鉆井液完井液技術(shù)手冊(cè)(09)

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1、1.3.4頁(yè)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(guò)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(yè)巖抑制劑，又稱頁(yè)巖抑制劑。頁(yè)巖抑制劑的作用是防止頁(yè)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(yè)巖的水化作用鉆井液對(duì)泥頁(yè)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)以及近井壁應(yīng)力狀態(tài)的改變。泥頁(yè)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

2、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(yè)巖的化學(xué)作用帶來(lái)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(lái)研究井壁穩(wěn)定問(wèn)題；F.K.Mody和A.H.Hale認(rèn)為，鉆井液和泥頁(yè)巖間存在的活度差驅(qū)使鉆井液中的自由水進(jìn)入泥頁(yè)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(yè)巖主要受鉆井液與泥頁(yè)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(yè)巖間化學(xué)勢(shì)差引起的孔隙壓力變化為：式中：l-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(yè)巖和鉆井液的水活度

3、，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(yè)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(yè)巖產(chǎn)生解吸脫水，使井壁的孔隙壓力減小，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(guò)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(lái)改變鉆井液中水的活度。鉆井液中水的活度可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定出來(lái)，而泥頁(yè)巖中水的活度卻較難確定，一般可以通過(guò)地層條件下泥頁(yè)巖

4、的含水量來(lái)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(yè)巖達(dá)到活度平衡后（至少靜置15天），測(cè)定頁(yè)巖的吸水量，再繪制該頁(yè)巖的吸水量與其活度的等溫關(guān)系曲線。在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(yè)巖的含水量。然后和曲線相對(duì)照即可得出頁(yè)巖中水的活度。不過(guò)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，而未能描述井壁內(nèi)巖體中水化過(guò)程的應(yīng)力變化。1.3.5.2防塌處理劑80年代國(guó)內(nèi)防塌處理劑以極快的速度發(fā)展。80年代初期，頁(yè)巖抑制劑以無(wú)機(jī)鹽為主，占總用量的83.4%，到90年

5、代，聚合物、瀝青類、腐植酸類等頁(yè)巖抑制劑用量增至62.2%，而無(wú)機(jī)鹽類降為37.4%。93年開(kāi)始研究醇類并已開(kāi)始在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)。目前所使用的主要頁(yè)巖抑制劑類型包括：a.鹽類這類頁(yè)巖抑制劑能顯著降低粘土水化、膨脹和分散，主要有：NaCl、KCl、CaCl2、CaBr2和高Ca2+鹽水（包括Mg2+、Zn2+鹽水）；甲酸鹽和醋酸鹽（HCOOM，CH3COOM，M=Na+、K+、Cs+）；硅酸鹽等。K+、NH4+由于有合適的離子半徑與低的水化能，因而能有效地抑制粘土礦物水化，其抑制效果優(yōu)于鈉、鈣、鎂離子。若粘土礦物處于鈉離子

6、環(huán)境中，則伊利石、伊蒙混層上的K+會(huì)被部分Na+置換，使粘土礦物水化增加，從而給防塌造成不利影響。若它們處于K+環(huán)境中，就可以消除上述不良影響。因此，在鉆井液中加入K+能有效地抑制井塌。鉀離子來(lái)源于氯化鉀、磷酸鉀、氫氧化鉀、碳酸鉀和各種有機(jī)化合物和高聚物。電荷數(shù)相同的離子其水化能與其未水化時(shí)的離子半徑成反比，故低分子的有機(jī)陽(yáng)離子，如環(huán)氧丙基三甲基氯化銨（NW-1）等降低粘土水化趨勢(shì)的效果比K+、NH4+好得多。近幾年，李健鷹等人研究表明使用K+、Na+、Ca2+三種離子的抑制分散能力序與離子當(dāng)量濃度大小相關(guān)。一般而言。

7、在較高離子濃度范圍內(nèi)，K+的抑制分散能力高于Ca2+，Ca2+高于Na+。而在某一較低濃度范圍內(nèi)Ca2+的抑制分散能力反而比K+和Na+高。二元混合無(wú)機(jī)鹽存在某一最優(yōu)離子配比，此時(shí)二元混合無(wú)機(jī)鹽的抑制能力可達(dá)到或優(yōu)于單種無(wú)機(jī)鹽的抑制能力，不同程度上體現(xiàn)出離子間的協(xié)同抑制作用。同樣，三元混合無(wú)機(jī)鹽也存在某一最優(yōu)離子配比，此時(shí)混合鹽的抑制分散能力最強(qiáng)。b.聚合物類添加劑這類抑制劑有顯著橋連作用，多為聚合物有鉀、銨基聚丙烯酸鹽、陽(yáng)離子聚合物、兩性離子聚合物等線性高聚物分子，如陰離子PAC類（聚陰離子纖維素衍生物類）和PHPA

8、（部分水解聚丙烯酰胺類）；陽(yáng)離子聚合物如：聚合物季胺類、SP-Ⅱ，低分子的陽(yáng)離子NW-1、ZCO-1、ZCO-2、PTA、CSW-1；兩性離子聚合物如聚合物氨基酸、FA367、FA368等；非離子聚合物如多糖、甘油、葡萄糖甙、MEG、聚丙三醇、聚乙二醇、乙烯醇（PVA）和HEC類等。線性大分子覆蓋在頁(yè)巖的表面，通過(guò)多點(diǎn)吸附而產(chǎn)生了