劉 狀， 查如俊， 邵 斐， 凌 昊

（華東理工大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

鉆井過(guò)程中使用的水基鉆井液費(fèi)用低且對(duì)環(huán)境友好，水基鉆井液中的頁(yè)巖抑制劑對(duì)井壁穩(wěn)定有著重要作用，但水基鉆井液是以水作為連續(xù)相，頁(yè)巖地層遇水易水化膨脹[1]。目前鉆井液用有機(jī)頁(yè)巖抑制劑[2]主要有瀝青類、石蠟類、生物聚合物和乳膠類等，瀝青可以保護(hù)油層，石蠟可以潤(rùn)滑鉆頭，生物聚合物和乳膠有很好的黏結(jié)作用，這些抑制劑均具有一定的防塌封堵效果[3-6]。吳艷等[7]研究了兩種軟化點(diǎn)不同的乳化瀝青共混，制備得到了抗高溫陽(yáng)離子乳化瀝青，能夠降低鉆井液在高溫高壓下的失水，但是高乳化點(diǎn)的乳化瀝青粒徑過(guò)大，水分散性差，儲(chǔ)存穩(wěn)定性較差。乳化石蠟類鉆井液潤(rùn)滑劑是一種環(huán)境友好的頁(yè)巖抑制劑，但石蠟成膜性能差，抑制效果不明顯[8]。Akpan 等[6]用生物聚合物為原料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)提高了生物聚合物頁(yè)巖抑制劑抗高溫性能，但該鉆井液原料成本頗高，應(yīng)用前景有限。膠乳類頁(yè)巖抑制劑能夠降低鉆井液濾失量，具有增強(qiáng)鉆井液的潤(rùn)滑性能以及提高鉆井液抑制頁(yè)巖膨脹的能力[5]，但此類產(chǎn)品對(duì)地底油層保護(hù)作用差，對(duì)鉆井液黏度影響比較大。聚合物改性乳化瀝青是一種新型的頁(yè)巖抑制劑，它將傳統(tǒng)的乳化瀝青與膠乳類頁(yè)巖抑制劑進(jìn)行復(fù)配[9]，提供了乳膠-瀝青復(fù)合體、瀝青和乳膠粒的混合物，但膠質(zhì)含量過(guò)高不易乳化分散。聚合物還可以通過(guò)官能化與瀝青反應(yīng)產(chǎn)生瀝青的共聚物[9]，這將改善瀝青乳液作為鉆井液添加劑的黏結(jié)性能，但此類頁(yè)巖抑制劑分散性差且有瀝青質(zhì)污染。

為了保留傳統(tǒng)瀝青類頁(yè)巖抑制劑的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服其缺點(diǎn)，本文以石油樹(shù)脂作為調(diào)和原料制備鉆井液用頁(yè)巖抑制劑。以芳烴油和石油樹(shù)脂為原料制備基質(zhì)材料，用不同乳化劑進(jìn)行乳化[10]，優(yōu)選出不同乳化劑，獲得了穩(wěn)定性能良好的乳化淺色瀝青；隨后再經(jīng)過(guò)聚合物乳液進(jìn)行改性，得到石油樹(shù)脂鉆井液用頁(yè)巖抑制劑（PRSI）。測(cè)試該頁(yè)巖抑制劑對(duì)鉆井液膨潤(rùn)土分散體的流變性、降濾失性和潤(rùn)滑性的影響，結(jié)果表明，石油樹(shù)脂鉆井液用頁(yè)巖抑制劑與鉆井液配伍性好，克服了傳統(tǒng)有機(jī)頁(yè)巖抑制劑適應(yīng)性差的缺陷。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

