[發明專利]頁巖水化抑制劑和使用方法

無效

• 申請號: 200580039757.0
• 申請日: 2005-10-04
• 公開（公告）號: CN101061198A
• 公開（公告）日: 2007-10-24
• 發明（設計）人: A·D·帕特爾;E·斯塔馬塔基斯
• 申請（專利權）人: M－I有限公司
• 主分類號: C09K8/06
• 分類號: C09K8/06;C09K8/86
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 張軼東;范赤

背景技術

在地下井的旋轉鉆探中，希望鉆井流體具有許多功能和特性。鉆 井流體應當在井中各處循環并且從鉆頭下面攜帶鉆屑、將鉆屑輸送到 環面上和允許它們在地面上得到分離。同時，還希望鉆井流體冷卻和 凈化鉆頭、降低鉆柱和孔側之間的摩擦并且保持鉆孔的無套管部分的 穩定性。鉆井流體還應當形成密封通過鉆頭穿透形成的開口的薄的、 低滲透性濾餅，并且起降低不期望的地層流體從透水巖石中流入的作 用。

鉆井流體一般根據它們的基礎材料進行分類。在油基流體中，固 體顆粒懸浮在油中，并且水或者鹽水可以被油乳化。所述油一般為連 續相。在水基流體中，固體顆粒懸浮在水或者鹽水中，并且油可以在 水中得到乳化。水一般為連續相。氣動流體是第三類鉆井流體，其中 空氣或者天然氣的高速流出除去了鉆屑。

在水基鉆井流體中通常存在三種類型的固體：1)加入以提供必 要的粘度和過濾性能的粘土和有機膠體；2)功能是升高鉆井流體的 密度的重礦物；和3)在鉆探作業期間變得分散在鉆井流體中的地層 固體。

變得分散在鉆井流體中的地層固體一般是由鉆頭作用產生的鉆 屑和由于鉆孔不穩定性而產生的固體。當地層固體是溶脹的粘土礦物 時，任何一種地層固體在鉆井流體中的存在都會極大地增加鉆井時間 和成本。

粘土礦物在本質上通常為晶體。粘土晶體的結構決定了它的性 能。一般，粘土具有薄片狀的云母型結構。粘土薄片由許多面對面堆 積的晶體片狀物構成。每個片狀體都被稱為單元層，并且所述單元層 的表面被稱為基礎表面。

單元層由多重片組成。將一個片稱為八面體片，其由與羥基的氧 原子八面體配位的鋁或者鎂原子組成。另一種片被稱為四面體片。四 面體片由與氧原子四面體配位的硅原子構成。

單元層中的片通過共用氧原子連接在一起。當該連接存在于一個 八面體和一個四面體片之間時，一個基礎表面由暴露的氧原子組成， 而另一個基礎表面具有暴露的羥基。兩個四面體片通過共用氧原子與 一個八面體片結合也是十分普遍的。稱為Hoffnan結構的由此得到 的結構，具有夾在兩個四面體片之間的八面體片。因此，Hoffman結 構中的兩個基礎表面都由暴露的氧原子組成。

單元層面對面層疊在一起并且通過弱吸引力固定就位。在相鄰的 單元層中，相應平面之間的距離被稱為c-間距。具有由三個片組成的 單元層的粘土晶體結構的c-間距通常為約9.5×10^-7mm。

在粘土礦物晶體中，具有不同化合價的原子通常定位在所述結構 的片內，從而在晶體表面上產生負電勢。在這種情況下，陽離子被吸 附在表面上。這些吸附的陽離子被稱為可交換的陽離子，因為當將粘 土晶體懸浮在水中時，它們可以以化學方式與其它陽離子換位。此外， 離子還可以被吸附在粘土晶體的棱邊上并且與水中的其它離子進行 交換。

粘土晶體結構中發生的取代的類型和晶體表面上吸附的可交換 的陽離子會極大地影響粘土溶脹，粘土溶脹是鉆井流體工業中最重要 的一種性能。粘土溶脹是其中水分子圍繞粘土晶體結構并且自身定位 從而增加結構的c-間距，由此導致體積增加的現象。可能發生兩種類 型的溶脹。

表面水化是一種溶脹類型，其中水分子被吸附在晶體表面上。氫 鍵連接將一層水分子固定在暴露在晶體表面上的氧原子上。隨后水分 子層排列，從而在單元層之間形成導致c-間距增加的準晶結構。事實 上，所有類型的粘土都以這種方式溶脹。

滲透溶脹是第二種溶脹類型。當粘土礦物中的單元層之間的陽離 子濃度高于周圍水中的陽離子濃度時，水就會在單元層之間滲透移動 并且使得c-間距得到增大。與表面水化相比，滲透溶脹產生更大的總 體積。然而，僅僅某些粘土(比如鈉蒙脫石)以這種方式溶脹。

據報道，粘土礦物中的可交換性陽離子對產生的溶脹量具有顯著 的影響。可交換性陽離子與水分子競爭粘土結構中可利用的活性位 置。通常，高化合價的陽離子與低化合價的陽離子相比吸附更為強烈。 由此，與具有高化合價的可交換性陽離子的粘土相比，具有低化合價 的可交換的陽離子的粘土溶脹更多。

在北海和美國墨西哥灣岸區，鉆孔機通常遇到泥質沉積物，其中 主要的粘土礦物質是鈉蒙脫石(通常稱為“粘性頁巖”)。鈉陽離子是 粘性頁巖中占優勢的可交換性陽離子。因為鈉離子具有低正價(即， 形式上為+1化合價)，因此其易于分散入水中。從而，粘性頁巖以其 溶脹性而出名。