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硅酸盐钻井液防塌机理研究

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硅酸盐 钻井 液防塌 机理 研究
资源描述:
  第 28 卷   第 5 期2007 年 9 月 石 油 学 报I 28  52007基 金 项 目 :中 国 石 油 天 然 气 股 份 有 限 公 司 “ 九 五 ” 重 点 科 技 攻 关 项 目 (20050820822)部 分 成 果 。作 者 简 介 :蓝   强 ,男 ,1978 年 10 月 生 , 2007 年 获 山 东 大 学 理 学 博 士 学 位 ,现 在 胜 利 油 田 钻 井 工 艺 研 究 院 从 事 油 田 化 学 及 胶 体 与 界 面 化 学 方 面 的 工作 。 编 号 : 02532007) 05 盐 钻 井 液 防 塌 机 理 研 究蓝   强 1 ,2   邱 正 松 1   王   毅 2(11 中 国 石 油 大 学 石 油 工 程 学 院   山 东 东 营   257061 ;   21 中 国 石 化 胜 利 石 油 管 理 局 钻 井 工 艺 研 究 院   山 东 东 营   257017)摘 要 : 基 于 电 位 、 粒 径 分 布 、 红 外 稳 定 性 、 压 力 传 递 和 吸 附 量 等 测 定 方 法 ,对 硅 酸 盐 钻 井 液 的 防 塌 机 理 进 行 的 研 究 结 果 发 现 ,无 机 盐类 型 和 浓 度 以 及 p H 值 是 硅 酸 盐 粒 径 分 布 的 主 要 控 制 因 素 ,通 过 影 响 硅 酸 盐 粒 径 分 布 从 而 影 响 硅 酸 盐 钻 井 液 的 防 塌 效 果 ,适 当 的无 机 盐 也 有 利 于 协 同 防 塌 。 通 过 压 力 传 递 实 验 研 究 发 现 ,硅 酸 盐 钻 井 液 阻 缓 压 力 传 递 的 效 果 显 著 ,诱 导 的 化 学 渗 透 压 力 效 果 也 非常 明 显 ,其 膜 效 率 高 。 这 也 从 另 一 个 侧 面 反 映 了 钻 井 液 的 强 封 堵 能 力 可 能 源 于 在 井 壁 上 所 形 成 的 硅 酸 盐 与 页 岩 作 用 的 膜 ,用 实 验验 证 了 硅 酸 盐 钻 井 液 能 够 在 极 短 时 间 内 有 效 封 堵 井 壁 。关 键 词 : 硅 酸 盐 钻 井 液 ; 防 塌 机 理 ; 硅 酸 盐 粒 径 分 布 ; 压 力 传 递 实 验 ; 膜 效 率中 图 分 类 号 :       文 献 标 识 码 : on of 2   . et y et 57061 , . D S il f d 57017 , on se of of p H se of of of of 盐 是 一 种 “ 封 固 ” 性 能 优 良 的 防 塌 处 理剂 [ 1210 ] 。 但 目 前 多 数 研 究 者 对 硅 酸 盐 钻 井 液 防 塌 作 用机 理 仅 在 宏 观 上 作 定 性 描 述 。 在 实 际 应 用 中 ,这 种 钻井 液 的 流 变 性 和 滤 失 造 壁 性 较 难 以 控 制 。 笔 者 利 用 微观 和 宏 观 研 究 相 结 合 的 方 法 ,揭 示 了 硅 酸 盐 的 微 观 防塌 机 理 。