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（北京）國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢關(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，通過適當增加水相無機鹽，保持相等活度，可制止水向地層運移；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）實驗研究了MEG泥漿，證實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離子反應(yīng)，可以封堵小裂縫，抑制性強。防塌措施封堵固結(jié)抑制水化化學滲透平衡有效應(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)：包括機械封堵和化學膠結(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。對裂隙發(fā)育的地層，若不強調(diào)封固，只強調(diào)提高密度，防塌效果有時會實得其反。常用的封堵型防塌劑：瀝青及其改性產(chǎn)品、有機鋁絡(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)的實驗數(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

實驗條件滲透率（達西）

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。與測試指標有關(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，膨脹性并不強。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）。坍塌性是一種力學行為，是應(yīng)力狀態(tài)超過了該材料的強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。

無機離子對頁巖水化的抑制作用抑制水化：主要指無機鹽類等對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。一價離子抑制膨脹壓能力的強弱次序為：Cs+＞K+＞

Na+＞

Li+。K+對頁巖水化的抑制作用

按抑制強弱，可將鉀鹽分為以下幾類：

K2SiO3抑制作用最強,頁巖回收率可大于80%；

KCl、KNO3和KAc具有強抑制分散能力，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%，具有較強的抑制水化分散能力。常用鉆井液體系及評價

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。通過對這幾種鉆井液的研究發(fā)現(xiàn)，它們的抑制性順序為：1＜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+對蒙脫石有較強的抑制作用，對純伊利石幾乎沒有作用，而對高嶺石會增加其膨脹壓。）化學滲透平衡的穩(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

，化學滲透壓抵消水力壓差，阻緩水力壓差流動，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，為長期實施化學滲透平衡穩(wěn)定井壁作用提供保證。半透膜模型膜效率當鉆井液向泥頁巖流動為正，則得單位面積流動公式：

Δπ為理想化學滲透壓：實際化學滲透壓為：

λ為膜效率，1≥λ≥0

當λ＝1時，即為理想半透膜情況。當λ＝0時，即不存在選擇性膜，溶劑（水）和溶質(zhì)（離子）同步流動傳遞。(當0＜λ＜1時，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）和化學滲透壓：膜效率大小確定：PT實驗技術(shù)，在國內(nèi)未見研究報道。

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

化學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；介紹了專門測定膜效率的實驗裝置，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價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硅酸鹽化合物。半透膜抑制劑的抑制效果評價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了該聚合物的基本結(jié)構(gòu)。CMJ-1在淡水漿中抗溫可達240℃，最佳加量為1.0%，抗鹽可達4%，并在鹽水漿中抗溫可達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胺化合物進行縮聚反應(yīng),得到一類新型有機胺天然纖維聚合物CMJ-2；

CMJ-2抗高溫達200℃，抗鹽能力強，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入地層達到穩(wěn)定井壁，保護儲層的目的。成膜降濾失劑——CMJ-1電鏡照片擴大倍數(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，臨界點干燥后，制成掃描電鏡（SEM）分析樣品，對濾餅的表面形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)進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成膜鉆井液體系的作用機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：配方簡單、易于現(xiàn)場操作。具有比現(xiàn)有鉆井液更強的抑制性。半透膜與隔離膜能有效封堵裂縫、阻止鉆井液進入地層，具有優(yōu)良穩(wěn)定井壁保護儲層效果。幾種處理劑無熒光、無毒性，滿足國際環(huán)保標準。該套體系是鉆井液研究新的突破，可望導致鉆井液技術(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。膜效率測定為評價水基鉆井液的抑制性提供了一個新的概念和手段。

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)力和力學參數(shù)變化）。封堵作用是實施有效應(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，有時會適得其反。如Mago-1井在1500－1750米井段1.15g/cm3的鉆井液鉆進遇到全井坍塌，密度提高到1.24g/cm3，坍塌得到控制。按抑制性對鉆井液進行分類

據(jù)最近國外文獻報道，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/無機鹽鉆井液。

抑制性：1＜2＜3＜4＜5硅酸鹽溶液對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)變化測試條件滲透率未處理-正向1.79×10-6μm