迪娜·木拉提，鄭文龍，烏效鳴

［中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北武漢430074］

鉆井工程中鉆遇水敏性地層的幾率很高。國(guó)外90%的鉆孔失穩(wěn)發(fā)生在泥頁(yè)巖地層的鉆進(jìn)過程中［1］。鉆井液中的水與地層粘土礦物發(fā)生水化反應(yīng)，引起井眼縮徑、掉塊等井下復(fù)雜情況。為解決地層的水敏性問題，需盡可能地減少鉆井液的侵入量，或減少侵入液對(duì)地層的影響。從這兩種抑制粘土水化的思路出發(fā)，國(guó)內(nèi)外研究人員研發(fā)了多種鉆井液降濾失劑和泥頁(yè)巖抑制劑［2-3］。

泥頁(yè)巖抑制劑大致包括無機(jī)鹽類［4-5］、聚合物類、有機(jī)鹽類、腐植酸類［6］、硅酸鹽類［7］、胺類［8］、瀝青類［9］和表面活性劑類［10］。抑制性評(píng)價(jià)方法有浸泡法、粘土造漿法、線性膨脹法、滾動(dòng)回收法、CST 法［11］、抗壓強(qiáng)度法、亞甲基藍(lán)比表面積法［12］、離心法［13］、激光粒度法［14］、析水率法［15］、孔壓傳遞法、動(dòng)態(tài)濾失法［16］等。實(shí)際上，不同種類抑制劑的作用機(jī)理各異［17］，各種評(píng)價(jià)方法的實(shí)驗(yàn)原理也不盡相同，而這些評(píng)價(jià)方法又各自存在一定的缺點(diǎn)或局限性，例如CST 法誤差較大［18］、亞甲基藍(lán)法標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度范圍較寬、離心法測(cè)量精度有限、 激光粒度法易受樣品分散程度的影響等。

在進(jìn)行浸泡實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，與蒸餾水相比無機(jī)鹽類抑制劑KCl 的加入加速了人工巖心的水化分散，這與預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不一致。邱正松［19］認(rèn)為鉀鹽的抑制效果同時(shí)受到K+濃度和鉀鹽陰離子種類兩個(gè)因素的影響。為研究低濃度鹽溶液中粘土的水化規(guī)律，項(xiàng)國(guó)圣等［20］對(duì)蒸餾水和不同濃度NaCl 溶液中浸泡的膨潤(rùn)土試樣進(jìn)行了表面分維分析，發(fā)現(xiàn)低濃度鹽溶液中試樣的表面粗糙度較蒸餾水中高。于海浩等［21］實(shí)驗(yàn)結(jié)果則表明，在低的初始含水率條件下，與蒸餾水相比低濃度NaCl 溶液中的壓實(shí)膨潤(rùn)土試樣具有更高的膨脹應(yīng)變值。

筆者在認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)異?，F(xiàn)象產(chǎn)生的原因基礎(chǔ)上，結(jié)合巖心浸泡實(shí)驗(yàn)、線性膨脹實(shí)驗(yàn)、滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)和掃描電鏡觀察實(shí)驗(yàn)，探討了抑制劑種類與抑制性評(píng)價(jià)方法之間的適應(yīng)性問題。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和儀器

原料：鈣基蒙脫石粉、無水碳酸鈉、氯化鉀、硅酸鉀，均為分析純。聚乙烯醇PVA 1788、聚丙烯酸鉀KPAM、高粘羧甲基纖維素鈉鹽HV-CMC、黃原膠XC、腐植酸鉀KHm、磺化瀝青粉FT-1、聚合醇、改性淀粉FLD、均為市售商品。蒸餾水。原礦土，來自某礦區(qū)。