1   实 验 研 究111   粒 度 电 位 测 试 方 法采 用 英 国 司 生 产 的 胶 体 粒 度 / 电 位 测 试 仪 可 以 测 定 1~ 3 000 品 的 粒径 分 布 特 征 以 及 试 液 的 电 动 电 位 ,测 试 温 度 在 10~70 ℃ 范 围 内 可 调 ,打 开 体 粒 度 / 测 试 仪 粒 度 测 试 窗 口 ,预 热 20 ,加 入 配 制好 的 硅 酸 盐 溶 液 ,测 定 其 粒 径 分 布 ,然 后 在 上 部 清 液 中抽 取 50 液 ,用 注 射 器 注 入 电 位 测 试 室 ,测 定 其电 位 。112   稳 定 性 测 试 方 法法 国 司 生 产 的 外 扫描 动 态 稳 定 测 试 仪 可 以 定 量 评 价 胶 体 、 泡 沫 、 悬 浮 液 等分 散 体 系 的 稳 定 性 ,笔 者 主 要 通 过 评 价 硅 酸 盐 对 不 同岩 样 在 水 中 分 散 稳 定 性 的 影 响 ,探 讨 硅 酸 盐 的 稳 定 机理 。 其 工 作 原 理 是 :采 用 红 外 脉 冲 光 源 (λ = 850 射 红 外 光 谱 , 2 个 光 谱 探 测 器 在 与 样 品 呈 0° 方 向 和135° 方 向 上 分 别 检 测 透 射 光 和 散 射 光 。 红 外 脉 冲 光 源扫 描 试 液 高 度 ,探 测 器 在 样 品 高 度 上 每 隔 40μ 一134   石     油     学     报 2007 年   第 28 卷  次 样 品 的 透 射 光 和 散 射 光 ,然 后 给 出 透 射 率 和 散 射 率 与样 品 高 度 的 关 系 曲 线 ,根 据 流 量 的 变 化 来 判 断 体 系 的稳 定 性 。113   压 力 传 递 测 试 方 法压 力 传 递 研 究 技 术 分 为 水 力 压 差 传 递 ( P T) 和 化学 渗 透 压 力 传 递 (O T) 两 种 实 验 方 法 [ 11 ] 。 P T 实 验 即泥 页 岩 水 力 压 差 传 递 实 时 检 测 技 术 , 能 直 接 测 定 泥 页岩 水 力 压 差 传 递 规 律 ,是 极 低 泥 页 岩 渗 透 率 定 量 测 定的 关 键 技 术 ,也 是 评 价 防 塌 剂 和 体 系 阻 止 压 力 传 递 和滤 液 浸 入 的 一 种 实 验 手 段 。 O T 实 验 是 在 上 、 下 游 两端 水 力 压 差 为 零 时 利 用 化 学 位 差 诱 导 的 渗 透 压 力 传 递实 时 检 测 技 术 。 O T 实 验 主 要 用 于 泥 页 岩 与 钻 井 液 间化 学 渗 透 作 用 机 理 和 规 律 的 模 拟 研 究 以 及 防 塌 剂 通 过活 度 差 诱 导 反 渗 透 防 塌 作 用 机 理 研 究 。2   实 验 结 果 与 分 析211   硅 酸 盐 钻 井 液 粒 径 分 布 的 影 响 因 素21 11 1   硅 酸 盐 浓 度在 p H 约 为 91 5 ,质 量 浓 度 为 01 6 g/ L 的 件 下 ,对 不 同 硅 酸 盐 质 量 浓 度 与 聚 硅 酸 粒 子 粒 径 的 关系 的 研 究 发 现 ,随 着 硅 酸 盐 浓 度 增 加 ,聚 硅 酸 粒 子 直 径呈 现 先 增 加 后 减 小 的 趋 势 。 从 嵌 入 封 堵 的 作 用 看 ,硅酸 盐 粒 径 和 地 层 缝 隙 或 孔 喉 尺 寸 越 匹 配 ,越 能 够 稳 定井 壁 。 在 一 般 的 油 田 易 坍 塌 井 壁 (泥 页 岩 ) 中 ,孔 隙 尺寸 为 01 2~ 01 6μ m。 现 场 应 用 发 现 ,只 有 硅 酸 盐 质 量浓 度 达 到 一 定 值 后 ,才 能 有 效 地 稳 定 井 壁 。 当 硅 酸 盐质 量 浓 度 为 30~ 90 g/ L 时 ,其 粒 径 较 为 均 匀 ,在 01 3~01 5μ m 时 最 容 易 进 入 页 岩 较 小 的 孔 喉 内 部 ,且 分 布 均匀 。 