水基钻井液膜效率

井壁稳定性及水基钻井液成膜理论与应用

石油大学（北京）国内外现状及发展趋势关于水基钻井液半透膜：1、70年代初，M.E.Chenevort提出了油包水乳化钻井液平衡活度理论。油基钻井液形成半透膜，具有选择性，通过适当增加水相无机盐，保持相等活度，可制止水向地层运移；2、1993年，F.K.Mody和A.H.Hale等人提出页岩本身有一非完善的半透膜，存在一定的膜效率，加入特种处理剂可以提高膜效率；3、J.P.Simpson等人通过井底模拟装置（DSC）对比研究了油基泥浆、水基泥浆及MEG泥浆，发现MEG在泥页岩表面具有类似油基泥浆的半透膜；4、E.VanOrt等人通过压力传递（PT）实验研究了MEG泥浆，证实MEG基本能形成类似油基泥浆的半透膜；5、聚合醇钻井液在井壁上形成一层憎水膜；6、多元醇（聚乙二醇、聚丙三醇、MEG）与盐相互作用具有膜效应；7、硅酸盐钻井液本身能形成半透膜，硅酸盐可与地层多价离子反应，可以封堵小裂缝，抑制性强。防塌措施封堵固结抑制水化化学渗透平衡有效应力支撑“封堵固结”稳定井壁原理与措施

所谓封堵固结：包括机械封堵和化学胶结加固两种作用。封堵可阻缓压力传递和滤液渗透作用，提高膜效率。对裂隙发育的地层，若不强调封固，只强调提高密度，防塌效果有时会实得其反。常用的封堵型防塌剂：沥青及其改性产品、有机铝络合物、聚合醇、多元醇成膜树脂、硅酸盐等。关于封堵固结的实验数据

2300m岩样（1）凝灰泥页岩（有微裂缝）渗透率1.79×10-6μm2

致密泥页岩3.75×10-10μm2

具有微裂缝的岩心，2分钟内滤液就穿过，而致密泥页岩需要145小时才能通过。（2）岩样经过硅酸钠溶液处理前后的数据变化

实验条件渗透率（达西）

硅酸钠溶液处理前3.04×10-5

硅酸钠溶液处理后4.77×10-6

用硅酸钠溶液处理后的岩样渗透率降低了10倍，说明硅酸钠具有封堵固结的效果.泥页岩分散性粘土颗粒在水溶液当中从大颗粒变成小颗粒的程度。非膨胀型土以分散为主。与测试指标有关的参数为：

1）泥页岩回收率

2）CST分散性泥页岩分散性和膨胀性不是同一概念，有的泥页岩分散性很强，膨胀性并不强。一般深部地层和硬脆泥页岩（具有微裂缝）易具有分散性。泥页岩坍塌性坍塌性分为两类：

1）膨胀型的泥页岩主要取决于水化膨胀性能，表现为缩径坍塌（一般在浅层）。

2）非膨胀型的泥页岩表现为剥蚀掉块，一般属于硬脆泥页岩（多见于深层）。坍塌性是一种力学行为，是应力状态超过了该材料的强度许可的极限值的结果。但本质上还是主要取决于地层中粘土矿物类型及含量。

无机离子对页岩水化的抑制作用抑制水化：主要指无机盐类等对水化膨胀压的抑制作用。抑制水化作用的防塌效果有局限性的。一价离子抑制膨胀压能力的强弱次序为：Cs+＞K+＞

Na+＞

Li+。K+对页岩水化的抑制作用

按抑制强弱，可将钾盐分为以下几类：

K2SiO3抑制作用最强,页岩回收率可大于80%；

KCl、KNO3和KAc具有强抑制分散能力，页岩回收率可大于70%；

K2SO4、K2CO3、K3PO4、K2CrO7和K4P2O7的页岩回收率均大于60%，具有较强的抑制水化分散能力。常用钻井液体系及评价

基本无抑制性分散型的水基钻井液体系：有铁络盐钻井液体系，石膏钻井液体系，石灰钻井液体系等。一般抑制性钻井液体系有：KCl/PHPA钻井液体系，高KCl钻井液体系，阳离子钻井液体系等。具有渗透膜的水基钻井液体系：CaCl2/MgCl2钻井液体系，KCOOH钻井液体系，甲基葡萄糖甙钻井液体系等。具有低/无侵蚀的WBM/OBM钻井液体系：多元醇钻井液体系，活度平衡的硅酸盐钻井液体系，油基/合成基钻井液体系等。具有低/无侵蚀的具有渗透膜的WBM/OBM钻井液体系有：低活度的硅酸盐钻井液体系，低活度的反乳化钻井液体系，多元醇——盐混合具有渗透膜的钻井液体系等。通过对这几种钻井液的研究发现，它们的抑制性顺序为：1＜2＜3＜4＜5。该结果表明：能有效控制孔隙压力传递的体系，其抑制性也会更高。

