甲基葡萄糖苷在泥頁(yè)巖地層的膜效率規(guī)律研究

雷祖猛，甄劍武，司西強(qiáng)，王忠瑾

(中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001)

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甲基葡萄糖苷在泥頁(yè)巖地層的膜效率規(guī)律研究

雷祖猛，甄劍武，司西強(qiáng)，王忠瑾

(中國(guó)石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng) 457001)

通過(guò)泥球在甲基葡萄糖苷(MEG)水溶液中的浸泡實(shí)驗(yàn)，研究了MEG在泥頁(yè)巖(泥巖)地層的膜效率變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，MEG在泥巖表面有吸附作用，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，吸附現(xiàn)象越明顯。MEG在泥巖表面的膜效率與泥巖含水量、MEG的濃度及浸泡時(shí)間有關(guān)。泥巖含水量越高，MEG濃度越大，膜效率越高；浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，膜效率降低。

甲基葡萄糖苷 泥頁(yè)巖 半透膜 膜效率

泥頁(yè)巖(又稱泥巖)具有半透膜作用，目前研究的重點(diǎn)是利用物理和化學(xué)的方法建立起泥頁(yè)巖的“半透膜”，并增強(qiáng)其“理想性”[1]。通過(guò)滲透作用控制水在鉆井液與泥頁(yè)巖之間遷移的關(guān)鍵因素是提高泥頁(yè)巖的膜效率[2]。泥頁(yè)巖通常表現(xiàn)為非理想的半透膜特性，水分子和溶質(zhì)都可通過(guò)泥頁(yè)巖移動(dòng)，但溶質(zhì)分子的移動(dòng)速率低于水分子的移動(dòng)速率,張華輝[3]采用泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性水化/力學(xué)耦合模擬實(shí)驗(yàn)裝置證明多羥基糖苷能提高泥頁(yè)巖的膜效率。王軍義等[4]發(fā)現(xiàn)黏土對(duì)甲基葡萄糖苷(MEG)具有吸附作用，經(jīng)MEG吸附后的蒙脫石的晶層間距縮小，MEG吸附于黏土上，可抑制其進(jìn)一步水化。王彬等[5]通過(guò)泥球?qū)嶒?yàn)證明，當(dāng)泥球表面吸附足夠多的MEG后，泥球表面會(huì)形成半透膜，泥球在滲透壓作用下失水而質(zhì)量降低。

筆者通過(guò)泥球浸泡MEG水溶液實(shí)驗(yàn)，模擬MEG鉆井液在泥頁(yè)巖地層的吸附成膜情況，深入研究了MEG鉆井液在泥頁(yè)巖地層的膜效率影響因素及規(guī)律，為MEG鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)原理

用鈉膨潤(rùn)土與水做成泥球，模擬不同含水量的泥頁(yè)巖地層的井壁，用不同濃度的MEG水溶液模擬不同MEG含量的鉆井液體系。MEG分子結(jié)構(gòu)中有4個(gè)親水的羥基，可以通過(guò)氫鍵的作用吸附溶液中的自由水，降低鉆井液的水活度，同時(shí)可以通過(guò)氫鍵吸附親水的泥頁(yè)巖井壁，當(dāng)鉆井液中的MEG分子足夠多時(shí)，便會(huì)在泥頁(yè)巖表面形成一層吸附膜。當(dāng)鉆井液水活度低于泥頁(yè)巖水活度時(shí)，在滲透壓的作用下，泥頁(yè)巖中的水將向鉆井液中移動(dòng)，部分抵消因水力壓差作用進(jìn)入泥頁(yè)巖的水量[3-6]。

2 實(shí)驗(yàn)方案

方案A：用鈉膨潤(rùn)土和水制成相同大小的泥球，稱泥球質(zhì)量，將泥球放入裝有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MEG水溶液的燒杯中，浸泡一定時(shí)間后取出并稱其質(zhì)量，觀察泥球的變化。

方案B：用鈉膨潤(rùn)土和水制成大小相同、土水比不同的泥球，稱泥球質(zhì)量，將泥球放入裝有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MEG溶液的燒杯中，浸泡一定時(shí)間后取出并稱其質(zhì)量，觀察泥球的變化。

3 結(jié)果與討論

3.1 MEG濃度對(duì)膜效率的影響

在方案A中，當(dāng)泥球中的土水比為5∶4、質(zhì)量約為25 g、在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MEG水溶液中浸泡24 h后，泥球的變化如圖1所示。