从 而 能 够 吸 附 (主 要 是 化 学 吸 附 ) 嵌 入 的 粘 土 颗粒 ,在 粘 土 表 面 形 成 致 密 层 ,阻 止 水 分 子 进 入 ,延 缓 粘土 水 化 ,达 到 抑 制 页 岩 分 散 的 作 用 。21 11 2   无 机 盐 类 型 及 浓 度不 同 无 机 盐 对 硅 酸 盐 粒 径 影 响 的 实 验 结 果 见 图1。 可 以 看 出 , 硅 酸 盐 粒 径 变 化 影 响 的规 律 基 本 相 同 。 在 硅 酸 盐 钻 井 液 中 分 别 加 入 质 量 浓 度为 30 g/ L 的 30 g/ L 的 ,粒 径 小 且 均匀 ;随 着 液 质 量 浓 度 的 增 加 ,其 粒 径 迅速 增 大 ;当 增 加 到 50 g/ L 时 ,粒 径 超 过 10μ m。 这 表明 , 量 超 过 50 g/ L 后 ,随 着 电 解 质 的 加入 ,硅 酸 盐 胶 体 之 间 的 双 电 层 厚 度 不 断 减 小 。 当 它 们之 间 的 距 离 小 于 论 距 离 后 ,硅 酸 盐 溶 胶 开 始凝 聚 并 形 成 部 分 网 状 结 构 的 凝 胶 。 而 加 入 , 的 和 硅 酸 盐 发 生 反 应 并 生 成 沉 淀 。 所以 ,随 着 量 的 增 加 ,沉 淀 不 断 增 大 。 加 量 超 过5 g/ L 后 ,其 粒 径 非 常 大 。 因 此 ,从 粒 径 的 角 度 上 看 ,硅 酸 盐 钻 井 液 中 不 适 合 加 入 加 入 适 量 不 要 超 过 30 g/ L ) ,有 利 于 保 持 硅 酸 盐 的 溶 胶 状态 ,从 而 增 加 与 井 壁 作 用 的 硅 酸 盐 的 有 效 含 量 。 由 于 有 良 好 的 抑 制 能 力 ,硅 酸 盐 单 剂 的 抑 制 能 力 也很 强 ,所 以 建 议 现 场 采 用 K 盐 和 硅 酸 盐 复 配 ,但 K 盐含 量 最 好 不 要 超 过 30 g/ L 。图 1   无 机 盐 与 聚 硅 酸 盐 粒 径 的 关 系 1   of of 1 3   硅 酸 盐 模 数在 p H 值 约 为 91 5 及 质 量 浓 度 为 01 6 g/ 下 ,所 用 的 硅 酸 钠 溶 液 模 数 分 别 为 11 2 ,11 6 ,21 0 ,21 8 ,31 2 ,31 5。 随 着 硅 酸 盐 模 数 的 升 高 ,平 均 粒 径 也 增加 。 但 是 ,模 数 为 11 2、 11 6 和 21 0 的 硅 酸 钠 溶 液 的 粒径 分 布 并 不 均 匀 。 从 硅 酸 盐 模 数 为 21 8 开 始 ,随 着 模数 的 增 加 ,粒 径 逐 渐 增 大 ,分 布 范 围 逐 渐 变 窄 ,并 逐 渐趋 于 均 匀 ;当 模 数 增 加 到 31 5 时 ,粒 径 分 布 又 开 始 趋 于非 平 均 化 。 模 数 越 小 ,其 分 布 范 围 越 宽 ;模 数 越 大 ,分布 范 围 越 窄 ,越 趋 向 均 匀 ,其 中 以 模 数 为 21 8~ 31 2 的硅 酸 钠 的 粒 径 分 布 范 围 最 窄 ,粒 径 最 均 匀 。21 11 4   p H 值当 p H 值 小 于 61 0 时 ,随 着 p H 值 的 减 少 ,粒 径 分布 范 围 逐 渐 变 宽 ,粒 径 逐 渐 变 的 不 均 匀 ,出 现 多 峰 值 ,平 均 粒 径 逐 渐 增 大 ;当 p H 值 大 于 61 0 时 ,随 着 p H 值的 增 加 ,粒 径 分 布 范 围 逐 渐 变 窄 ,粒 径 逐 渐 趋 于 均 匀 ,但 随 p H 值 增 大 ,平 均 粒 径 增 大 ;当 p H 值 等 于 61 0时 ,硅 酸 盐 基 本 上 呈 凝 胶 状 态 ,粒 径 非 常 大 (图 2) 。 