評(píng)價(jià)用坂土為夏子街鉆井液用膨潤(rùn)土。實(shí)驗(yàn)所用Na2CO3（工業(yè)級(jí)）、NPAN（復(fù)配銨鹽）、LV-CMC（低黏度羧甲基纖維素鈉）、SP-8（聚丙烯酰胺鉀鹽）、KCl、CaO（工業(yè)級(jí)）均為市售。芳烴油和C9 石油樹(shù)脂購(gòu)自國(guó)內(nèi)某石化公司，陽(yáng)離子乳化劑E11 和非離子乳化劑E47 購(gòu)自阿克蘇諾貝爾公司，陽(yáng)離子丁苯橡膠（SBR）乳液購(gòu)自上海路化新材料有限公司。采用70#SK 瀝青、新疆貝肯能源工程股份有限公司乳化石蠟LS-1 和克拉瑪依友聯(lián)實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司乳化瀝青YL-YL 開(kāi)展對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1.2 鉆井基漿的制備

鉆井液中的膨潤(rùn)土在鉆井過(guò)程中主要起到提高鉆井液的黏切力、降低鉆井液的失水量、穩(wěn)定井壁等作用。表1 示出了幾個(gè)不同的鉆井液配方，樣品A、B、C 分別為普通水基鉆井液（Water-based drilling fluid）、聚合物鉆井液（Polymer drilling fluid）、鉀鈣基鉆井液(Potassium-calcium based drilling fluid)。通常鉆井液中的添加劑都會(huì)針對(duì)性地提升鉆井液中的某些性能，如表1 中的碳酸鈉和氧化鈣可以調(diào)節(jié)鉆井液的pH，使得鉆井液呈弱堿性，減少鉆井液對(duì)地層的傷害；氯化鉀能夠抑制頁(yè)巖層的水化，防止井壁坍塌；羧甲基纖維素鈉（CMC）能夠提高鉆井液的黏度和靜切力，增強(qiáng)鉆井液的攜沙能力；NPAN 和SP-8 是鉆井液專用的降濾失劑，能夠顯著降低鉆井液的失水量。

表1不同鉆井液配方Table1Formulations of different drilling fluids

1.3 石油樹(shù)脂鉆井液用頁(yè)巖抑制劑的制備

石油樹(shù)脂鉆井液用頁(yè)巖抑制劑的制備流程如下：

（1） 在智能恒溫電熱套中將芳烴油（360 g）加熱到140 ℃。使用頂置式攪拌器以800 r/min 的轉(zhuǎn)速攪拌30 min 后加入石油樹(shù)脂（240 g），并以800 r/min 的轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌30 min，獲得淺色瀝青的油相。

（2） 將乳化劑E11（10 g）、乳化劑E47（10 g）以及助劑聚乙烯醇（0.5 g）溶解于55 ℃的自來(lái)水（380 g）中獲得皂液。

（3） 將配制好的皂液倒入55 ℃的膠體磨中，以3170r/min（20 Hz）的轉(zhuǎn)速預(yù)混合5 min，將轉(zhuǎn)速升至6869r/min（40 Hz），然后將油相緩慢加入到膠體磨中剪切15 min，制得乳化淺色瀝青。

（4） 加入陽(yáng)離子聚合物SBR 乳液（50 g），攪拌共混后，制得石油樹(shù)脂鉆井液用頁(yè)巖抑制劑。

1.4 淺色瀝青性質(zhì)的測(cè)試方法

根據(jù)GB/T0606—2011 瀝青軟化點(diǎn)測(cè)定法測(cè)定各個(gè)樣品的軟化點(diǎn)。根據(jù)GB/T0604—2011 瀝青針入度測(cè)定法測(cè)定各個(gè)樣品的針入度。根據(jù)GB/T0605—2011 瀝青延度測(cè)定法測(cè)定樣品的延度。

1.5 瀝青組分的測(cè)定方法

1.6 乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性測(cè)試方法

根據(jù)GB/T0655—2011 測(cè)試乳化瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性。將待測(cè)乳化瀝青用1.18 mm 篩網(wǎng)過(guò)濾后，注入瀝青穩(wěn)定管中至250 mL 刻度線處。將裝好乳液的穩(wěn)定管于室溫中靜置5 d，然后取上、下支管乳液各50 g于燒杯中。按照J(rèn)TG E20—2011 乳化瀝青固含量的測(cè)試方法，測(cè)定上、下支管乳液的固含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），分別表示為PA（%）和PB（%）。

