雷祖猛 趙 虎 司西強(qiáng)

（中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院）

MEG在泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定機(jī)理研究*

雷祖猛 趙 虎 司西強(qiáng)

（中國石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院）

為了探索甲基葡萄糖苷（MEG）在泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定作用機(jī)理，對MEG降低水活度、在黏土表面的吸附性、半透膜效率以及抑制性變化規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，MEG在黏土表面吸附達(dá)到一定濃度后形成半透膜，MEG濃度越高半透膜越致密，可抑制黏土的水化分散，巖心回收率最高可達(dá)99%；MEG同時(shí)可顯著降低水活度，最高可降低至0.85以下。對MEG的成膜規(guī)律進(jìn)行了探索，MEG在泥頁巖表面的膜效率同MEG濃度、浸泡時(shí)間有關(guān)系，MEG濃度越大、膜效率越高，隨著浸泡時(shí)間延長，膜效率降低。MEG通過在黏土表面吸附成膜抑制黏土水化和提高膜效率維持了井壁的穩(wěn)定。圖6參8

MEG泥頁巖膜效率井壁穩(wěn)定

0 引言

井壁失穩(wěn)現(xiàn)象是在鉆井過程中常遇到的，也是一個(gè)十分復(fù)雜的世界性難題。特別是在深井、超深井、水平井、定向井和大斜度井日益增多的情況下，上述問題顯得尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上的井壁失穩(wěn)問題發(fā)生在泥頁巖地層［1］。研究表明，影響井壁穩(wěn)定的因素主要有物理化學(xué)因素和力學(xué)因素。從物理化學(xué)的角度來說，鉆井液抑制性不足，泥頁巖及含泥巖地層的黏土礦物在與水基鉆井液相互作用的過程中極易吸水膨脹分散，導(dǎo)致地層應(yīng)力分布發(fā)生變化，是造成井壁失穩(wěn)的主要原因。

MEG是一種小分子非離子性表面活性劑，廣泛應(yīng)用于日用化工、紡織、造紙等行業(yè)。國外自20世紀(jì)90年代開始用作鉆井液添加劑，曾在墨西哥灣高水敏性頁巖層應(yīng)用并獲得了成功。因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)加入鉆井液中可有效降低鉆井液的水活度，加入35%以上的MEG不僅可以有效地降低鉆井液的水活度，而且可以形成理想的半透膜，阻止與鉆井液接觸的泥頁巖水化膨脹，有效地維持井眼的穩(wěn)定[2-3]。國內(nèi)于1998年由石油大學(xué)(北京)首次對國外的MEG及其鉆井液技術(shù)進(jìn)行報(bào)道［4］，2006年王軍義等定性證明了MEG提高膜效率現(xiàn)象的存在[5]，2011年以來MEG在中原油田水平井衛(wèi)383-FP1、文133-平1井等的推廣應(yīng)用，井壁穩(wěn)定效果突出，但也存在著MEG加量及對不同泥巖含量地層的適用性問題，亟需對MEG在泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定機(jī)理進(jìn)行深入研究，更好指導(dǎo)現(xiàn)場應(yīng)用。

本文通過在室內(nèi)對MEG的水活度、黏土吸附、黏土表面成膜、膨脹實(shí)驗(yàn)和巖心滾動回收率實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評價(jià)，深入探索了MEG在泥頁巖地層的井壁穩(wěn)定機(jī)理。

1 主要試劑和儀器

MEG（實(shí)驗(yàn)室自制）、HD-3A型智能水分活度測量儀（無錫市華科儀器儀表有限公司）、ALPHA-1500型紫外可見光光度計(jì)（上海譜元儀器有限公司）、NP-02智能型頁巖膨脹測試儀（無錫市石油儀器設(shè)備有限公司）、L-600型臺式低速大容量離心機(jī)（上海博翎儀器設(shè)備有限公司）、滾子爐（青島海通達(dá)）、JJ200型精密電子天平（美國雙杰兄弟有限公司）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水活度實(shí)驗(yàn)

為了考察MEG降低水活度的能力，分別測試了濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為10%、20%、30%、40%、60%、80%、100%MEG水溶液的水活度。

圖1 不同濃度MEG水溶液的水活度

從圖1可以看出，MEG具有顯著降低水活度的作用，隨著MEG水溶液濃度的增加，水活度逐漸降低，MEG母液的水活度僅為0.835，這是因?yàn)镸EG分子結(jié)構(gòu)上有四個(gè)親水的羥基與水分子形成氫鍵，降低了水溶液中自由水的含量[6]。同時(shí)在濃度為40%和80%處有兩個(gè)明顯的突變點(diǎn)，說明在濃度達(dá)到這兩個(gè)點(diǎn)后，水活度降低幅度明顯，為MEG在井壁形成半透膜，減少濾液的進(jìn)一步侵入提供理論依據(jù)。

