植物胶冲洗液防塌改性的研究

2015-12-17陈礼仪

西部探矿工程 2015年1期

关键词：胶液处理剂水玻璃

颜鹏，陈礼仪，张川，张涛

（成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059）

植物胶冲洗液防塌改性的研究

颜鹏*，陈礼仪，张川，张涛

（成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059）

以刨花楠类植物胶冲洗液为例，主要针对其防塌性能进行改性研究。使用水玻璃对植物胶交联液进行防塌改性，通过正交试验得出优化配方，并对优化配方进行防塌性能的评价。综合研究表明，经改性后的植物胶冲洗液能够满足复杂地层的防塌要求。

植物胶冲洗液；改性处理；复杂地层；防塌

近几年，随着钻探工程对冲洗液性能以及环保要求的日益严格，过去以泥浆为主体的钻探冲洗液虽能够满足钻探要求，但会对环境和岩芯造成一定程度的污染。长期的研究和生产实践表明，植物胶冲洗液应用在复杂地层中往往会收到较好的效果[1]。作为植物胶冲洗液原料的植物胶一般都是取自植物的籽粒、根部、茎或皮，其中主要有：瓜尔胶、田菁、苦苈豆、香豆胶等[2]。

本文选定了刨花楠类的植物胶作为实验用品（以下称为SD植物胶），主要对其防塌性能进行了改性研究，并对其防塌性能进行了实验评价。

1 SD植物胶的用量

对于植物胶冲洗液而言，植物胶的加量在很大程度上决定了此植物胶冲洗液的性能和成本，那么选择适宜的SD植物胶加量就至关重要了。试验研究表明[3]，SD植物胶的适合加量应该在2%～4%之间。

2 SD植物胶冲洗液的改性

优良的植物胶冲洗液在钻探过程中不仅要有较好的流变性和粘弹性，还应具有良好的防塌性能。单一的纯植物胶冲洗液直接用作钻探冲洗液，其性能达不到理想的效果，故需要对其做改性处理。

2.1 交联剂的选择

在钻探过程中，植物胶冲洗液必须具有较好的剪切稀释作用和良好的粘弹性。高分子聚合物可以使植物胶分子联接起来，形成理想的交联液，提高胶液的动塑比和粘弹性[4]。研究表明[5]，选用S-PHP作为SD胶液的交联剂效果最佳且其适合的加量应在0.2%～ 0.4%。

2.2 无机改性剂的选择

植物胶冲洗液中加入高分子聚合物可以使其形成理想的交联液，而无机改性处理剂能使这种交联液中的分子更好地水化；使其胶粒变得更加致密；使其防塌抑制性能得到进一步的提高[6]。因此，在植物胶冲洗液中加入一定量的无机改性处理剂来提高交联液的防塌抑制性能就必不可少了。

目前用于植物胶冲洗液改性的无机处理剂的主要有3种：烧碱（NaOH）、纯碱（Na2CO3）和水玻璃（Na2SiO3）。烧碱和纯碱是通过自身的碱性激发，使得溶液环境变为碱性后使胶液粘度得到大幅度地提升。水玻璃对植物胶冲洗液的改性作用机理一方面是自身碱性激发；另一方面是偶联的作用。表1和图1分别为SD植物胶冲洗液经3种不同无机处理剂改性后的性能数据和SD植物胶冲洗液经3种不同无机处理剂改性后的页岩滚动回收试验结果。

结合表1和图1的实验数据可知，SD植物胶经不同无机处理剂改性后，3者中纯碱的改性效果最差；而SD植物胶经烧碱和水玻璃分别改性处理后其流变性能的差别并不大。通过图1的试验数据可知，经水玻璃改性后的SD植物胶冲洗液的页岩滚动回收率更高。

有这一实验结果由于经水玻璃改性后的SD植物胶冲洗液，胶液中胶粒层更加的致密，胶膜强度也随之加大，胶液的渗透性就相应地减小，这样有阻止胶液中的水向孔壁渗透的作用，这一特性对破碎地层和水敏性地层的防塌抑制效果较好。加上水玻璃自身对水化膨胀地层和松散的粘土质岩层也有较好地抑制水化膨胀和防塌抑制的作用。因此，最终确定以水玻璃作为SD植物胶冲洗液的无机改性处理剂。

表1 SD植物胶冲洗液经改性处理后的胶液性能

图1 不同改性剂改性后的页岩滚动回收率

2.3 优化配方的确定

由以上可知，此体系的SD植物胶冲洗液是由SD植物胶、S-PHP和水玻璃3者组成。本实验采用正交实验，以实验组最终线膨胀量为依据，找出SD植物胶冲洗液的优化配方。

表2和表3分别为SD植物胶冲洗液正交试验设计表和各实验组的最终线膨胀量实验数据。

表2 正交试验因素和水平

表3 不同试验组的最终线膨胀量试验数据

由表3可知，不同实验组其防塌性能有所不同。从冲洗液的防塌性和经济性两方面相结合分析得出SD植物胶冲洗液优化配方：1000mLH2O+2%SD植物胶+ 0.3%S-PHP+1.5%Na2SiO3，其流变性能如表4所示。

表4 正交试验优化配方

3 防塌抑制性评价

在钻探工程中，经常钻遇泥页岩地层。泥页岩的主要成分是粘土矿物，与冲洗液相互作用后容易发生颗粒分散、水化膨胀和强度下降等问题，进而发生孔壁坍塌的现象，由此引起诸如卡钻、埋钻等事故[7]。因此，在钻进此类地层的时候，要求钻探冲洗液具有较强的抑制能力，防止地层粘土矿物颗粒分散和水化膨胀，保证孔壁稳定。本文通过线膨胀实验和页岩滚动回收实验对SD植物胶冲洗液的防塌抑制性能进行了评价。

3.1 线膨胀试验

将标准岩芯浸泡在溶液中，每隔一定时间测定标准岩芯的线膨胀量的试验。如果一定时间内标准岩芯的线膨胀量越小则说明钻探冲洗液的防塌抑制性能越好，反之则越差。表5为清水、SD植物胶冲洗液和SM植物胶冲洗液进行线膨胀量实验数据。

由表5可知，SD植物胶冲洗液的线膨胀量最小；SD植物胶冲洗液的膨胀量在48h后停止增长而SM植物胶冲洗液的膨胀量在72h后才停止增长。

表5 不同溶液线膨胀量试验数据的对比

3.2 页岩滚动回收试验

对清水、SD植物胶冲洗液和SM植物胶冲洗液进行页岩滚动回收实验。其结果见图2。

图2 不同冲洗液页岩滚动回收率

由图2可见，SD植物胶冲洗液的滚动回收率要比SM植物胶冲洗液的滚动回收率高。

3.3 防塌机理分析

SD植物胶冲洗液不同于SM植物胶冲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，当在含有水玻璃的冲洗液浸入岩芯表层孔隙后，冲洗液中的水溶性硅酸盐会与岩芯或者煤球孔隙中的多价阳离子（如：Ca2+；Mg2+）迅速发生化学反应，生成不可溶的硅酸盐沉淀，从而堵塞住表层孔隙使溶液不易浸入。另一方面，植物胶、S-PHP和未发生反应的水玻璃形成的凝胶物实质相当于在岩芯表面形成了一半透膜将其包裹，此半透膜再与硅酸盐沉淀相结合形成的屏障可以阻止钻探冲洗液的压力渗透。岩芯的孔隙被凝胶物和硅酸盐沉淀封堵，从而使其保持相对的稳定。综上我们可以看出，此体系的SD植物胶冲洗液的防塌抑制效果要远远好于传统的植物胶冲洗液体系。