1.7 粒度分布的測(cè)量方法

通過(guò)Microtrac S3500SI 激光粒度儀（美國(guó)Microtrac 公司）測(cè)量乳液的粒度分布和平均粒徑。先用蒸餾水將試樣稀釋至半透明狀態(tài)，然后將稀釋后的樣品滴到Microtrac 樣品輸送器（20 ℃恒溫）中，經(jīng)過(guò)圖像分析儀和激光衍射粒度儀循環(huán)分析。通過(guò)Microtrac S3500SI 自動(dòng)化分析軟件得到試樣的粒度分布和平均粒徑。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，取平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.8 鉆井液性能的測(cè)定

制備的頁(yè)巖穩(wěn)定劑對(duì)鉆井液的流變性和濾失性的影響好壞是其能否應(yīng)用的前提。將16 g 鉆井液膨潤(rùn)土分散在400 mL 水中，在10000r/min 轉(zhuǎn)速下攪拌30 min，然后將頁(yè)巖抑制劑樣品加入其中，在10000r/min 轉(zhuǎn)速下繼續(xù)攪拌20 min。在設(shè)定好的溫度下熱滾，在高溫滾子加熱爐BRGL-7（青島同春石油儀器有限公司）中保溫16 h。熱滾后，將分散體冷卻至室溫，再攪拌10 min。通過(guò)ZNN-D6B 六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(青島永峰石油儀器有限公司)測(cè)定表觀黏度(μA)、塑性黏度(μP)和動(dòng)切力(τ0)等流變性質(zhì)。根據(jù)API RP 13B-1—2009 的測(cè)定方法，讀取黏度計(jì)轉(zhuǎn)盤在600 r/min 轉(zhuǎn)速下的黏度值，記錄為μ600，轉(zhuǎn)盤在300 r/min 轉(zhuǎn)速下的黏度，記錄為μ300。計(jì)算方法如下：

鉆井液的濾失量（FL）是采用多聯(lián)失水儀SD-3（青島永鋒石油儀器有限公司）在689.5 kPa 壓力和室溫下測(cè)試30 min 得到的鉆井液的過(guò)濾損失[11]。

1.9 巖心膨脹量相對(duì)降低率

依據(jù)SY/T 5794—2010 中的檢測(cè)方法，稱取在（105 ± 3） ℃下烘4 h 的鉆井液用鈣膨潤(rùn)土10.0 g，裝入頁(yè)巖膨脹儀測(cè)筒中，在壓力機(jī)上加壓力4.0 MPa，保持5 min 后取下測(cè)筒，制得實(shí)驗(yàn)巖心。將裝有巖心的測(cè)筒安裝在NP-03 頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀（無(wú)錫石油儀器設(shè)備有限公司）上，將蒸餾水注入測(cè)筒，測(cè)定巖心8 h的線膨脹量。將蒸餾水替換為加入2%（體積分?jǐn)?shù)）試樣的等體積溶液，測(cè)定該試樣8 h 的線膨脹量。按式（4）計(jì)算樣品巖心膨脹量相對(duì)降低率。

式中R 為巖心膨脹量相對(duì)降低率，%；H1為試樣溶液的巖心線膨脹量，mm；H2為蒸餾水的巖心線膨脹量，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的性能分析

將石油樹(shù)脂與芳烴油按照一定比例混合制備得到淺色瀝青，芳烴油、C9 樹(shù)脂、淺色瀝青以及參比的70#瀝青的4 種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2 所示。

表2各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table2Mass fraction of the different components

從表2 中可以看出，芳烴油中飽和分與芳香分的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)了85%，膠質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.05%，含有少量瀝青質(zhì)；C9 石油樹(shù)脂的膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.68%，在芳烴油中加入樹(shù)脂后，所制成的淺色瀝青的膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)有所上升，黏結(jié)性也大幅度上升。這既保留了膠質(zhì)的黏結(jié)性，又可以消除同類產(chǎn)品的瀝青質(zhì)污染。C9 石油樹(shù)脂是一種凝膠型脆性固體，可以在高溫下軟化和熔化。而芳烴油是軟化點(diǎn)非常低的黏稠液體，它可以作為石油樹(shù)脂的助熔劑[12]。如表2所示，與70#瀝青相比，淺色瀝青的芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等重組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，因此具有更好的乳化性能。

