基于仿生技術(shù)的強(qiáng)固壁型鉆井液體系

宣揚(yáng)，蔣官澄，李穎穎，耿浩男，王金樹

（中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院）

0 引言

井壁穩(wěn)定問題一直是困擾國內(nèi)外鉆井界的難題，井壁失穩(wěn)引發(fā)的事故平均每年造成近 10×108美元的經(jīng)濟(jì)損失[1]。大多數(shù)研究者以減輕鉆井液對(duì)井壁穩(wěn)定性的不利影響為主要目標(biāo)，研究能避免井壁失穩(wěn)的鉆井液體系[2-8]。然而，由于不能完全抑制泥頁巖的水化膨脹或阻止自由水的濾失，這些鉆井液體系只能在一定程度上減輕井壁失穩(wěn)所造成的影響，不適用于極易坍塌或造漿的地層。為了從根本上避免井壁失穩(wěn)引起的縮徑卡鉆、井壁坍塌等工程事故，應(yīng)該隨鉆將井壁巖石直接加固，大幅提高井壁巖石的力學(xué)穩(wěn)定性，這是近年來國外學(xué)者最新研究的井壁強(qiáng)化技術(shù)。由于不能克服巖石表面親水性的影響，到目前為止這項(xiàng)技術(shù)仍處于探索階段，未能實(shí)現(xiàn)井下隨鉆加固巖石。

仿生技術(shù)是研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并將其移植于工程技術(shù)中，用以解決工程難題的新興技術(shù)類別，還沒有被應(yīng)用于鉆井液體系的研究。本文基于仿生技術(shù)，模仿海洋生物貽貝的特點(diǎn)，研究在井下環(huán)境條件下能高效隨鉆加固井壁巖石的仿生鉆井液體系。

1 仿生處理劑作用機(jī)理

海洋生物貽貝分泌的足絲蛋白具有超強(qiáng)的黏附能力，能夠在水環(huán)境下牢固地黏附在幾乎任何基材上，包括金屬、巖石、聚合物膜等[9]。貽貝蛋白這種超強(qiáng)的黏附性能來源于其中包含的一種關(guān)鍵基團(tuán)，本文稱之為“X基團(tuán)”。根據(jù)X基團(tuán)的特性，以其為核心官能團(tuán)合成了 2種模仿貽貝蛋白性能的仿生處理劑，即仿生固壁劑GBFS-1和仿生頁巖抑制劑YZFS-1。

1.1 仿生固壁劑GBFS-1作用機(jī)理

通過在某聚合物主鏈上接枝X基團(tuán)，合成一種具有類似貽貝蛋白性質(zhì)的水溶性接枝聚合物，即仿生固壁劑GBFS-1。圖1為一組頁巖巖屑在GBFS-1水溶液中隨時(shí)間的形貌變化，可以看出：①初始狀態(tài)下，浸泡于淡棕色澄清溶液中的巖屑表面沒有其他物質(zhì)存在；②1 d后，巖屑表面開始形成淡黃色膠黏物，一定程度上將相鄰的小塊巖屑膠黏在一起，溶液依然澄清；③3 d后，巖屑表面淡黃色膠黏物的覆蓋范圍更廣，膠黏更加牢固，離巖屑稍遠(yuǎn)的溶液依然澄清；④1周后，由于溶液中水分已基本蒸發(fā)，膠黏物（因氧化顏色變黑）形成于全部溶液范圍內(nèi)，且內(nèi)聚力變得很大。

圖1 浸泡在GBFS-1溶液中的頁巖巖屑形貌變化

上述現(xiàn)象揭示了仿生固壁劑GBFS-1的固壁機(jī)理：GBFS-1在巖石表面的催化作用下定點(diǎn)自發(fā)固化[10]，形成致密且有黏附性的仿生殼（圖 1中的淡黃色膠黏物）；仿生殼通過黏附力和內(nèi)聚力將與之相接觸的井壁巖石“宏觀”地加固，使井壁巖石在水化膨脹時(shí)所受的水化應(yīng)力被仿生殼的內(nèi)聚力削弱，從而起到維持井壁穩(wěn)定的作用；由于GBFS-1具有定點(diǎn)固化的特性，遠(yuǎn)離井壁的鉆井液的流變性不會(huì)受到影響。

1.2 仿生頁巖抑制劑YZFS-1作用機(jī)理

仿生固壁劑 GBFS-1在井壁巖石表面形成仿生殼需要一定時(shí)間，在此期間井壁仍有可能因頁巖水化膨脹而失穩(wěn)甚至坍塌。因此，合成了仿生頁巖抑制劑YZFS-1，在仿生殼形成前最大程度地維持井壁穩(wěn)定。YZFS-1是一種包含X基團(tuán)的小分子有機(jī)物，具有極強(qiáng)的頁巖抑制能力。

