16
挿层剂的要求： 分子量低（几百）对粘土表面强吸附，其吸附能大大强 于氢健(大于与水的吸附能)。在粘土表面一般情况下只发生 单分子层吸附（严格符合郎格缪尔吸附关系）。 目标化合物：低分子水溶性多胺，最好在水中胺基能质 子化…。 研究、评价方法：粘土晶格d001测定与热重分析相结合。
17
表25℃不同活度等温吸附黏土的层间距 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 活度 干土 0.102 0.225 0.330 0.428 0.529 0.650 0.753 0.843 0.925 0.980 1.000 2θ/° 8.732 7.221 7.087 6.633 6.569 6.132 6.062 5.800 5.755 5.609 5.057 4.849 d001/nm 1.011 1.223 1.246 1.331 1.344 1.440 1.457 1.522 1.534 1.574 1.746 1.821
BPEI 水 溶 液 质 d001/nm 量浓度% 1.011 干土 0
0.305 0.435 0.565 0.650 0.785 0.870 0.955 1.090 1.305 1.905 1.387 1.385 1.384 1.380 1.382 1.386 1.380 1.382 1.387
22
干蒙脱土与不同浓度的Nacl水溶液后 充分混分后的d001
21
干蒙脱土，先加入水充分水化后，再分 别加入不同量BPEI抑制剂，配成不同的浓 度的BPEI溶液，充分作用后测其湿样的 d001。发现即使很低的浓度也可使已水化的 粘土的d001大幅下降，且与干粘土抑制水 化后的d001值基本相同，且与BPEI浓度无 关。 测得其d001值是1.387nm，这个值与干蒙 脱土d001值1.011nm的差值为0.376nm，恰 好是伯胺发生质子化后的直径，说明有部 分伯胺开始发生质子化，更加有利于BPEI 吸附在黏土表面上，并中和黏土的部分电 荷，牢牢嵌入蒙脱土层间，挤出蒙脱土已 吸附的水分子，形成单层平铺，实现了表 面去水化。
若它与聚合醇等配合使用，则抑制性还能进一步提高。
11
研究表明： 无机盐很难完全实现对粘土表面水化的抑制： Nacl达到铇和也无法达到对粘土表面水化的有效抑制； Kcl, Cacl2达到铇和有可能实现对部份含水页岩表面水化 的抑制。 而它们无法配成性能达到要求的钻井液或虽能配成但所需 处理剂种类与用量太多，而且会因此而大量削弱其原有抑制能 力。
7
二、页岩长井段水平井的水基钻井液体系与技术
㈠、水基钻井液替代油基钻井液打成页岩长井段水平井的井壁稳定技术 1.要求： ⑴.对页岩中粘土水化的抑制能力等同(接近)油(不水化)： 完全抑制粘土渗透水化(已可实现); 完全抑制粘土表面水化(还不能完全实现): 地层干粘土在水相中完全不水化； 地层粘土在水相中维持厡水化状态不增加水化程度； 地层粘土在水相中去水化； ⑵.对纳米、纳-微米孔缝的有效封堵：
12
而甲酸盐（钾、钠、銫…）不同浓度及饱和溶液可以部份 和完全抑制粘土的表面水化作用。且虽然所需用量极大，但其 阴离子部份为有机酸根使其可以较容易配成性能满足要求的水 基钻井液。且具有以下优点： 水溶液密度高：饱和溶液：甲酸钠1.30％甲酸钾1.60甲酸 铯2.30; 具有抗氧化性(还原性)，有高温处理剂增效作用; 具有抗氧化性,对钢铁腐蚀性弱; 水溶液降摩擦系数：金属对金属降低率46-66％,金属对页 岩降低率55-70％,金属对沙岩降低率63-82％
13
②、以活度平衡理论为基础的页岩水平井水基防塌钻井 液体系研究： A.测定所钻地层页岩粘土中所含水的活度； B.测定（从文献获得）所用有机酸盐溶液水活度与 有机盐的浓度关系； C.对照确定所用水基钻井液中有机酸盐的浓度。 D.在此基础上按现有防塌钻井液体系研究的程序和 方法进行研究…。 E.按长段水平井钻井液要求逐一研究…。直到全面 达到要求。
9
高浓度有机酸盐，具有很高的抑制粘土水化能力。
盐水溶液活度
浓度 盐类 NaCl CaCl2
HCOOK
10 0.93 0.94 0.92
20 0.84 0.83 0.87
27 0.755 — —
36 — 0.63 0.79
40 — 0.34 0.67
42 — 0.32 —
50 — — 0.54
76 —
黏土/挿层抑制剂相互作用-XRD
EDR148 (1.96nm)
T403 (1.73 nm) D400 (1.88nm) D230 (1.45nm) Diesel oil (1.26 nm) Bentonite
4
5
6
7 8 9 10 Diffraction angle (2θ)
11

12
XRD patterns of wet bentonite untreated and treated with 1 wt % polyetheramines
4
油基钻井液具有天然优势（相比于水基钻井液）
