頁(yè)巖水化抑制劑研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

摘 要： 頁(yè)巖水化抑制劑能夠有效抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹和分散等，是當(dāng)前鉆井液技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。與油基鉆井液相比，水基鉆井液因其具有低成本、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被油田廣泛使用。但當(dāng)其與泥頁(yè)巖接觸時(shí)，泥頁(yè)巖中的粘土礦物黏土礦物會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的水化作用，造成井壁失穩(wěn)等問題。在水基鉆井液中加入頁(yè)巖水化抑制劑，是目前國(guó)內(nèi)外解決該問題的主要措施。本文系統(tǒng)介紹了無機(jī)鹽類、有機(jī)鹽類、聚合醇類、有機(jī)胺類、超支化聚合物類、納米材料類頁(yè)巖水化抑制劑的性質(zhì)及抑制水化作用機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合目前鉆井液技術(shù)的瓶頸問題，提出了頁(yè)巖水化抑制劑的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān) 鍵 詞：頁(yè)巖水化； 井壁穩(wěn)定； 抑制劑； 納米材料

中圖分類號(hào)：TE254.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1004-0935（2024）08-00001232-0×5

鉆井過程中，鉆遇的75%的地層均為泥頁(yè)巖地層，而90%的井壁失穩(wěn)問題均發(fā)生在泥頁(yè)巖地層中。每年國(guó)內(nèi)外因泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)問題造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)億元[1]。泥頁(yè)巖中含有大量的粘土黏土顆粒，在遇到水基鉆井液時(shí)，很容易產(chǎn)生水化作用，造成泥頁(yè)巖的水化膨脹和分散，進(jìn)而使其強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致泥頁(yè)巖的井壁坍塌[2-3]。頁(yè)巖水化抑制劑可以有效抑制泥頁(yè)巖的水化膨脹和分散，從而有效解決泥頁(yè)巖的井壁失穩(wěn)問題。因此，研究和開發(fā)高效頁(yè)巖水化抑制劑對(duì)我國(guó)的頁(yè)巖油氣等資源的鉆探開發(fā)具有重要意義。為此，筆者概述了頁(yè)巖水化抑制劑的研究進(jìn)展，針對(duì)當(dāng)前存在的瓶頸問題，提出了頁(yè)巖水化抑制劑的發(fā)展趨勢(shì)，以期望對(duì)國(guó)內(nèi)高性能頁(yè)巖水化抑制劑的研究提供幫助。

1頁(yè)巖水化抑制劑研究歷程及現(xiàn)狀

1.1 無機(jī)鹽類抑制劑

無機(jī)鹽類抑制劑是應(yīng)用最早的頁(yè)巖水化抑制劑，主要包含氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣等氯鹽，該類型抑制劑通過在頁(yè)巖粘土黏土表面進(jìn)行陽離子交換，對(duì)頁(yè)巖水化起到抑制作用。它可以運(yùn)用到多種高溫、高壓等復(fù)雜的地層環(huán)境中，但大量的使用也會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染，而且在鉆井過程中，無機(jī)鹽類頁(yè)巖水化抑制劑配伍性較差，在鉆井液體系中與其他添加劑混合使用時(shí)，會(huì)引起抑制劑和其他添加劑和其它添加劑性能的降低，因此該類型抑制劑使用方面受到一定限制[4]。

氯化鈉是氯鹽中最常見的頁(yè)巖水化抑制劑，其作用機(jī)理如下：氯化鈉可使頁(yè)巖粘土黏土層外面的鈉離子濃度升高，將頁(yè)巖中的粘土黏土層和鈉離子之間當(dāng)作成一張半透膜，水分子會(huì)通過半透膜由頁(yè)巖粘土黏土層滲透到鈉離子溶液中，從而減少頁(yè)巖中的水分子。氯化鉀也可以對(duì)頁(yè)巖的水化膨脹起到很好的抑制作用，一是因?yàn)殁涬x子的水化能比較小，它可以滲入到頁(yè)巖晶體之間，將水化能較大的離子替換掉，因此可以有效地降低頁(yè)巖的水化膨脹程度；二是因?yàn)殁涬x子的半徑和硅氧四面體中六元環(huán)的半徑相近，所以鉀離子可以被固定在六元環(huán)中，阻止水分子的進(jìn)入[5]。氯化鈣對(duì)頁(yè)巖水化的抑制作用主要是通過向鉆井液中提供適量的鈣離子來實(shí)現(xiàn)的，鈣離子可將頁(yè)巖粘土黏土中的鈉離子交換出來，鈉土被轉(zhuǎn)化為鈣土，鈣土的水化分散的能力比較弱，使得轉(zhuǎn)化后鉆井液的分散度顯著下降；此外，鈣離子作為一種無機(jī)絮凝劑，可將頁(yè)巖礦物顆粒由高度分散的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾跄臓顟B(tài)，對(duì)頁(yè)巖顆粒表面的雙電層進(jìn)行壓縮，從而降低頁(yè)巖顆粒的分散度，達(dá)到抑制頁(yè)巖水化的作用[6]。

