植物膠沖洗液防塌改性的研究

顏 鵬，陳禮儀，張 川，張 濤

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059）

植物膠沖洗液防塌改性的研究

顏 鵬*，陳禮儀，張 川，張 濤

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059）

以刨花楠類植物膠沖洗液為例，主要針對其防塌性能進(jìn)行改性研究。使用水玻璃對植物膠交聯(lián)液進(jìn)行防塌改性，通過正交試驗(yàn)得出優(yōu)化配方，并對優(yōu)化配方進(jìn)行防塌性能的評價。綜合研究表明，經(jīng)改性后的植物膠沖洗液能夠滿足復(fù)雜地層的防塌要求。

植物膠沖洗液；改性處理；復(fù)雜地層；防塌

近幾年，隨著鉆探工程對沖洗液性能以及環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，過去以泥漿為主體的鉆探?jīng)_洗液雖能夠滿足鉆探要求，但會對環(huán)境和巖芯造成一定程度的污染。長期的研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，植物膠沖洗液應(yīng)用在復(fù)雜地層中往往會收到較好的效果[1]。作為植物膠沖洗液原料的植物膠一般都是取自植物的籽粒、根部、莖或皮，其中主要有：瓜爾膠、田菁、苦藶豆、香豆膠等[2]。

本文選定了刨花楠類的植物膠作為實(shí)驗(yàn)用品（以下稱為SD植物膠），主要對其防塌性能進(jìn)行了改性研究，并對其防塌性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評價。

1 SD植物膠的用量

對于植物膠沖洗液而言，植物膠的加量在很大程度上決定了此植物膠沖洗液的性能和成本，那么選擇適宜的SD植物膠加量就至關(guān)重要了。試驗(yàn)研究表明[3]，SD植物膠的適合加量應(yīng)該在2%～4%之間。

2 SD植物膠沖洗液的改性

優(yōu)良的植物膠沖洗液在鉆探過程中不僅要有較好的流變性和粘彈性，還應(yīng)具有良好的防塌性能。單一的純植物膠沖洗液直接用作鉆探?jīng)_洗液，其性能達(dá)不到理想的效果，故需要對其做改性處理。

2.1 交聯(lián)劑的選擇

在鉆探過程中，植物膠沖洗液必須具有較好的剪切稀釋作用和良好的粘彈性。高分子聚合物可以使植物膠分子聯(lián)接起來，形成理想的交聯(lián)液，提高膠液的動塑比和粘彈性[4]。研究表明[5]，選用S-PHP作為SD膠液的交聯(lián)劑效果最佳且其適合的加量應(yīng)在0.2%～ 0.4%。

2.2 無機(jī)改性劑的選擇

植物膠沖洗液中加入高分子聚合物可以使其形成理想的交聯(lián)液，而無機(jī)改性處理劑能使這種交聯(lián)液中的分子更好地水化；使其膠粒變得更加致密；使其防塌抑制性能得到進(jìn)一步的提高[6]。因此，在植物膠沖洗液中加入一定量的無機(jī)改性處理劑來提高交聯(lián)液的防塌抑制性能就必不可少了。

目前用于植物膠沖洗液改性的無機(jī)處理劑的主要有3種：燒堿（NaOH）、純堿（Na2CO3）和水玻璃（Na2SiO3）。燒堿和純堿是通過自身的堿性激發(fā)，使得溶液環(huán)境變?yōu)閴A性后使膠液粘度得到大幅度地提升。水玻璃對植物膠沖洗液的改性作用機(jī)理一方面是自身堿性激發(fā)；另一方面是偶聯(lián)的作用。表1和圖1分別為SD植物膠沖洗液經(jīng)3種不同無機(jī)處理劑改性后的性能數(shù)據(jù)和SD植物膠沖洗液經(jīng)3種不同無機(jī)處理劑改性后的頁巖滾動回收試驗(yàn)結(jié)果。

結(jié)合表1和圖1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，SD植物膠經(jīng)不同無機(jī)處理劑改性后，3者中純堿的改性效果最差；而SD植物膠經(jīng)燒堿和水玻璃分別改性處理后其流變性能的差別并不大。通過圖1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，經(jīng)水玻璃改性后的SD植物膠沖洗液的頁巖滾動回收率更高。

有這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果由于經(jīng)水玻璃改性后的SD植物膠沖洗液，膠液中膠粒層更加的致密，膠膜強(qiáng)度也隨之加大，膠液的滲透性就相應(yīng)地減小，這樣有阻止膠液中的水向孔壁滲透的作用，這一特性對破碎地層和水敏性地層的防塌抑制效果較好。加上水玻璃自身對水化膨脹地層和松散的粘土質(zhì)巖層也有較好地抑制水化膨脹和防塌抑制的作用。因此，最終確定以水玻璃作為SD植物膠沖洗液的無機(jī)改性處理劑。

表1 SD植物膠沖洗液經(jīng)改性處理后的膠液性能

圖1 不同改性劑改性后的頁巖滾動回收率

2.3 優(yōu)化配方的確定

由以上可知，此體系的SD植物膠沖洗液是由SD植物膠、S-PHP和水玻璃3者組成。本實(shí)驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)組最終線膨脹量為依據(jù)，找出SD植物膠沖洗液的優(yōu)化配方。

