甲基硅酸盐抑制粘土水化性能及机理

第４５卷第１１期

２０１８年１１月

㊀

㊀探矿工程(岩土钻掘工程)

E x p l o r a t i o nE n g i n e e r i n g (R o c k &S o i lD r i l l i n g a n dT u n n e l i n g

)㊀

㊀

V o l ．４５N o ．１１

N o v ．２０１８:１９－２３

㊀收稿日期:２０１８－０７－３０

㊀基金项目:吉林省省校共建计划专项 深部地热资源(含干热岩)勘查与开发利用 (编号:S X G J S F ２０１７－５

);山东省地矿局地质科技攻关项目 页岩气钻探用高效低阻仿生钻进取样技术研究 (编号:K Y ２０１５０６

);中国博士后基金项目 新型纳米碳材料在高温钻井液体系中应用 (编号:２０１３M ５３０９８３

)㊀作者简介:韩炜超,男,汉族,１９９４年生,硕士研究生在读,地质工程专业,从事钻井液研究工作,吉林省长春市西民主大街９３８号,８７８２２１３５０＠q q

．c o m .㊀通信作者:郭明义,男,汉族,１９８２年生,副教授,博士,从事复杂地层钻井液研究工作,吉林省长春市西民主大街９３８号,g u o m i n g y i ＠j

l u ．e d u ．c n .甲基硅酸盐抑制粘土水化性能及机理

韩炜超１,李㊀颖１,谭现锋２,郭明义１,徐会文１

(１．吉林大学建设工程学院,吉林长春１３００２６;２．山东省鲁南地质工程勘察院,山东济宁２７２１００

)摘要:泥页岩水化分散是引起钻孔孔壁失稳,导致缩径㊁掉块㊁坍塌等孔内事故的主要原因,泥页岩抑制剂一直是复杂地层钻进技术研究的热点.通过对甲基硅酸钾㊁甲基硅酸钠㊁氯化钾㊁硅酸钠㊁硅酸钾５种抑制剂对粘土沉降稳定性㊁水化膨胀及造浆效果等性能测试,结果表明甲基硅酸盐具有良好抑制性;通过红外光谱㊁X 射线衍射㊁水接触角和光学显微镜对甲基硅酸钾的抑制性作用机理进行了探讨.明确了钾离子的抑制性与表面疏水膜结构协同是甲基硅酸钾抑制粘土水化和防塌作用的原因.关键词:钻井液;甲基硅酸钾;疏水膜;协同作用

中图分类号:P ６３４．６㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:１６７２－７４２８(２０１８)１１－００１９－０５

I n h i b i t i o no fC l a y H y d r a t i o nb y M e t h y

l s i l i c o n a t e /HA N W e i Ｇc h a o １,L IY i n g １,T A N X i a n Ｇf e n g ２,G U O M i n g Ｇy i １

,X U H u i Ｇw e n １(１．C o l l e g e o fC o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n g ,J i l i nU n i v e r s i t y ,C h a n g

c h u nJ i n l i n１３００２６,C h i n a ;２．S h a n Ｇ

d o n g L u n a nG

e o l o g y E n g i n e e r i n g I n v e s t i g a t i o n I n s t i t u t e ,J i n i n g S h a n d o n g ２７２１００,C h i n a )A b s t r a c t :T h e s h a l eh y d r a t i o n a n dd i s p e r s i o n i s t h em a j o r c a u s e o fw e l l b o r e i n s t a b i l i t y ,o

f t e n l e a d i n g

t o c o n t r a c t i o n ,s t u c k p i p e s a n db o r e h o l e c o l l a p s e ．F o u r i n h i b i t o r s :s o d i u m m e t h y l s i l i c o n a t e ,p

o t a s s i u mc h l o r i d e ,s o d i u ms i l i c a t e a n d p o t a s s i u ms i l i c a t e ,h a v eb e e n t e s t e d f o r c l a y s e t t l e m e n t ,h y d r a t i o na n de x p a n s i o n ,a n d l i n e a r s w e l l i n g ．T h e r e s u l t s s h o w p o t a s s i u m m e t h y

l s i l i c o n a t ee x h i b i t e db e t t e rs h a l ei n h i b i t i o n ．T h es h a l ei n h i b i t i o n m e c h a n i s m o f p o t a s s i u m m e t h y l Ｇs i l i c a t ew a s i n v e s t i g a t e db y i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y ,X r a y d i f f r a c t i o n ,w a t e r Ｇc o n t a c t a n g l e a n d o p t i c a lm i c r o Ｇs c o p e ,d e m o n s t r a t i n g t h a t t h e e x c e l l e n t i n h i b i t i o n a n d c o l l a p s e p r e v e n t i o n p e r f o r m a n c e o f p o t a s s i u m m e t h y

l s i l i c o n a t e i s a t t r i b u t a b l e t o t h e s y n e r g i s t i c e f f e c t o f t h e p o t a s s i u mc a t i o na n dh y d r o p h o b i cm e m b r a n e s t r u c t u r e f o r m e do n t h e s u r f a c eb y m e t h y

l s i l i c o n a t e a n i o n s ．K e y w

o r d s :d r i l l i n g f l u i d s ;p o t a s s i u m m e t h y l s i l i c a t e ;h y d r o p h o b i c f i l m ;s y n e r g i s t i c e f f e c t ０㊀引言

当前我国已经进入能源勘探开发的新阶段,复杂地层钻进施工日趋增多,特别是在钻进水敏性地层时,防止地层水化膨胀,维持井壁稳定并保护储层

安全显得尤为重要[

１]

.国内外对泥页岩等水敏性地层做了大量的研究工作[２－７

],其中钾基钻井液㊁乳化

沥青钻井液㊁油包水活度平衡钻井液㊁有机阳离子聚合物钻井液㊁硅酸盐钻井液体系等具有良好抑制性能的钻井液得到了广泛应用.随着生态问题日益严重,硅酸盐钻井液以其良好环境相容性㊁适用广泛㊁较强抑制性能等优点开始受到业界重视,被认为是最有发展前景的水基钻井液.过去几十年,硅酸钠㊁硅酸钾等无机硅酸盐钻井液体系获得了大量研究及

推广[８－１０]

,而有机硅酸盐作为硅酸盐体系钻井液处

理剂的研究及应用相对较少,对应的性能评价及机

理认识不足[１０－１５

].本文对甲基硅酸钾的抑制㊁防塌

性能及作用机理进行了较为系统的分析,通过对甲基硅酸钾㊁甲基硅酸钠㊁氯化钾㊁硅酸钠㊁硅酸钾５种抑制剂对粘土沉降稳定性,水化膨胀及造浆效果等性能测试,结果表明甲基硅酸盐具有良好的抑制性;通过红外光谱㊁X 射线衍射㊁水接触角和光学显微镜对甲基硅酸钾的抑制性作用机理进行了探讨.１㊀实验材料与方法

１．１㊀实验材料与仪器

主要的实验材料:甲基硅酸钾(工业级,济南兴