儀器：NP-01 型常溫常壓膨脹量測(cè)定儀；ZNND6B 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；XGRL-4A 型數(shù)顯式高溫變頻熱滾爐；Phenom pro 型臺(tái)式掃描電子顯微鏡（SEM）；DJ1C-100 型電動(dòng)攪拌機(jī)；GJSS-B12K 型變頻高速攪拌器；PM100 型巖樣壓制機(jī)；鉆井液陳化釜；標(biāo)準(zhǔn)分樣篩。

1.2 鈣（鈉）基蒙脫石基漿的配制

取10 L 蒸餾水，開啟DJ1C-100 型電動(dòng)攪拌機(jī)，于1000 r/min 轉(zhuǎn)速下進(jìn)行攪拌。稱取650 g 鈣基蒙脫石粉，在攪拌狀態(tài)下緩慢加入到蒸餾水中，攪拌2 h 后密封，靜置水化24 h，制得鈣基蒙脫石基漿。另制10 L 鈣基蒙脫石基漿，制備時(shí)另加入32.5 g 無水碳酸鈉，即得鈉基蒙脫石基漿（Na-mmt）。

1.3 處理劑溶液的制備

量取500 mL 待測(cè)溶液，置于GJSS-B12K 型變頻高速攪拌器上于11000 r/min 轉(zhuǎn)速攪拌40 min。取350mL 攪拌后的處理劑溶液，用ZNN-D6B 型六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試其粘度。

1.4 常溫常壓線性膨脹實(shí)驗(yàn)

稱取5 g 粒度小于150 μm 的鈣基蒙脫石粉，置于PM100 型巖樣壓制機(jī)的巖心壓制筒內(nèi)，于10 MPa壓力穩(wěn)壓5 min 制得人工巖心，記為鈣土心。將制得的巖心置于膨脹量測(cè)定儀的巖心測(cè)試筒內(nèi)，組裝完成后調(diào)整千分尺讀數(shù)為零，注入400 mL 待測(cè)溶液，記錄膨脹量隨時(shí)間的變化。巖心在1 h 內(nèi)的膨脹量不大于0.1 mm 時(shí)為膨脹結(jié)束。

1.5 巖心浸泡實(shí)驗(yàn)

量取100 mL 待測(cè)溶液，倒入100 mL 量杯中，將巖心自液面落入待測(cè)溶液中，觀察巖心的形態(tài)隨浸泡時(shí)間的變化。

1.6 滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)

量取350 mL 待測(cè)溶液倒入鉆井液陳化釜中，加入粒度范圍為2.00～3.35 mm 的原礦土50 g，于40 ℃熱滾16 h，冷卻至室溫，將陳化釜內(nèi)的物質(zhì)傾倒至孔徑為385 μm 標(biāo)準(zhǔn)篩上，以蒸餾水充分洗滌后，將篩網(wǎng)上的顆粒轉(zhuǎn)移至電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱內(nèi)，于105 ℃烘干至質(zhì)量恒定，稱其質(zhì)量，計(jì)算熱滾回收率。

1.7 巖心滴染掃描電鏡觀察實(shí)驗(yàn)

用膠頭滴管滴5 滴待測(cè)溶液滴染鈣土心，置于恒溫干燥箱內(nèi)于105 ℃烘干至質(zhì)量恒定，利用Phenom pro 型掃描電鏡觀察表面孔隙的大小與分布。

2 浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 不同種類處理劑浸泡鈣土心實(shí)驗(yàn)結(jié)果