这是 由 于 凝 胶 产 生 胶 联 网 架 结 构 所 致 ,应 该 尽 量 避 免 出现 这 种 状 况 以 维 护 钻 井 液 及 防 塌 。 硅 酸 盐 钻 井 液 在 井筒 与 地 层 接 触 ,由 于 地 层 流 体 一 般 呈 弱 酸 性 或 中 性 ,会使 硅 酸 盐 钻 井 液 的 p H 值 降 低 ,只 要 能 保 证 现 场 使 用的 硅 酸 盐 钻 井 液 的 p H 值 高 于 111 0 ,硅 酸 盐 就 能 保 持较 好 的 分 散 度 ,在 现 场 操 作 中 ,当 p H 值 小 于 111 0 时 ,就 要 及 时 补 加 硅 酸 盐 以 维 持 体 系 中 足 够 含 量 [ 1 ,5 ] 。  第 5 期 蓝   强 等 :硅 酸 盐 钻 井 液 防 塌 机 理 研 究 135  图 2   聚 硅 酸 粒 子 粒 径 的 关 系 2   of pH of 硅 酸 盐 钻 井 液 位 影 响 机 理 位 用 于 衡 量 带 电 颗 粒 所 带 电 荷 的 密 度 或其 电 动 电 位 (ξ 电 位 ) , 位 与 颗 粒 悬 浮 体 水 化 分散 程 度 和 悬 浮 稳 定 性 有 密 切 关 系 [ 12 ] 。 对 不 同 条 件 下的 硅 酸 盐 溶 液 以 及 与 不 同 岩 样 作 用 后 的 硅 酸 盐 的 电 位进 行 了 测 定 (图 3) 。 实 验 所 用 的 试 液 为 岩 样 滚 动 分 散后 的 上 部 清 液 。从 图 3 (a) 可 以 看 出 ,在 质 量 浓 度 为 50 g/ L 、 模 数为 31 5 的 硅 酸 钠 溶 液 中 加 入 , 位 变 化 均 遵 循 先 升 高 后 降 低 的 规 律 。 对 于 言 ,在 其 加 量 低 于 3 g/ L 之 前 ,变 化 基 本 一 致 ;其 含 量达 到 5 g/ L 后 ,其 电 位 值 无 法 测 定 。 这 主 要 是 因 为 质 量 浓 度 低 于 3 g/ L 时 ,钙 离 子 具 有 一 定 的 络合 作 用 ,大 胶 体 粒 子 对 钙 离 子 具 有 较 强 的 吸 附 作 用 。但 是 ,在 其 浓 度 大 于 3 g/ L 时 ,有 大 量 沉 淀 产 生 ,从 而阻 碍 了 电 位 的 测 定 。从 图 3 ( b) 可 以 看 出 ,p H 值 对 其 电 位 也 有 较 大 影响 。 随 着 p H 值 的 升 高 ,电 位 分 布 逐 渐 变 宽 ,各 电 位 范围 间 差 值 越 大 ,但 主 要 位 分 布 区 域 为 - 50~ 0平 均 位 随 着 p H 值 的 增 加 不 断 下 降 ,在p H 值 小 于 61 0 时 , 位 变 化 缓 慢 ;当 p H 值 大 于61 0 时 , 位 急 剧 下 降 。 随 着 p H 值 的 增 加 ,以 硅酸 根 离 子 或 聚 硅 醇 离 子 形 式 存 在 的 硅 酸 盐 越 多 ,负 电性 越 强 。 当 硅 酸 盐 钻 井 液 的 p H 值 小 于 111 0 时 ,硅 酸盐 主 要 以 原 硅 酸 或 低 聚 硅 酸 形 式 存 在 ,并 发 生 缩 合 作用 ,形 成 较 长 的 带 支 链 的 — O — 链 ,这 种 长 链进 而 形 成 网 状 结 构 ,束 缚 钻 井 液 中 的 自 由 水 和 固 相 ,使硅 酸 盐 钻 井 液 的 粘 度 增 大 ,减 少 了 与 易 塌 地 层 作 用 的有 效 硅 酸 盐 的 量 。 