抑制膨胀压三种方法抑制剂能降低水化膨胀压，但最好的抑制剂也不能将膨胀压降为零；

化学固壁剂增加颗粒连结力，抵消膨胀压，并有助于提高泥岩强度；优选低分子量的表面活性剂，降低泥页岩表面张力，削弱表面水化。

（膨胀压特征与粘土矿物类型密切相关。抑制剂降低不同类型粘土矿物膨胀压的能力显著不同：K+对蒙脱石有较强的抑制作用，对纯伊利石几乎没有作用，而对高岭石会增加其膨胀压。）化学渗透平衡的稳定井壁原理与措施条件：存在理想或非理想半透膜特性措施：控制钻井液水活度awm小于泥页岩地层水活度aws

，化学渗透压抵消水力压差，阻缓水力压差流动，甚至水流出地层；应设法提高半透膜效率，改善半透膜特性，为长期实施化学渗透平衡稳定井壁作用提供保证。半透膜模型膜效率当钻井液向泥页岩流动为正，则得单位面积流动公式：

Δπ为理想化学渗透压：实际化学渗透压为：

λ为膜效率，1≥λ≥0

当λ＝1时，即为理想半透膜情况。当λ＝0时，即不存在选择性膜，溶剂（水）和溶质（离子）同步流动传递。(当0＜λ＜1时，非理想半透膜特性，λ越小，表明溶质越易通过膜)膜效率测试装置非理想半透膜效率及其形成原因形成原因：非理想半透膜特性（水可渗透且溶质（离子）选择性渗透）；机理：尺寸阻碍作用；电排斥作用。膜的理想程度：粘土组成、含量、结构致密度及溶质（离子）尺寸。

膜效率（λ）和化学渗透压：膜效率大小确定：PT实验技术，在国内未见研究报道。

Shale/WBM间非理想化学渗透的控制：控制水活度之差以及膜效率大小。膜效率实验数据

化学试剂活度膜效率备注21%KCl0.8860.0086未经Na2SiO3处理21%KCOOH0.8230.025 用Na2SiO3处理

从表中数据可以看出：活度相似,用Na2SiO3处理后膜效率是未经Na2SiO3处理的三倍。渗透压也是未经Na2SiO3处理的三倍。近期研究进展由CSIRO和Baroid公司联合开发研制的具有高膜效率的新型水基钻井液,有助于满足今后石油工业的技术需求；介绍了专门测定膜效率的实验装置，模拟钻井液和页岩间的相互作用；研制出了具有成膜效能的三类新型化合物，结果表明，它们的膜效率在55%~85%之间。新一代的水基钻井液在页岩地层稳定方面发挥着类似于油基钻井液的作用半透膜抑制剂的抑制效果评价1——清水2——清水+0.5%KPAM3——清水+0.5%FA3674——清水+0.5%CHM(大阳离子)5——清水+2.8%FS-III6——清水+3%FS-III7——清水+5%甲酸钾8——清水+2.5%BTM-1（半透膜抑制剂）半透膜抑制剂为一种有机硅酸盐化合物。半透膜抑制剂的抑制效果评价体系种类岩屑岩心一次回收率，%二次回收率，%三次回收率，%吸水率，%浸后状态BTM-196802.83.2完整硬硅酸钠钻井液92793.68.6完整硬聚合物钻井液70624.08.3碎裂铁铬盐钻井液71574.412.0分散柴油97543.925分散氯化钙溶液56564.020分散淡水41404.026分散成膜降滤失剂——CMJ-1、CMJ-2的特性以乙烯、乙酸、甲醇和磺化剂为主要原料，室内合成了抗高温成膜型降滤失剂CMJ-1。其最佳磺化度为10%，并且用红外光谱图确认了该聚合物的基本结构。CMJ-1在淡水浆中抗温可达240℃，最佳加量为1.0%，抗盐可达4%，并在盐水浆中抗温可达180℃。

CMJ-1在MMH正电胶钻井液和硅酸盐—聚合物钻井液中具有很好的降滤失效果。天然纤维经碱化,在高温条件裂解后,在催化剂作用下与不饱和有机胺化合物进行缩聚反应,得到一类新型有机胺天然纤维聚合物CMJ-2；

