26、水基成膜钻井液作用机理及应用

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1、水基成膜钻井液技术作用机理及应用孙金声林喜斌苏义脑（中国石油钻井工程技术研究院，北京100083）摘要：通过半透膜剂和隔离膜剂的作用机理实验，分析了半透膜剂和隔离膜剂与井壁的作用形式，讨论了半透膜剂和隔离膜剂的成膜机制。成膜钻井液进行了现场实验，现场应用结果表明，使用成膜钻井液，井壁稳定、井颈规则、井径扩大率小、储层保护效果好。关键词：半透膜隔离膜抑制性储层保护引言成膜钻井液主要由半透膜剂（BTM-2）和隔离膜剂（CMJ-2）等处理剂组成，该钻井液具有半透膜性能，抑制能力强，在井壁上能形成一层（多层）隔离膜，在井壁的外围形成

2、保护层，阻止水及钻井液进入地层，可有效地防止地层水化膨胀，封堵地层层理裂隙，防止地层内粘土颗粒的运移，防止井壁坍塌，保护油气层。1半透膜剂的作用机制1.1半透膜剂在岩石上作用特征用岩心进行高温高压封堵实验，在电镜下观测岩心用半透膜剂溶液处理前后表面的结构变化。实验结果见图1.1至图1.8。图1.1处理前的岩心表面图1.2处理后的岩心表面（露头岩心、K=196）（露头岩心、K=196，0.5%BTM-2）图1.3处理前的岩心表面图1.4处理后的岩心表面8（露头岩心、K=176）（露头岩心、K=176，1%BTM-2）图1.5处

3、理前的岩心表面图1.6处理后的岩心表面（露头岩心、K=98）（露头岩心、K=98，2%BTM-2）图1.7处理前的岩心表面图1.8处理后的岩心表面（露头岩心、K=187）（露头岩心、K=187，3%BTM-2）以上电镜照片显示，有机硅酸盐在岩心表面形成了一层膜，类似化学“封固壳”的一层薄膜，这层薄膜可以封堵微裂缝。有机硅酸盐分子结构很小，可以进入泥页岩孔隙，并能强烈的吸附或与泥页岩发生化学反应，通过井筒周围泥页岩骨架内的沉积形成内泥饼，增强了泥页岩半透膜的理想性，提高了半透膜的膜效率。而且半透膜剂与岩石进行化学反应形成了胶结

4、力很大的物质，并使粘土等矿物颗粒凝结成牢固的整体。因此，可以达到阻止水及钻井液滤液进入地层，抑制泥页岩水化膨胀、分散的目的。1.2有机硅酸盐半透膜剂的作用机理1.2.1有机硅酸盐显著改善膜的理想性有机硅酸盐电荷密度高，分子结构小，能够进入页岩孔隙，然后强烈吸附在页岩上，双电层结构得以加强，产生的渗透压更高，增强了膜的理想性。进入页岩孔隙中的有机硅酸盐，吸附在粘土上，堵塞粘土层片之间的缝隙，封堵孔隙或减小孔隙尺寸，使得泥页岩的膜效率增强。泥页岩的膜效率接近理想膜，可以通过控制钻井液电解质活度和控制井筒内压力的办法来控制膜之间的

5、渗透压差，控制水流方向，阻止泥页岩吸水膨胀。在膜效率较高的情况下，即便未能及时调控膜两端的活度来控制渗透压差，有机硅酸盐上的疏水基团也能在一定程度上阻碍水分子顺利通过泥页岩半透膜，减缓压力传递，防止水渗入泥页岩地层，减缓压力扩散，防止泥页岩吸水膨胀，防止井壁垮塌。81.2.2在泥页岩井壁表面形成膜及封堵孔隙有机硅酸盐分子中含有硅酸根基团，具有硅酸根的一般性质，即在井下有可能发生以下两个反应：一是有机硅酸盐的硅酸根基团中的Si-O与无机硅酸盐（井壁上的泥页岩、粘土等）发生化学反应，形成键能较大（452kJ·mol-1）、稳定S

6、i-O-Si链键的一层较坚固的薄膜；二是带负电的有机硅酸盐分子体积很小，足以因扩散和水力流动而进入页岩孔隙中，当这些有机硅酸盐半透膜剂进入孔隙，水的pH值接近中性后，会克服凝聚而形成三维网状凝胶结构，同时地层水中的多价金属离子（Ca2+，Mg2+）迅速与这些半透膜剂反应生成不溶沉淀物，有效封堵泥页岩孔隙。由此形成的物理屏障可降低页岩渗透率,防止滤液侵入和压力穿透，阻止水及钻井液进入地层，因而可防止泥页岩水化分散、膨胀，防止井壁坍塌。2隔离膜剂的作用机制隔离膜剂CMJ-1、CMJ-2和磺化沥青FT-1在淡水浆中经高温高压后的滤

7、饼经过液氮冷冻，临界点干燥后，制成扫描电镜（SEM）分析样品，对滤饼的表面形态、内部结构进行扫描放大分析研究。表面形态是采用二次电子图像进行观察研究的，配合能谱和波谱研究滤饼的结构组成。图2.1~图2.6便是HTHP后滤饼的表面结构，能观察到表面较致密，大的固相颗粒较少，并且能清晰的看到，存在着大块的膜结构，这种结构可阻止水分子向泥页岩内渗透，阻止了滤液向地层渗透，从而降低了泥页岩的水化膨胀、分散作用，能有效防止井壁坍塌，稳定井壁和保护油气层。而磺化沥青FT-1是通过压差在泥页岩表面形成物理堆积。图2.1CMJ-1SEM膜结

8、构图图2.2CMJ-1SEM膜结构图（扩大倍数为2510）（扩大倍数4610）图2.3CMJ-2膜结构图扩大倍数为2590图2.4CMJ-2膜结构图扩大倍数为38208图2.5磺化沥青在泥页岩上堆积图图2.6磺化沥青在泥页岩上堆积图（扩大倍数为300）（扩大倍数为2190）隔离膜剂CMJ-