對(duì)吸附不同濃度YZFS-1溶液的膨潤土進(jìn)行了X射線衍射（見圖2），結(jié)果表明：隨著YZFS-1吸附量的增大，膨潤土的層間距不斷增大；當(dāng)YZFS-1溶液的濃度為1.0%時(shí)，層間距達(dá)到最大值（1.54 nm），繼續(xù)增大YZFS-1溶液的濃度，層間距基本保持不變，YZFS-1分子在層間吸附飽和。YZFS-1分子嵌入黏土的片層結(jié)構(gòu)之間后，雖然增大了黏土的層間距，使黏土“膨脹”，但YZFS-1分子嵌入后的層間距遠(yuǎn)小于黏土水化后的層間距。此外，嵌入黏土層間后YZFS-1分子可以聚合成具有類似于雙層石墨烯結(jié)構(gòu)的聚合物，該聚合物與相鄰的黏土表面之間形成強(qiáng)度遠(yuǎn)高于普通氫鍵的強(qiáng)氫鍵[11]（在150 ℃的高溫下也不會(huì)斷裂[12]），通過橋接作用將相鄰黏土片層緊密束縛在一起，起到“微觀”加固井壁的作用。

圖2 吸附不同濃度YZFS-1溶液的膨潤土X射線衍射圖譜

2 仿生處理劑性能評(píng)價(jià)

2.1 仿生固壁劑GBFS-1性能評(píng)價(jià)

2.1.1 降濾失性能

表 1為仿生固壁劑 GBFS-1的降濾失性能評(píng)價(jià)結(jié)果，可以看出：不同單體配比的GBFS-1對(duì)基漿（清水+2.50%鈉膨潤土+0.15% Na2CO3）流變性和濾失量的影響規(guī)律基本一致，加入GBFS-1后，基漿的表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力和動(dòng)塑比（動(dòng)切力與塑性黏度的比值）均增大，API濾失量和高溫高壓濾失量均顯著減小。因此，GBFS-1能大量減少侵入地層的自由水，防止井壁在仿生殼形成之前就因頁巖水化膨脹而失穩(wěn)。

2.1.2 仿生殼固壁性能

由于仿生固壁劑 GBFS-1在井壁巖石表面形成的仿生殼具有膠黏巖石的作用，為了評(píng)價(jià)仿生殼的膠黏能力，采用分別由GBFS-1和3種常見的市售膠黏劑膠黏的巖心片進(jìn)行搭接抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（見表 2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：干燥環(huán)境下，仿生殼的膠黏能力較其他 3種膠黏劑差；水環(huán)境中，環(huán)氧樹脂只有微弱的膠黏能力，聚醋酸乙烯酯和氰基丙烯酸乙酯幾乎沒有膠黏能力，而仿生殼的膠黏能力明顯強(qiáng)于其他3種膠黏劑。因此，GBFS-1在井壁巖石表面形成的仿生殼可以在水基鉆井液體系中起到良好的膠黏巖石的作用。

表1 不同單體配比的GBFS-1對(duì)基漿流變性和濾失量的影響

表2 GBFS-1和其他膠黏劑的搭接抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿生殼除了能夠膠黏巖石，還應(yīng)該能阻止所覆蓋的巖石因?yàn)樗稚ⅰ兟?。為了評(píng)價(jià)仿生殼抑制巖屑分散的能力，采用泥頁巖和不同濃度的 GBFS-1溶液進(jìn)行滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：粒徑 1.70～3.35 mm（10～6目）的巖屑在清水中的滾動(dòng)回收率（150 ℃下熱滾 16 h）為 43.05%，在 3種不同濃度GBFS-1溶液中的滾動(dòng)回收率均在75.00%以上，在5%GBFS-1溶液中的滾動(dòng)回收率甚至達(dá)到90.17%。因此，GBFS-1在井壁巖石表面形成的仿生殼具有良好的抑制巖屑分散、剝落的能力。

2.2 仿生頁巖抑制劑YZFS-1性能評(píng)價(jià)

通過線性膨脹實(shí)驗(yàn)、滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)和黏土造漿抑制實(shí)驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)了仿生頁巖抑制劑YZFS-1的抑制能力，并與目前國內(nèi)常用的幾種抑制劑進(jìn)行了對(duì)比。線性膨脹實(shí)驗(yàn)所用巖屑為美國San Francisco地區(qū)3 917 m深處的泥頁巖，滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)所用巖屑為哥倫比亞Villeta地區(qū)4 673 m深處的泥頁巖，黏土造漿抑制實(shí)驗(yàn)所用膨潤土為鈉膨潤土。

