防塌机理

K+和NH4+在抑制页岩水化方面有着特别的效果，含K+的钾基钻井液作为防塌钻井液已经自成体系。K+、NH4+抑制页岩水化的主要机理有以下两点：一是这两种离子的水化能低。K+、NH4+水化能分别为393kJ/mol和364kJ/mol，均低于其他常见的阳离子。由于粘土对阳离子吸附具有选择性，它优先吸附水化能较低的阳离子，因而K+、NH4+往往比Na+货Ca2+优先被粘土所吸附。此外，当其被粘土吸附后，由于水化能低，会促使晶层间脱水，使晶层收到压缩，形成紧密的构造，从而能够有效的抑制粘土水化。K+、NH4+ 二是K+、NH4+的直径分别为2.66A和2.86A，其大小差不多刚好可以进入氧六角环，形成镶嵌式吸附，很难交换下来。同时由于水化后的K+、NH4+离子半径仍小于伊利石的层间间隙（10.6A），因而能进入伊利石的层间，由于形成键合，从而抑制了相邻硅酸盐晶片的膨胀和分离。这种作用称为晶格固定作用。正是由于这种作用，使K+有可能尽量靠近相邻晶层的负电荷中心，因而所形成的致密构造不会在水中再发生较强的水化。这种构造已经过脱水、压缩，所以K+很难再被置换。聚合物中的阳离子类别对聚合物的抑制效果有较大的影响。由于K+、NH4+能有效的抑制泥页岩水化，因而钾、胺基聚合物抑制地层膨胀与分散的效果也优于其它的聚合物。各种油田采用KCL-聚合物钻井液易坍塌地层都取得了很好的效果。其典型配方为1.5%～3%膨胀润土+0.1%～0.3%PAM(或其衍生物)+3%～8% KCL+适量的

降滤失剂+少量的除氧剂等。这种钻井液体系通常称为钾盐聚合物钻井液，是目前国内外公认的最理想的水基防塌钻井液体系之一。其特点是，将有机聚合物的防塌机理与无机处理剂KCL中

K+的防塌机理有机地结合在一起，具有双重效果，对各类泥页岩地层均有较强的抑制作用。

硅酸盐钻井液也是防塌效果很好的钻井液体系，进入90年代后，随着对环保要求越来越严格，油基钻井液的使用收到限制。为了对付井壁不稳定，美、英等国的钻井液公司开始重新研究硅酸盐钻井液。我国近年来也开始研究硅酸盐钻井液，并已在多口井中应用。硅酸盐稳定井壁的作用机理可归纳为以下几点：硅酸盐在水中可以形成不同尺寸的胶体和高分子的纳米级

粒子。这些粒子通过吸附、扩散或在压差作用下进入井壁的微小孔隙中，其硅酸根离子与岩石表面或地层水中的钙、镁离子发生反应，生成的硅酸钙沉淀覆盖在岩石表面起封堵作用：当进入地层的硅酸根遇到pH值小于9的地层水时，会立即变成凝胶，形成三维凝胶网络，封堵地层的孔喉与裂缝：当温度超过80℃（在105℃以上更明显）时，硅酸盐的硅醇基与粘土矿物的铝醇基发生缩合反应，产生胶结性物质，将粘土等矿物颗粒结合成牢固的整体，从而封固井壁：硅酸盐稳定含盐膏地层主要是通过硅酸根与地层中的钙、镁离子生成沉淀，从而在含膏地层表面形成坚韧、致密的封固壳来加固井壁。硅酸盐与地层所发生的上述作用，完全能够阻止钻井液滤液进入地层及钻井液压力向井壁地层中的

传递，从而大大降低了泥页岩地层的水化趋势。