油基钻井液 天然有极佳的水化抑制性 对页岩纳米、亚微米孔、缝天然的 封堵作用 天然优良的润滑性 体系组成可相对简单，流变性昜于 调整达到井眼净化及低环空循环压 降要求。 井浆性能稳定 利于PDC钻头提高机械钻速 水基钻井液 必须加入专门的强烈的水化抑制剂 (未过关) 必须加入专门的纳米、纳-微米级 封堵剂(未过关) 必须加入专门的强润滑剂(未很好 过关) 体系组成难以減化，流变性调整难 度大。 井浆性能稳定性较差(流变性) 另外办法弥补
BPEI 水 溶 液 质 量 浓度% 干土 0.305 0.435 0.565 0.650 0.785 0.870 0.955 1.090 1.305 0 d001/nm 1.011 1.409 1.409 1.406 1.409 1.412 1.414 1.409 1.413 1.412 1.905
5
集成现有水基钻井技术可以打成页岩长井段水平井， 且已有成功的范例和经验,但是： 没有较好的普适性； 组份复杂成本高； 环保处理难度不小； 钻井过程中的井下复杂、井径扩大、机械钻速、摩阻降 低、套菅下入、井浆性能稳定…等各方面虽能基本满足钻井 需要,但还未全面达到油基钻井液水平技术。
6
水基钻井液替代油基钻井液打成页岩长井段水平井主要技术难点： 井壁稳定方面(基础和关健)： 有效抑制表面水化，且不被泥浆处理剂显著削弱而失效(未很好解决)； 对页岩纳米、亚微米孔、缝的封堵作用(未很好解决) 。 井眼净化方面(关健) ： 井壁稳定条件下，一般水平井已解决，长井段水平井增加了难度，但 现有技术攻关可解决； 降低摩阻方面(关健) : 井壁稳定条件下，一般水平井已解决，长井段水平井增加了难度，研 发高效降阻润滑剂及其它配套技术攻关综合应用可解决； 在上述三大难题解决之后，机械钻速可大幅度提高。
18
干蒙脱土的d001为 1.011nm，与水充分混 分后的水湿钠蒙脱土的 d001增加到了1.905nm， 约为4个水分子层厚。 与柴油充分混分后的油 湿钠蒙脱土的d001增加 到了1.285nm，约为一 个柴油分子厚。
19
挿层剂BPEI的作用
干蒙脱土与不同浓度的 BPEI 水溶液后充分混分后的 d001 增加值与其浓 度基本无关，且钠蒙脱土层间的增加的距离与 BPEI 的分子直径相当，说明 层间没有水（在水中水湿钠蒙脱土的d0011.905nm ）。 BPEI多个伯胺吸附基团在粘土 表面的吸附能力大大的强于水分子， 竞争的结果使它能牢牢嵌入蒙脱土层 间吸附于粘土晶格的内层面上，制止 了粘土表面对水分子的吸附。吸附层 形成单层平铺，且随着浓度的增加不 会形成多层的插入，因此BPEI应具有 很强的抑制表面水化的能力。
2
水平井关键技术
井眼轨迹优化设计 轨迹控制 钻柱强度分析,钻柱设计 井壁稳定 摩阻扭矩分析与降低 井眼净化 套管下入及保护 低环空循环压降(1000米以上长水平段…)
3
其中钻井液 技术不可忽缺
现在水平井钻井液技术(油基、水基…)已基本成熟，能滿足常规水 平井钻井的需要。但“页岩”和 “1000-2000米长水平井段” 使其问题 复杂化，现有水基钻井液技术不能滿足要求。 “页岩”、 “页岩微裂缝发育”、 “水平井”“长水平井段” 使井 壁稳定问题难点高度集中； 长井段页岩使造浆问题突出； 超长水平井段大大增大井眼净化难度； 超长水平井段大大增大降低摩阻难度； 超长水平井段大大增大下套菅难度； 超长水平井段大大增大降低环空循环压降的要求和难度…。
8
2.抑制粘土表面水化
⑴活度原理及应用： ①活度原理: 钻井液中水相活度≤地层页岩中粘土的表面吸附水的活度。 抑制干粘土完全不水化,则溶液中水的活度≤0.10; 地层粘土维持厡水化状态,则溶液中水的活度≤地层粘土水的活度(据 资料我国页岩中粘土中水活度一般0.50 左右．与埋藏条件有关),越低越 好; 地层粘土去水化,则溶液中水的活度＜地层粘土水的活度,越低越好;
0.25
若它与聚合醇等配合使用，则抑制性还能进一步 提高。配浆时分散剂的应用将不同程度削弱体系的抑 制性
10
高浓度有机酸盐，具有很高的抑制粘土水化能力 . 盐水溶液活度
盐类 NaCL CaCl2 HCOONa HCOOK HCOOCs 溶解度(%) 27 42 45 76 83 密度 1.17 1.30 1.34 1.60 2.37 结晶点 -4 -20 -23 -40 -57 溶液活度 0.755 0.32 0.30 0.25 <0.10
柴油与不同水溶性多胺 水溶液外理后的d001表明， 柴油作用也使d001增加(达到 1.223-1.26nm），其增加值 基本上就是柴油分子直径。 若挿层抑制剂挿入粘土 层间单分子层平铺，使d001 增加仅为抑制剂分子直径， 而制止水分子吸附或挤走 己水化之水分子，则在抑 制表靣水化能力与机理上 与柴油类似。
14
若能准确确定地层页岩中粘土所含水的活度就能准确确 定甲酸盐的种类和用量。则此体系的抑制能力有可能接近和 达到油基钻井液的效果，也可能具有较好的普适性。 但是： 甲酸盐用量太高而成本无法大幅下降； 组份复杂，性能维持不易且成本高； 环保处理难度和成本仍然不小；