2.2.1 線性膨脹實(shí)驗(yàn)

圖 3為泥頁巖在不同抑制劑溶液中的線性膨脹曲線，可見：較短時(shí)間內(nèi)巖屑在各種抑制劑溶液中的膨脹就基本停止，而大約240 min后巖屑在清水中的膨脹也未停止；巖屑在YZFS-1溶液中的膨脹高度明顯低于在清水及其他 3種抑制劑溶液中的膨脹高度。因此，YZFS-1具有良好的抑制頁巖水化膨脹的能力，且抑制效果優(yōu)于目前國內(nèi)常用的幾種頁巖抑制劑。

圖3 泥頁巖在不同抑制劑溶液中的線性膨脹曲線

2.2.2 滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)

泥頁巖在清水和不同抑制劑溶液中的滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：粒徑1.70～3.35 mm的巖屑在1% KCl溶液和1%小陽離子溶液中的滾動(dòng)回收率（150 ℃下熱滾16 h）均為 50.00%左右，與在清水中的滾動(dòng)回收率（43.05%）相比并沒有顯著提高；而巖屑在1% YZFS-1溶液中的滾動(dòng)回收率高達(dá) 84.04%，比在 1%聚胺溶液中的滾動(dòng)回收率高出6.42%。因此，YZFS-1具有良好的抑制泥頁巖分散、剝落的能力，且抑制效果優(yōu)于目前國內(nèi)常用的幾種頁巖抑制劑。

2.2.3 黏土造漿抑制實(shí)驗(yàn)

造漿抑制實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫卦u(píng)價(jià)抑制劑抑制黏土造漿的能力。向不同抑制劑溶液和去離子水中加入膨潤土，測定不同膨潤土加量下懸浮液的動(dòng)切力（見圖4）。結(jié)果表明：在各種膨潤土加量下，含YZFS-1的膨潤土漿的動(dòng)切力都低于不含抑制劑或含其他抑制劑的膨潤土漿的動(dòng)切力。因此，YZFS-1抑制黏土造漿的能力強(qiáng)于目前國內(nèi)常用的幾種頁巖抑制劑。

圖4 含不同抑制劑膨潤土漿的動(dòng)切力隨膨潤土加量的變化

隨著近年來深井超深井逐漸增加，頁巖抑制劑的耐溫性能也越來越重要，為了分析YZFS-1的造漿抑制能力隨溫度的變化規(guī)律，測定了含YZFS-1或其他抑制劑的膨潤土漿（濃度為 12%）在不同溫度下的動(dòng)切力（見圖5）。結(jié)果表明：小陽離子和KCl的造漿抑制能力隨著溫度的升高而增強(qiáng)；聚胺的造漿抑制能力隨溫度升高明顯減弱；隨著溫度升高，YZFS-1的造漿抑制能力僅略微減弱。因此，YZFS-1有良好的造漿抑制能力，且耐溫性能好，能避免因造漿而損害鉆井液流變性。

圖5 含不同抑制劑膨潤土漿（濃度12%）的動(dòng)切力隨溫度的變化

3 仿生鉆井液體系配方優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)

3.1 配方優(yōu)化及基本性能

根據(jù)仿生處理劑與其他常用鉆井液處理劑的配伍性評(píng)價(jià)，確定了仿生鉆井液體系的基礎(chǔ)配方：清水+2.50%鈉膨潤土+0.15% Na2CO3+YZFS-1+GBFS-1+降濾失劑SMP-Ⅱ（或SPNH）+增黏劑PACLV。

表3為YZFS-1加量對(duì)基漿（清水+2.50%鈉膨潤土+0.15% Na2CO3）流變性和濾失量的影響，可以看出：隨著YZFS-1加量從0.3%增加到0.9%，基漿的表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力、動(dòng)塑比、初終切比和高溫高壓濾失量基本呈增大的趨勢(shì)，這是由于YZFS-1高效的抑制作用使基漿中細(xì)小分散的膨潤土顆粒大量絮凝形成端-端、端-面相連的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；隨著YZFS-1加量繼續(xù)增大到1.2%，除了高溫高壓濾失量繼續(xù)增大外，其他流變參數(shù)值均減小，這是因?yàn)樾跄潭冗^高時(shí)，膨潤土顆粒由絮凝狀態(tài)變?yōu)閳F(tuán)聚狀態(tài)[13]，形成了面-面相連的粗顆粒，導(dǎo)致三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞。因此，YZFS-1加量為 0.6%比較合適，既保證了良好的頁巖抑制能力，又不會(huì)因?yàn)V失量過大而需要在鉆井液體系中加入大量降濾失劑。

