MEG在泥页岩地层的井壁稳定机理研究*

雷祖猛 赵 虎 司西强

（中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院）

MEG在泥页岩地层的井壁稳定机理研究*

雷祖猛 赵 虎 司西强

（中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院）

为了探索甲基葡萄糖苷（MEG）在泥页岩地层的井壁稳定作用机理，对MEG降低水活度、在黏土表面的吸附性、半透膜效率以及抑制性变化规律进行了研究。结果表明，MEG在黏土表面吸附达到一定浓度后形成半透膜，MEG浓度越高半透膜越致密，可抑制黏土的水化分散，岩心回收率最高可达99%；MEG同时可显著降低水活度，最高可降低至0.85以下。对MEG的成膜规律进行了探索，MEG在泥页岩表面的膜效率同MEG浓度、浸泡时间有关系，MEG浓度越大、膜效率越高，随着浸泡时间延长，膜效率降低。MEG通过在黏土表面吸附成膜抑制黏土水化和提高膜效率维持了井壁的稳定。图6参8

MEG泥页岩膜效率井壁稳定

0 引言

井壁失稳现象是在钻井过程中常遇到的，也是一个十分复杂的世界性难题。特别是在深井、超深井、水平井、定向井和大斜度井日益增多的情况下，上述问题显得尤为突出。据统计，90%以上的井壁失稳问题发生在泥页岩地层［1］。研究表明，影响井壁稳定的因素主要有物理化学因素和力学因素。从物理化学的角度来说，钻井液抑制性不足，泥页岩及含泥岩地层的黏土矿物在与水基钻井液相互作用的过程中极易吸水膨胀分散，导致地层应力分布发生变化，是造成井壁失稳的主要原因。

MEG是一种小分子非离子性表面活性剂，广泛应用于日用化工、纺织、造纸等行业。国外自20世纪90年代开始用作钻井液添加剂，曾在墨西哥湾高水敏性页岩层应用并获得了成功。因其独特的分子结构加入钻井液中可有效降低钻井液的水活度，加入35%以上的MEG不仅可以有效地降低钻井液的水活度，而且可以形成理想的半透膜，阻止与钻井液接触的泥页岩水化膨胀，有效地维持井眼的稳定[2-3]。国内于1998年由石油大学(北京)首次对国外的MEG及其钻井液技术进行报道［4］，2006年王军义等定性证明了MEG提高膜效率现象的存在[5]，2011年以来MEG在中原油田水平井卫383-FP1、文133-平1井等的推广应用，井壁稳定效果突出，但也存在着MEG加量及对不同泥岩含量地层的适用性问题，亟需对MEG在泥页岩地层的井壁稳定机理进行深入研究，更好指导现场应用。

本文通过在室内对MEG的水活度、黏土吸附、黏土表面成膜、膨胀实验和岩心滚动回收率实验进行评价，深入探索了MEG在泥页岩地层的井壁稳定机理。

1 主要试剂和仪器

MEG（实验室自制）、HD-3A型智能水分活度测量仪（无锡市华科仪器仪表有限公司）、ALPHA-1500型紫外可见光光度计（上海谱元仪器有限公司）、NP-02智能型页岩膨胀测试仪（无锡市石油仪器设备有限公司）、L-600型台式低速大容量离心机（上海博翎仪器设备有限公司）、滚子炉（青岛海通达）、JJ200型精密电子天平（美国双杰兄弟有限公司）。

2 实验结果与讨论

2.1 水活度实验

为了考察MEG降低水活度的能力，分别测试了浓度（质量分数，下同）为10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%MEG水溶液的水活度。

图1 不同浓度MEG水溶液的水活度

从图1可以看出，MEG具有显著降低水活度的作用，随着MEG水溶液浓度的增加，水活度逐渐降低，MEG母液的水活度仅为0.835，这是因为MEG分子结构上有四个亲水的羟基与水分子形成氢键，降低了水溶液中自由水的含量[6]。同时在浓度为40%和80%处有两个明显的突变点，说明在浓度达到这两个点后，水活度降低幅度明显，为MEG在井壁形成半透膜，减少滤液的进一步侵入提供理论依据。

