钻井液完井液技术手册(09)

1.3.4页岩抑制剂

实际上，钻井液中所用的所有的处理剂在钻井过程中的主要作用只有两个，一个作用是维护钻井液性能稳定，另一个作用是保证井眼稳定。这种起稳定井眼作用的处理剂就称之为页岩抑制剂，又称页岩抑制剂。页岩抑制剂的作用是防止页岩水化膨胀和分散引起的井壁坍塌、破裂和掉块，以防造成钻井事故。

1.3.5.1钻井液和泥页岩的水化作用

钻井液对泥页岩的化学作用，最终可以归结到对井壁岩石力学性能参数、强度参数以及近井壁应力状态的改变。泥页岩吸水一方面改变井壁岩石的力学性质，使岩石强度降低；另一方面产生水化膨胀，体积增加，若这种膨胀受到约束便会产生膨胀压，从而改变近井壁的应力状态。如何将钻井液对泥页岩的化学作用带来的力学效应定量化，并将其同纯力学效应结合起来研究井壁稳定问题；F.K.Mody 和A.H.Hale 认为，钻井液和泥页岩间存在的活度差驱使钻井液中的自由水进入泥页岩，从而使近井壁地带的孔隙压力增高，岩石强度降低。井内水进入泥页岩主要受钻井液与泥页岩井壁间的孔隙压力差和化学势差的控制。

钻井液与泥页岩间化学势差引起的孔隙压力变化为：

式中：λ-有效半透膜系数，R -气体常数，T -绝对温度，V -水的偏莫尔体积，A S 、A m -分别为泥页岩和钻井液的水活度，P -钻井液液柱压力，P p -远场孔隙压力，∆μ-化学势差。

如果∆μ大于零，即井眼水化学势大于孔隙水化学势，井眼水就可以进入岩石孔隙内，从而使泥页岩吸水后产生水化膨胀，且井壁的孔隙压力增大，岩石的强度降低，不利于井壁稳定。反之，泥页岩产生解吸脱水，使井壁的孔隙压力减小，岩石强度增大，有利于井壁的稳定。因此，从活度平衡的理论出发，要求降低钻井液中水的活度。这可以通过控制调节钻井液中不同盐的含量或使用特殊的处理剂来改变钻井液中水的活度。钻井液中水的活度可以通过实验来测定出来，而泥页岩中水的活度却较难确定，一般可以通过地层条件下泥页岩的含水量来测定。具体做法是：用已知不同活度的溶液在恒湿气中与页岩达到活度平衡后（至少静置15天），测定页岩的吸水量，再绘制该页岩的吸水量与其活度的等温关系曲线。在已知地层水成分和矿化度的情况下，将岩样置于恒湿器中与溶液达到活度平衡后测定页岩的含水量。然后和曲线相对照即可得出页岩中水的活度。

不过该模型只反映了井壁岩石与钻井液直接接触所产生的水化现象，而未能描述井壁内岩体中水化过程的应力变化。

p m s P P P A A V

RT -=∆±==∆)/ln(λμ

1.3.5.2防塌处理剂

80年代国内防塌处理剂以极快的速度发展。80年代初期，页岩抑制剂以无机盐为主，占总用量的83.4%，到90年代，聚合物、沥青类、腐植酸类等页岩抑制剂用量增至62.2%，而无机盐类降为37.4%。93年开始研究醇类并已开始在现场进行试验。目前所使用的主要页岩抑制剂类型包括：

a.盐类

这类页岩抑制剂能显著降低粘土水化、膨胀和分散，主要有：NaCl、KCl、CaCl2、CaBr2和高Ca2+盐水（包括Mg2+、Zn2+盐水）；甲酸盐和醋酸盐（HCOOM，CH3COOM，M=Na+、K+、Cs+）；硅酸盐等。

K+、NH4+由于有合适的离子半径与低的水化能，因而能有效地抑制粘土矿物水化，其抑制效果优于钠、钙、镁离子。若粘土矿物处于钠离子环境中，则伊利石、伊蒙混层上的K+会被部分Na+置换，使粘土矿物水化增加，从而给防塌造成不利影响。若它们处于K+环境中，就可以消除上述不良影响。因此，在钻井液中加入K+能有效地抑制井塌。钾离子来源于氯化钾、磷酸钾、氢氧化钾、碳酸钾和各种有机化合物和高聚物。电荷数相同的离子其水化能与其未水化时的离子半径成反比，故低分子的有机阳离子，如环氧丙基三甲基氯化铵（NW-1）等降低粘土水化趋势的效果比K+、NH4+好得多。