表2和表3分別為SD植物膠沖洗液正交試驗(yàn)設(shè)計表和各實(shí)驗(yàn)組的最終線膨脹量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 正交試驗(yàn)因素和水平

表3 不同試驗(yàn)組的最終線膨脹量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可知，不同實(shí)驗(yàn)組其防塌性能有所不同。從沖洗液的防塌性和經(jīng)濟(jì)性兩方面相結(jié)合分析得出SD植物膠沖洗液優(yōu)化配方：1000mLH2O+2%SD植物膠+ 0.3%S-PHP+1.5%Na2SiO3，其流變性能如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)優(yōu)化配方

3 防塌抑制性評價

在鉆探工程中，經(jīng)常鉆遇泥頁巖地層。泥頁巖的主要成分是粘土礦物，與沖洗液相互作用后容易發(fā)生顆粒分散、水化膨脹和強(qiáng)度下降等問題，進(jìn)而發(fā)生孔壁坍塌的現(xiàn)象，由此引起諸如卡鉆、埋鉆等事故[7]。因此，在鉆進(jìn)此類地層的時候，要求鉆探?jīng)_洗液具有較強(qiáng)的抑制能力，防止地層粘土礦物顆粒分散和水化膨脹，保證孔壁穩(wěn)定。本文通過線膨脹實(shí)驗(yàn)和頁巖滾動回收實(shí)驗(yàn)對SD植物膠沖洗液的防塌抑制性能進(jìn)行了評價。

3.1 線膨脹試驗(yàn)

將標(biāo)準(zhǔn)巖芯浸泡在溶液中，每隔一定時間測定標(biāo)準(zhǔn)巖芯的線膨脹量的試驗(yàn)。如果一定時間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)巖芯的線膨脹量越小則說明鉆探?jīng)_洗液的防塌抑制性能越好，反之則越差。表5為清水、SD植物膠沖洗液和SM植物膠沖洗液進(jìn)行線膨脹量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

由表5可知，SD植物膠沖洗液的線膨脹量最??；SD植物膠沖洗液的膨脹量在48h后停止增長而SM植物膠沖洗液的膨脹量在72h后才停止增長。

表5 不同溶液線膨脹量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比

3.2 頁巖滾動回收試驗(yàn)

對清水、SD植物膠沖洗液和SM植物膠沖洗液進(jìn)行頁巖滾動回收實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果見圖2。

圖2 不同沖洗液頁巖滾動回收率

由圖2可見，SD植物膠沖洗液的滾動回收率要比SM植物膠沖洗液的滾動回收率高。

3.3 防塌機(jī)理分析

SD植物膠沖洗液不同于SM植物膠沖洗液而具有良好的防塌抑制性是由于水玻璃的加入。一方面，當(dāng)在含有水玻璃的沖洗液浸入巖芯表層孔隙后，沖洗液中的水溶性硅酸鹽會與巖芯或者煤球孔隙中的多價陽離子（如：Ca2+；Mg2+）迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不可溶的硅酸鹽沉淀，從而堵塞住表層孔隙使溶液不易浸入。另一方面，植物膠、S-PHP和未發(fā)生反應(yīng)的水玻璃形成的凝膠物實(shí)質(zhì)相當(dāng)于在巖芯表面形成了一半透膜將其包裹，此半透膜再與硅酸鹽沉淀相結(jié)合形成的屏障可以阻止鉆探?jīng)_洗液的壓力滲透。巖芯的孔隙被凝膠物和硅酸鹽沉淀封堵，從而使其保持相對的穩(wěn)定。綜上我們可以看出，此體系的SD植物膠沖洗液的防塌抑制效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的植物膠沖洗液體系。

4 結(jié)論

本文通過室內(nèi)的試驗(yàn)對刨花楠類的植物膠沖洗進(jìn)行了防塌改性和優(yōu)化配方防塌抑制性能的評價。由此得出以下結(jié)論：

（1）刨花楠類的SD植物膠沖洗經(jīng)水玻璃改性后其防塌抑制效果要比其他無機(jī)改性處理劑的效果好。

（2）根據(jù)優(yōu)化配方配制的SD植物膠沖洗液其防塌性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的SM植物膠沖洗液。

[1]孫濤.植物膠鉆井液的性能及新型植物膠QM的開發(fā)研究[J].探礦工程，2004（4）.

[2]譚愈榮.復(fù)合膠質(zhì)無固相鉆井液與膠凝固壁堵漏[M].北京：北京地質(zhì)出版社，1994.

[3]何洪城，鄧臘云，曾介凡.刨花楠植物膠性能的初步研究[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2012（6）.

[4]王勝.新型KL植物膠無固相環(huán)保鉆井液體系[J].煤田地質(zhì)與勘探，2010（6）.

[5]李道山.聚丙烯酰胺水溶液粘彈性研究[J].油田化學(xué)，2003（4）.

[6]吳隆杰.鉆井液處理劑膠體化學(xué)原理[M].成都：成都科技大學(xué)出版社，1992.

[7]徐同臺，紅培云，潘世奎.水平鉆井液與完井液[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999.

TE254

A

1004-5716(2015)01-0064-03

2014-10-29

顏鵬（1988-），男（漢族），四川成都人，成都理工大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向：鉆掘工程理論與方法。