鈣土心在蒸餾水、5%氯化鉀、5%硅酸鉀和0.1%KPAM（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）溶液中的浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。鈣土心在蒸餾水、5%KCl 溶液和5%硅酸鉀溶液中發(fā)生整體破碎所需的時(shí)間分別為7、4、90 min；而在0.1%KPAM 溶液中浸泡12 h 的過程中基本保持形狀穩(wěn)定。由于K+能夠通過離子吸附和晶格固定的方式抑制粘土礦物的水化，與蒸餾水相比上述含鉀離子的3 種處理劑應(yīng)均能起到抑制粘土的水化分散、延長(zhǎng)巖心穩(wěn)定時(shí)間的效果。但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，與蒸餾水相比KCl 溶液中的巖心水化失穩(wěn)用時(shí)更短；在NaCl 溶液中觀察到同樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。發(fā)生該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可能的原因在于，鈣土心接觸鹽溶液時(shí)，蒙脫石發(fā)生離子水化引起的膨脹應(yīng)變較在蒸餾水中大，有利于水通過巖心空隙向內(nèi)部進(jìn)一步滲透，引發(fā)了鈣土心加速水化分散的反?，F(xiàn)象； 而KPAM和硅酸鉀在鈣土心表面吸附成膜阻水，不同程度地延長(zhǎng)了巖心的穩(wěn)定時(shí)間。所以，浸泡實(shí)驗(yàn)不適用于對(duì)低濃度鹽溶液的抑制性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 常溫常壓線性膨脹實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 處理劑種類的影響

首先對(duì)比了處理劑種類對(duì)鈣土心線性膨脹量的影響，結(jié)果見圖2。由圖2a 可知，各處理劑溶液中鈣土心的膨脹量均隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。值得注意的是，在實(shí)驗(yàn)前1.25 h 內(nèi)，除5%KCl 溶液外，鈣土心在其他溶液中的膨脹量均小于蒸餾水中的膨脹量。由圖2b 可知，所有鈣土心在實(shí)驗(yàn)開始后的6 h內(nèi)膨脹基本結(jié)束； 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)鈣土心在各溶液中的膨脹量均小于在蒸餾水中的膨脹量（3.07 mm），說明各處理劑溶液均能不同程度地抑制粘土的水化膨脹，尤其以硅酸鉀（0.87 mm）的抑制效果最好。線性膨脹法對(duì)于絕大多數(shù)的抑制劑均具有良好的適應(yīng)性。為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)抑制效果，應(yīng)該取鈣土心膨脹穩(wěn)定時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為評(píng)價(jià)依據(jù)，避免因膨脹未結(jié)束得到錯(cuò)誤的評(píng)價(jià)結(jié)論。

圖2 不同種類處理劑溶液中鈣土心線性膨脹曲線

3.2 處理劑濃度的影響

為明確處理劑濃度是否對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論產(chǎn)生影響，對(duì)比了不同濃度的處理劑溶液中鈣土心膨脹量隨時(shí)間的變化，結(jié)果見圖3。由圖3 可知，溶液的種類和濃度均對(duì)鈣土心的膨脹量和膨脹速率產(chǎn)生不同程度的影響?？傮w而言，膨脹量隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加；溶液種類一定時(shí)，膨脹量隨著濃度的增加而減少，濃度越高實(shí)驗(yàn)結(jié)束所需的用時(shí)越長(zhǎng)。值得注意的是，除PVA 外鈣土心在其他處理劑最低濃度溶液中的膨脹量均高于在蒸餾水中的膨脹量。

圖3 不同濃度處理劑溶液中鈣土心線性膨脹曲線

4 巖心滴染掃描電鏡觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別取0.1%KPAM、5%FT-1、5%聚合醇、5%KCl和5%硅酸鉀溶液滴染鈣土心，觀察鈣土心表面的孔隙尺寸分布情況，樣品SEM 照片見圖4。由圖4可知，鈣土心表面普遍存在寬為1～10 μm 的孔隙；KPAM 溶液對(duì)鈣土心表面孔隙的封堵效果最佳；FT-1 處理后在巖心表面形成一層表面非均質(zhì)的封堵層，封堵層裂隙寬度為1～3 μm；滴染聚合醇的巖心表面孔隙有所減小，但封堵效果不理想；KCl 溶液處理后的巖心封堵效果最差，巖心表面存在大量寬度為3～5 μm 的孔隙； 硅酸鉀滴染的巖心表面存在厚度為3～5 μm 的水化凝膠層，凝膠層的裂隙寬度為2～100 μm。掃描電鏡觀察結(jié)果基本符合浸泡實(shí)驗(yàn)和膨脹實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論，滴染KCl 后巖心表面未能形成有效隔水封堵，有利于水沿著孔隙向內(nèi)部進(jìn)一步滲透。掃描電鏡觀察方法可以在一定程度上評(píng)價(jià)抑制劑的抑制能力。