表3 示出了不同類型瀝青的一些性質(zhì)指標(biāo)，其中a 是用于參比的70#瀝青，b 為自制淺色瀝青，c 為淺色瀝青乳液外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%SBR 乳液改性后的樣品，制備方法參照張亞?wèn)|[13]對(duì)于淺色瀝青乳液的研究。淺色瀝青軟化點(diǎn)為46.7 ℃，25 ℃下的針入度為64.5（單位為10?1mm），15 ℃下的延度大于100 cm，均滿足70#瀝青標(biāo)準(zhǔn)。為了獲得改性乳化淺色瀝青的性質(zhì)指標(biāo)，先將制得的改性乳化瀝青水分蒸干即得滿足要求的樣品c，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，自制淺色瀝青的各項(xiàng)性質(zhì)指標(biāo)與70#瀝青基本一致。淺色瀝青外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%SBR 乳液改性后，產(chǎn)品的軟化點(diǎn)提升了12%，延度也獲得大幅度提升。這是因?yàn)榫酆衔锓肿娱g作用力大，瀝青能與聚合物相互纏結(jié)形成空間網(wǎng)絡(luò)，具有良好的黏彈性，因而聚合物對(duì)淺色瀝青的高溫黏結(jié)性有著顯著改善[14]。

表3不同類型瀝青的性質(zhì)Table3Properties of the different kinds of asphalts

2.2 PRSI 的儲(chǔ)存穩(wěn)定性能

乳液良好的分散性可防止其在鉆井液中上浮和沉淀。因此，在調(diào)節(jié)好淺色瀝青的性質(zhì)指標(biāo)后，需要考慮的是提高淺色瀝青乳液在水中的分散性。由于瀝青和水之間的界面特性存在顯著差異，因此通?？紤]添加特殊配方的乳化劑以降低瀝青和水之間的界面張力，以穩(wěn)定體系防止顆粒聚結(jié)。通常結(jié)合不同類型的乳化劑以獲得穩(wěn)定的瀝青乳液。將陽(yáng)離子乳化劑和非離子乳化劑同時(shí)添加到乳液中，從而增加了瀝青顆粒之間的擴(kuò)散雙電層的排斥力[15]，并改善了瀝青乳液的穩(wěn)定性能。

通過(guò)測(cè)定穩(wěn)定管內(nèi)上、下支管中乳液固含量之差的絕對(duì)值（|PB?PA|）來(lái)測(cè)定瀝青乳液的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。固含量差值的絕對(duì)值越小，瀝青乳液越不會(huì)出現(xiàn)上浮或者沉淀的情況，說(shuō)明瀝青乳液的儲(chǔ)存穩(wěn)定性越好。乳液的儲(chǔ)存穩(wěn)定性和粒度分布情況見(jiàn)圖1。根據(jù)GB/T0655—2011 的要求，乳液儲(chǔ)存5 d 的上、下支管中，乳液固含量差值的絕對(duì)值應(yīng)該小于5%。由圖1(a)可知，產(chǎn)品的儲(chǔ)存穩(wěn)定性與乳化劑的用量有關(guān)，隨著乳化劑添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的提高，上、下支管中乳液的固含量差值的絕對(duì)值逐漸減小，即瀝青乳液儲(chǔ)存穩(wěn)定性提高。當(dāng)乳化劑添加量達(dá)到1.2%時(shí)，剛好滿足儲(chǔ)存5 d，上、下支管中乳液固含量之差的絕對(duì)值小于5%的要求；當(dāng)復(fù)配乳化劑添加量達(dá)到2.0%時(shí)，上、下支管中乳液的固含量差值的變化減小，產(chǎn)品趨于穩(wěn)定。由圖1(b)可知，當(dāng)乳化劑的用量由1.2%提高到2.4%時(shí)，油滴的平均粒徑由7.78 μm降低到5.08 μm，粒徑分布更集中，平均粒徑更小。由此可知，乳液的儲(chǔ)存穩(wěn)定性與平均粒徑有關(guān)，平均粒徑越小儲(chǔ)存越穩(wěn)定[16]。當(dāng)乳化劑的用量大于2.0%時(shí)，儲(chǔ)存穩(wěn)定性與粒徑的變化已經(jīng)很小，因此優(yōu)選的復(fù)配乳化劑添加量為2.0%。