2.2 吸附实验

为了考察MEG在黏土上的吸附能力，文中选择340 nm的波长和厚度为1cm的比色皿，用紫外可见光光度计，分别测量浓度为1%、3%、5%、7%的标准MEG水溶液的吸光度；配制浓度分别为1%、3%、5%、7%的MEG水溶液各400 mL，分别加人20 g干燥钻井液实验用钠膨润土，高搅20 min后装入养护罐于30℃下滚动16 h后，在3 000 r/min转速下离心5 min后取出，用紫外可见光光度计测量上层清液的吸光度。分别以MEG水溶液浓度为横坐标、吸光度为纵坐标绘制标准曲线和经膨润土吸附后曲线[5]。

图2 吸附前后不同浓度MEG水溶液的吸光度

从图2可以看出，MEG水溶液加入膨润土经过充分吸附后，吸光度降低，而且随着其浓度的增加，降低的幅度也在增大，说明水溶液中的部分MEG分子在黏土表面产生吸附现象，MEG分子的四个亲水羟基也为其吸附在泥球表面提供了结构上的保障。同时MEG浓度越大，吸附现象越明显，当吸附的MEG分子足够多时，为MEG在泥球表面形成疏水膜，减少滤液中水分子进一步侵入，抑制黏土水化提供了理论支持。

2.3 膜效率实验

本实验以一定泥球与MEG水溶液构成研究体系，MEG通过氢键吸附泥球表面，当MEG分子足够多时，便会在泥页岩表面形成一层吸附膜，当MEG水溶液水活度低于泥页岩中水活度时，在渗透压的作用下，泥页岩中的水将向MEG水溶液移动，部分抵消因水力压差作用进入泥页岩的水量[5，7-8]。由水活度和吸附实验可以看出：当MEG达到一定浓度后可以在泥球表面吸附成膜，同时可显著降低水活度，所以泥球在MEG水溶液中会形成半透膜，泥球内水由于半透膜效应会运移到泥球外的液体中，泥球的体积和质量会减小。

本实验称取一定质量比的钻井液实验用钠膨润土和水制成相同大小的泥球，将泥球称量后放入装有不同浓度MEG水溶液的烧杯中，浸泡一定时间后取出再称量，并观察泥球的变化；称取不同量比的钠膨润土和水制成相同大小的泥球，将泥球称量后放入装有一定质量分数的MEG溶液的烧杯中，浸泡一定时间后后取出称量，首次对MEG在泥页岩表面的成膜规律进行了探索，考察MEG在不同实验条件下的膜效率。

（1）MEG浓度对膜效率的影响

图3 泥球在不同浓度MEG水溶液中浸泡实验结果

从图3可以看出，泥球质量在MEG浓度达到40%之前是增加的，而且随着MEG浓度增加，所以泥球质量增加率逐渐降低；而当MEG浓度达到40%以后，泥球质量都降低了，而且随着MEG浓度增加，泥球的质量降低率先增大后减小，MEG浓度为80%时，泥球质量降低率达到最大值，后又升高。

当MEG浓度达到40%时，溶液中有足够的MEG分子吸附在泥球表面形成了半透膜，泥球中的水在半透膜的作用下流到MEG水溶液中，浓度越高，膜效率越强，而当MEG浓度继续增大至100%后，泥球表面因吸附更多的MEG分子使表面黏土去水化，泥球表面黏土因粘合力变差变得越来越坚硬，最终出现裂缝，新出现的裂缝断面又要重新吸附成膜，使得泥球质量同80%的相比反而有所增加。同时图2中MEG浓度在40%和80%时活度发生突变也为此提供了理论依据。

