用于泥页岩隔离液悬浮稳定剂的优选

林子旸

摘 要：测定了不同浓度的外加悬浮稳定剂的其流变性及悬浮稳定性，对比其各项性能的优劣，对常用的悬浮稳定剂进行复配，考虑其流变性、沉降稳定、API失水等综合评价确定最佳复配比。所得的最佳复配比的悬浮稳定剂可以较好的与泥页岩地层所用的常规钻井液和水泥浆体系相匹配、节省资金的同时保证施工安全环保。

关 键 词：泥页岩；悬浮稳定剂；流变性

中图分类号：TE357 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2017）07-1322-04

Optimal Selection of Suspension Stabilizer for Slate Separation

LIN Zi-yang

（Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China）

Abstract： Rheological properties and suspension stability of the suspension stabilizers with different concentrations were measured. The advantages and disadvantages of these suspension stabilizers were compared. Considering their rheological properties， settling stability，API water loss， the best mixing ratio of compound stabilizer was determined by comprehensive evaluation. The suspension stabilizer with the best compound ratio can better match with conventional drilling fluid and cement slurry system used in the mudstone formation， which can ensure the construction safety.

Key words： Mud shale； Suspension stabilizer ； Rheological

随着新型页岩气的勘探开发，页岩地层井壁稳定性问题也日益突出，该种地层由于表面存在大量的微型裂缝，在钻井过程中该地层中的黏土化合物易发生水化膨胀，从而导致井壁坍塌。隔离液的选择很大程度上决定了后期固井质量的好坏与井壁的稳定情况，目前页岩地层钻完井大多数仍使用单一悬浮稳定剂配置的单配方隔离液[1-5]，该类型隔离液在后期固井过程中表现出的缺陷已经越来越凸显，主要是由于单一隔离液只能满足单一性能的提升，综合性能有明显的不足，大多数没有较好的悬浮稳定性能，导致加重剂下沉，隔离液上部密度较低，钻井液无法悬浮[6-10]，而悬浮液下部在加重剂作用下，密度增大，与水泥浆接近，隔离液不能得到有效悬浮，加大了水泥浆与钻井液的融合污染的可能性，使得水泥浆和钻井液性能都被一定程度的破坏，降低顶替效率，从而影响固井完成质量[3]。

针对以上问题，本文测定了常用的单一悬浮稳定剂相应各项性能，确定单一悬浮稳定剂各性能的优劣，并对所选悬浮稳定剂进行复配，得到满足泥页岩地层钻完井过程中各项性能要求的最佳复配比[11-15]。

1 实验部分

1.1 实验药品

羟乙基纤维素（HEC）、黄原胶（XC）、羧甲基纤维素（CMC）、石灰石。

1.2 实验仪器

常压失水仪、液体密度计、天平秤、高速搅拌机、粘度计。

1.3 实验方法

分别配置4种不同浓度的HEC、XC、CMC、PAM水溶液500 mL，测定各溶液的流变性，然后在各浓度的溶液中加入50 g石灰石，静置3 h，测定相应悬浮稳定性，并测得在0.72 MPa下30 min的失水量。

2 實验结果分析

2.1 单一试剂的流变性实验

（1）羧甲基纤维素（CMC）

羧甲基纤维素（CMC）外观主要为白色粉末或黄色纤维状粉末，较易溶于水，形成透明溶液。CMC可以形成高粘度的胶体，所形成的水溶液有黏着、耐盐、保护胶体、增稠、分散等特性，作为单一试剂在钻完井液过程中应用广泛。根据实验要求，得到不同浓度的CMC对流变性能的影响如表1所示。

根据实验数据做出稠度系数、流变指数随着CMC浓度的变化趋势如图1所示。

从以上可以看出随着CMC浓度的增加，流性指数n逐渐减小，说明CMC溶液的剪切稀释性表现良好，稠度系数随着CMC浓度的增加而逐渐增大，当浓度达到0.9%左右时，稠度系数超过1，现场使用中严重影响水泥浆达到紊流效果，因此要控制CMC浓度在9%以内，当CMC浓度在0.3%时，失水量已经控制在120 mL以内，说明CMC具有不错的降失水性。

