

2.4 硬度測試

硬度測試用于測定泥頁巖巖樣暴露于測試溶液中一段時間以后巖樣強度大小的變化，其強度的大小與泥頁巖自身的水化能力以及所接觸溶液的抑制性能有關(guān)。相同條件下，測試壓力越大，試驗巖樣越硬，處理液抑制性能越好。室內(nèi)采用自制泥頁巖硬度測試儀對經(jīng)不同處理劑處理后的泥頁巖巖樣進(jìn)行測試，其實驗結(jié)果見圖3。從圖3可看出，經(jīng)硅酸鉀和聚乙烯醇復(fù)配溶液處理后的巖樣硬度大于經(jīng)這兩種溶液分別處理后的巖樣硬度。同時，在旋轉(zhuǎn)加壓過程中，經(jīng)硅酸鉀和聚乙烯醇復(fù)配溶液處理后的巖樣硬度迅速上升，曲線斜率最大。硬度測試結(jié)果表明，硅酸鉀和聚乙烯醇復(fù)配溶液能有效地抑制泥頁巖水化變軟，對增強井壁穩(wěn)定有突出的作用。

3 體系性能評價

以硅酸鉀／聚乙烯醇作為主要抑制劑，室內(nèi)優(yōu)選了泡沫鉆井液的配方：1%AES＋0.3%XC＋1%PVA＋1.5%K2SiO4。該泡沫體系發(fā)泡體積為530 mL，半衰期為24.75min，展現(xiàn)出良好的泡沫性能。采用須家河組泥頁巖巖樣進(jìn)行了一次滾動回收率和二次清水回收率實驗，實驗結(jié)果顯示該體系的一次回收率為96.15%，二次清水回收率為90.03%，表明該泡沫體系具有較強和持久的抑制性能。

4 硅酸鹽／聚乙烯醇抑制機理研究

4.1 XRD分析

室內(nèi)采用Innov－X Terra便攜式X射線衍射儀分別對新疆中非夏子街膨潤土樣品（A樣）和經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%硅酸鉀與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%PVA復(fù)配溶液處理后的膨潤土樣品（B樣）的干樣和濕樣進(jìn)行XRD分析。同時，也對經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%硅酸鉀處理后的膨潤土樣品（C樣）和經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%PVA處理后的膨潤土樣品（D樣）的干樣進(jìn)行了XRD分析。其中，干樣是在105℃條件下烘干4h后的樣品，濕樣是在80℃下熱滾16h后的樣品。經(jīng)清水熱滾后的膨潤土濕樣，由于此時的特征峰已經(jīng)超出儀器的測定范圍，所以未能測定出其層間距的大小，但根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)可知，其濕樣的層間距將顯著高于膨潤土干樣，可達(dá)到22?左右。所有樣品的實驗分析結(jié)果見表2。對比A樣、B樣、C樣和D樣中干樣的晶間距可知，B樣的晶間距增加了2.666 71?，C樣增加了2.002 77?，D樣增加了0.558 97?。這是由于硅酸鉀的相對分子質(zhì)量小，空間阻力小，因此其能進(jìn)入到黏土晶層間作用，導(dǎo)致晶間距的增大。D樣中晶間距略有增加，說明有少量PVA進(jìn)入到黏土晶層間。由于PVA為高分子聚合物，相對分子質(zhì)量較大和空間阻力使其進(jìn)入黏土層間受阻，所以其主要在黏土表面起作用。對于B樣中的濕樣，其膨潤土層間距為14.269 53?，高于B樣中的干樣，而遠(yuǎn)低于A樣中的濕樣。這說明復(fù)配溶液中仍有部分水分子能進(jìn)入黏土晶層結(jié)構(gòu)中，但由于硅酸鉀／聚乙烯醇抑制劑的存在，使得膨潤土各晶層間的連接力以及晶層間空間阻力得到加強，因此，能阻礙水分子的進(jìn)一步進(jìn)入，從而抑制黏土水化膨脹。

表2 不同溶液處理后的膨潤土XRD分析結(jié)果Table 2 XRD analysis of bentonite treated by different treatment solutions