圖1乳液的儲(chǔ)存穩(wěn)定性與粒度分布Fig.1Storage stability and size distribution of emulsion

2.3 鉆井液基漿流變性能考察

為了研究頁(yè)巖抑制劑對(duì)水基鉆井液的流變性能和降濾失性能的影響，將PRSI 添加到鉆井液基漿中進(jìn)行性能考察。通常來(lái)說(shuō)，隨著鉆井深度的增加，井眼的溫度也隨之增加?？紤]到PRSI 的軟化點(diǎn)與對(duì)應(yīng)適用溫度范圍的影響，考察了60～120 ℃頁(yè)巖抑制劑對(duì)鉆井液基漿性能的影響，高溫老化16 h 并冷卻至室溫后，測(cè)定了含有PRSI 的鉆井液基漿的性能，結(jié)果如圖2 所示。

從圖2（a）～圖2（c）可以看出，鉆井液基漿在經(jīng)過(guò)80 ℃以下的溫度老化后，其表觀黏度和塑性黏度與未老化時(shí)基本一致。在120 ℃熱滾16 h后，表觀黏度、塑性黏度和動(dòng)切力都有一定程度的下降，這表明在高溫條件下，PRSI 里面的輕質(zhì)油組分分散到了膨潤(rùn)土基漿內(nèi)，并造成了鉆井液表觀黏度和塑性黏度的降低。在不同的溫度下熱滾前后，表觀黏度和塑性黏度都隨著PRSI 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，總體呈上升趨勢(shì)，動(dòng)切力基本不變。結(jié)果表明，PRSI 不會(huì)顯著增加鉆井液的黏度，不會(huì)影響鉆井液的流變性能，滿足鉆井液添加劑的要求。由圖2（d）可知，當(dāng)老化溫度大于60 ℃時(shí)，鉆井液基漿的濾失量（FL）都會(huì)有一定程度的降低，溫度越高，濾失量越小，說(shuō)明高溫有利于提高膨潤(rùn)土的降失水效果。此外，PRSI 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加有助于靜濾失量的降低。在常溫下，當(dāng)PRSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為0～5%時(shí)，濾失量從39.0 mL 減少至28.0 mL，濾失量降低率為28.2%，具有較好的控制濾失能力。在不同溫度下，熱滾后的濾失量降低率與熱滾前基本一致，PRSI 在不同溫度下控制濾失性能出色，表明以膠體粒子形式加入的淺色瀝青，有助于降低鉆井液基漿靜濾失量，具有很好的降失水效果。

2.4 適應(yīng)性能分析

為了研究與其他鉆井液添加劑的相容性，將頁(yè)巖抑制劑分別加入聚合物鉆井液（Polymer drilling fluid）和鉀鈣基鉆井液(Potassium-calcium based drilling fluid)兩種鉆井液體系中，考察不同溫度與PRSI不同添加量下，頁(yè)巖抑制劑對(duì)鉆井液體系性能的影響，結(jié)果如表4 和表5 所示。

根據(jù)表4 所示，在80 ℃熱滾16 h 后，隨著PRSI質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，聚合物鉆井液的表觀黏度基本不變，而濾失量逐漸減小，有良好的降濾失效果，同時(shí)鉆井液的表觀黏度和塑性黏度有一定程度的升高，鉆井液的降濾失效果有明顯提升。結(jié)合井底溫度高和壓力大的實(shí)際情況，當(dāng)溫度達(dá)到軟化點(diǎn)時(shí)，PRSI 中的膠體和高分子聚合物會(huì)與泥餅緊密黏結(jié)在一起，陽(yáng)離子表面活性劑會(huì)與帶負(fù)電荷的膨潤(rùn)土吸附到一起，PRSI 會(huì)在泥餅表面形成一層憎水薄膜，這樣就阻礙了水的濾失并黏結(jié)形成了致密的泥餅[17]。

