硅酸盐／聚乙烯醇抑制性能研究

张宇睿 万里平 马晨洮 舒小波 李 皋 朱 利

（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室）

泡沫流体作为低密度钻井流体技术的一种，具有静液柱压力低、漏失量小、携岩携水能力强、对油层损害小等特点，能有效地解决日益加大的低压低渗地层和油田开采后期所存在的漏失问题和储层保护问题［1－6］。虽然泡沫流体在稳定井壁方面具有积极作用，但是随着钻井时间的增加，泡沫基液不断侵入泥页岩地层，会引起泥页岩力学参数和井壁稳定性发生变化，最终导致井壁失稳。目前，解决泡沫钻井井壁失稳的主要办法是添加化学处理剂。针对这一问题，室内优选了硅酸钾／聚乙烯醇抑制剂，通过不同的实验方法评价了硅酸钾／聚乙烯醇的抑制性能，并探讨了其抑制作用机理。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

实验样品：硅酸钾（阿拉丁，28%（w）溶液）、聚乙烯醇、氢氧化钠、新疆中非夏子街膨润土（中非夏子街膨润土有限责任公司）、AES、XC。

实验仪器：变频滚子加热炉BGRL－5、泥页岩硬度测试仪、泥页岩自吸测试仪、Innov－X Terra便携式X射线衍射仪（功率85～90W，X射线管功率10 W，Cu靶，XRD分辨率0.25°，2θ范围5°～55°）、六速旋转黏度计、离心机、Waring－Blender 7012S搅拌机。

1.2 实验方法

抑制膨润土造浆［7］的测试步骤为在300mL待评价液体中加入6g新疆中非夏子街膨润土，在80℃滚子炉中恒温滚动16h后，测试该溶液的表观黏度。然后在此溶液中再加入6g新疆中非夏子街膨润土，在80℃滚子炉中恒温滚动16h后，再次测试该溶液的表观黏度，如此反复，直到溶液的黏度太大而不能进行测试为止。

滚动回收率的实验步骤为：①取6～10目50g干燥岩样装入盛有待测液体的高温罐中，在80℃滚子炉中恒温滚动16h，取出高温罐，冷却至室温；②在40目分样筛上倾倒出罐内的所有液体和岩样，并用自来水湿式筛洗1min；③在105℃的鼓风恒温箱中对筛余岩样烘干4h，取出冷却，并在室温静置24h后称量，计算滚动回收率。

2 硅酸钾／聚乙烯醇抑制性能评价

2.1 泥页岩自吸实验

泥页岩自吸水是泥页岩黏土水化的必备过程，通过自吸作用，水溶液不断侵入泥页岩地层内部，扩大泥页岩水化范围，从而加剧了泥页岩水化的进程。因此，有效地降低泥页岩地层的吸水速度是维持泥页岩井壁稳定的先决条件。室内采用泥页岩自吸评价仪分别评价了泥页岩压制岩样在清水、质量分数为1%PVA溶液、质量分数为1.5%硅酸钾溶液和质量分数为1%PVA＋质量分数为1.5%硅酸钾溶液中吸水量随时间的变化情况，实验结果见图1。从图1可看出，聚乙烯醇与硅酸钾均能显著降低泥页岩自吸水的作用，当两者相互复配时，其作用效果更为显著。通过降低泥页岩自吸水的速度，可大范围降低水溶液侵入的深度，从而显著降低泥页岩的水化速度，进而达到维持井壁稳定的作用。

2.2 抑制膨润土造浆测试

膨润土抑制性测试是评价泥页岩抑制剂抑制性能的最简单方法。通过该方法，可以测定出一定量的某种泥页岩抑制剂所能处理的最大膨润土量。室内分别称取不同加量的膨润土置于清水、质量分数为1%PVA溶液、质量分数为1.5%硅酸钾溶液和质量分数为1%PVA＋质量分数为1.5%硅酸钾溶液中，测定经80℃热滚16h后，不同溶液表观黏度的变化，实验结果见图2。从图2可看出，PVA与硅酸钾均能起到抑制泥页岩水化的作用，但硅酸钾的抑制作用明显强于PVA。同时，PVA与硅酸钾的复配溶液与单独采用硅酸钾时的溶液相比，两者的抑制性能相差较小。因此，在PVA与硅酸钾的复配溶液中，硅酸钾在泥页岩抑制上起首要作用。

2.3 滚动回收实验

低分散和高回收率是滚动回收实验评价泥页岩抑制性能好坏的重要指标。室内采用滚动回收实验评价了不同处理剂对须家河组泥页岩岩样的抑制作用。同时，采用二次清水滚动回收实验评价了经不同处理剂处理后的泥页岩岩样在清水中的回收率，实验结果见表1。从表1可看出，硅酸钾和PVA都能提高溶液的抑制性，但硅酸钾的抑制能力强于PVA。当两者复配使用后，其一次回收率高达96.9%，表现出较强的抑制特性。其次，从二次清水滚动回收实验结果可知，硅酸钾和聚乙烯醇的复配溶液能展现出持久的抑制特性，二次清水回收率为90.34%，虽然硅酸钾和聚乙烯醇分别还具有一定的抑制特性，但其抑制能力已远远不足。

