MEG在泥頁(yè)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(guó)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(yè)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(guó)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(yè)巖地層的井壁穩(wěn)定作用機(jī)理，對(duì)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(duì)MEG的成膜規(guī)律進(jìn)行了探索，MEG在泥頁(yè)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(zhǎng)，膜效率降低。MEG通過(guò)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(yè)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(guò)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(wèn)題顯得尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上的井壁失穩(wěn)問(wèn)題發(fā)生在泥頁(yè)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(lái)說(shuō)，鉆井液抑制性不足，泥頁(yè)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(guò)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(guó)外自20世紀(jì)90年代開(kāi)始用作鉆井液添加劑，曾在墨西哥灣高水敏性頁(yè)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(yè)巖水化膨脹，有效地維持井眼的穩(wěn)定[2-3]。國(guó)內(nèi)于1998年由石油大學(xué)(北京)首次對(duì)國(guó)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(lái)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(duì)不同泥巖含量地層的適用性問(wèn)題，亟需對(duì)MEG在泥頁(yè)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(chǎng)應(yīng)用。

本文通過(guò)在室內(nèi)對(duì)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(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，深入探索了MEG在泥頁(yè)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(cè)量?jī)x（無(wú)錫市華科儀器儀表有限公司）、ALPHA-1500型紫外可見(jiàn)光光度計(jì)（上海譜元儀器有限公司）、NP-02智能型頁(yè)巖膨脹測(cè)試儀（無(wú)錫市石油儀器設(shè)備有限公司）、L-600型臺(tái)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(guó)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(cè)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(shuō)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(zhǎng)和厚度為1cm的比色皿，用紫外可見(jiàn)光光度計(jì)，分別測(cè)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(rùn)土，高攪20 min后裝入養(yǎng)護(hù)罐于30℃下滾動(dòng)16 h后，在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心5 min后取出，用紫外可見(jiàn)光光度計(jì)測(cè)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(rùn)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(rùn)土經(jīng)過(guò)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(shuō)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(guò)氫鍵吸附泥球表面，當(dāng)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)MEG水溶液水活度低于泥頁(yè)巖中水活度時(shí)，在滲透壓的作用下，泥頁(yè)巖中的水將向MEG水溶液移動(dòng)，部分抵消因水力壓差作用進(jìn)入泥頁(yè)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(huì)形成半透膜，泥球內(nèi)水由于半透膜效應(yīng)會(huì)運(yùn)移到泥球外的液體中，泥球的體積和質(zhì)量會(huì)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(rùn)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(rùn)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(duì)MEG在泥頁(yè)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(duì)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(lái)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(duì)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(zhǎng)，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(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，所以自由水和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(zhǎng)，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(lái)越小，這是因?yàn)樵诖藵舛认履嗲虮砻嬉研纬芍旅馨胪改?，泥球中自由水通過(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(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MEG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)量降低率減小的幅度越來(lái)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(yè)巖抑制劑評(píng)價(jià)方法》做線性膨脹實(shí)驗(yàn)。膨潤(rùn)土巖心（4MPa，5 min）24 h浸泡后相對(duì)膨脹降低率如圖5所示。

圖5MEG水溶液相對(duì)膨脹降低率

從圖5可以看出，巖心相對(duì)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(duì)膨脹降低率迅速增大；達(dá)到40%后，巖心相對(duì)膨脹降低率隨MEG濃度的升高逐漸趨于平穩(wěn)。說(shuō)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(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)

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

圖6 MEG水溶液滾動(dòng)回收率

從圖6可以看出，巖心滾動(dòng)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(dòng)回收率迅速增大；達(dá)到40%后，巖心滾動(dòng)回收率達(dá)到90%以上，隨MEG濃度繼續(xù)升高，巖心滾動(dòng)回收率逐漸趨于平穩(wěn)，進(jìn)一步說(shuō)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(guò)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(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，MEG可有效提高黏土的相對(duì)膨脹降低率和巖心滾動(dòng)回收率，滾動(dòng)回收率最高可達(dá)95%以上，MEG對(duì)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(huì)在井壁形成半透膜，表現(xiàn)為MEG在泥頁(yè)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(zhǎng)、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(chǎng)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(kāi)發(fā)水平井。實(shí)鉆井深4496 m，水平段長(zhǎng)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(yè)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(guò)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(guò)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(huì)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(yǔ)

（1）MEG通過(guò)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(chǎng)泥頁(yè)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(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)，為了保持井壁的膜效率進(jìn)而維持井壁穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)MEG進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)量。

（2）隨著人們對(duì)油基鉆井液在環(huán)保上的擔(dān)心和對(duì)泥頁(yè)巖地層開(kāi)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(shì)在必行，本規(guī)律的研究將為MEG鉆井液的現(xiàn)場(chǎng)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(yè)巖地層井壁失穩(wěn)研究[J].鉆采工藝，2006，29（6）：1-4.

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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.

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（修改回稿日期2015-01-29編輯景岷雪）

本研究得到中國(guó)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(guó)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(wú)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(yáng)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(yáng)市中原路462號(hào)。電話：（0393）4899460。E-mail：zyytleizm@163.com