1.2 有機(jī)鹽類抑制劑

甲酸鹽是一種低固相頁(yè)巖水化抑制劑，由于其優(yōu)良的耐溫性、流變性、頁(yè)巖抑制性和高抗污染性，以及對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)在水化抑制劑中受到眾多關(guān)注。甲酸鹽通過降低水活度、增強(qiáng)粘度黏度等作用，限制水對(duì)頁(yè)巖地層的滲透作用。其抑制機(jī)理如下：在鉆井液中加入甲酸降低水活度，將頁(yè)巖視為一個(gè)半透膜，而地層水的活度比鉆井液中水的活度高得多，在滲透壓力下可使地層水反向進(jìn)入鉆井液中，降低頁(yè)巖水化作用和毛細(xì)管壓力，而且甲酸鹽粘度黏度高，可使其黏附粘附于頁(yè)巖裂縫中，減弱頁(yè)巖的水化作用，從而維持井壁的穩(wěn)定性。在高溫高壓條件下甲酸鹽穩(wěn)定性強(qiáng)，且與油田常用鉆井液處理劑的配伍性好，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中效果顯著，但由于回收率低、成本高，限制其廣泛應(yīng)用[7]。除此之外，乙酸鹽和甲酸銫等鹽類也都屬于有機(jī)鹽類抑制劑。

甲酸銫具有無固相、粘度黏度低、潤(rùn)滑性好、對(duì)環(huán)境友好、無儲(chǔ)層損害等優(yōu)點(diǎn)，而且由于其自身密度高，在鉆井液體系中無需另使用固相加重劑，同時(shí)也能在高溫高壓鉆井作業(yè)中保持良好的的性能穩(wěn)定[8]。甲酸銫在生態(tài)環(huán)境保護(hù)、頁(yè)巖抑制以及抗高溫抗污染方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為一種公認(rèn)的綠色鉆井液，隨著頁(yè)巖油氣田開采范圍的擴(kuò)大，甲酸銫作為頁(yè)巖水化抑制劑的需求量可能會(huì)不斷上升，市場(chǎng)前景良好。

1.3 聚合醇類抑制劑

聚合醇類抑制劑是一種非離子表面活性劑，包括聚乙二醇、聚丙二醇和聚丙三醇等，該類抑制劑對(duì)環(huán)境友好，不干擾地質(zhì)錄井，同時(shí)具有優(yōu)異的抑制性能，對(duì)頁(yè)巖水化膨脹現(xiàn)象有明顯的抑制效果，國(guó)內(nèi)學(xué)者將其抑制機(jī)理分為三點(diǎn)：（1）降低活度：當(dāng)聚合醇在水溶液中的濃度升高時(shí)，其活度會(huì)逐漸下降到與頁(yè)巖中的水溶液活度一致的水平，這時(shí)就會(huì)阻止水分子滲入到頁(yè)巖內(nèi)部，進(jìn)而抑制頁(yè)巖的水化作用。（2）吸附作用：聚合醇是一種非離子型飽和碳鏈聚合物，其分子鏈上有許多羥基，羥基中的氫原子可以與頁(yè)巖粘土黏土顆粒上的大量氫原子形成氫鍵，從而使聚合醇吸附于頁(yè)巖粘土黏土顆粒表面，形成吸附層，抑制頁(yè)巖水化作用。（3）濁點(diǎn)效應(yīng)：聚合醇具有濁點(diǎn)效應(yīng)，也就是當(dāng)水溶液加熱到濁點(diǎn)溫度之后，溶液由清澈變成渾濁，在溫度下降后溶液又變回清澈的狀態(tài)[9]。

其作用機(jī)理可總結(jié)為：常溫下可溶于水，吸附于頁(yè)巖顆粒表面，改變頁(yè)巖表面的親水性能，當(dāng)聚合醇溶液在溫度超過濁點(diǎn)溫度時(shí)，會(huì)形成渾濁狀的顆粒，在壓力的作用下，顆粒便會(huì)進(jìn)入孔隙之中，降低濾失量，起到抑制頁(yè)巖水化的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)頁(yè)巖井壁的穩(wěn)定。