CMJ-2抗高温达200℃，抗盐能力强，CMJ-2较CMJ-1具有更好的抗滤失效果。由电镜扫描（SEM）图像可看出，CMJ-1在滤饼上形成膜结构，可阻止水进一步向地层渗透。两种成膜剂易于吸咐于泥页岩上，能均匀覆盖在井壁上，形成一层致密的膜。使泥页岩井壁装上了一层致密的隔离“膜套管”，阻止水及钻井液滤液进入地层达到稳定井壁，保护储层的目的。成膜降滤失剂——CMJ-1电镜照片扩大倍数为2510,CMJ-1CMJ-1在淡水浆中经HTHP后的滤饼经过液氮冷冻，临界点干燥后，制成扫描电镜（SEM）分析样品，对滤饼的表面形态、内部结构进行的扫描放大分析研究。成膜水基钻井液基本配方与性能

基本配方：①3%土浆+2.5%BTM-1+1~2%降滤失剂CFJ-1②3%土浆+2.5%BTM-1+1~2%降滤失剂CFJ-1+1~3%CMJ-1③3%土浆+3.0%BTM-1+1~2%降滤失剂CFJ-1+1~3%CMJ-1④3%土浆+3.0%BTM-1+1~2%降滤失剂CFJ-1+1~3%CMJ-1+重晶石⑤3%土浆+3.0%BTM-1+1~2%降滤失剂CFJ-1+1~3%CMJ-1+重晶石

成膜水基钻井液基本配方与性能体系PVcpYPLb/100ft2G10’’/G10’Lb/100ft2FLmlHTHPρ125202/111.6281.05225202/111.6241.05330232/92.0181.05428217/83.2161.13532263/94.8141.60几种水基钻井液钻屑回收率对比

钻井液体系回收率大钾+正电胶46.94金属离子聚合物38.6阳离子59.4甲酸钾89.54成膜钻井液290.0清水7.9成膜水基钻井液的特点成膜钻井液体系的作用机理是通过半透膜剂的半透膜效能、隔离膜的隔离效能阻止水和钻井液进入泥页岩表面和地层起到抑制及隔离作用。半透膜剂不能与普通聚合物完全配伍，需配合专用处理剂。成膜水基钻井液具有以下优点：配方简单、易于现场操作。具有比现有钻井液更强的抑制性。半透膜与隔离膜能有效封堵裂缝、阻止钻井液进入地层，具有优良稳定井壁保护储层效果。几种处理剂无荧光、无毒性，满足国际环保标准。该套体系是钻井液研究新的突破，可望导致钻井液技术的重大变革。小结“半透膜”理论在水基钻井液中的应用已较为成熟。具有“半透膜”机理的4种钻井液体系（MEG、甲酸盐、聚合醇、硅酸盐）具有良好的抑制性。膜效率测定为评价水基钻井液的抑制性提供了一个新的概念和手段。

有效应力支撑稳定井壁的基本原理合理钻井液密度的优选是关键。必须考虑孔隙压力传递和泥页岩水化效应（水化应力和力学参数变化）。封堵作用是实施有效应力支撑井壁作用的基本前提。特别是破碎性地层，只提高密度防塌效果，有时会适得其反。如Mago-1井在1500－1750米井段1.15g/cm3的钻井液钻进遇到全井坍塌，密度提高到1.24g/cm3，坍塌得到控制。按抑制性对钻井液进行分类

据最近国外文献报道，可分为以下5类：

1类：无抑制性分散型水基钻井液，有铁铬盐钻井液，石膏钻井液，石灰钻井液。

2类：一般的抑制性钻井液，KCl/PHPA钻井液，高浓度KCl钻井液，阳离子聚合物钻井液。

3类：渗透膜型水基钻井液：CaCl2/MgCl2钻井液，KCOOH钻井液，甲基葡萄糖甙钻井液

4类：低/无侵蚀的WBM/OBM钻井液多元醇钻井液，硅酸盐钻井液，油基/合成基钻井液。

5类：低/无侵蚀的具有半透膜的WBM/OBM钻井液，低活度的硅酸盐钻井液，低活度的油包水乳化钻井液，具有非理想半透膜的多元醇/无机盐钻井液。

抑制性：1＜2＜3＜4＜5硅酸盐溶液对泥页岩的防塌效果一、岩样经过硅酸盐溶液处理前后的数据变化测试条件渗透率未处理-正向1.79×10-6μm