2.2 吸附實(shí)驗(yàn)

為了考察MEG在黏土上的吸附能力，文中選擇340 nm的波長和厚度為1cm的比色皿，用紫外可見光光度計(jì)，分別測量濃度為1%、3%、5%、7%的標(biāo)準(zhǔn)MEG水溶液的吸光度；配制濃度分別為1%、3%、5%、7%的MEG水溶液各400 mL，分別加人20 g干燥鉆井液實(shí)驗(yàn)用鈉膨潤土，高攪20 min后裝入養(yǎng)護(hù)罐于30℃下滾動16 h后，在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心5 min后取出，用紫外可見光光度計(jì)測量上層清液的吸光度。分別以MEG水溶液濃度為橫坐標(biāo)、吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線和經(jīng)膨潤土吸附后曲線[5]。

圖2 吸附前后不同濃度MEG水溶液的吸光度

從圖2可以看出，MEG水溶液加入膨潤土經(jīng)過充分吸附后，吸光度降低，而且隨著其濃度的增加，降低的幅度也在增大，說明水溶液中的部分MEG分子在黏土表面產(chǎn)生吸附現(xiàn)象，MEG分子的四個(gè)親水羥基也為其吸附在泥球表面提供了結(jié)構(gòu)上的保障。同時(shí)MEG濃度越大，吸附現(xiàn)象越明顯，當(dāng)吸附的MEG分子足夠多時(shí)，為MEG在泥球表面形成疏水膜，減少濾液中水分子進(jìn)一步侵入，抑制黏土水化提供了理論支持。

2.3 膜效率實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以一定泥球與MEG水溶液構(gòu)成研究體系，MEG通過氫鍵吸附泥球表面，當(dāng)MEG分子足夠多時(shí)，便會在泥頁巖表面形成一層吸附膜，當(dāng)MEG水溶液水活度低于泥頁巖中水活度時(shí)，在滲透壓的作用下，泥頁巖中的水將向MEG水溶液移動，部分抵消因水力壓差作用進(jìn)入泥頁巖的水量[5，7-8]。由水活度和吸附實(shí)驗(yàn)可以看出：當(dāng)MEG達(dá)到一定濃度后可以在泥球表面吸附成膜，同時(shí)可顯著降低水活度，所以泥球在MEG水溶液中會形成半透膜，泥球內(nèi)水由于半透膜效應(yīng)會運(yùn)移到泥球外的液體中，泥球的體積和質(zhì)量會減小。

本實(shí)驗(yàn)稱取一定質(zhì)量比的鉆井液實(shí)驗(yàn)用鈉膨潤土和水制成相同大小的泥球，將泥球稱量后放入裝有不同濃度MEG水溶液的燒杯中，浸泡一定時(shí)間后取出再稱量，并觀察泥球的變化；稱取不同量比的鈉膨潤土和水制成相同大小的泥球，將泥球稱量后放入裝有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MEG溶液的燒杯中，浸泡一定時(shí)間后后取出稱量，首次對MEG在泥頁巖表面的成膜規(guī)律進(jìn)行了探索，考察MEG在不同實(shí)驗(yàn)條件下的膜效率。

（1）MEG濃度對膜效率的影響

圖3 泥球在不同濃度MEG水溶液中浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以看出，泥球質(zhì)量在MEG濃度達(dá)到40%之前是增加的，而且隨著MEG濃度增加，所以泥球質(zhì)量增加率逐漸降低；而當(dāng)MEG濃度達(dá)到40%以后，泥球質(zhì)量都降低了，而且隨著MEG濃度增加，泥球的質(zhì)量降低率先增大后減小，MEG濃度為80%時(shí)，泥球質(zhì)量降低率達(dá)到最大值，后又升高。

當(dāng)MEG濃度達(dá)到40%時(shí)，溶液中有足夠的MEG分子吸附在泥球表面形成了半透膜，泥球中的水在半透膜的作用下流到MEG水溶液中，濃度越高，膜效率越強(qiáng)，而當(dāng)MEG濃度繼續(xù)增大至100%后，泥球表面因吸附更多的MEG分子使表面黏土去水化，泥球表面黏土因粘合力變差變得越來越堅(jiān)硬，最終出現(xiàn)裂縫，新出現(xiàn)的裂縫斷面又要重新吸附成膜，使得泥球質(zhì)量同80%的相比反而有所增加。同時(shí)圖2中MEG濃度在40%和80%時(shí)活度發(fā)生突變也為此提供了理論依據(jù)。