表4為GBFS-1加量對(duì)加入0.6% YZFS-1后的基漿的流變性和濾失量的影響，可以看出：GBFS-1加量為 1%比較合適，既不會(huì)大幅降低基漿的黏度和動(dòng)切力，又可以使濾失量顯著降低。

對(duì)仿生頁巖抑制劑YZFS-1和仿生固壁劑GBFS-1的加量進(jìn)行優(yōu)化后，還優(yōu)化了降濾失劑 SMP-Ⅱ（或SPNH）和增黏劑PACLV的加量。優(yōu)化后的仿生鉆井液體系配方為：清水+2.50%膨潤土+0.15% Na2CO3+0.60% YZFS-1+1.00% GBFS-1+1.00% PACLV+3.00%SMP-Ⅱ+NaOH（將pH調(diào)為8）。

評(píng)價(jià)優(yōu)化仿生鉆井液體系的基本性能（見表 5）,并與哥倫比亞現(xiàn)場應(yīng)用的某種防塌鉆井液體系進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比鉆井液體系配方為：清水+2.0%～3.0%膨潤土+0.1%～0.2% NaOH+0.3%～0.5% KPAM+1.0%～2.0%SPNH+1.0%～2.0% DLF-50+2.0%～3.0% SMP-Ⅱ+0.3%～0.5% PACLV+0.5%～0.8% NH4HPAN+ 5.0%～7.0% KCl+0.5%～1.0% RH-3+重晶石（加重）。由表5可知，仿生鉆井液體系各項(xiàng)基本性能良好，且總體上優(yōu)于對(duì)比鉆井液體系。

表3 YZFS-1加量對(duì)基漿流變性和濾失量的影響

表4 GBFS-1加量對(duì)基漿流變性和濾失量的影響

表5 仿生鉆井液和對(duì)比鉆井液基本性能

3.2 抑制性能評(píng)價(jià)

通過線性膨脹實(shí)驗(yàn)和滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)對(duì)仿生鉆井液體系進(jìn)行了抑制性能評(píng)價(jià)，并與對(duì)比鉆井液體系進(jìn)行了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)所用巖屑與對(duì)仿生頁巖抑制劑 YZFS-1進(jìn)行性能評(píng)價(jià)的線性膨脹實(shí)驗(yàn)和滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)所用巖屑來源相同。

圖6為仿生鉆井液和對(duì)比鉆井液的線性膨脹曲線，可以看出：實(shí)驗(yàn)時(shí)間（16 h）內(nèi)，頁巖巖屑在2種鉆井液體系中的膨脹均未停止，但仿生鉆井液抑制頁巖膨脹的能力明顯強(qiáng)于對(duì)比鉆井液。

圖6 仿生鉆井液和對(duì)比鉆井液的線性膨脹曲線

粒徑 1.70～3.35 mm的頁巖巖屑在仿生鉆井液和對(duì)比鉆井液中的滾動(dòng)回收率（150 ℃下熱滾16 h）分別為94.24%和92.47%。由此可見：盡管仿生鉆井液體系中處理劑種類較少，YZFS-1和GBFS-1的加量也較低，其抑制頁巖分散剝落的能力卻十分突出，甚至略強(qiáng)于包含多種處理劑的對(duì)比鉆井液體系。

4 結(jié)論

基于仿生技術(shù)，模仿海洋生物貽貝的特點(diǎn)，合成了2種仿生鉆井液處理劑：仿生固壁劑GBFS-1和仿生頁巖抑制劑 YZFS-1。性能評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)：GBFS-1能大量減少侵入地層的自由水，且能在井壁巖石表面形成膠黏巖石的仿生殼；YZFS-1具有良好的抑制頁巖水化膨脹和分散、剝落的能力，抑制效果優(yōu)于目前國內(nèi)常用的頁巖抑制劑，還有良好的造漿抑制能力。

以 2種仿生處理劑為核心，通過配伍性評(píng)價(jià)和加量優(yōu)化，確定了仿生鉆井液體系配方：清水+2.50%膨潤土+0.15% Na2CO3+0.60% YZFS-1+1.00% GBFS-1+1.00% PACLV+3.00% SMP-Ⅱ+NaOH（將 pH 值調(diào)為 8）。仿生鉆井液體系各項(xiàng)基本性能良好，總體上優(yōu)于對(duì)比鉆井液體系。

線性膨脹實(shí)驗(yàn)和滾動(dòng)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：仿生鉆井液體系能有效抑制頁巖水化膨脹和分散剝落，且抑制效果優(yōu)于對(duì)比鉆井液體系，可以在鉆井過程中有效加固井壁并維持井壁穩(wěn)定，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值突出。

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