近几年，李健鹰等人研究表明使用K+、Na+、Ca2+三种离子的抑制分散能力序与离子当量浓度大小相关。一般而言。在较高离子浓度范围内，K+的抑制分散能力高于Ca2+，Ca2+高于Na+。而在某一较低浓度范围内Ca2+的抑制分散能力反而比K+和Na+高。二元混合无机盐存在某一最优离子配比，此时二元混合无机盐的抑制能力可达到或优于单种无机盐的抑制能力，不同程度上体现出离子间的协同抑制作用。同样，三元混合无机盐也存在某一最优离子配比，此时混合盐的抑制分散能力最强。

b.聚合物类添加剂

这类抑制剂有显著桥连作用，多为聚合物有钾、铵基聚丙烯酸盐、阳离子聚合物、两性离子聚合物等线性高聚物分子，如阴离子PAC类（聚阴离子纤维素衍生物类）和PHPA （部分水解聚丙烯酰胺类）；阳离子聚合物如：聚合物季胺类、SP-Ⅱ，低分子的阳离子NW-1、ZCO-1、ZCO-2、PTA、CSW-1；两性离子聚合物如聚合物氨基酸、FA367、FA368等；非离子聚合物如多糖、甘油、葡萄糖甙、MEG、聚丙三醇、聚乙二醇、乙烯醇（PV A）和HEC 类等。线性大分子覆盖在页岩的表面，通过多点吸附而产生了固结作用，从而使页岩膨胀得到抑制。

①聚丙烯酰胺

其负电基团吸附于粘土晶片上带正电荷的端面，而极性酰胺基易与粘土表面进行物理吸附，从而使得一个很长的分子链可以同时在相邻的数个粘土颗粒上通过氢键和范德华力进行吸附，对粘土颗粒起到桥联作用。但是当井眼内钻井液温度升高时，聚合物分子动能增大，物理吸附趋势降低，防塌效果也就降低。

②阳离子聚合物

阳离子聚合物因其分子链上带有正电基团，与带多余负电荷的粘土颗粒吸附速度较快、吸附强度也较高。在粘土颗粒间产生的附加结合力高于阴离子聚合物。

阳离子型页岩抑制剂NW-1、NW-1：氯化环

氧丙基三甲基铵，又称小阳离子。是一种有机阳离

子型产品，具有稳定页岩井壁、抑制钻屑分散和防

止钻头双扶正器泥包作用。与之配套使用的还有大

阳离子。

大阳离子型页岩抑制剂CPAM：聚胺甲基丙烯酰胺-丙烯酰胺共聚物。分子量约100万。

该产品经南海、塔里木、冀东、渤海等油田使用取得明显的效果。可在任何水基钻井液中用作页岩水化膨胀和分散的抑制剂，抗温至200℃，可用于深井及斜井中。加量

0.2%~0.4%。

③两性离子聚合物

包被剂FA-367：FA-367由于它是一种两性离子聚合物，同时兼有阳离子和阴离子两种基团。其中阳离子基团所起的作用主要有两个，一是中和粘土表面电荷，二是提供强烈吸附，从而使非离子基团比例减少，形成紧密的包被层。而阴离子基团则能形成致密的水化膜，使包被膜增厚，絮凝、水化趋势减弱，体系稳定增强。从而使钻井液能维持良好的稳定性及配浆性。FA-367与现有体系及处理剂有良好的兼容性。

降粘剂XY-27：两性离子聚合物XY-27在分子链中由于有阳离子基团，故它能在粘土颗粒上更快更牢地吸附，它的分子量中能够拥有更多的水化基团，还由于其特有的结构，能使其与大分子的交联的机会增加，从而取得较好的降粘效果。XY-27分子链中的有机阳离子基团通过静电作用吸附在粘土表面，一方面起到中和粘土表面负电荷，减弱粘土的水化趋势，起到增强抑制作用的效果；另一方面是它的这种特殊分子结构，使聚合物链间更容易发生缔合，从而能在具有较低分子量的时候，仍能对粘土颗粒实现包被，不会减弱体系的抑制性。

c.封堵井壁孔隙的页岩抑制剂