当 硅 酸 盐 的 p H 值 高 于 111 0 时 ,钻井 液 中 的 硅 酸 盐 以 硅 酸 根 离 子 形 式 存 在 ,或 以 聚 合 硅醇 离 子 形 式 存 在 。 这 些 离 子 具 有 较 强 的 分 散 性 ,能 够保 持 较 好 的 流 变 性 和 防 塌 性 能 。图 3   无 机 盐 质 量 浓 度 和 硅 酸 盐 位 的 关 系 3   of pH of 硅 酸 盐 钻 井 液 水 活 度 作 用 机 理水 活 度 控 制 是 “ 化 学 反 渗 透 ” 防 塌 作 用 机 理 的 关 键因 素 之 一 ,“ 化 学 反 渗 透 ” 是 指 通 过 调 节 钻 井 液 水 活 度和 改 善 泥 页 岩 膜 效 率 来 控 制 水 活 度 [ 3 ] 。 但 仅 靠 高 浓 度各 种 无 机 盐 类 降 低 钻 井 液 水 活 度 ,高 浓 度 差 也 可 能 促使 无 机 盐 离 子 交 换 进 入 页 岩 内 部 ,改 变 泥 页 岩 原 有 的内 部 组 成 。 水 化 离 子 浓 集 使 粘 土 颗 粒 界 面 间 短 程 斥 力增 加 ,不 利 于 井 壁 稳 定 性 。 稀 硅 酸 盐 钻 井 液 的 盐 度 不能 太 高 ,否 则 会 使 硅 酸 盐 发 生 胶 凝 而 形 成 凝 胶 ,导 致 其粘 度 急 剧 上 升 ;另 一 方 面 ,要 尽 量 降 低 硅 酸 盐 钻 井 液 的活 度 ,以 充 分 实 现 “ 化 学 反 渗 透 ” 的 防 塌 措 施 。在 质 量 浓 度 为 50 g/ L 及 模 数 为 31 5 的 硅 酸 盐 溶液 中 分 别 加 入 质 量 浓 度 为 30 g/ L 的 质 量 浓 度为 30 g/ L 的 质 量 浓 度 为 3 g/ L 的 搅 拌均 匀 后 进 行 水 活 度 测 试 。 由 实 验 结 果 可 知 ,加 入 这 3种 无 机 盐 后 ,硅 酸 盐 溶 液 的 活 度 均 有 所 降 低 ,降 低 量 都在 7 % 以 上 。 其 中 : 降 低 量 最 大 , 达 到191 8 % ; 之 ; 小 。 但 由 于 使 硅酸 盐 形 成 沉 淀 ,所 以 现 场 一 般 不 采 用 硅 酸 盐进 行 复 配 ,而 是 使 用 这 是 因 为 身 也 是 一种 优 良 的 膨 胀 抑 制 剂 。在 实 际 应 用 中 ,硅 酸 盐 钻 井 液 用 于 各 种 易 坍 塌 地层 。 为 了 考 察 其 活 度 防 塌 效 果 ,在 实 验 中 加 入 了 不 同136   石     油     学     报 2007 年   第 28 卷  油 田 易 塌 层 位 岩 屑 。 结 果 表 明 ,不 同 油 田 岩 屑 悬 浮 液在 加 入 硅 酸 盐 之 前 ,活 度 都 在 90 %以 上 ;加 入 质 量 浓度 为 50 g/ L 硅 酸 盐 后 ,活 度 迅 速 下 降 ;加 入 适 当 的 无机 盐 后 ,活 度 进 一 步 下 降 。 其 中 ,以 加 入 质 量 浓 度 为 3g/ L 的 活 度 下 降 最 多 ,降 幅 达 到 2713 %。 这 是由 于 除 了 盐 类 所 共 有 的 压 缩 双 电 层 作 用 ,在 模 数 大 于311 时 ,硅 酸 钠 主 要 以 多 聚 硅 酸 根 离 子 和 大 胶 体 粒 子 形式 存 在 ,对 钙 离 子 具 有 一 定 的 络 合 作 用 ,大 胶 体 离 子 对 具 有 较 强 的 吸 附 作 用 ,从 而 增 加 了 溶 液 中 的 相对 量 ,抑 制 了 水 分 的 逸 出 ,从 而 能 有 效 地 降 低 岩 屑 悬 浮液 的 活 度 。