水基钻井液成膜机理及成膜效果研究

王楠男(大庆钻探工程公司钻井研究院钻井液分公司, 黑龙江 大庆 163000)

水基钻井液成膜机理及成膜效果研究

王楠男(大庆钻探工程公司钻井研究院钻井液分公司, 黑龙江 大庆 163000)

水基成膜钻井液能够抑制泥页岩地层水化膨胀，防止地层坍塌，因而越来越受到重视。本文对水基钻井液的成膜机理进行了探讨，介绍了常见的水基成膜剂类型，归纳了几种成膜效果的评价方法。

聚合物；成膜钻井液；成膜剂类型；膜质量评价

1 水基钻井液成膜机理

水基钻井液中通过加入成膜剂改变其物理化学性质，能够在井壁表面形成一层致密的半透膜，能够阻止钻井液中自由水进入地层，防止发生井壁坍塌等事故。水基钻井液成膜机理主要有以下几种：①钻井液与泥页岩表面发生化学反应。水基钻井液中的聚合物通过氢键在矿物表面形成层状聚合物薄膜，可成胶、沉淀、充填泥页岩孔隙；②通过电解质作用在泥页岩表层形成双电子层或者改变粘土表面特性，达到阻止水分子进入地层效果；③钻井液中功能分子通过分子作用力、H键、渗透压力等吸附在泥页岩表面；④黏土改造作用通过成膜剂的加入在黏土片之间发生反应，形成“柱状”黏土。

2 常见的水基成膜剂类型

(1)聚合物成膜剂 聚合物钻井液中含有大量聚合物分子，通过井壁的支撑，吸附、富集在泥页岩表面，形成一层致密的有机膜，阻止钻井液中自由水进入泥页岩地层，防止地层水化膨胀。聚合物成膜剂在钻井液中形成大量的阳离子聚合物或正电胶体，能够取代泥页岩表面的Na+、Ca2+等，使得高聚物吸附在泥页岩表面，从而有效的降低了泥页岩表面孔隙，提高了膜效率。然后在膜表面再形成大的疏水基团，能够进一步增强膜效率。聚合物成膜剂具有工艺简单、成膜快、封堵效果好、施工方便等特点，是一种较为理想的水基成膜钻井液。

(2)钾盐、硅酸盐抑制类成膜剂 钾盐、硅酸盐等抑制类成膜剂有效提高钻井液成膜性能。常见的钾盐有NaCOOH、KCOOH、CsCOOH等，溶液钻井液中离子浓度高，能够中和泥页岩表面的双电子层，使得泥页岩的水化膨胀能力降低，钻井液中的K+、Cs+阳离子能够置换泥页岩中的钠离子，从而使泥页岩表面结构更加稳定。硅酸盐成膜剂能够在钻井液中形成硅酸根离子和胶体颗粒等，硅酸根离子能够与泥页岩表面的Ca2+、Si2+结合生成不容物，覆盖在泥页岩表面形成半透膜，同时钻井液中胶体颗粒能够吸附、扩散进入泥页岩表面孔隙中起到封堵效果。

(3)封堵材料类成膜剂 封堵材料类成膜剂通常与其它钻井液处理剂配合使用，能够有效封堵泥页岩表面形成的泥饼孔隙或者泥页岩地层层理裂隙等。使用较多的封堵材料有石英、石墨粉、滑石粉、沥青烯等，这些材料的封堵能力及承压能力强，但是单独使用只靠物理作用仅能作用与泥页岩表面，难以形成高效的渗透膜，需要结合其它处理剂使用。目前研究较多的是纳米封堵材料，其与钻井液结合，能够有效减小摩阻、协助成膜，但由于纳米材料生产工艺复杂，使用成本较高，技术还不够成熟，需要进一步研究提高应用效果。

(4)复合材料类成膜剂 复合材料成膜剂结合几种成膜剂的成膜特点，能够弥补一类成膜剂成膜作用单一的缺陷，提高成膜效果。有研究利用半透膜渗透机理研制出纳米复合型两亲性嵌段聚合物抗高温降滤失剂，能够在钻井液中形成膜结构，对其进行优化设计后研制成功了高效率的纳米-膜钻井液，大大提高了钻井液膜效率。符合材料成膜剂虽然较单一成膜剂有一定优点，但由于生产工艺复杂、价格昂贵，不利于大规模使用。

3 水基成膜钻井液膜质量评价方法

水基成膜钻井液膜质量评价方法既可以从半透膜是否形成方面评价，也可以从形成的半透膜膜效率方面评价。

(1)原子力显微镜法。该方法是使用纳米级探针以恒定的力扫描样品表面，探针里的原子会与样品表面发生反应，通过检测这些力实现对样品表面的扫描。聚合物形成的膜较软，聚合物钻井液滤失后形成的泥饼使用该方法检测效果较好。

(2)扫描电镜法。扫描电镜放大倍数大，可以观察样品的微观结构，能够对形成的半透膜进行详细的观察，从扫描电镜图片上可以观察半透膜的微观孔隙特征，得到孔隙形态、几何结构、孔径、面孔率等参数。可以将滤失试验形成的泥饼经过处理后，制成扫描电镜薄片进行分析，结合扫描电镜能谱分析，能够得出半透膜的化学组成。

(3)液面高度法。该方法首先进行滤失试验形成滤饼，使用滤饼作为分隔，在膜两侧放置等量的溶液，一侧是清水，另一侧是盐水溶液，由于膜两侧溶液存在浓度差，溶质从盐水溶液中向清水一侧运移，造成膜两侧液面出现高度差。该方法能够直观的观察半透膜存在与否及测量膜效果。

(4)半透膜效率测定法。该方法使用特定的膜效率评价仪，模拟井下压力环境，根据半透膜渗透压与电导率的关系来测定膜效率，实现对半透膜效率的评价。具体测定方法是在一定围压和轴压下使用盐水溶液浸泡泥页岩样品达到饱和，然后使用另一浓度的盐水溶液浸泡样品，泥页岩样品会产生膨胀压力，通过与理论膨胀压力对比，可以计算出半透膜的膜效率。

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王楠男(1990- )，男，江苏泗洪人，助理工程师，大学本科。