（2）浸泡時(shí)間對膜效率的影響規(guī)律

圖4泥球在相同濃度MEG水溶液中隨時(shí)間變化浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖4可以看出，當(dāng)MEG濃度小于40%時(shí)，隨著浸泡時(shí)間的延長，浸泡在不同濃度MEG水溶液中的泥球質(zhì)量都是不斷增加，同一濃度下泥球質(zhì)量的增加率幅度逐漸減小，其中用清水浸泡的泥球在進(jìn)入第3天已經(jīng)完全坍塌，無法測量。這是因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間的延長，泥球表面吸附的MEG分子增多，自由水進(jìn)入的難度增大，所以自由水和MEG分子進(jìn)入泥球內(nèi)部的趨勢逐漸變?nèi)?，表現(xiàn)為泥球質(zhì)量增加率也不斷減小，在第5天基本達(dá)到吸附平衡。

當(dāng)MEG濃度大于40%時(shí)，隨著浸泡時(shí)間的延長，同一濃度下泥球質(zhì)量降低率不斷減小，同時(shí)減小的幅度越來越小，這是因?yàn)樵诖藵舛认履嗲虮砻嬉研纬芍旅馨胪改ぃ嗲蛑凶杂伤ㄟ^滲透壓流出而質(zhì)量降低，但隨著浸泡時(shí)間延長，泥球表面吸附的MEG分子逐漸增多，半透膜靠近泥球一側(cè)由于吸附了更多的MEG分子活度逐漸降低，半透膜靠近MEG水溶液的一側(cè)由于一部分MEG分子吸附在泥球上而活度逐漸升高，溶液中的自由水在半透膜作用下又重新進(jìn)入泥球內(nèi)部，所以泥球質(zhì)量降低率不斷減小，但由于半透膜表面朝外的是MEG疏水的烷基，對自由水的進(jìn)入有一定的阻擋作用，所以隨著浸泡時(shí)間延長，泥球表面吸附的MEG分子增多，使得自由水進(jìn)入泥球內(nèi)部變得越來越困難，表現(xiàn)為泥球質(zhì)量降低率減小的幅度越來越小。

2.4 膨脹實(shí)驗(yàn)

取不同濃度的MEG水溶液按照《SY/T 6335-1997鉆井液用頁巖抑制劑評價(jià)方法》做線性膨脹實(shí)驗(yàn)。膨潤土巖心（4MPa，5 min）24 h浸泡后相對膨脹降低率如圖5所示。

圖5MEG水溶液相對膨脹降低率

從圖5可以看出，巖心相對膨脹降低率隨MEG濃度的升高而逐漸升高，當(dāng)MEG濃度小于40%時(shí)，隨MEG濃度的升高，巖心相對膨脹降低率迅速增大；達(dá)到40%后，巖心相對膨脹降低率隨MEG濃度的升高逐漸趨于平穩(wěn)。說明MEG在鉆井液中的加量只有達(dá)到40%抑制性才比較明顯。

2.5 巖心滾動回收率實(shí)驗(yàn)

按照SY/T6335-1997對不同MEG濃度的水溶液進(jìn)行120℃16h巖心滾動回收率測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 MEG水溶液滾動回收率

從圖6可以看出，巖心滾動回收率隨MEG濃度的升高而逐漸升高，當(dāng)MEG濃度小于40%時(shí)，隨MEG濃度的升高，巖心滾動回收率迅速增大；達(dá)到40%后，巖心滾動回收率達(dá)到90%以上，隨MEG濃度繼續(xù)升高，巖心滾動回收率逐漸趨于平穩(wěn)，進(jìn)一步說明了MEG在鉆井液中的加量只有達(dá)到40%抑制性才比較明顯。

3 井壁穩(wěn)定機(jī)理

3.1 抑制黏土水化分散

吸附實(shí)驗(yàn)表明，MEG通過在黏土的吸附形成疏水膜，MEG濃度越高疏水膜越致密，可有效抑制黏土的水化分散，膨脹實(shí)驗(yàn)和巖心滾動回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，MEG可有效提高黏土的相對膨脹降低率和巖心滾動回收率，滾動回收率最高可達(dá)95%以上，MEG對黏土的強(qiáng)抑制性最大限度減少了地層的應(yīng)力變化，是維持井壁穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

3.2 提高井壁半透膜效率

水活度實(shí)驗(yàn)表明，MEG在黏土表面成膜的同時(shí)可顯著降低鉆井液的水活度，活度最高可降低至0.85以下，所以當(dāng)MEG濃度足夠高時(shí)，會在井壁形成半透膜，表現(xiàn)為MEG在泥頁巖表面的膜效率同MEG濃度、浸泡時(shí)間有關(guān)系，MEG濃度越大、膜效率越高，隨著浸泡時(shí)間延長、膜效率降低；較高的膜效率是維持井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵。為保持MEG較高的膜效率，MEG加量應(yīng)保持在40%以上，同時(shí)盡量縮短完井周期。