圖2石油樹(shù)脂鉆井液用頁(yè)巖抑制劑對(duì)膨潤(rùn)土基漿流變性能和濾失性能的影響Fig.2Effects of PRSI on rheology and filtration properties of bentonite dispersions

表4石油樹(shù)脂鉆井液用頁(yè)巖抑制劑在聚合物鉆井液中的性能Table4Performance of polymer drilling fluid with PRSI

表5石油樹(shù)脂鉆井液用頁(yè)巖抑制劑在鉀鈣基鉆井液中的性能Table5Performance of potassium-calcium based drilling fluid with PRSI

如表5 所示，同樣條件下，鉀鈣基鉆井液的降濾失效果要優(yōu)于聚合物鉆井液，PRSI 的加入對(duì)鉀鈣基鉆井液的流變性能影響很小，表觀黏度和塑性黏度基本沒(méi)有變化。在80 ℃熱滾16 h 后，隨著PRSI 的有效成分軟化成膜，吸附在泥漿表面形成一層憎水油膜，靜濾失量和高溫高壓濾失量大大降低。PRSI在熱滾前后都未析出，故其有很好的抗鹽污染能力。

綜上所述，PRSI 與鉆井液體系具有良好的配伍性，且不影響鉆井液的流變性能，有效地降低了鉆井液的濾失量。在鉆井液中加入頁(yè)巖抑制劑后，靜濾失后的泥餅變得更加致密和光滑，從而防止了水侵入地層，進(jìn)而提高了井筒的穩(wěn)定性。此外，PRSI 還可以通過(guò)多種復(fù)雜的相互作用吸附到黏土顆粒的表面，從而防止了黏土顆粒的溶脹和分散，吸附作用使頁(yè)巖表面更具疏水性，從而降低了頁(yè)巖和水的親合力，并形成了不可滲透的疏水性頁(yè)巖[18]。

2.5 PRSI 抑制頁(yè)巖的膨脹性能

頁(yè)巖抑制劑含量對(duì)頁(yè)巖膨脹抑制效果的影響見(jiàn)圖3。如圖3(a)所示，隨著浸潤(rùn)時(shí)間的增加，泥餅的膨脹高度增大，泥餅在最初的1 h 內(nèi)迅速水化膨脹，隨著PRSI 乳液的加入，水化膨脹高度迅速降低。在蒸餾水中膨脹1 h 后，泥餅的膨脹高度達(dá)到了9.76 mm，在1% PRSI 的水溶液中膨脹1 h 后，泥餅的膨脹高度降低到了5.07 mm，膨脹相對(duì)降低率為48.05%。當(dāng)制備好的泥餅在蒸餾水與1% PRSI 的水溶液中分別膨脹8 h 后，泥餅的膨脹高度分別為14.08 mm 和6.80 mm，膨脹相對(duì)降低率達(dá)到了51.70%。另外，當(dāng)測(cè)試時(shí)間保持恒定時(shí)，巖心膨脹高度隨著PRSI 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降，當(dāng)PRSI 水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1%增加到5%時(shí)，巖心膨脹相對(duì)降低率由51.70%增加到了62.36%。

圖3不同PRSI 含量對(duì)頁(yè)巖膨脹抑制效果的影響Fig.3Influence of shale inhibition with different mass fraction of PRSI

如圖3(b)所示，與蒸餾水對(duì)照樣品相比，隨著PRSI 的加入，巖心膨脹量相對(duì)降低率開(kāi)始時(shí)大幅度升高，當(dāng)PRSI 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于2%時(shí)，巖心膨脹量相對(duì)降低率增加相對(duì)緩慢。由此可知，頁(yè)巖抑制劑具有一定的抑制黏土水化膨脹的能力?？紤]到經(jīng)濟(jì)方面與有效物含量方面，選擇2%的PRSI 作為抑制巖土水化膨脹的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由圖2(d)可得，當(dāng)PRSI 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，常溫下鉆井液的濾失量減少了18%。

