国内外硅酸盐钻井液研究应用现状

【摘要】：详细叙述了国内外硅酸盐钻井液研究应用现状，包括硅酸盐的抑制性，硅酸盐钻井液的防塌机理、硅酸盐钻井液的研究情况和应用情况，最后介绍了作者对硅酸盐钻井液的研究情况及认识。

【关键词】：硅酸盐;钻井液;研究
中图分类号：TQ17文献标识码：A文章编号：1002-6908(2008)0720070-01

1.国内研究应用现状

1.1硅酸盐的抑制性
最早研究了硅酸盐的抑制性,对硅酸盐的防塌性能进行了大量研究,主要包括硅酸盐的模数、加量、硅酸钾和硅酸钠的比例、无机盐加量和种类对硅酸盐防塌性能的影响。模数为2.8~3.2、加量3%~5%、硅酸钾和硅酸钠之间的比例越大的防塌效果最好，少量的无机盐能大大提高硅酸盐的抑制性。
1.2硅酸盐的作用机理
国内对硅酸盐的防塌抑制机理研究较少，丁锐在有关文献中对硅酸盐稳定粘土的作用机理和硅酸钠与膨润土的作用进行了研究,并取得了以下认识[7,8]：①膨润土对硅酸盐的吸附在粘土颗粒端面进行，水化分散的粘土颗粒在端面吸附带负电的硅酸根微粒后，难以再形成凝胶结构，从而使粘度和切力降低；尚未水化分散的粘土颗粒端部层片间隙被硅酸胶粒封堵住,水分很难进入粘土内，从而粘土不能分散，粘度和切力都不能升高；②硅酸盐降低页岩水化趋势的作用。页岩在硅酸盐体系中处理后，吸附量显著降低,稳定性比其它体系处理的页岩高得多；③硅酸盐与地层矿物之间的化学反应。80℃下硅酸钠与膨润土有可逆的结合作用，发生条件是用清水清洗，在现场只要不用清水洗井替换硅酸钠钻井液，就不会有这种结合，该钻井液稳定井壁的显著效果就能维持下去；60目的现场岩屑与3%硅酸钾溶液在105℃作用10d，经X射线衍射测得粘土矿物含量基本上没有明显变化。
何恕等采用泥页岩压力传递和化学位差诱导的渗透压力传递实验技术，通过定量测定用钻井液处理后的极低泥页岩渗透率和泥页岩半透膜系数，对硅酸盐钻井液进行性能评价[5]。实验结果表明，硅酸盐钻井液具有很强的降低泥页岩渗透率、改善膜系数、稳定井壁的能力，“封固”能力随作用时间的延长而加强。
1.3硅酸盐钻井液体系
硅酸盐钻井液体系的研究主要包括：①硅酸盐的模数、加量、硅酸钾和硅酸钠的比例、无机盐加量和种类对硅酸盐防塌性能和钻井液性能的影响；②pH值对钻井液性能的影响；③处理剂的复配,其中包括PAC、LV-CMC、KPAM、磺化沥青、SPNH、SMT、PVT护胶剂、络合醇SLA-2B、聚合醇等都与硅酸盐有较好的复配作用,与铵盐NH4-HPAN复配效果不佳；④钻井液的降粘问题。
1.4硅酸盐钻井液的应用
胜利油田在诸参1井4380~5005m井段应用硅酸盐钻井液体系，钻井液费用降低50%,井眼稳定、防塌封堵、堵漏效果好,井径扩大率仅为15%(之前平均井径扩大率为40%,最大200%)，各项工程作业顺利。