1.4 有機(jī)胺類抑制劑

20世紀(jì)開始，研究者研發(fā)出數(shù)目眾多的抑制劑，從頁(yè)巖水化抑制劑的研究歷程可見，抑制劑由無機(jī)離子型向有機(jī)聚合物型過渡。由于有機(jī)胺抑制劑與頁(yè)巖粘土黏土層間陽離子交換量巨大，使其抑制效果顯著，成為當(dāng)下胺類抑制劑的研究重點(diǎn)，此類抑制劑的抑制機(jī)理為：通過離子交換取代粘土礦物黏土礦物層間的陽離子，對(duì)頁(yè)巖粘土黏土雙電層進(jìn)行壓縮，并將層間水排擠出來，達(dá)到抑制頁(yè)巖水化作用的效果；此外，吸附于粘土黏土顆粒表面后形成一層疏水膜，有效阻止水分子與頁(yè)巖粘土黏土顆粒的接觸，從而加強(qiáng)其抑制作用[10-11]。

隨著非常規(guī)油氣資源的大規(guī)模開發(fā)，國(guó)內(nèi)外相繼研發(fā)出了各種聚胺類化合物，作為頁(yè)巖水化抑制劑加入到鉆井液體系中，有效提高了頁(yè)巖井壁的穩(wěn)定性。低聚胺類抑制劑水溶性一般較好，相比其他胺類頁(yè)巖水化抑制劑，由于它本身帶有多個(gè)胺基，這些官能團(tuán)能夠吸附在頁(yè)巖粘土黏土層上，使它的抑制效果更加明顯，并且合成方法更加簡(jiǎn)單。高分子質(zhì)量的聚胺中含有許多高度活性的胺基團(tuán)，它們的分子間會(huì)形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并黏附粘附在頁(yè)巖顆粒的表面，抑制頁(yè)巖的水化作用，但是高聚胺的分子量過大，不能很好地滲透到頁(yè)巖的粘土黏土層間，因此當(dāng)用于水化作用非常強(qiáng)烈的頁(yè)巖時(shí)，對(duì)頁(yè)巖的抑制作用并不是很顯著，而且高聚胺的毒性以及配伍性能較差，導(dǎo)致其在使用方面受到了限制[12-13]。國(guó)外開發(fā)了一種以聚醚胺為關(guān)鍵性處理劑的高性能水基鉆井液體系，改性后的聚醚胺兩端具有與粘土黏土極佳的吸附性，通過調(diào)節(jié)其分子鏈上的親水性，有效防止粘土黏土的水化作用，頁(yè)巖抑制性能優(yōu)越，醚鍵的存在不僅增強(qiáng)了聚胺類化合物的水溶性，而且消除了聚胺類化合物中因?yàn)樘兼溕蚤L(zhǎng)而產(chǎn)生的毒性，但也因?yàn)槊焰I的耐高溫性能較差，限制了其在高溫井下的使用[14-15]。

1.5 超支化類抑制劑

超支化類抑制劑擁有的特殊體型結(jié)構(gòu)，決定了它具有與聚胺類抑制劑等普通線型高分子抑制劑不同的特殊性質(zhì)，其具有良好的溶解性、多功能性以及抗溫、抗鹽等特性，并且與環(huán)境適配性好。相比于其他胺類聚合物，超支化聚合物也因?yàn)槠洫?dú)特的分子特征以及更好地抑制更好的抑制性、抗高溫性受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注[16]。研究表明，陽離子超支化聚合物通過靜電相互作用和氫鍵相互作用吸附于頁(yè)巖顆粒表面，同時(shí)與頁(yè)巖顆粒中的負(fù)電荷相結(jié)合，防止頁(yè)巖與水分子的接觸，并且其在粘土黏土絮凝方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使其達(dá)到更好地抑制更好的抑制頁(yè)巖水化作用的效果。