由于本文所制PRSI 是石油樹(shù)脂、芳烴油、表面活性劑、聚合物等不同成分的混合物，因此PRSI 可以通過(guò)以下相互作用穩(wěn)定頁(yè)巖。水基鉆井液維持頁(yè)巖穩(wěn)定的機(jī)理之一是井眼壓力大，鉆井液滲透到頁(yè)巖孔隙空間中[19]。當(dāng)溫度達(dá)到軟化點(diǎn)時(shí)，PRSI中的膠體和亞微米顆粒會(huì)變形并流入頁(yè)巖的微孔和微裂縫中[20]，從而有效降低了頁(yè)巖的滲透性，阻礙了泥漿壓力的滲透并黏結(jié)了巖土以防止脫落。另外，PRSI能夠減少鉆井液的過(guò)濾損失是因?yàn)殛?yáng)離子的淺色乳化瀝青會(huì)吸附在帶負(fù)電荷的黏土上，從而形成一層憎水薄膜。此外，含量相對(duì)較低的組分（例如高分子量聚合物）也將有助于減少高溫高壓條件下的濾失量。因此，PRSI 可以通過(guò)物理封堵和化學(xué)抑制作用的組合來(lái)改善頁(yè)巖的穩(wěn)定性[21]。

2.6 不同產(chǎn)品抑制巖土水化性能比較

比較乳化瀝青YL-YL，乳化石蠟LS-1 和PRSI 的性能，各取2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的產(chǎn)品加入到蒸餾水中，測(cè)定三者的頁(yè)巖膨脹量相對(duì)降低率，結(jié)果如表6 所示。乳化石蠟類的產(chǎn)品熔點(diǎn)一般為52～70 ℃，與瀝青類產(chǎn)品乳化點(diǎn)有一定相關(guān)性。由表6 可見(jiàn)石油樹(shù)脂鉆井液用頁(yè)巖抑制劑對(duì)黏土的抑制作用要好于乳化瀝青YL-YL 和乳化石蠟LS-1。 PRSI 和乳化瀝青類的產(chǎn)品對(duì)黏土的抑制作用要明顯優(yōu)于乳化石蠟產(chǎn)品，PRSI 頁(yè)巖膨脹量相對(duì)降低率比乳化瀝青提高了7.4%。結(jié)果表明，PRSI 的性能優(yōu)于乳化瀝青產(chǎn)品，與乳化石蠟產(chǎn)品相比，PRSI 有更優(yōu)的性能以及更低的成本，是一種更加經(jīng)濟(jì)可行的選擇。

表6現(xiàn)有的乳化產(chǎn)物與PRSI 的性能比較Table6Comparison of performance between available emulsified products and PRSI

3 結(jié) 論

淺色瀝青與瀝青進(jìn)行性能對(duì)比表明，淺色瀝青的芳香分含量高，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等重組分含量低。在淺色瀝青的基礎(chǔ)上制備了一種新型的低軟化點(diǎn)頁(yè)巖抑制劑，即PRSI。確定了復(fù)合乳化劑的最優(yōu)用量為2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），此時(shí)乳液的平均粒徑為5.08 μm。

PRSI 應(yīng)用性能研究表明，該抑制劑具有乳液穩(wěn)定性優(yōu)良、水分散性好、乳狀液粒徑小的特點(diǎn)，能有效降低靜濾失量和高溫高壓濾失量，有利于抑制黏土膨脹和分散，與常用的水基鉆井液都有良好的配伍性，不影響其他鉆井液的流變性能。與乳化石蠟和乳化瀝青相比，PRSI 有更好的應(yīng)用性能，可滿足石油天然氣鉆井中上部地層的井頁(yè)巖穩(wěn)定劑的要求。