214   粘 土 对 硅 酸 盐 的 吸 附 作 用粘 土 对 硅 酸 盐 的 吸 附 可 以 体 现 在 2 个 方 面 : ① 硅酸 盐 在 粘 土 上 的 吸 附 作 用 。 增 加 粘 土 间 的 静 电 斥 力 ,增 加 水 化 膜 厚 度 ,降 低 粘 土 之 间 的 絮 凝 作 用 [ 324 ,13 ] ,从而 达 到 稳 定 粘 土 的 作 用 。 ② 硅 酸 盐 依 靠 硅 醇 基 和 氢 键等 化 学 键 吸 附 到 粘 土 表 面 ,可 以 封 堵 井 壁 的 孔 隙 ,防 止水 化 渗 透 及 压 力 传 递 。在 75 ℃ 下 滚 动 4 h ,进 行 了 吸 附 量 测 定 ,采 用 的 硅酸 钠 模 数 为 31 5 ,硅 酸 盐 的 质 量 浓 度 分 别 为 10 g/ L ,30 g/ L ,50 g/ L ,80 g/ L ,测 定 了 加 入 岩 屑 前 后 的 膨 润 土浆 对 硅 酸 钠 的 吸 附 量 。 测 定 结 果 (图 4) 表 明 ,加 入 和不 加 入 岩 屑 的 硅 酸 盐 溶 液 在 粘 土 上 的 吸 附 量 都 随 着 质量 浓 度 的 增 加 而 增 加 。 对 于 没 有 加 入 岩 屑 的 膨 润 土浆 ,硅 酸 盐 加 入 量 达 到 60 g/ L 时 ,吸 附 曲 线 趋 于 平 缓 ,即 吸 附 开 始 趋 于 饱 和 ;而 对 于 加 入 岩 屑 的 膨 润 土 浆 ,由于 其 中 的 岩 屑 吸 附 作 用 ,使 其 吸 附 量 随 时 间 不 断 增 加 ,在 测 量 时 间 段 内 难 以 达 到 平 衡 。 这 表 明 ,硅 酸 盐 钻 井图 4   硅 酸 盐 在 粘 土 上 的 吸 附 量 与 其 加 入 量 和 温 度 的 关 系 4   of of on of 有 部 分 硅 酸 盐 消 耗 在 钻 井 液 携 带 的 岩 屑 中 。在 吸 附 初 期 ,基 本 上 呈 线 性 增 加 ;达 到 一 定 温 度后 ,开 始 大 幅 度 上 升 ,加 入 与 不 加 入 岩 屑 的 膨 润 土 浆 吸附 量 的 突 变 点 均 为 80 ℃ 。 通 常 情 况 下 ,一 般 的 吸 附 都是 物 理 吸 附 ,随 着 温 度 上 升 会 发 生 脱 附 现 象 ,吸 附 量 下降 。 但 对 于 硅 酸 盐 而 言 ,随 着 温 度 上 升 ,吸 附 呈 指 数 上升 ,这 表 明 硅 酸 盐 在 粘 土 表 面 的 吸 附 属 于 化 学 吸 附 。一 方 面 ,它 增 加 了 粘 土 的 稳 定 性 。 另 一 方 面 ,由 于 化 学吸 附 的 单 向 性 [ 13 ] ,能 够 通 过 氢 键 和 硅 醇 基 等 化 学 键 牢固 地 吸 附 在 井 壁 上 ,有 效 地 减 小 孔 隙 半 径 ,显 著 降 低 滤液 的 渗 入 量 ,从 而 有 效 地 降 低 泥 页 岩 的 水 化 膨 胀 。215   硅 酸 盐 对 岩 屑 悬 浮 体 的 稳 定 性 作 用硅 酸 盐 钻 井 液 的 抑 制 效 果 明 显 要 比 其 他 类 型 水 基钻 井 液 要 高 ,同 时 硅 酸 盐 对 已 水 化 粘 土 主 要 起 到 包 被 作用 ,对 未 水 化 粘 土 起 到 封 堵 粘 土 颗 粒 端 部 层 间 隙 作 用 。质 量 浓 度 为 30~ 50 g/ L 硅 酸 盐 对 粘 土 分 散 的 抑制 能 力 最 强 ,而 质 量 浓 度 达 到 70 g/ L 后 ,沉 淀 迅 速 ;2 ,在 50~ 60 间 澄 清 段 就 已 经 达 到 9 是 因 为 适 量 的 硅 酸 盐 胶 体 可 以 通 过 强 烈 吸 附 作 用 吸附 在 不 同 页 岩 表 面 和 内 部 ,形 成 网 状 结 构 ,使 页 岩 颗 粒不 易 沉 淀 。 