（2）浸泡时间对膜效率的影响规律

图4泥球在相同浓度MEG水溶液中随时间变化浸泡实验结果

从图4可以看出，当MEG浓度小于40%时，随着浸泡时间的延长，浸泡在不同浓度MEG水溶液中的泥球质量都是不断增加，同一浓度下泥球质量的增加率幅度逐渐减小，其中用清水浸泡的泥球在进入第3天已经完全坍塌，无法测量。这是因为随着浸泡时间的延长，泥球表面吸附的MEG分子增多，自由水进入的难度增大，所以自由水和MEG分子进入泥球内部的趋势逐渐变弱，表现为泥球质量增加率也不断减小，在第5天基本达到吸附平衡。

当MEG浓度大于40%时，随着浸泡时间的延长，同一浓度下泥球质量降低率不断减小，同时减小的幅度越来越小，这是因为在此浓度下泥球表面已形成致密半透膜，泥球中自由水通过渗透压流出而质量降低，但随着浸泡时间延长，泥球表面吸附的MEG分子逐渐增多，半透膜靠近泥球一侧由于吸附了更多的MEG分子活度逐渐降低，半透膜靠近MEG水溶液的一侧由于一部分MEG分子吸附在泥球上而活度逐渐升高，溶液中的自由水在半透膜作用下又重新进入泥球内部，所以泥球质量降低率不断减小，但由于半透膜表面朝外的是MEG疏水的烷基，对自由水的进入有一定的阻挡作用，所以随着浸泡时间延长，泥球表面吸附的MEG分子增多，使得自由水进入泥球内部变得越来越困难，表现为泥球质量降低率减小的幅度越来越小。

2.4 膨胀实验

取不同浓度的MEG水溶液按照《SY/T 6335-1997钻井液用页岩抑制剂评价方法》做线性膨胀实验。膨润土岩心（4MPa，5 min）24 h浸泡后相对膨胀降低率如图5所示。

图5MEG水溶液相对膨胀降低率

从图5可以看出，岩心相对膨胀降低率随MEG浓度的升高而逐渐升高，当MEG浓度小于40%时，随MEG浓度的升高，岩心相对膨胀降低率迅速增大；达到40%后，岩心相对膨胀降低率随MEG浓度的升高逐渐趋于平稳。说明MEG在钻井液中的加量只有达到40%抑制性才比较明显。

2.5 岩心滚动回收率实验

按照SY/T6335-1997对不同MEG浓度的水溶液进行120℃16h岩心滚动回收率测试结果如图6所示。

图6 MEG水溶液滚动回收率

从图6可以看出，岩心滚动回收率随MEG浓度的升高而逐渐升高，当MEG浓度小于40%时，随MEG浓度的升高，岩心滚动回收率迅速增大；达到40%后，岩心滚动回收率达到90%以上，随MEG浓度继续升高，岩心滚动回收率逐渐趋于平稳，进一步说明了MEG在钻井液中的加量只有达到40%抑制性才比较明显。

3 井壁稳定机理

3.1 抑制黏土水化分散

吸附实验表明，MEG通过在黏土的吸附形成疏水膜，MEG浓度越高疏水膜越致密，可有效抑制黏土的水化分散，膨胀实验和岩心滚动回收率实验结果也表明，MEG可有效提高黏土的相对膨胀降低率和岩心滚动回收率，滚动回收率最高可达95%以上，MEG对黏土的强抑制性最大限度减少了地层的应力变化，是维持井壁稳定的基础。

3.2 提高井壁半透膜效率

水活度实验表明，MEG在黏土表面成膜的同时可显著降低钻井液的水活度，活度最高可降低至0.85以下，所以当MEG浓度足够高时，会在井壁形成半透膜，表现为MEG在泥页岩表面的膜效率同MEG浓度、浸泡时间有关系，MEG浓度越大、膜效率越高，随着浸泡时间延长、膜效率降低；较高的膜效率是维持井壁稳定的关键。为保持MEG较高的膜效率，MEG加量应保持在40%以上，同时尽量缩短完井周期。

