水基鉆井液膜效率

井壁穩(wěn)定性及水基鉆井液成膜理論與應(yīng)用

石油大學(xué)（北京）國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)關(guān)于水基鉆井液半透膜：1、70年代初，M.E.Chenevort提出了油包水乳化鉆井液平衡活度理論。油基鉆井液形成半透膜，具有選擇性，通過適當(dāng)增加水相無機(jī)鹽，保持相等活度，可制止水向地層運(yùn)移；2、1993年，F(xiàn).K.Mody和A.H.Hale等人提出頁巖本身有一非完善的半透膜，存在一定的膜效率，加入特種處理劑可以提高膜效率；3、J.P.Simpson等人通過井底模擬裝置（DSC）對(duì)比研究了油基泥漿、水基泥漿及MEG泥漿，發(fā)現(xiàn)MEG在泥頁巖表面具有類似油基泥漿的半透膜；4、E.VanOrt等人通過壓力傳遞（PT）實(shí)驗(yàn)研究了MEG泥漿，證實(shí)MEG基本能形成類似油基泥漿的半透膜；5、聚合醇鉆井液在井壁上形成一層憎水膜；6、多元醇（聚乙二醇、聚丙三醇、MEG）與鹽相互作用具有膜效應(yīng)；7、硅酸鹽鉆井液本身能形成半透膜，硅酸鹽可與地層多價(jià)離子反應(yīng)，可以封堵小裂縫，抑制性強(qiáng)。防塌措施封堵固結(jié)抑制水化化學(xué)滲透平衡有效應(yīng)力支撐“封堵固結(jié)”穩(wěn)定井壁原理與措施

所謂封堵固結(jié)：包括機(jī)械封堵和化學(xué)膠結(jié)加固兩種作用。封堵可阻緩壓力傳遞和濾液滲透作用，提高膜效率。對(duì)裂隙發(fā)育的地層，若不強(qiáng)調(diào)封固，只強(qiáng)調(diào)提高密度，防塌效果有時(shí)會(huì)實(shí)得其反。常用的封堵型防塌劑：瀝青及其改性產(chǎn)品、有機(jī)鋁絡(luò)合物、聚合醇、多元醇成膜樹脂、硅酸鹽等。關(guān)于封堵固結(jié)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2300m巖樣（1）凝灰泥頁巖（有微裂縫）滲透率1.79×10-6μm2

致密泥頁巖3.75×10-10μm2

具有微裂縫的巖心，2分鐘內(nèi)濾液就穿過，而致密泥頁巖需要145小時(shí)才能通過。（2）巖樣經(jīng)過硅酸鈉溶液處理前后的數(shù)據(jù)變化

實(shí)驗(yàn)條件滲透率（達(dá)西）

硅酸鈉溶液處理前3.04×10-5

硅酸鈉溶液處理后4.77×10-6

用硅酸鈉溶液處理后的巖樣滲透率降低了10倍，說明硅酸鈉具有封堵固結(jié)的效果.泥頁巖分散性粘土顆粒在水溶液當(dāng)中從大顆粒變成小顆粒的程度。非膨脹型土以分散為主。與測(cè)試指標(biāo)有關(guān)的參數(shù)為：

1）泥頁巖回收率

2）CST分散性泥頁巖分散性和膨脹性不是同一概念，有的泥頁巖分散性很強(qiáng)，膨脹性并不強(qiáng)。一般深部地層和硬脆泥頁巖（具有微裂縫）易具有分散性。泥頁巖坍塌性坍塌性分為兩類：

1）膨脹型的泥頁巖主要取決于水化膨脹性能，表現(xiàn)為縮徑坍塌（一般在淺層）。

2）非膨脹型的泥頁巖表現(xiàn)為剝蝕掉塊，一般屬于硬脆泥頁巖（多見于深層）。坍塌性是一種力學(xué)行為，是應(yīng)力狀態(tài)超過了該材料的強(qiáng)度許可的極限值的結(jié)果。但本質(zhì)上還是主要取決于地層中粘土礦物類型及含量。