超支化聚乙烯亞胺作為超支化聚合物類巖水化抑制劑較為常用，胡進(jìn)科等[17]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：超支化聚乙烯亞胺能夠?qū)δ囗?yè)巖的水化作用進(jìn)行有效抑制，其中低相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯亞胺主要通過離子交換作用進(jìn)入頁(yè)巖顆粒中，依靠其正電離子與頁(yè)巖顆粒表面的負(fù)電荷相結(jié)合，抑制頁(yè)巖表面的水化膨脹、分散以及頁(yè)巖顆粒晶層的膨脹，而高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯亞胺主要通過長(zhǎng)聚合物分子鏈和特殊的超支化結(jié)構(gòu)，使其能同時(shí)吸附在多個(gè)頁(yè)巖中粘土黏土顆粒表面，利用架橋作用抑制頁(yè)巖晶層的水化膨脹。雖然超支化聚乙烯亞胺具有良好的抑制性，但高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯亞胺與陰離子聚合物類抑制劑的配伍性較差，而低相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯亞胺對(duì)水基鉆井液體系的流變性、濾失量的影響很小，因此更適用于該領(lǐng)域[18]。

1.6 納米材料類抑制劑

近幾年來，隨著納米技術(shù)和鉆井技術(shù)的融合，加快了頁(yè)巖油氣鉆探行業(yè)的進(jìn)展。納米材料可以有效抑制頁(yè)巖水化作用，從而增強(qiáng)頁(yè)巖井壁的穩(wěn)定性，該類抑制劑作用機(jī)理主要是：納米粒子因其尺寸較小，能深入到頁(yè)巖孔隙喉道之中，在頁(yè)巖孔隙裂縫中生成泥餅，實(shí)現(xiàn)物理封堵，降低水分子對(duì)頁(yè)巖的水化作用；此外，有些納米材料還可以改變頁(yè)巖表面的潤(rùn)濕性，逆轉(zhuǎn)毛細(xì)管力，加強(qiáng)其抑制頁(yè)巖水化作用的能力[19-20]。

納米SiO2因其對(duì)環(huán)境友好、價(jià)格低廉、熱穩(wěn)定性高、配伍性強(qiáng)而被廣泛地研究和應(yīng)用于石油鉆探行業(yè)中。然而，由于納米SiO2分子中含有大量的硅羥基，且具有較高的比表面積和表面能，硅羥基之間易發(fā)生縮合反應(yīng)，導(dǎo)致其在水懸浮體系中易于出現(xiàn)團(tuán)聚、沉積現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響其作為頁(yè)巖水化抑制劑的抑制性能。針對(duì)納米SiO2分散性問題的有效方法就是將其進(jìn)行表面化學(xué)改性，改性后的納米SiO2顆?？删邆浠瘜W(xué)抑制和物理封堵的雙重抑制效果，顯著提高頁(yè)巖井壁的穩(wěn)定性，常用的表面改性方法有偶聯(lián)劑改性法和聚合物接枝改性法。但是，目前納米材料在鉆井液領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠成熟，一是在改性方法上缺少精細(xì)化研究，納米材料的分子結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定井壁性能之間的關(guān)系、對(duì)水基鉆井液配伍性的影響等缺乏系統(tǒng)研究；二是一些改性納米材料無法工廠化生產(chǎn)、成本高，嚴(yán)重制約其在石油工業(yè)中的廣泛應(yīng)用[21]。石墨烯是一種具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的抑制性和導(dǎo)熱性的納米材料，擁有類似于石墨結(jié)構(gòu)的元素碳的同素異形體，雖然石墨烯本身在液相中分散性較差，但是其氧化物在液相中穩(wěn)定性較好，而被在鉆井液體系中開發(fā)使用。Kosynkin等[22]研究表明在高性能水基鉆井液中，相比于其他聚合物類抑制劑，石墨烯氧化物具有顯著降濾失性能，能有效地抑制能有效的抑制頁(yè)巖水化作用。此外，粉末狀及片狀石墨烯能提高水基鉆井液的耐溫性，可用于作為高溫條件下的頁(yè)巖水化抑制劑[23]。

2頁(yè)巖水化抑制劑發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)外已開展很多關(guān)于頁(yè)巖水化抑制劑的研究，各種新型的抑制劑也在不斷出現(xiàn)，但仍存在一些問題，環(huán)保型抑制劑抑制性、耐溫性還有待提升，針對(duì)高溫環(huán)境下的耐高溫型抑制劑成本較高、合成過程繁瑣，以及近幾年提出的智能型抑制劑，面臨著智能響應(yīng)機(jī)理尚未完善并且未進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等問題，無法在油田廣泛應(yīng)用。因此，頁(yè)巖水化抑制劑仍有著廣闊的發(fā)展前景。對(duì)高性能頁(yè)巖水化抑制劑近年來的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，要想取得更大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益，今后應(yīng)著重開展如下幾個(gè)方面抑制劑的研究：