3.3 现场应用实例分析

卫383-FP1井是位于东濮凹陷中央隆起带文卫濮结合部卫43块的一口非常规开发水平井。实钻井深4496 m，水平段长709 m，该地层水平段主要岩性为泥岩、泥质粉砂岩、含膏泥岩和页岩，极易水化分散，普通水基钻井液难以满足强抑制性的要求，该井采用MEG钻井液，配方（质量体积分数）如下：(10%~ 15%)MEG+(0.3%~0.5%)降滤失剂+(0.8%~1.0%)流型调节剂+(3%~4%)封堵剂ZLT+(0.3%~0.5%)NaOH+ 25%工业盐。

应用结果表明，MEG钻井液通过强抑制性保证了井眼清洁，平均摩阻仅为3~4 t，满足了井壁稳定的要求。由于该井的MEG加量最高仅为15%，如果增大MEG的用量至浓度40%以上，不仅能提高钻井液的强抑制性，还可通过提高MEG的膜效率，进一步提高该井的井壁稳定能力，这一规律将会在今后的纯泥岩，特别是软泥岩地层发挥重要指导作用。

4 结束语

（1）MEG通过抑制黏土水化和提高膜效率维持井壁稳定，其中，抑制黏土水化是基础，提高膜效率是维持井壁稳定的关键。在现场泥页岩地层使用MEG时，MEG被大量吸附在井壁，同时井壁在钻井过程中不断被冲刷破坏，吸附在泥饼和钻屑上的MEG不断被带出井底，随着钻井液在井底时间的延长，为了保持井壁的膜效率进而维持井壁稳定，应对MEG进行适当补量。

（2）随着人们对油基钻井液在环保上的担心和对泥页岩地层开发的热度不断高涨，研究满足该类地层井壁稳定要求的高性能水基钻井液势在必行，本规律的研究将为MEG钻井液的现场应用提供重要理论依据。

1王炳印，邓金根，宋念友.力学温度和化学耦合作用下泥页岩地层井壁失稳研究[J].钻采工艺，2006，29（6）：1-4.

2Headley,J.A.,T.O.Walker and R.W.Jenkins.Environmental Safe Water-Based Drilling Fluid to Replace Oil-Based Muds for Shale Stabilization[A].1995.SPE/lADC 29404.

3Simpson J.P.,Walker T.O.,Jiang G.Z..Environmentally Acceptable Water-Based Mud Can Prevent Shale Hydration and Maintain Borehole Stability[A].1995,SPE 27496.

4刘岭，高锦屏，郭东荣.甲基葡萄糖苷及其钻井液[J].石油钻探技术，1999，27（1）：49-51.

5王军义，王在明，王栋.甲基葡萄糖甙钻井液抑制机理研究[J].天然气勘探与开发，2006，29（3）：62-65.

6张琰，陈铸.新型抑制性钻井液的研究[J].地质与勘探，36（2）：80-84.

7张华辉.多羟基糖苷防塌剂的合成及性能研究[J].海洋石油，2011，31（1）：82-85.

8王彬，樊世忠，李竞，等.MEG水基钻井液的研究与应用[J].石油钻探技术，2005，33（3）：22-25.

（修改回稿日期2015-01-29编辑景岷雪）

本研究得到中国博士后科学基金（2011M501194）“钻井液用糖苷基季铵盐的合成及其抑制机理研究”、中国博士后科学基金（2012T50641）“钻井液用两性甲基葡萄糖苷的合成及其作用机理”、中石化先导项目（SG12035）“水平井烷基糖苷无土相钻井液技术”、中原石油勘探局科技攻关项目（2011231）“钻井液用阳离子烷基糖苷的研究“联合资助。

雷祖猛，1983年出生，硕士，工程师；现在从事钻井液体系及处理剂的研发工作。地址：（457001）河南省濮阳市中原路462号。电话：（0393）4899460。E-mail：zyytleizm@163.com