無機(jī)離子對(duì)頁巖水化的抑制作用抑制水化：主要指無機(jī)鹽類等對(duì)水化膨脹壓的抑制作用。抑制水化作用的防塌效果有局限性的。一價(jià)離子抑制膨脹壓能力的強(qiáng)弱次序?yàn)椋篊s+＞K+＞

Na+＞

Li+。K+對(duì)頁巖水化的抑制作用

按抑制強(qiáng)弱，可將鉀鹽分為以下幾類：

K2SiO3抑制作用最強(qiáng),頁巖回收率可大于80%；

KCl、KNO3和KAc具有強(qiáng)抑制分散能力，頁巖回收率可大于70%；

K2SO4、K2CO3、K3PO4、K2CrO7和K4P2O7的頁巖回收率均大于60%，具有較強(qiáng)的抑制水化分散能力。常用鉆井液體系及評(píng)價(jià)

基本無抑制性分散型的水基鉆井液體系：有鐵絡(luò)鹽鉆井液體系，石膏鉆井液體系，石灰鉆井液體系等。一般抑制性鉆井液體系有：KCl/PHPA鉆井液體系，高KCl鉆井液體系，陽離子鉆井液體系等。具有滲透膜的水基鉆井液體系：CaCl2/MgCl2鉆井液體系，KCOOH鉆井液體系，甲基葡萄糖甙鉆井液體系等。具有低/無侵蝕的WBM/OBM鉆井液體系：多元醇鉆井液體系，活度平衡的硅酸鹽鉆井液體系，油基/合成基鉆井液體系等。具有低/無侵蝕的具有滲透膜的WBM/OBM鉆井液體系有：低活度的硅酸鹽鉆井液體系，低活度的反乳化鉆井液體系，多元醇——鹽混合具有滲透膜的鉆井液體系等。通過對(duì)這幾種鉆井液的研究發(fā)現(xiàn)，它們的抑制性順序?yàn)椋?＜2＜3＜4＜5。該結(jié)果表明：能有效控制孔隙壓力傳遞的體系，其抑制性也會(huì)更高。

抑制膨脹壓三種方法抑制劑能降低水化膨脹壓，但最好的抑制劑也不能將膨脹壓降為零；

化學(xué)固壁劑增加顆粒連結(jié)力，抵消膨脹壓，并有助于提高泥巖強(qiáng)度；優(yōu)選低分子量的表面活性劑，降低泥頁巖表面張力，削弱表面水化。

（膨脹壓特征與粘土礦物類型密切相關(guān)。抑制劑降低不同類型粘土礦物膨脹壓的能力顯著不同：K+對(duì)蒙脫石有較強(qiáng)的抑制作用，對(duì)純伊利石幾乎沒有作用，而對(duì)高嶺石會(huì)增加其膨脹壓。）化學(xué)滲透平衡的穩(wěn)定井壁原理與措施條件：存在理想或非理想半透膜特性措施：控制鉆井液水活度awm小于泥頁巖地層水活度aws

，化學(xué)滲透壓抵消水力壓差，阻緩水力壓差流動(dòng)，甚至水流出地層；應(yīng)設(shè)法提高半透膜效率，改善半透膜特性，為長期實(shí)施化學(xué)滲透平衡穩(wěn)定井壁作用提供保證。半透膜模型膜效率當(dāng)鉆井液向泥頁巖流動(dòng)為正，則得單位面積流動(dòng)公式：

Δπ為理想化學(xué)滲透壓：實(shí)際化學(xué)滲透壓為：

λ為膜效率，1≥λ≥0

當(dāng)λ＝1時(shí)，即為理想半透膜情況。當(dāng)λ＝0時(shí)，即不存在選擇性膜，溶劑（水）和溶質(zhì)（離子）同步流動(dòng)傳遞。(當(dāng)0＜λ＜1時(shí)，非理想半透膜特性，λ越小，表明溶質(zhì)越易通過膜)膜效率測(cè)試裝置非理想半透膜效率及其形成原因形成原因：非理想半透膜特性（水可滲透且溶質(zhì)（離子）選擇性滲透）；機(jī)理：尺寸阻礙作用；電排斥作用。膜的理想程度：粘土組成、含量、結(jié)構(gòu)致密度及溶質(zhì)（離子）尺寸。