4.2 成膜性能分析

硅酸鹽／聚乙烯醇的抑制作用在于兩者協(xié)同作用的結(jié)果，其中封堵性與成膜性是維持井壁的主要因素。相對分子質(zhì)量低的硅酸鉀通過吸附、擴散等作用進(jìn)入到黏土層間，依靠硅醇基和氫鍵等化學(xué)鍵吸附在黏土表面，生成三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)或不溶沉淀物，從而提供物理屏障以阻止水分子進(jìn)入并水化黏土，起到封堵的作用［8－11］。聚乙烯醇為高分子聚合物，相對分子質(zhì)量較大和空間阻力使其較難進(jìn)入黏土晶層，所以其主要是通過分子鏈上大量的羥基通過氫鍵或靜電吸力吸附在黏土顆粒表面，在表面形成一層薄膜，防止自由水侵入。硅酸鉀中的K＋能置換出黏土晶層間的Ca2＋、Mg2＋，加強晶層間的靜電引力，使水分子不易進(jìn)入晶層間。同時，K＋的存在能促進(jìn)聚乙烯醇吸附膜的形成。圖4（a）為泥頁巖自吸硅酸鹽／聚乙烯醇以后的圖片，其中巖樣下半部分則展示了硅酸鉀與聚乙烯醇在巖樣表面形成的膜特點；上半部分為剝除巖樣表面后，裸露出的巖樣內(nèi)部形態(tài)。圖4（b）為經(jīng)復(fù)配溶液熱滾以后的泥頁巖干樣，通過顯微鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)巖樣表面分布著白色物質(zhì)，這主要是硅酸鹽／聚乙烯醇在黏土表面形成的凝膠物質(zhì)或沉淀。通過兩者的協(xié)同作用，使得泥頁巖巖樣表面的分子膜更加致密，封堵性能更強，從而保持泥頁巖的完整，促使井壁穩(wěn)定。

5 結(jié)論

室內(nèi)通過泥頁巖自吸實驗、抑制膨潤土造漿、滾動回收實驗和硬度測試等實驗對硅酸鉀／聚乙烯醇進(jìn)行了泥頁巖穩(wěn)定性能評價，實驗表明其具有較強和持久的抑制泥頁巖水化的能力。硅酸鉀／聚乙烯醇的抑制機理主要在于兩者的協(xié)同作用，其中封堵性與成膜性是維持井壁穩(wěn)定的主要因素。相對分子質(zhì)量低的硅酸鉀進(jìn)入到黏土層間，生成三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)或不溶沉淀物，以阻止水分子進(jìn)入，起到封堵的作用。聚乙烯醇為高分子聚合物，其主要是通過吸附在黏土顆粒表面，形成薄膜，防止自由水侵入。

［1］Labat C P，Benoit D J，Vining P R.Underbalanced drilling at its limits brings life to old field［C］.SPE 62896，2000.

［2］Cade R，Kirvelis R，Nafta M，et al.Does underbalanced drilling really add reserves［C］.SPE 81626，2003.

［3］Anderson，Glenn W.Use of preformed stable foam in low pressure reservoir wells［C］.SPE 12425－MS，1984.

［4］趙衛(wèi)紅.欠平衡泡沫鉆井技術(shù)［J］.天然氣工業(yè)，1999，19（5）：51－54.

［5］關(guān)富佳，童伏松，姚光慶.泡沫鉆井液研究及其應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2003，20（6）：54－56.

［6］李兆敏，董賢勇.泡沫流體油氣開采技術(shù)研究進(jìn)展［M］.東營：石油大學(xué)出版社，2009，231－234.

［7］鐘漢毅，邱正松，黃維安，等.胺類頁巖抑制劑特點及研究進(jìn)展［J］.石油鉆探技術(shù)，2010，38（1）：104－108

［8］丁銳，邱正松，李健鷹.硅酸鹽穩(wěn)定粘土作用機理研究［J］.天然氣工業(yè)，1997，17（1）：36－38.

［9］丁彤偉，鄢捷年.硅酸鹽鉆井液的抑制性及其影響因素的研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2005，33（6）：32－35.

［10］沈麗，柴金嶺.聚合醇鉆井液作用機理的研究進(jìn)展［J］.山東科學(xué)，2005，18，（1）：18－23.

［11］梁大川.硅酸鹽鉆井液穩(wěn)定井壁機理分析［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報，1998，20（2）：53－55.