3.3 現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)例分析

衛(wèi)383-FP1井是位于東濮凹陷中央隆起帶文衛(wèi)濮結(jié)合部衛(wèi)43塊的一口非常規(guī)開發(fā)水平井。實(shí)鉆井深4496 m，水平段長709 m，該地層水平段主要巖性為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、含膏泥巖和頁巖，極易水化分散，普通水基鉆井液難以滿足強(qiáng)抑制性的要求，該井采用MEG鉆井液，配方（質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)）如下：(10%~ 15%)MEG+(0.3%~0.5%)降濾失劑+(0.8%~1.0%)流型調(diào)節(jié)劑+(3%~4%)封堵劑ZLT+(0.3%~0.5%)NaOH+ 25%工業(yè)鹽。

應(yīng)用結(jié)果表明，MEG鉆井液通過強(qiáng)抑制性保證了井眼清潔，平均摩阻僅為3~4 t，滿足了井壁穩(wěn)定的要求。由于該井的MEG加量最高僅為15%，如果增大MEG的用量至濃度40%以上，不僅能提高鉆井液的強(qiáng)抑制性，還可通過提高M(jìn)EG的膜效率，進(jìn)一步提高該井的井壁穩(wěn)定能力，這一規(guī)律將會在今后的純泥巖，特別是軟泥巖地層發(fā)揮重要指導(dǎo)作用。

4 結(jié)束語

（1）MEG通過抑制黏土水化和提高膜效率維持井壁穩(wěn)定，其中，抑制黏土水化是基礎(chǔ)，提高膜效率是維持井壁穩(wěn)定的關(guān)鍵。在現(xiàn)場泥頁巖地層使用MEG時(shí)，MEG被大量吸附在井壁，同時(shí)井壁在鉆井過程中不斷被沖刷破壞，吸附在泥餅和鉆屑上的MEG不斷被帶出井底，隨著鉆井液在井底時(shí)間的延長，為了保持井壁的膜效率進(jìn)而維持井壁穩(wěn)定，應(yīng)對MEG進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)量。

（2）隨著人們對油基鉆井液在環(huán)保上的擔(dān)心和對泥頁巖地層開發(fā)的熱度不斷高漲，研究滿足該類地層井壁穩(wěn)定要求的高性能水基鉆井液勢在必行，本規(guī)律的研究將為MEG鉆井液的現(xiàn)場應(yīng)用提供重要理論依據(jù)。

1王炳印，鄧金根，宋念友.力學(xué)溫度和化學(xué)耦合作用下泥頁巖地層井壁失穩(wěn)研究[J].鉆采工藝，2006，29（6）：1-4.

2Headley,J.A.,T.O.Walker and R.W.Jenkins.Environmental Safe Water-Based Drilling Fluid to Replace Oil-Based Muds for Shale Stabilization[A].1995.SPE/lADC 29404.

3Simpson J.P.,Walker T.O.,Jiang G.Z..Environmentally Acceptable Water-Based Mud Can Prevent Shale Hydration and Maintain Borehole Stability[A].1995,SPE 27496.

4劉嶺，高錦屏，郭東榮.甲基葡萄糖苷及其鉆井液[J].石油鉆探技術(shù)，1999，27（1）：49-51.

5王軍義，王在明，王棟.甲基葡萄糖甙鉆井液抑制機(jī)理研究[J].天然氣勘探與開發(fā)，2006，29（3）：62-65.

6張琰，陳鑄.新型抑制性鉆井液的研究[J].地質(zhì)與勘探，36（2）：80-84.

7張華輝.多羥基糖苷防塌劑的合成及性能研究[J].海洋石油，2011，31（1）：82-85.

8王彬，樊世忠，李競，等.MEG水基鉆井液的研究與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2005，33（3）：22-25.

（修改回稿日期2015-01-29編輯景岷雪）

本研究得到中國博士后科學(xué)基金（2011M501194）“鉆井液用糖苷基季銨鹽的合成及其抑制機(jī)理研究”、中國博士后科學(xué)基金（2012T50641）“鉆井液用兩性甲基葡萄糖苷的合成及其作用機(jī)理”、中石化先導(dǎo)項(xiàng)目（SG12035）“水平井烷基糖苷無土相鉆井液技術(shù)”、中原石油勘探局科技攻關(guān)項(xiàng)目（2011231）“鉆井液用陽離子烷基糖苷的研究“聯(lián)合資助。

雷祖猛，1983年出生，碩士，工程師；現(xiàn)在從事鉆井液體系及處理劑的研發(fā)工作。地址：（457001）河南省濮陽市中原路462號。電話：（0393）4899460。E-mail：zyytleizm@163.com