１合成基和逆乳化钻井液成膜（Ⅲ型膜）
近年来，国内许多研究单位在水基钻井液成膜技术领域相继开展了广泛的研究。中国石油勘探开发研究院等研究单位［２２］已研制出ＢＴＭ－１水基钻井液成膜剂，它具有良好的半透膜效能，抑制泥页岩水化膨胀、分散能力较硅酸盐和聚合物钻井液强。中国石油集团钻井工程技术研究院的苏义脑院士、孙金声等人［２３］成功研制出一种有机硅酸盐半透膜处理剂ＢＴＭ－２，具有良好的半透膜效能，其膜效率在７５％以上；具有良好的配伍性并具有良好的ＡＰＩ降滤失、高温高压降滤失性能、抗污染性能、流变性能；具有较硅酸盐、聚合物钻井液更强的抑制泥页岩水化膨胀、分散能力。在冀东油田进行的现场应用效果表明，半透膜剂ＢＴＭ－２能有效阻止或减缓钻井液及钻井液滤液进入地层，从而有效地防止地层的水化膨胀，封堵地层裂缝。中国石油大学（华东）［２４］研制成功了多功能聚醚多元醇防塌剂ＳＹＰ－１，由低分子量醇、环氧乙烷和环氧丙烷共聚而成，通过封堵和吸附作用吸附到粘土矿物表面，形成一层憎水的吸附膜，阻止水分子进入粘土矿物的晶层中，在胜利油田车古２０８井和塔里木油田ＨＤ４－２３Ｈ井现场应用，综合性能优良。中国石化勘探开发研究院［２５］研制成功了一种多元醇类成膜树脂ＣＭＦＴ－１，主要以吸附交联、粘结成膜作用而稳定岩石，其配套钻井液在松南ＨＤ２９－２０、ＨＤ２７－１８井现场应用效果显著。西南石油大学的蒲晓林等人［２６，２７］采用细乳化法合成了无机／有机纳米复合乳液ＳｉＯ２／聚苯乙烯－丙烯酰胺－丙烯酸－丙烯磺酸钠），即成膜剂ＮＦＲ－１，加入到钻井液中后，因为其纳米尺寸对井壁泥页岩的孔隙进行有效堆积和致密封堵，使钻井液体系具有较高的成膜效率，仅单加１０％ＮＦＲ－１的水基成膜钻井液的膜效率就达６８．２％，能大幅度降低水进入地层的推动力，同时成膜钻井液体系在高温下还具有良好的流变性、失水造壁性以及抑制性，能够满足钻井工程的需要。国外Ｍ－Ｉ钻井液公司的Ｒ．Ｓｃｈｌｅｍｍｅｒ等人研制成功了取代糖类成膜剂和丙烯酸盐类成膜剂［２８］，在北海海域应用成功。Ｓｈｅｌｌ公司申请专利制备了乙氧基化／丙氧基化多元醇，添加葡萄糖苷、甘油、丙二醇或聚甘油构成成膜体系，提高了泥页岩的渗透效率［２９］。Ｓｈｅｌｌ公司申请专利将聚丙三醇与乙氧基化／丙氧基化的二醇类物质混合，改善了提高了泥页岩的渗透效率［３０］。Ｄｒｕｍｍｏｎｄ等人利用碱性条件下可溶、酸性条件下不容的物质特性，选择分类、长链脂肪羧酸类、正硅酸、硅酸盐作为成膜剂，研究了其膜效率［３１］。Ｍ－Ｉ钻井液公司研发了一种原位成膜体系，由含醛基或酮基的化合物和二胺类物质构成，通过原位ｐＨ引发，利用胺基与醛或酮的反应生成不溶性沉淀，进行孔隙封堵［３２］。
２水基钻井液成膜机理研究
