甲酸盐钻井液体系的作用机理

甲酸盐钻井液体系的作用机理
关键词：无固相甲酸盐钻井液油气层保护
一、无固相钻井液体系
甲酸盐无固相钻井液是一种新型的无固相钻井液体系。

所以在研究它之前，有必要先介绍一下无固相钻井液的特性。

1.主要技术特点
无固相钻井液，也称无粘土钻井液，是为了适应现代钻井技术发展的要求，在低固相钻井液的基础上形成的。

无固相钻井液都有如下的特点：
1.1比起传统的粘土泥浆，粘度和流变性可调范围大，可适应不同地层的需要；
1.2体系无固相，对机械和钻具的磨损小，在钻杆内不易结泥皮，有利于金刚石小口径钻进和绳索取芯技术的要求；
1.3有较好的紊流减阻和润滑性能，可降低输送压力；
1.4含有较大数量的有机高聚物，与不同的无机盐配合，可有效地抑制地层和岩屑的膨胀和分散。

2.基本组分和作用
无固相钻井液是由无机盐和不同种类的高聚物组合而成的，具有一定流变特性和滤失特性的钻井液。

其中无机盐起的作用是：
2.1与有机聚合物进行适度的交联，以提高溶液的粘度（主要是结构粘度）和降低溶液的失水量；
2.2调节溶液的矿化度，以平衡地层的化学活度，抑制地层的膨
胀分散或破碎坍塌；
2.3调节溶液的ph值。

有机高聚物起的作用是：
2.3.1增粘作用；
2.3.2降滤失作用；
2.3.3絮凝作用；
2.3.4防塌作用；
2.3.5润滑作用。

由此，无固相钻井液是既具有密度小，粘度低，适当的失水量而有利于提高钻速，又具有成膜护壁效应的新型钻井液。

3.甲酸盐的基本性质
组成体系的甲酸盐主要有甲酸钠、甲酸钾及甲酸铯，在这3种盐中，甲酸铯比重最高，但是甲酸铯盐较贵，常用的是甲酸钠和甲酸钾，这两种盐属水溶性有机盐，外观白色晶体状，甲酸钠分子量为68.01，密度1.92g/cm3，甲酸钾分子量为84.12，密度1.91g/cm3。

两种盐在空气中极易吸潮，在水中的溶解速度都较快，1/3的甲酸钠或甲酸钾在水中低速搅拌3分钟即可溶解完全。

研究认为甲酸盐具有高溶解度、高密度、高ph值、低结晶点的特性，其随着碱金属的原子量的增加，饱和浓度、饱和密度、ph值变大，结晶点更低。

通过室内研究，发现甲酸盐具有以下特点：
3.1具有稳定页岩的作用，一是由于甲酸盐钻井液的滤液粘度高，
使水不易进入页岩；二是由于在非裂缝性的低渗页岩地层中（k≤10×10-3·m2），页岩相当于一选择性半透膜。

在高浓度的盐水中水的活度低，产生的渗透压能促进页岩孔隙水返流。

这种返流会减少从钻井液中流人页岩的流体的净流量，从而导致页岩水化降低和毛细管压力上升缓慢。

如果渗透返流比流入页岩的水流多，且比从页岩流到钻井液的水流动慢，在近井壁地带会造成脱水和毛细管压力降低。

这些都将使地层应力和近井壁地带的有效应力增加，从而有利于稳定井壁。

3.2甲酸盐与油田常用聚合物配伍性好，并能减缓许多调粘剂和降失水剂在高温高压下的水解和氧化降解速度。

这主要有两方面的原因：一是甲酸盐能大幅度提高聚合物的转变温度。

聚合物的转变温度，受盐水中存在的离子的影响，一些所谓的水结构破坏剂（盐溶离子）将会降低转变温度，而那些水结构形成剂（盐析离子）会升高转变温度。

甲酸根离子是少数几种水结构形成剂之一（nacl、甲酸盐）。

二是甲酸盐抑制聚合物的氧化降解。

甲酸盐水溶性加重剂含有大量的甲酸根阴离子，该阴离子含有还原性基团，可除掉钻井液中的溶解氧，使其他常规水中可降解的处理剂不易发生热氧化降解反应，有效地保护了各种处理剂，使其可在高温下稳定地发挥作用。

