植物膠沖洗液防塌改性的研究

顏 鵬，陳禮儀，張 川，張 濤

（成都理工大學環境與土木工程學院，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

（成都理工大學環境與土木工程學院，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行改性研究。使用水玻璃對植物膠交聯液進行防塌改性，通過正交試驗得出優化配方，并對優化配方進行防塌性能的評價。綜合研究表明，經改性后的植物膠沖洗液能夠滿足復雜地層的防塌要求。

植物膠沖洗液；改性處理；復雜地層；防塌

近幾年，隨著鉆探工程對沖洗液性能以及環保要求的日益嚴格，過去以泥漿為主體的鉆探沖洗液雖能夠滿足鉆探要求，但會對環境和巖芯造成一定程度的污染。長期的研究和生產實踐表明，植物膠沖洗液應用在復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驗用品（以下稱為SD植物膠），主要對其防塌性能進行了改性研究，并對其防塌性能進行了實驗評價。

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植物膠加量就至關重要了。試驗研究表明[3]，SD植物膠的適合加量應該在2%～4%之間。

2 SD植物膠沖洗液的改性

優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沖洗液，其性能達不到理想的效果，故需要對其做改性處理。

2.1 交聯劑的選擇

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接起來，形成理想的交聯液，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膠液的交聯劑效果最佳且其適合的加量應在0.2%～ 0.4%。

2.2 無機改性劑的選擇

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液，而無機改性處理劑能使這種交聯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一步的提高[6]。因此，在植物膠沖洗液中加入一定量的無機改性處理劑來提高交聯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，使得溶液環境變為堿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理一方面是自身堿性激發；另一方面是偶聯的作用。表1和圖1分別為SD植物膠沖洗液經3種不同無機處理劑改性后的性能數據和SD植物膠沖洗液經3種不同無機處理劑改性后的頁巖滾動回收試驗結果。

結合表1和圖1的實驗數據可知，SD植物膠經不同無機處理劑改性后，3者中純堿的改性效果最差；而SD植物膠經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的試驗數據可知，經水玻璃改性后的SD植物膠沖洗液的頁巖滾動回收率更高。

有這一實驗結果由于經水玻璃改性后的SD植物膠沖洗液，膠液中膠粒層更加的致密，膠膜強度也隨之加大，膠液的滲透性就相應地減小，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改性處理劑。

表1 SD植物膠沖洗液經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。本實驗采用正交實驗，以實驗組最終線膨脹量為依據，找出SD植物膠沖洗液的優化配方。

表2和表3分別為SD植物膠沖洗液正交試驗設計表和各實驗組的最終線膨脹量實驗數據。

表2 正交試驗因素和水平

表3 不同試驗組的最終線膨脹量試驗數據

由表3可知，不同實驗組其防塌性能有所不同。從沖洗液的防塌性和經濟性兩方面相結合分析得出SD植物膠沖洗液優化配方：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 正交試驗優化配方

3 防塌抑制性評價

在鉆探工程中，經常鉆遇泥頁巖地層。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生顆粒分散、水化膨脹和強度下降等問題，進而發生孔壁坍塌的現象，由此引起諸如卡鉆、埋鉆等事故[7]。因此，在鉆進此類地層的時候，要求鉆探沖洗液具有較強的抑制能力，防止地層粘土礦物顆粒分散和水化膨脹，保證孔壁穩定。本文通過線膨脹實驗和頁巖滾動回收實驗對SD植物膠沖洗液的防塌抑制性能進行了評價。

3.1 線膨脹試驗

將標準巖芯浸泡在溶液中，每隔一定時間測定標準巖芯的線膨脹量的試驗。如果一定時間內標準巖芯的線膨脹量越小則說明鉆探沖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植物膠沖洗液進行線膨脹量實驗數據。

由表5可知，SD植物膠沖洗液的線膨脹量最小；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數據的對比

3.2 頁巖滾動回收試驗

對清水、SD植物膠沖洗液和SM植物膠沖洗液進行頁巖滾動回收實驗。其結果見圖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+）迅速發生化學反應，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和未發生反應的水玻璃形成的凝膠物實質相當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合形成的屏障可以阻止鉆探沖洗液的壓力滲透。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遠好于傳統的植物膠沖洗液體系。

4 結論

本文通過室內的試驗對刨花楠類的植物膠沖洗進行了防塌改性和優化配方防塌抑制性能的評價。由此得出以下結論：

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

（2）根據優化配方配制的SD植物膠沖洗液其防塌性能要優于傳統的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的開發研究[J].探礦工程，2004（4）.

[2]譚愈榮.復合膠質無固相鉆井液與膠凝固壁堵漏[M].北京：北京地質出版社，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].生物質化學工程，2012（6）.

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

[5]李道山.聚丙烯酰胺水溶液粘彈性研究[J].油田化學，2003（4）.

[6]吳隆杰.鉆井液處理劑膠體化學原理[M].成都：成都科技大學出版社，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，成都理工大學在讀碩士研究生，研究方向：鉆掘工程理論與方法。