而 过 多 的 硅 酸 盐 会 导 致 强 吸 附 作 用 ,容 易使 页 岩 聚 结 沉 淀 。各 种 盐 类 的 加 入 均 能 促 进 硅 酸 盐 对 岩 样 的 稳 定 。其 中 :以 加 入 硅 酸 盐 对 岩 屑 的 稳 定 性 能 最 好 ; 之 ; 差 。 根 据 叔 采 2哈 迪 聚 沉 原 理 ,聚 沉值 与 离 子 价 态 的 六 次 方 的 倒 数 成 正 比 。 由 此 可 知 , 岩 屑 的 稳 定 性 优 于 而 从 井 壁稳 定 性 看 , 效 果 较 好 。 综 合 考 虑 ,一 般 采 用 为 现 场 硅 酸 盐 钻 井 液 协 同 防 塌 剂 。216   硅 酸 盐 钻 井 液 阻 缓 压 力 传 递 机 理对 3 种 强 防 塌 剂 进 行 了 P T 实 验 。 实 验 基 本 过 程如 下 : ① 地 层 水 饱 和 平 衡 岩 样 ,恢 复 岩 样 原 始 地 层 含 水状 态 ; ② 地 层 水 / 岩 样 / 地 层 水 作 用 条 件 下 的 P T 实 验 ,测 定 泥 页 岩 的 渗 透 率 ; ③ 分 别 配 制 质 量 浓 度 为 30 g/ 树 脂 ( 溶 液 、 30 g/ L 强 抑 制 性 聚 合 醇 润滑 防 塌 剂 ( 30 g/ L 溶 液 ,进 行 了 。从 图 5 (a)中 可 以 看 出 ,这 3 种 处 理 剂 均 有 较 好 的 阻缓 压 力 传 递 作 用 ,都 能 较 明 显 地 降 低 泥 页 岩 的 渗 透 率 ,其 中 以 阻 缓 压 力 传 递 效 果 最 为 明 显 。 根 据  第 5 期 蓝   强 等 :硅 酸 盐 钻 井 液 防 塌 机 理 研 究 137  上 述 压 力 变 化 计 算 出 的 渗 透 率 表 明 ,渗 透 率 降 至 原 来 的1/ 7。 这 说 明 它 们 具 有 较 明 显 的 封 堵 阻 缓 压 力 传 递 和 滤液 传 递 作 用 ,特 别 是 硅 酸 钠 更 具 有 独 特 的 封 堵 作 用 。在 上 面 实 验 基 础 上 ,将 上 游 地 层 水 用 质 量 浓 度 为100 g/ L 硅 酸 钠 溶 液 置 换 ,使 之 与 岩 样 充 分 作 用 ;然后 ,再 用 地 层 水 将 硅 酸 盐 溶 液 替 出 ,继 续 P T 实 验 ,其结 果 见 图 5 (b) 。 从 中 可 以 看 出 ,孔 、 缝 发 育 的 泥 岩 经过 硅 酸 钠 溶 液 处 理 后 ,渗 透 率 明 显 下 降 。 由 作 用 前 正向 P T 实 验 结 果 与 作 用 后 第 一 次 正 向 P T 实 验 结 果 看出 ,处 理 后 几 乎 形 成 了 一 个 “ 正 向 隔 膜 ” ,在 40 几乎 无 压 力 传 递 ,阻 止 流 体 向 地 层 内 渗 透 的 作 用 非 常 明显 。 其 渗 透 率 由 处 理 前 的 1181 × 10 - 6μ 降 为 1113× 10 - 10μ 几 乎 是 瞬 间 减 缓 压 力 传 递 ,有 效 地 阻 止 了滤 液 的 渗 透 和 地 层 压 力 的 传 递 ,从 而 防 止 了 水 敏 性 地 层图 5   不 同 条 件 下 的 压 力 传 递 实 验 结 果 5   T 膨 胀 的 发 生 及 裂 缝 性 地 层 局 部 水 化 应 力 过 大 。另 外 ,不 同 阴 离 子 钾 盐 抑 制 页 岩 分 散 实 验 研 究 成果 也 证 实 [ 13 ] ,含 硅 酸 盐 溶 液 抑 制 页 岩 分 散 能 力 最 强 ,具 有 独 特 的 封 固 作 用 。 