表1 泥页岩滚动回收实验Table 1 Rolling recovery experiment of shale

2.4 硬度测试

硬度测试用于测定泥页岩岩样暴露于测试溶液中一段时间以后岩样强度大小的变化，其强度的大小与泥页岩自身的水化能力以及所接触溶液的抑制性能有关。相同条件下，测试压力越大，试验岩样越硬，处理液抑制性能越好。室内采用自制泥页岩硬度测试仪对经不同处理剂处理后的泥页岩岩样进行测试，其实验结果见图3。从图3可看出，经硅酸钾和聚乙烯醇复配溶液处理后的岩样硬度大于经这两种溶液分别处理后的岩样硬度。同时，在旋转加压过程中，经硅酸钾和聚乙烯醇复配溶液处理后的岩样硬度迅速上升，曲线斜率最大。硬度测试结果表明，硅酸钾和聚乙烯醇复配溶液能有效地抑制泥页岩水化变软，对增强井壁稳定有突出的作用。

3 体系性能评价

以硅酸钾／聚乙烯醇作为主要抑制剂，室内优选了泡沫钻井液的配方：1%AES＋0.3%XC＋1%PVA＋1.5%K2SiO4。该泡沫体系发泡体积为530 mL，半衰期为24.75min，展现出良好的泡沫性能。采用须家河组泥页岩岩样进行了一次滚动回收率和二次清水回收率实验，实验结果显示该体系的一次回收率为96.15%，二次清水回收率为90.03%，表明该泡沫体系具有较强和持久的抑制性能。

4 硅酸盐／聚乙烯醇抑制机理研究

4.1 XRD分析

室内采用Innov－X Terra便携式X射线衍射仪分别对新疆中非夏子街膨润土样品（A样）和经质量分数为1.5%硅酸钾与质量分数为1%PVA复配溶液处理后的膨润土样品（B样）的干样和湿样进行XRD分析。同时，也对经质量分数为1.5%硅酸钾处理后的膨润土样品（C样）和经质量分数为1%PVA处理后的膨润土样品（D样）的干样进行了XRD分析。其中，干样是在105℃条件下烘干4h后的样品，湿样是在80℃下热滚16h后的样品。经清水热滚后的膨润土湿样，由于此时的特征峰已经超出仪器的测定范围，所以未能测定出其层间距的大小，但根据国内外文献可知，其湿样的层间距将显著高于膨润土干样，可达到22Å左右。所有样品的实验分析结果见表2。对比A样、B样、C样和D样中干样的晶间距可知，B样的晶间距增加了2.666 71Å，C样增加了2.002 77Å，D样增加了0.558 97Å。这是由于硅酸钾的相对分子质量小，空间阻力小，因此其能进入到黏土晶层间作用，导致晶间距的增大。D样中晶间距略有增加，说明有少量PVA进入到黏土晶层间。由于PVA为高分子聚合物，相对分子质量较大和空间阻力使其进入黏土层间受阻，所以其主要在黏土表面起作用。对于B样中的湿样，其膨润土层间距为14.269 53Å，高于B样中的干样，而远低于A样中的湿样。这说明复配溶液中仍有部分水分子能进入黏土晶层结构中，但由于硅酸钾／聚乙烯醇抑制剂的存在，使得膨润土各晶层间的连接力以及晶层间空间阻力得到加强，因此，能阻碍水分子的进一步进入，从而抑制黏土水化膨胀。

表2 不同溶液处理后的膨润土XRD分析结果Table 2 XRD analysis of bentonite treated by different treatment solutions

4.2 成膜性能分析

硅酸盐／聚乙烯醇的抑制作用在于两者协同作用的结果，其中封堵性与成膜性是维持井壁的主要因素。相对分子质量低的硅酸钾通过吸附、扩散等作用进入到黏土层间，依靠硅醇基和氢键等化学键吸附在黏土表面，生成三维网状凝胶结构或不溶沉淀物，从而提供物理屏障以阻止水分子进入并水化黏土，起到封堵的作用［8－11］。聚乙烯醇为高分子聚合物，相对分子质量较大和空间阻力使其较难进入黏土晶层，所以其主要是通过分子链上大量的羟基通过氢键或静电吸力吸附在黏土颗粒表面，在表面形成一层薄膜，防止自由水侵入。硅酸钾中的K＋能置换出黏土晶层间的Ca2＋、Mg2＋，加强晶层间的静电引力，使水分子不易进入晶层间。同时，K＋的存在能促进聚乙烯醇吸附膜的形成。图4（a）为泥页岩自吸硅酸盐／聚乙烯醇以后的图片，其中岩样下半部分则展示了硅酸钾与聚乙烯醇在岩样表面形成的膜特点；上半部分为剥除岩样表面后，裸露出的岩样内部形态。图4（b）为经复配溶液热滚以后的泥页岩干样，通过显微镜观察，可以发现岩样表面分布着白色物质，这主要是硅酸盐／聚乙烯醇在黏土表面形成的凝胶物质或沉淀。通过两者的协同作用，使得泥页岩岩样表面的分子膜更加致密，封堵性能更强，从而保持泥页岩的完整，促使井壁稳定。

5 结论

室内通过泥页岩自吸实验、抑制膨润土造浆、滚动回收实验和硬度测试等实验对硅酸钾／聚乙烯醇进行了泥页岩稳定性能评价，实验表明其具有较强和持久的抑制泥页岩水化的能力。硅酸钾／聚乙烯醇的抑制机理主要在于两者的协同作用，其中封堵性与成膜性是维持井壁稳定的主要因素。相对分子质量低的硅酸钾进入到黏土层间，生成三维网状凝胶结构或不溶沉淀物，以阻止水分子进入，起到封堵的作用。聚乙烯醇为高分子聚合物，其主要是通过吸附在黏土颗粒表面，形成薄膜，防止自由水侵入。

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