圖1 泥球在MEG水溶液中浸泡后的變化

從圖1可看出，MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<40%時(shí)泥球仍會(huì)膨脹，泥球表面因吸水變得松軟粗糙。但由于泥球表面吸附了一定的MEG分子，自由水進(jìn)入泥球變得困難，MEG的濃度越高，泥球吸水越難，膨脹效果越不明顯，但因此時(shí)MEG濃度較低，在泥球表面吸附的量少，泥球呈現(xiàn)本身的黃色；當(dāng)MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為40%時(shí)，泥球體積收縮，表面變得堅(jiān)硬，泥球表面因吸附大量的MEG分子而顏色變深；當(dāng)MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到100%時(shí)，泥球原本光滑的表面會(huì)出現(xiàn)蛋殼破碎狀的小裂縫。

稱取泥球在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)MEG溶液中浸泡后的質(zhì)量，結(jié)果如圖2所示。MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<40%時(shí)泥球質(zhì)量增加，而且隨著MEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，泥球表面吸附的MEG分子增多，自由水進(jìn)入泥球變得困難，MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，此現(xiàn)象越明顯，所以泥球質(zhì)量增加率逐漸降低；當(dāng)MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥40%時(shí)，泥球質(zhì)量均降低，而且隨著MEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，泥球的質(zhì)量降低率先增大后減小，MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)，泥球質(zhì)量降低率達(dá)到最大值，后又升高。說(shuō)明當(dāng)MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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入MEG水溶液，MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，泥球表面吸附的MEG分子越多，半透膜更致密，膜效率也不斷增強(qiáng)；而當(dāng)MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至100%后，泥球表面吸附了很多MEG分子，使得表面黏土周圍自由水減少，泥球表面黏土的黏合力變差，變得越來(lái)越堅(jiān)硬，最終出現(xiàn)裂縫，新出現(xiàn)的裂縫斷面要重新吸附成膜，使得泥球質(zhì)量與MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%時(shí)相比反而有所增加。掰開(kāi)浸泡7 d后的泥球會(huì)發(fā)現(xiàn)，在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)MEG水溶液中浸泡后的泥球，其內(nèi)部是均一的顏色和質(zhì)地，而經(jīng)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)MEG水溶液浸泡后的泥球，表面堅(jiān)硬，顏色較深，內(nèi)部保留了泥球本身黏土的顏色，質(zhì)地柔軟。這也充分說(shuō)明自由水和MEG分子通過(guò)半透膜進(jìn)入泥球是一個(gè)由外及內(nèi)的漸進(jìn)過(guò)程，MEG水溶液的濃度升高后，泥球表面因吸附更多的MEG分子，形成了更高效率的半透膜，半透膜表面朝外的是MEG疏水的烷基，對(duì)自由水的進(jìn)入有一定的阻擋作用，使得泥球的水化趨勢(shì)放緩。

圖2 泥球在MEG水溶液中浸泡后的質(zhì)量增加率

3.2 泥球含水量對(duì)膜效率的影響

在方案B中，MEG水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，選取4個(gè)不同含水量的泥球，在MEG水溶液中浸泡24 h，考察泥球土水比與泥球質(zhì)量增加率的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。隨著泥球自身含水量的增加，泥球質(zhì)量增加率逐漸降低，質(zhì)量增加率先為正值，后變?yōu)樨?fù)值。在此濃度下MEG分子足以在泥球表面形成半透膜，起初泥球內(nèi)部水活度高，自由水會(huì)在滲透壓作用下流入溶液，但半透膜靠近泥球一側(cè)由于吸附了MEG分子，自由水減少，水活度降低，半透膜靠近MEG水溶液的一側(cè)MEG分子吸附在泥球上，自由水增多，水活度升高，溶液中的自由水在半透膜作用下重新進(jìn)入泥球內(nèi)部，泥球質(zhì)量增加。當(dāng)泥球含水量小，即自由水少時(shí)，泥球內(nèi)部水活度降低得快，泥球吸水趨勢(shì)大于脫水趨勢(shì)，泥球質(zhì)量增加；隨著泥球含水量增大，泥球內(nèi)部水活度降低得慢，質(zhì)量增加率降低；當(dāng)含水量繼續(xù)增加時(shí)，在24 h內(nèi)泥球內(nèi)部水活度仍高于外部水活度，泥球在此時(shí)間內(nèi)仍在失水，表現(xiàn)為泥球質(zhì)量降低。