2.国外研究应用现状

2.1硅酸盐及硅酸盐钻井液体系的抑制性
VanOortE认为模数1.8的硅酸钠溶液粘度最小,模数越大、浓度越大,粘度越大(国外用液体硅酸盐)；在pH值为5~8迅速胶凝，SiO2含量减小，胶凝时间增长。该文不但认为硅酸盐能较好地抑制泥页岩的膨胀分散，而且对白垩岩也有相当好的抑制分散作用[9]。AlfordS等人认为,硅酸盐体系为页岩膨胀和分散提供了最佳的化学稳定作用，但需要钾离子才能提供最佳的抑制性能。模数为2.6~2.8的硅酸盐能给硅酸盐钻井液提供最佳的性能，同时无机盐能提高硅酸盐的抑制性，以KCl最好,其次是K2CO3、NaCl和K2SO4[10]。硅酸钾的抑制性比硅酸钠好，但是硅酸钠的2~3倍。
几种钻井液体系抑制性由弱到强的顺序为PHPA聚合物体系-KCl/PHPA聚合物体系-CaCl2体系-聚乙二醇体系—硅酸盐体系(或硅酸聚乙二醇体系,油基钻井液体系)。
该体系主要靠硅酸钠或硅酸钾提供抑制性KCl或NaCl作为第二抑制剂，聚乙二醇用于提高抑制性，改善润滑性，降低失水并作为钻井液性能的稳定剂。一般现场应用含量42%、模数2.0、密度1.5g/cm3的硅酸钠溶液。
2.2硅酸盐钻井液的防塌机理
1.硅酸盐在水中可形成不同大小的颗粒颗粒尺寸分布宽，通过吸附、扩散等途径可堵塞井壁裂缝、孔洞，抑制泥页岩的膨胀性和分散性。
2.硅酸根在pH值小于9时，与地层水作用，立即变成硅酸盐凝胶堵塞裂缝孔隙进入地层的硅酸根离子与岩石表面或地层水中的钙镁离子发生反应生成沉淀,覆盖在岩石表面起封堵作用。
3.井温低于80℃时，硅酸盐通过氢键力、静和范德华力的叠加与地层粘土矿物牢固结合；井温高于80℃时，分子间的硅醇基与粘土矿物的铝醇基发生缩合反应，产生胶结性物质，将粘土等矿物颗粒结合成牢固整体，封固井壁。
4.硅酸盐稳定含盐膏地层的机理,主要是硅酸根与地层岩石表面的钙镁离子发生作用，生成沉淀，从而在地层表面形成坚韧、致密的封固壳以加固井壁。
2.3硅酸盐钻井液的应用
国外20世纪30年代开始使用硅酸盐体系，由于流变性难以控制而失败。直到1994年BW和MobilNSL在北海使用成功。
AlfordS等人认为,该体系不仅提供有效的井壁稳定性,也用于岩性改进和解释[10]。在印度20口井应用该体系替代柴油基钻井液。在挪威用该体系替代最时髦的乙二醇体系，井壁稳定时间达到15d。在卡塔尔用该体系成功钻成最复杂的Laffan页岩地层。
硅酸盐钻井液对油气层的损害特性还不清楚，VanOortE不推荐用作钻进油气层的钻井液。而Ward，ChampmanJW认为,硅酸盐对岩层的固结作用可能会伤害油气层[11]。通过对KCl/硅酸盐聚合物体系和KCl聚合物体系以及2种饱和盐水体系的反向渗透率的对比发现,硅酸盐体系确实可能存在潜在的损害地层作用。
AlfordS等人认为，硅酸盐的聚合与盐、pH值、硅酸盐的浓度和离子的种类有关[10]。通过实验发现，硅酸盐钻井液对地层损害很小，600×10-3μm2的岩心渗透率恢复值为85%，而200×10-3μm2的岩心渗透率恢复值为93%。硅酸盐体系侵入的深度而引起的地层损害在岩心的第一个5mm，浅层的损害在生产(钻井和后期作业)过程中可以被清除。在应用硅酸盐体系钻油层之前,反向渗透率实验通常决定现场应用。

结束语

通过大量的文献调研和室内实验，结合中原油田的地质、工程及钻井液处理剂应用的具体情况，作者对硅酸盐钻井液有了更深入的认识，并做了一些研究工作：
(1)复合硅酸盐具有更强的防塌效果和较为合适的钻井液性能，可根据地层情况选择合适的复合硅酸盐。
(2)对硅酸盐的抑制性、加量、配伍性进行研究，从分子结构出发研制了与该体系配伍性强的高温高盐防塌剂和不水解的聚合物降滤失剂。
(3)研究出了硅磺聚合物强抑制性淡水钻井液体系和盐水钻井液体系，确定了复合硅酸盐在不同体系中的合理加量及抑制规律，以保证体系在最少硅酸盐加量的前提下有强抑制性，并对其各项性能进行了系统评价。
(4)研究了硅磺聚合物强抑制性钻井液体系的现场工艺，对硅磺钻井液体系的作用机理和强抑制性机理进行了分析和研究。

参考文献
[1]张显明.聚丙烯酰胺—硅酸钾防塌钻井液的使用.钻采工艺,1985,3(34).
[2]丁锐,李健鹰.稀硅酸盐钻井液防塌性能的影响因素.石油学报,1999,20(4):93~96.
[3]丁锐.硅酸盐钻井液防塌性能的室内研究.油田化学,1998,15(1):1~5.
[4]梁大川.硅酸盐钻井液稳定井壁机理研究.西南石油学院学报,1998,20(2).
[5]何恕,郑涛,敬增秀,等.利用压力传递实验技术评价硅酸盐钻井液井壁稳定性能·钻井液.