膜效率（λ）和化學(xué)滲透壓：膜效率大小確定：PT實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在國內(nèi)未見研究報(bào)道。

Shale/WBM間非理想化學(xué)滲透的控制：控制水活度之差以及膜效率大小。膜效率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

化學(xué)試劑活度膜效率備注21%KCl0.8860.0086未經(jīng)Na2SiO3處理21%KCOOH0.8230.025 用Na2SiO3處理

從表中數(shù)據(jù)可以看出：活度相似,用Na2SiO3處理后膜效率是未經(jīng)Na2SiO3處理的三倍。滲透壓也是未經(jīng)Na2SiO3處理的三倍。近期研究進(jìn)展由CSIRO和Baroid公司聯(lián)合開發(fā)研制的具有高膜效率的新型水基鉆井液,有助于滿足今后石油工業(yè)的技術(shù)需求；介紹了專門測(cè)定膜效率的實(shí)驗(yàn)裝置，模擬鉆井液和頁巖間的相互作用；研制出了具有成膜效能的三類新型化合物，結(jié)果表明，它們的膜效率在55%~85%之間。新一代的水基鉆井液在頁巖地層穩(wěn)定方面發(fā)揮著類似于油基鉆井液的作用半透膜抑制劑的抑制效果評(píng)價(jià)1——清水2——清水+0.5%KPAM3——清水+0.5%FA3674——清水+0.5%CHM(大陽離子)5——清水+2.8%FS-III6——清水+3%FS-III7——清水+5%甲酸鉀8——清水+2.5%BTM-1（半透膜抑制劑）半透膜抑制劑為一種有機(jī)硅酸鹽化合物。半透膜抑制劑的抑制效果評(píng)價(jià)體系種類巖屑巖心一次回收率，%二次回收率，%三次回收率，%吸水率，%浸后狀態(tài)BTM-196802.83.2完整硬硅酸鈉鉆井液92793.68.6完整硬聚合物鉆井液70624.08.3碎裂鐵鉻鹽鉆井液71574.412.0分散柴油97543.925分散氯化鈣溶液56564.020分散淡水41404.026分散成膜降濾失劑——CMJ-1、CMJ-2的特性以乙烯、乙酸、甲醇和磺化劑為主要原料，室內(nèi)合成了抗高溫成膜型降濾失劑CMJ-1。其最佳磺化度為10%，并且用紅外光譜圖確認(rèn)了該聚合物的基本結(jié)構(gòu)。CMJ-1在淡水漿中抗溫可達(dá)240℃，最佳加量為1.0%，抗鹽可達(dá)4%，并在鹽水漿中抗溫可達(dá)180℃。

CMJ-1在MMH正電膠鉆井液和硅酸鹽—聚合物鉆井液中具有很好的降濾失效果。天然纖維經(jīng)堿化,在高溫條件裂解后,在催化劑作用下與不飽和有機(jī)胺化合物進(jìn)行縮聚反應(yīng),得到一類新型有機(jī)胺天然纖維聚合物CMJ-2；

CMJ-2抗高溫達(dá)200℃，抗鹽能力強(qiáng)，CMJ-2較CMJ-1具有更好的抗濾失效果。由電鏡掃描（SEM）圖像可看出，CMJ-1在濾餅上形成膜結(jié)構(gòu)，可阻止水進(jìn)一步向地層滲透。兩種成膜劑易于吸咐于泥頁巖上，能均勻覆蓋在井壁上，形成一層致密的膜。使泥頁巖井壁裝上了一層致密的隔離“膜套管”，阻止水及鉆井液濾液進(jìn)入地層達(dá)到穩(wěn)定井壁，保護(hù)儲(chǔ)層的目的。成膜降濾失劑——CMJ-1電鏡照片擴(kuò)大倍數(shù)為2510,CMJ-1CMJ-1在淡水漿中經(jīng)HTHP后的濾餅經(jīng)過液氮冷凍，臨界點(diǎn)干燥后，制成掃描電鏡（SEM）分析樣品，對(duì)濾餅的表面形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行的掃描放大分析研究。成膜水基鉆井液基本配方與性能