圖3 泥球在40%MEG水溶液中浸泡后的質(zhì)量增加率

3.3 浸泡時(shí)間對(duì)膜效率的影響

方案A中，泥球浸泡時(shí)間與泥球質(zhì)量增加率的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<40%時(shí)，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，泥球質(zhì)量均不斷增加，同一濃度下泥球質(zhì)量的增幅逐漸減小，其中用清水浸泡的泥球在進(jìn)入第三天時(shí)已經(jīng)完全坍塌，無(wú)法測(cè)量。這是因?yàn)殡S著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，泥球表面吸附的MEG分子增多，自由水進(jìn)入的難度增大，自由水和MEG分子進(jìn)入泥球內(nèi)部的趨勢(shì)逐漸變?nèi)酰憩F(xiàn)為泥球質(zhì)量增加率不斷減小，在第五天基本達(dá)到吸附平衡。當(dāng)MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>40%時(shí)，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，同一濃度下泥球質(zhì)量降低率不斷減小，且減幅越來(lái)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^(guò)滲透壓流出而質(zhì)量降低，但隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，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，水活度逐漸降低，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，水活度逐漸升高，溶液中的自由水在半透膜作用下重新進(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(duì)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(zhǎng)，泥球表面吸附的APG分子增多，使得自由水進(jìn)入泥球內(nèi)部變得越來(lái)越困難，表現(xiàn)為泥球質(zhì)量降低率的減幅越來(lái)越小。MEG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，第一天泥球質(zhì)量增加率為負(fù)值，第二天以后泥球質(zhì)量增加率為正值，并不斷增大，很直觀地印證了上述現(xiàn)象。

圖4 泥球在MEG水溶液中的質(zhì)量增加率與浸泡時(shí)間的關(guān)系

方案B中，不同土水比的泥球在40%的MEG水溶液中的浸泡試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，不同含水量的泥球因不斷吸水膨脹，質(zhì)量不斷增大，其中土水比為2∶1的泥球在進(jìn)入第三天時(shí)已完全坍塌，無(wú)法測(cè)量。這是因?yàn)槟嗲蛑械淖杂伤萂EG水溶液中的自由水少得多，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，水溶液中的自由水會(huì)在半透膜的作用下慢慢進(jìn)入泥球內(nèi)部，膜效率降低，泥球質(zhì)量不斷增加。

圖5 泥球在40%MEG水溶液中的浸泡試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)MEG在泥巖表面有吸附作用，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，吸附現(xiàn)象越明顯。

2)MEG在泥巖表面的膜效率與泥巖含水量、MEG的濃度及浸泡時(shí)間有關(guān)。泥巖含水量越高，MEG濃度越大，膜效率越高；浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，膜效率降低。

3)在現(xiàn)場(chǎng)泥巖地層使用MEG鉆井液時(shí)，MEG被大量吸附在井壁，同時(shí)井壁在鉆井過(guò)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(zhǎng)，為保持井壁的膜效率，應(yīng)有計(jì)劃地補(bǔ)充MEG，使鉆井液中的MEG濃度保持在合適的范圍內(nèi)。

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Study on Membrane Efficiency Change Law of Alkyl Glycoside in Mud Shale Formation

Lei Zumeng,Zhen Jianwu,Si Xiqiang,Wang Zhongjin

(DrillingEngineeringTechnologyResearchInstituteofSinopecZhongyuanPetroleumEngineeringCo.Ltd.,Puyang,Henan457001)

Membrane efficiency change law of methyl glucoside (MEG) in mud shale formation was studied in an experiment of soaking mud balls in the aqueous solution of MEG. The results of study have shown that MEG can be adsorbed onto the surface of mud shale, and the longer the soak time is, the more evident the adsorption effect is. The membrane efficiency with regard to MEG being adsorbed onto the surface of mud shale is affected by the water content in mud shale, the concentration of MEG and the soak time, the larger the water content in mud shale and the concentration of MEG are, the higher the membrane efficiency is, and the longer the soak time is, the lower the membrane efficiency is.

methyl glucoside; mud shale; semi-permeable membrane; membrane efficiency

2014-06-06。

中國(guó)博士后科學(xué)基金“鉆井液用兩性甲基葡萄糖苷的合成及其作用機(jī)理”(2012T50641)。 作者簡(jiǎn)介：雷祖猛，工程師，碩士，從事鉆井液體系及處理劑的研發(fā)工作。