通过室内试验，研究了甲酸盐盐水溶液的密度与其浓度的关系，为今后配浆和调节钻井液性能提供依据，取一定量自来水倒入量筒中，将其置于30℃的恒温水浴中，每次加入适量的甲酸盐晶体待其
溶解后，测出体系的密度和体积，如此重复直至饱和，其变化规律为：体系的密度随浓度的增加而增加。

二、甲酸盐体系的油气层保护、防塌和抑制作用机理
1.常规的钻井液体系属搬土体系，加重剂常常属惰性颗粒，水化搬土形成的亚微米级颗粒和加重剂粒子很容易随钻井液的滤液进入地层，堵塞油气运移通道而伤害油气层，甲酸盐无固相钻/完井液体系用水溶性的甲酸盐加重，配套处理剂几乎全部属水溶性的，整个体系属无膨润土体系，不会产生由体系带来的固相颗粒对油气层的伤害作用；体系中的处理剂（包括甲酸盐在内）抗污染能力极强，不会与地层中的离子产生沉淀而堵塞地层；在钻进中，岩屑侵入钻井液体系，由于体系较强的抑制粘土水化分散作用，亚微米级颗粒及固相含量几乎为零，从而保护油气层，这是甲酸盐无固相钻/完井液体系保护油气层的原因之一。

2.室内使用相同岩性的岩屑，研究甲酸盐水溶液与无机盐溶液如氯化钾、氯化钠和水对岩屑表面水化层ξ电位的影响，结果发现不同电解质对岩屑表面ξ电位影响不同，在相同盐摩尔浓度的情况下，ξ电位的大小顺序如下：hcook< kcl < nacl<水。

与其它盐相比，甲酸盐溶液浸泡的岩屑表面水化层ξ电位最低，表明水化膜最薄，说明甲酸盐水溶液抑制岩屑水化的能力最强，从这一点分析，甲酸盐随钻井液滤液进入地层后，特别是水敏性地层，引起地层水化膨胀的程度非常小，能尽可能的维护地层原有的渗透滤，从而对地层的伤害最小；对侵入体系中的岩屑，由于甲酸盐的存在，岩屑
表面水化膜最低，说明甲酸盐离子能大量的侵入岩屑表面的水化层，压缩水化膜的厚度，若用到甲酸钾，还存在钾离子在岩屑晶格中的镶嵌作用，阻止岩屑水化膨胀分散，有利于岩屑的清除。

这是甲酸盐体系能有效保护油气层和提供有效防塌抑制性的原因之二。

3.在平衡压力的情况下，研究了甲酸钾对泥页岩膜效率和化学位差诱导反渗透作用的影响。

实验结果表明，摩尔浓度相同时，甲酸钾溶液作用下泥页岩膜效率略高于氯化钾溶液的作用情况，即甲酸钾有助于泥岩膜效率的提高，从而更有利于通过降低钻井液滤液活度的方法，使地层水流向井眼内（降低孔隙压力，避免水化作用且提高泥岩强度），促进井壁稳定。

这说明甲酸盐体系在近平衡地层压力的情况下，滤液向地层渗透的距离可能非常短，还可能存在反渗透现象，因而有较强的稳定井壁能力，因而对地层的伤害非常小。

三、结束语
整篇论文到此已接近了尾声，通过讨论，我们可以得到以下结论：甲酸盐钻井液体系具有很好的油气层保护、防塌和抑制作用，其机理主要体现在三个方面：首先甲酸盐钻井液是一种无固相体系，对油气层没有固相损害；其次在甲酸盐钻井液中浸泡过的岩屑表面的ξ电位很低，水化膜很薄，因此岩屑不易水化分散；最后甲酸盐钻井液体系有利于泥岩膜效率的提高，从而促进了井壁稳定。

作者简介：张猛（1984-）男，汉族，助理工程师，主要从事注水措施管理工作。

贺连啟（1989-）女，汉族，助理工程师，主要从事钻井监督工
作。