（1）環(huán)保型抑制劑

長(zhǎng)期以來，研究人員開發(fā)出了多種類型的抑制材料，其中最典型的有氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、甲酸鹽、銫鹽、有機(jī)銨鹽等，還有近年來被公認(rèn)為效果最好的聚合物類抑制劑，它們的抑制效能和作用機(jī)制各不相同，其中許多已經(jīng)在油田中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，目前該類抑制劑的研究主要集中在抑制性能的提升，而忽視了抑制劑的環(huán)境友好性和配伍性能。隨著全球范圍內(nèi)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，頁(yè)巖油氣的勘探開發(fā)也面臨著巨大環(huán)保壓力，有研究人員提出用對(duì)環(huán)境友好的植物提取物和天然材料改性產(chǎn)物作為頁(yè)巖水化抑制劑材料，但是到現(xiàn)在為止，它們還很難達(dá)到很好的抑制效果，特別是耐溫性能比較差，因此，環(huán)保型抑制劑在未來仍然有很大的發(fā)展空間[24-25]。

（2）耐高溫型抑制劑

當(dāng)前，深井和超深井的鉆探已成為國(guó)內(nèi)外石油工業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著鉆井深度越深，溫度越高，面臨的井底壓力也更高，在超高溫高壓環(huán)境中，不僅增加了鉆井難度，而且對(duì)于鉆井液體系特別是頁(yè)巖抑制劑也提出了更嚴(yán)格要求。傳統(tǒng)抑制劑在高溫作用下，濾失量將大大增加，并使其開始黏稠粘稠，面臨功能失效等嚴(yán)重問題，因此研究開發(fā)耐高溫強(qiáng)抑制性的頁(yè)巖水化抑制劑對(duì)鉆井作業(yè)來說具有重要意義，也是輔助開發(fā)深井超深井的關(guān)鍵[26]。雖然一些聚合物類的耐高溫抑制劑已經(jīng)得到了一定的發(fā)展，但由于合成過程復(fù)雜、成本較高，且部分耐高溫聚合物抑制劑的抑制機(jī)理缺乏研究，使其應(yīng)用范圍受到限制，還需要進(jìn)一步降低成本、加大研究和使用力度，有利于更好地構(gòu)建高溫高壓鉆井液體系[27]。

（3）智能型抑制劑

隨著鉆探目標(biāo)從淺層到深層、從常規(guī)油氣資源向非常規(guī)油氣資源的發(fā)展，鉆井工程所面對(duì)的地表和地下環(huán)境變得更加復(fù)雜，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能、鉆井液技術(shù)以及材料科學(xué)相關(guān)理論，開發(fā)和應(yīng)用“自識(shí)別、自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)”的智能型抑制劑成為一種發(fā)展趨勢(shì)。在不依靠事先對(duì)井下的復(fù)雜狀況或事故作出作出地預(yù)判的條件下，智能型抑制劑可以通過自動(dòng)識(shí)別井下環(huán)境，自動(dòng)調(diào)節(jié)抑制性能，從而防止或減輕井壁失穩(wěn)事故的發(fā)生，有望實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖井壁的長(zhǎng)期穩(wěn)定，達(dá)到安全高效鉆井的目標(biāo)[28]。當(dāng)前，對(duì)于智能型抑制劑的研究在國(guó)際上還處在一個(gè)認(rèn)知和發(fā)展的初期，智能響應(yīng)機(jī)理也沒有被完全揭示，還需要更多更深入的研究，突破目前所面臨的技術(shù)瓶頸，以推動(dòng)鉆井液體系向著更高層次、更有應(yīng)用前景的方向發(fā)展[29]。

3結(jié) 語

目前，國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖油氣的鉆探開發(fā)朝著深層、超深層發(fā)展，對(duì)頁(yè)巖水化抑制劑的要求也越來越高。其中一些無機(jī)鹽型抑制劑、有機(jī)胺型抑制劑、聚合物型抑制劑已廣泛應(yīng)用于頁(yè)巖油氣的開發(fā)過程中，為水平井、超深井、復(fù)雜井的高效鉆探提供了技術(shù)支撐。但是，仍面臨著巨大的環(huán)境壓力、更更多復(fù)雜的地質(zhì)條件和較高使用成本等問題，亟須研究亟需研究并開發(fā)高環(huán)保性能、耐高溫性能和智能化抑制劑。這些新型抑制劑將成為未來該領(lǐng)域的發(fā)展方向，相信隨著相關(guān)技術(shù)的不斷改進(jìn)和完善，這些新技術(shù)會(huì)更好地解決泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)問題，為深層、超深層等復(fù)雜油氣地層的優(yōu)快鉆井提供技術(shù)支持。

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