该 结 论 与 国 内 外 其 他 学 者 的 研究 成 果 相 符 [ 324 ,8 ,14 ] 。为 了 研 究 硅 酸 盐 钻 井 液 作 用 下 化 学 位 (水 活 度 )差驱 动 的 化 学 渗 透 作 用 规 律 及 测 定 泥 页 岩 膜 效 率 ,分 别利 用 质 量 浓 度 为 21 g/ L 的 氯 化 钾 、 甲 酸 钾 水 溶 液 和 质量 浓 度 为 20 g/ L 的 氯 化 钙 对 塔 河 油 田 T 井 3 块 泥 页 岩 岩 样 进 行 了 O T 实 验 ,测 定 了 用 70g/ L 硅 酸 盐 溶 液 处 理 页 岩 的 膜 效 率 ,实 验 结 果 如 表 1所 示 。表 1   塔 河 油 田 井 泥 页 岩 结 果   OT of 2a 编 号 上 游 试 液 膜 效 率 备   注1 2L 液 ,活 度 为01886 01 052 未 经 处 理 后 测 定01 146 经 处 理 后 测 定2 2L 溶 液 ,活 度为 01 823 01 018 未 经 处 理 后 测 定01 032 经 处 理 后 测 定3 2L 液 ,活 度 为01830 01 027 未 经 处 理 后 测 定01 053 经 处 理 后 测 定实 验 中 ,下 游 始 终 是 活 度 为 01 952 的 地 层 水 ,上 游试 液 分 别 替 换 为 不 同 无 机 盐 的 水 溶 液 ,其 水 活 度 低 于地 层 水 活 度 。 在 化 学 位 差 的 驱 动 下 ,水 自 下 游 向 上 游运 移 ,导 致 下 游 压 力 不 断 下 降 。 O T 实 验 结 果 充 分 证实 了 化 学 势 差 诱 导 反 渗 透 作 用 的 存 在 ,并 根 据 实 验 数据 ,求 出 不 同 试 液 作 用 时 的 膜 效 率 (表 1) 。 可 以 看 出 ,不 同 无 机 盐 对 同 一 地 层 岩 样 的 膜 效 率 是 不 一 样 的 :未经 硅 酸 盐 处 理 的 氯 化 钾 溶 液 作 用 的 泥 页 岩 膜 效 率最 高 ;氯 化 钙 次 之 ;甲 酸 钾 最 低 。 在 经 过 质 量 浓 度 为70 g/ 酸 盐 溶 液 处 理 后 ,用 3 种 盐 溶 液 测 定 的 膜效 率 都 有 大 幅 度 的 上 升 ,而 用 氯 化 钾 溶 液 测 定 的 膜 效率 升 幅 最 大 。压 力 传 递 和 化 学 渗 透 的 实 验 结 果 以 及 分 散 对 比 实验 结 果 表 明 ,硅 酸 盐 与 泥 页 岩 作 用 能 形 成 “ 封 固 壳 ” ,阻止 压 力 传 递 和 流 体 浸 入 ,从 而 抑 制 页 岩 分 散 ,硅 酸 盐 钻井 液 是 一 种 理 想 的 “ 封 固 ” 型 防 塌 剂 。3   结   论(1) 由 粒 径 分 布 特 点 可 知 ,质 量 浓 度 为 70 g/ L 硅酸 盐 溶 液 的 平 均 粒 径 最 小 ,分 布 范 围 最 窄 。 从 嵌 入 封堵 的 作 用 看 ,此 质 量 浓 度 下 的 封 堵 效 果 最 佳 。(2) 模 数 和 p H 值 对 硅 酸 盐 胶 体 粒 径 分 布 的 影 响最 为 显 著 :粒 径 分 布 范 围 随 着 模 数 增 大 而 变 窄 ,模 数 为218~ 312 的 硅 酸 钠 的 分 布 范 围 最 窄 ,粒 径 最 均 匀 ;当p H 值 小 于 610 时 ,随 着 p
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本文标题:硅酸盐钻井液防塌机理研究
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