圖4 不同種類處理劑滴染鈣土心SEM 照片

5 滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1 處理劑的影響

探討了處理劑的種類和濃度對(duì)滾動(dòng)回收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。由圖5a 可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的FLD、XC、KPAM 溶液的表觀粘度分別為0.50、3.25、3.50 mPa·s，滾動(dòng)回收率分別為31.4%、52.9%、83.2%?？傮w而言，粘度越高的溶液滾動(dòng)回收率越高；而后二者，兩種溶液的粘度基本相當(dāng)，但是回收率差別極大。說明不同種類抑制劑在相同濃度條件下對(duì)滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響各異。由圖5b可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%的XC 溶液的表觀粘度分別為3.25、9.75、16.5 mPa·s，回收率分別為52.9%、64.9%、69.0%。說明XC 溶液的表觀粘度隨濃度的增加而增加，滾動(dòng)回收率也明顯提高。由圖5c可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%的FLD 溶液的表觀粘度分別為0.50、0.75、0.90 mPa·s，回收率分別為31.4%、37.9%、38.6%。隨著FLD 濃度增加，盡管溶液表觀粘度的增量很小（最大差值為0.4 mPa·s），滾動(dòng)回收率仍有一定程度的提高，這也進(jìn)一步說明處理劑的種類和濃度均對(duì)滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖5 不同處理劑溶液的表觀粘度和熱滾回收率

5.2 基漿的影響

圖6 不同濃度鈉基蒙脫石基漿的表觀粘度和熱滾回收率

探討了鈉基蒙脫石基漿粘度對(duì)熱滾回收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。結(jié)果表明，蒸餾水中的滾動(dòng)回收率為27.9%。隨著基漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 增加至2%、6%、10%，基漿的表觀粘度分別增加至0.5、1.5、5.5 mPa·s，滾動(dòng)回收率分別增加了4.8%、10.6%、16.2%。眾所周知，蒙脫石作為粘土礦物本身不具備抑制性，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是由于隨著蒙脫石濃度的增加，形成的基漿具有一定的粘度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能夠懸浮鉆屑顆粒，減少了鉆屑顆粒間發(fā)生碰撞進(jìn)而變小的幾率，從而在一定程度上提高了回收率。而且，在鈉基蒙脫土基漿中也觀察到了同樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。所以，在進(jìn)行抑制性相關(guān)評(píng)價(jià)的過程中，應(yīng)充分考慮基漿的粘度引起的實(shí)驗(yàn)誤差。

6 結(jié)論

1）巖心浸泡實(shí)驗(yàn)、線性膨脹實(shí)驗(yàn)、泥頁(yè)巖熱滾回收實(shí)驗(yàn)和巖心滴染電鏡觀察實(shí)驗(yàn)均能在一定程度上評(píng)價(jià)材料的抑制效果，但是浸泡實(shí)驗(yàn)不適用于評(píng)價(jià)低濃度無機(jī)鹽溶液的抑制效果。

2）膨脹量實(shí)驗(yàn)的結(jié)論受到測(cè)試時(shí)間、處理劑濃度、處理劑類型的多重影響。為確保結(jié)論準(zhǔn)確，建議測(cè)試時(shí)間不低于6 h；增粘效果不強(qiáng)的材料，其在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不低于5%，增粘型材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于0.3%。

3）泥頁(yè)巖熱滾回收實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、可重復(fù)性強(qiáng)，相比于其他方法得到的結(jié)論可靠性更強(qiáng)。

4）對(duì)不同抑制劑溶液滴染后的巖心樣品進(jìn)行掃描電鏡觀察是一種可行的評(píng)價(jià)方法，具有一定的可靠度。