虽然国内外的学者对于泥页岩成膜以及成膜剂成膜机理都提出了一定的见解，但还未有一种观点能够被学者们广泛接受。目前报道的成膜剂的目的主要是减小孔隙尺寸。对于聚多醇类成膜剂，最为研究人员所接受的是聚乙二醇的浊点行为；其水溶液被加热到一定温度时，会出现微粒而变混浊；这些微粒可封堵地层孔喉并形成致密的表面膜，阻止滤液向地层渗透，避免泥页岩水化分散而造成井眼不稳定［３３，３４］。甲酸盐钻井液稳定地层、保护储层的机理主要表现在以下方面：甲酸盐的ＨＣＯＯ－离子与粘土端面的正电荷相吸引有利于防止水化，稳定粘土矿物，降低敏感性矿物引起的储层损害；甲酸盐的ＨＣＯＯ－离子与水分子形成的氢键对自由水具有很强的“束缚”能力；钻井液滤液矿化度相对较高，与储层配伍性好，可降低低渗储层的水敏损害和水锁损害；甲酸盐钻井液滤液活度较低，故在特低渗储层和泥页岩地层可实现其抑制性［３５，３６］。有机硅酸盐分子中含有硅酸根基团，具有硅酸根的一般性质，即在井下有可能发生以下两个反应：一是有机硅酸盐的硅酸根基团中的Ｓｉ－Ｏ与无机硅酸盐（井壁上的泥页岩、粘土等）发生化学反应，形成键能较大（４５２ＫＪ／ｍｏｌ）、稳定Ｓｉ－Ｓｉ链键的一层较坚固的薄膜；二是带负电的有机硅酸盐分子体积很小，足以因扩散和水力流动而进入页岩孔隙中，当这些有机硅酸盐半透膜剂进入孔隙，水的ｐＨ值接近中性后，会克服凝聚而形成三维网状凝胶结构，同时地层水中的多价金属离子迅速与这些半透膜剂反应生成不溶沉淀物，有效封堵泥页岩孔隙。由此形成的物理屏障可降低页岩渗透率，防止滤液侵入和压力穿透，阻止水及钻井液进入地层，因而可防止泥页岩水化分散、膨胀，防止井壁坍塌［３７］。
３基于钻井液－泥页岩井壁界面的半透膜成膜研究发展趋势
尽管目前已经开发出多种类型的成膜钻井液，并且在钻井过程中得到应用，但是国内报道的成膜剂技术都是依据其一定的作用效果来推测在井壁上形成了半透膜。人们对于与之相关的一些基础科学问题研究相对较少，而且也没有统一的认识。成膜物质在泥页岩表面是如何成膜，所得半透膜的孔径大小及微结构，以及膜表面缺陷的分布及其形成原因。泥页岩表面微结构及钻井液体系中其它物种对成膜过程有什么影响？同时，在实际的使用过程中，随着时间的推移，上述半透膜将会被污染，并进一步转化为不透水的隔离膜［１４，２０］，研究半透膜和隔离膜的动态变化也同样重要。如果能够搞清楚上述问题，将会对井壁半透膜的形成过程有更为清晰的认识，从而指导我们研发更为有效成膜钻井液。图１半透膜的动态变化示意图目前国际上钻井液技术正在向着成膜和纳米技术应用的方向发展。在纳米水平和分子水平上探讨膜的形成机理，从根本上提出改善泥页岩膜效率的途径，结合物理化学、胶体化学和有机化学等理论知识，研发高效新型成膜剂是世界钻井液技术进步的关键之一。
４结论
基于钻井液－泥页岩井壁的成膜（半透膜）水基钻井液技术同比钻井液学科的发展还处在一个新生阶段。虽然国内外的学者对于泥页岩成膜以及聚合物成膜机理都提出了一定的见解，但还未有一种观点能够被学者们广泛接受。此外，成膜剂的研发，膜技术的推广也都处于一个起步的阶段。因此，实现成膜技术在钻井技术中的广泛应用还需要在以下几个方面进行研究：①研究泥页岩成膜机理，在纳米水平和分子水平上探讨膜的形成机理，探讨半渗透膜表面微结构及膜厚度的动态变化情况，从根本上提出改善泥页岩膜效率的途径。②结合物理化学、胶体化学和有机化学等理论知识，研发高效成膜剂，新型成膜剂的开发是钻井液技术进步的关键。
作者：彭胜玉 单位：中海油田服务股份有限公司油田化学研究院
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