鉆井液完井液技術(shù)手冊(cè)(09)

1、1.3.4頁巖抑制劑頁巖抑制劑實(shí)際上，鉆井液中所用的所有的處理劑在鉆井過程中的主要作用只有兩個(gè)，一個(gè)作用是維護(hù)鉆井液性能穩(wěn)定，另一個(gè)作用是保證井眼穩(wěn)定。這種起穩(wěn)定井眼作用的處理劑就稱之為頁巖抑制劑，又稱頁巖抑制劑。頁巖抑制劑的作用是防止頁巖水化膨脹和分散引起的井壁坍塌、破裂和掉塊，以防造成鉆井事故。1.3.5.1鉆井液和泥頁巖的水化作用鉆井液和泥頁巖的水化作用鉆井液對(duì)泥頁巖的化學(xué)作用，最終可以歸結(jié)到對(duì)井壁巖石力學(xué)性能參數(shù)、強(qiáng)度參數(shù)以及近

2、井壁應(yīng)力狀態(tài)的改變。泥頁巖吸水一方面改變井壁巖石的力學(xué)性質(zhì)，使巖石強(qiáng)度降低；另一方面產(chǎn)生水化膨脹，體積增加，若這種膨脹受到約束便會(huì)產(chǎn)生膨脹壓，從而改變近井壁的應(yīng)力狀態(tài)。如何將鉆井液對(duì)泥頁巖的化學(xué)作用帶來的力學(xué)效應(yīng)定量化，并將其同純力學(xué)效應(yīng)結(jié)合起來研究井壁穩(wěn)定問題；F.K.Mody和A.H.Hale認(rèn)為，鉆井液和泥頁巖間存在的活度差驅(qū)使鉆井液中的自由水進(jìn)入泥頁巖，從而使近井壁地帶的孔隙壓力增高，巖石強(qiáng)度降低。井內(nèi)水進(jìn)入泥頁巖主要受鉆井液與

3、泥頁巖井壁間的孔隙壓力差和化學(xué)勢(shì)差的控制。鉆井液與泥頁巖間化學(xué)勢(shì)差引起的孔隙壓力變化為：式中：?有效半透膜系數(shù)，R氣體常數(shù)，T絕對(duì)溫度，V水的偏莫爾體積，AS、Am分別為泥頁巖和鉆井液的水活度，P鉆井液液柱壓力，Pp遠(yuǎn)場(chǎng)孔隙壓力，化學(xué)勢(shì)差。??如果大于零，即井眼水化學(xué)勢(shì)大于孔隙水化學(xué)勢(shì)，井眼水就可以進(jìn)入巖石孔隙內(nèi)，??從而使泥頁巖吸水后產(chǎn)生水化膨脹，且井壁的孔隙壓力增大，巖石的強(qiáng)度降低，不利于井壁穩(wěn)定。反之，泥頁巖產(chǎn)生解吸脫水，使井壁的

4、孔隙壓力減小，巖石強(qiáng)度增大，有利于井壁的穩(wěn)定。因此，從活度平衡的理論出發(fā)，要求降低鉆井液中水的活度。這可以通過控制調(diào)節(jié)鉆井液中不同鹽的含量或使用特殊的處理劑來改變鉆井液中水的活度。鉆井液中水的活度可以通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定出來，而泥頁巖中水的活度卻較難確定，一般可以通過地層條件下泥頁巖的含水量來測(cè)定。具體做法是：用已知不同活度的溶液在恒濕氣中與頁巖達(dá)到活度平衡后（至少靜置15天），測(cè)定頁巖的吸水量，再繪制該頁巖的吸水量與其活度的等溫關(guān)系曲線。在

5、已知地層水成分和礦化度的情況下，將巖樣置于恒濕器中與溶液達(dá)到活度平衡后測(cè)定頁巖的含水量。然后和曲線相對(duì)照即可得出頁巖中水的活度。不過該模型只反映了井壁巖石與鉆井液直接接觸所產(chǎn)生的水化現(xiàn)象，而未能描述井壁pmsPPPAAVRT???????)ln(??作用，從而使頁巖膨脹得到抑制。①聚丙烯酰胺其負(fù)電基團(tuán)吸附于粘土晶片上帶正電荷的端面，而極性酰胺基易與粘土表面進(jìn)行物理吸附，從而使得一個(gè)很長的分子鏈可以同時(shí)在相鄰的數(shù)個(gè)粘土顆粒上通過氫鍵和范德

6、華力進(jìn)行吸附，對(duì)粘土顆粒起到橋聯(lián)作用。但是當(dāng)井眼內(nèi)鉆井液溫度升高時(shí)，聚合物分子動(dòng)能增大，物理吸附趨勢(shì)降低，防塌效果也就降低。②陽離子聚合物陽離子聚合物因其分子鏈上帶有正電基團(tuán)，與帶多余負(fù)電荷的粘土顆粒吸附速度較快、吸附強(qiáng)度也較高。在粘土顆粒間產(chǎn)生的附加結(jié)合力高于陰離子聚合物。陽離子型頁巖抑制劑NW1、NW1：氯化環(huán)氧丙基三甲基銨，又稱小陽離子。是一種有機(jī)陽離子型產(chǎn)品，具有穩(wěn)定頁巖井壁、抑制鉆屑分散和防止鉆頭雙扶正器泥包作用。與之配套使用

7、的還有大陽離子。大陽離子型頁巖抑制劑CPAM：聚胺甲基丙烯酰胺丙烯酰胺共聚物。分子量約100萬。該產(chǎn)品經(jīng)南海、塔里木、冀東、渤海等油田使用取得明顯的效果。可在任何水基鉆井液中用作頁巖水化膨脹和分散的抑制劑，抗溫至200℃，可用于深井及斜井中。加量0.2%~0.4%。③兩性離子聚合物包被劑FA367：FA367由于它是一種兩性離子聚合物，同時(shí)兼有陽離子和陰離子兩種基團(tuán)。其中陽離子基團(tuán)所起的作用主要有兩個(gè)，一是中和粘土表面電荷，二是提供強(qiáng)烈

8、吸附，從而使非離子基團(tuán)比例減少，形成緊密的包被層。而陰離子基團(tuán)則能形成致密的水化膜，使包被膜增厚，絮凝、水化趨勢(shì)減弱，體系穩(wěn)定增強(qiáng)。從而使鉆井液能維持良好的穩(wěn)定性及配漿性。FA367與現(xiàn)有體系及處理劑有良好的兼容性。降粘劑XY27：兩性離子聚合物XY27在分子鏈中由于有陽離子基團(tuán)，故它能在粘土顆粒上更快更牢地吸附，它的分子量中能夠擁有更多的水化基團(tuán)，還由于其特有的結(jié)構(gòu)，能使其與大分子的交聯(lián)的機(jī)會(huì)增加，從而取得較好的降粘效果。XY27分子