王楠男(大慶鉆探工程公司鉆井研究院鉆井液分公司, 黑龍江 大慶 163000)

水基鉆井液成膜機(jī)理及成膜效果研究

王楠男(大慶鉆探工程公司鉆井研究院鉆井液分公司, 黑龍江 大慶 163000)

水基成膜鉆井液能夠抑制泥頁巖地層水化膨脹，防止地層坍塌，因而越來越受到重視。本文對水基鉆井液的成膜機(jī)理進(jìn)行了探討，介紹了常見的水基成膜劑類型，歸納了幾種成膜效果的評價方法。

聚合物；成膜鉆井液；成膜劑類型；膜質(zhì)量評價

1 水基鉆井液成膜機(jī)理

水基鉆井液中通過加入成膜劑改變其物理化學(xué)性質(zhì)，能夠在井壁表面形成一層致密的半透膜，能夠阻止鉆井液中自由水進(jìn)入地層，防止發(fā)生井壁坍塌等事故。水基鉆井液成膜機(jī)理主要有以下幾種：①鉆井液與泥頁巖表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。水基鉆井液中的聚合物通過氫鍵在礦物表面形成層狀聚合物薄膜，可成膠、沉淀、充填泥頁巖孔隙；②通過電解質(zhì)作用在泥頁巖表層形成雙電子層或者改變粘土表面特性，達(dá)到阻止水分子進(jìn)入地層效果；③鉆井液中功能分子通過分子作用力、H鍵、滲透壓力等吸附在泥頁巖表面；④黏土改造作用通過成膜劑的加入在黏土片之間發(fā)生反應(yīng)，形成“柱狀”黏土。

2 常見的水基成膜劑類型

(1)聚合物成膜劑 聚合物鉆井液中含有大量聚合物分子，通過井壁的支撐，吸附、富集在泥頁巖表面，形成一層致密的有機(jī)膜，阻止鉆井液中自由水進(jìn)入泥頁巖地層，防止地層水化膨脹。聚合物成膜劑在鉆井液中形成大量的陽離子聚合物或正電膠體，能夠取代泥頁巖表面的Na+、Ca2+等，使得高聚物吸附在泥頁巖表面，從而有效的降低了泥頁巖表面孔隙，提高了膜效率。然后在膜表面再形成大的疏水基團(tuán)，能夠進(jìn)一步增強膜效率。聚合物成膜劑具有工藝簡單、成膜快、封堵效果好、施工方便等特點，是一種較為理想的水基成膜鉆井液。

(2)鉀鹽、硅酸鹽抑制類成膜劑 鉀鹽、硅酸鹽等抑制類成膜劑有效提高鉆井液成膜性能。常見的鉀鹽有NaCOOH、KCOOH、CsCOOH等，溶液鉆井液中離子濃度高，能夠中和泥頁巖表面的雙電子層，使得泥頁巖的水化膨脹能力降低，鉆井液中的K+、Cs+陽離子能夠置換泥頁巖中的鈉離子，從而使泥頁巖表面結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。硅酸鹽成膜劑能夠在鉆井液中形成硅酸根離子和膠體顆粒等，硅酸根離子能夠與泥頁巖表面的Ca2+、Si2+結(jié)合生成不容物，覆蓋在泥頁巖表面形成半透膜，同時鉆井液中膠體顆粒能夠吸附、擴(kuò)散進(jìn)入泥頁巖表面孔隙中起到封堵效果。

(3)封堵材料類成膜劑 封堵材料類成膜劑通常與其它鉆井液處理劑配合使用，能夠有效封堵泥頁巖表面形成的泥餅孔隙或者泥頁巖地層層理裂隙等。使用較多的封堵材料有石英、石墨粉、滑石粉、瀝青烯等，這些材料的封堵能力及承壓能力強，但是單獨使用只靠物理作用僅能作用與泥頁巖表面，難以形成高效的滲透膜，需要結(jié)合其它處理劑使用。目前研究較多的是納米封堵材料，其與鉆井液結(jié)合，能夠有效減小摩阻、協(xié)助成膜，但由于納米材料生產(chǎn)工藝復(fù)雜，使用成本較高，技術(shù)還不夠成熟，需要進(jìn)一步研究提高應(yīng)用效果。

(4)復(fù)合材料類成膜劑 復(fù)合材料成膜劑結(jié)合幾種成膜劑的成膜特點，能夠彌補一類成膜劑成膜作用單一的缺陷，提高成膜效果。有研究利用半透膜滲透機(jī)理研制出納米復(fù)合型兩親性嵌段聚合物抗高溫降濾失劑，能夠在鉆井液中形成膜結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后研制成功了高效率的納米-膜鉆井液，大大提高了鉆井液膜效率。符合材料成膜劑雖然較單一成膜劑有一定優(yōu)點，但由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、價格昂貴，不利于大規(guī)模使用。

3 水基成膜鉆井液膜質(zhì)量評價方法

水基成膜鉆井液膜質(zhì)量評價方法既可以從半透膜是否形成方面評價，也可以從形成的半透膜膜效率方面評價。

(1)原子力顯微鏡法。該方法是使用納米級探針以恒定的力掃描樣品表面，探針里的原子會與樣品表面發(fā)生反應(yīng)，通過檢測這些力實現(xiàn)對樣品表面的掃描。聚合物形成的膜較軟，聚合物鉆井液濾失后形成的泥餅使用該方法檢測效果較好。

(2)掃描電鏡法。掃描電鏡放大倍數(shù)大，可以觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)，能夠?qū)π纬傻陌胪改みM(jìn)行詳細(xì)的觀察，從掃描電鏡圖片上可以觀察半透膜的微觀孔隙特征，得到孔隙形態(tài)、幾何結(jié)構(gòu)、孔徑、面孔率等參數(shù)?？梢詫V失試驗形成的泥餅經(jīng)過處理后，制成掃描電鏡薄片進(jìn)行分析，結(jié)合掃描電鏡能譜分析，能夠得出半透膜的化學(xué)組成。

(3)液面高度法。該方法首先進(jìn)行濾失試驗形成濾餅，使用濾餅作為分隔，在膜兩側(cè)放置等量的溶液，一側(cè)是清水，另一側(cè)是鹽水溶液，由于膜兩側(cè)溶液存在濃度差，溶質(zhì)從鹽水溶液中向清水一側(cè)運移，造成膜兩側(cè)液面出現(xiàn)高度差。該方法能夠直觀的觀察半透膜存在與否及測量膜效果。

(4)半透膜效率測定法。該方法使用特定的膜效率評價儀，模擬井下壓力環(huán)境，根據(jù)半透膜滲透壓與電導(dǎo)率的關(guān)系來測定膜效率，實現(xiàn)對半透膜效率的評價。具體測定方法是在一定圍壓和軸壓下使用鹽水溶液浸泡泥頁巖樣品達(dá)到飽和，然后使用另一濃度的鹽水溶液浸泡樣品，泥頁巖樣品會產(chǎn)生膨脹壓力，通過與理論膨脹壓力對比，可以計算出半透膜的膜效率。

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王楠男(1990- )，男，江蘇泗洪人，助理工程師，大學(xué)本科。