基本配方：①3%土漿+2.5%BTM-1+1~2%降濾失劑CFJ-1②3%土漿+2.5%BTM-1+1~2%降濾失劑CFJ-1+1~3%CMJ-1③3%土漿+3.0%BTM-1+1~2%降濾失劑CFJ-1+1~3%CMJ-1④3%土漿+3.0%BTM-1+1~2%降濾失劑CFJ-1+1~3%CMJ-1+重晶石⑤3%土漿+3.0%BTM-1+1~2%降濾失劑CFJ-1+1~3%CMJ-1+重晶石

成膜水基鉆井液基本配方與性能體系PVcpYPLb/100ft2G10’’/G10’Lb/100ft2FLmlHTHPρ125202/111.6281.05225202/111.6241.05330232/92.0181.05428217/83.2161.13532263/94.8141.60幾種水基鉆井液鉆屑回收率對(duì)比

鉆井液體系回收率大鉀+正電膠46.94金屬離子聚合物38.6陽離子59.4甲酸鉀89.54成膜鉆井液290.0清水7.9成膜水基鉆井液的特點(diǎn)成膜鉆井液體系的作用機(jī)理是通過半透膜劑的半透膜效能、隔離膜的隔離效能阻止水和鉆井液進(jìn)入泥頁巖表面和地層起到抑制及隔離作用。半透膜劑不能與普通聚合物完全配伍，需配合專用處理劑。成膜水基鉆井液具有以下優(yōu)點(diǎn)：配方簡(jiǎn)單、易于現(xiàn)場(chǎng)操作。具有比現(xiàn)有鉆井液更強(qiáng)的抑制性。半透膜與隔離膜能有效封堵裂縫、阻止鉆井液進(jìn)入地層，具有優(yōu)良穩(wěn)定井壁保護(hù)儲(chǔ)層效果。幾種處理劑無熒光、無毒性，滿足國際環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。該套體系是鉆井液研究新的突破，可望導(dǎo)致鉆井液技術(shù)的重大變革。小結(jié)“半透膜”理論在水基鉆井液中的應(yīng)用已較為成熟。具有“半透膜”機(jī)理的4種鉆井液體系（MEG、甲酸鹽、聚合醇、硅酸鹽）具有良好的抑制性。膜效率測(cè)定為評(píng)價(jià)水基鉆井液的抑制性提供了一個(gè)新的概念和手段。

有效應(yīng)力支撐穩(wěn)定井壁的基本原理合理鉆井液密度的優(yōu)選是關(guān)鍵。必須考慮孔隙壓力傳遞和泥頁巖水化效應(yīng)（水化應(yīng)力和力學(xué)參數(shù)變化）。封堵作用是實(shí)施有效應(yīng)力支撐井壁作用的基本前提。特別是破碎性地層，只提高密度防塌效果，有時(shí)會(huì)適得其反。如Mago-1井在1500－1750米井段1.15g/cm3的鉆井液鉆進(jìn)遇到全井坍塌，密度提高到1.24g/cm3，坍塌得到控制。按抑制性對(duì)鉆井液進(jìn)行分類

據(jù)最近國外文獻(xiàn)報(bào)道，可分為以下5類：

1類：無抑制性分散型水基鉆井液，有鐵鉻鹽鉆井液，石膏鉆井液，石灰鉆井液。

2類：一般的抑制性鉆井液，KCl/PHPA鉆井液，高濃度KCl鉆井液，陽離子聚合物鉆井液。

3類：滲透膜型水基鉆井液：CaCl2/MgCl2鉆井液，KCOOH鉆井液，甲基葡萄糖甙鉆井液

4類：低/無侵蝕的WBM/OBM鉆井液多元醇鉆井液，硅酸鹽鉆井液，油基/合成基鉆井液。

5類：低/無侵蝕的具有半透膜的WBM/OBM鉆井液，低活度的硅酸鹽鉆井液，低活度的油包水乳化鉆井液，具有非理想半透膜的多元醇/無機(jī)鹽鉆井液。

抑制性：1＜2＜3＜4＜5硅酸鹽溶液對(duì)泥頁巖的防塌效果一、巖樣經(jīng)過硅酸鹽溶液處理前后的數(shù)據(jù)變化測(cè)試條件滲透率未處理-正向1.79×10-6μm