（2）羟乙基纤维素（HEC）

HEC常温下是多为淡黄色粉末状固体，较易溶于水，具有较好的增稠，悬浮、分散、保护水分等特性，常用作固井水泥浆的增稠剂、稳定剂。不同浓度的HEC对流变性能的影响如表2所示。

根据实验数据做出稠度系数、流变指数随着HEC浓度的变化趋势如图2所示。

由图2、表2得到的实验数据可得出，随着HEC用量的增加，流性指数n逐渐减小，减小趋势不明显，说明它比CMC的剪切稀释性要差，稠度系数增加较快，说明具有较好的控制失水能力。

（3）黄原胶（XC）

黄原胶常温下为淡白色或浅黄色粉末，可溶于水中，是一种多糖生高分子聚合物，具有高粘度，耐高温稳定性、高耐酸、碱等特性。不同浓度的XC对流变性能的影响如表3所示。

由表3、图3实验数据可知，随着XC用量的增加，流行指数n逐渐减小，但是仍比CMC减小幅度小，说明CMC的剪切稀释性仍好于XC。

（4）聚丙烯酰胺（PAM）

PAM是一种高分子线型物质，常温下为白色粉末，易溶于水，在水中可以电离，其水溶液近似为透明液体，粘度随着PAM浓度的增加而增加。不同浓度的PAM对流变性能的影响如表4所示。

根据实验数据做出稠度系数、流变指数随着PAM浓度的变化趋势如图4所示。

由表4、图4实验数据可知，随着PAM浓度的增加，流变指数n增大，说明PAM的剪切稀释性较差，从API失水看，PAM的控制失水性能不好，因此PAM不适合选作该类型隔离液的悬浮稳定剂。

2.2 单一试剂悬浮稳定性实验

在各浓度的溶液中加入50 g石灰石，静置3 h，测定相应悬浮稳定性，实验结果如表5所示。

由以上实验结果可以看出当CMC溶液浓度达到0.5%时，具有一定悬浮性，但是不能达到良好效果；当XC溶液达到0.5%时，静置一段时间未分层，说明XC具有很不错的悬浮性能；HEC溶液当浓度达到0.5%时不分层，说明其悬浮稳定性相对较好。

2.3 悬浮稳定剂的复配实验

根据以上的实验结果可以看出，XC具有较好的流变性能和降失水性，但是价格较贵，HEC的悬浮稳定性较好，但是剪切稀释性偏差，CMC的剪切稀释性较好，因此选用单一外加剂难以满足各项性能的要求，因此将XC药剂分别与CMC和HEC复配，利用他们之间的良好的化学作用，发挥每种药剂的优势，进而从中选择出一个悬浮性和流变性能相对较好的比例。

（1）HEC与XC不同配比的悬浮稳定性

向不同HEC与XC配比的溶液中加入15%的石灰石，静置3 h后，各配比溶液的悬浮稳定性及流变性能实验结果见表6。

由表6可知，当HEC∶XC=1∶2时，该配方具有较低稠度系数、较高的流变指数、较低失水量，因此初步选择HEC∶XC为1∶2。

（2）CMC与XC不同配比的悬浮稳定性

向不同CMC与XC配比的溶液中加入15%的石灰石，静置3 h后，各配比溶液的悬浮稳定性及流变性能实验结果见表7。

由表6、7可知，当CMC∶XC=1∶3时，该体系不分层，流行指数值正常，稠度系数小于1。所以CMC∶XC的最佳复配比例为1∶3。

对HEC∶XC=1∶2和CMC∶XC=1∶3的复配药剂进行对比，可以看出XC与CMC复配时的动切力要低于XC与HEC的，且通过比较悬浮稳定性和流变新能最好的组合为CMC与XC的复配比例为1∶3，因此确定的最终悬浮稳定剂配方为CMC：XC=1∶3。

3 结束语

用于泥页岩地层封堵隔离液的悬浮剂对流变性及悬浮稳定性的要求较高，常用的单一悬浮稳定剂无法同时满足隔离液的流变性和悬浮性，因此需要对常用的XC试剂分别于HEC、CMC复配，最终确定的最佳复配比为CMC∶HEC=1∶3，其各项性能满足对泥页岩层封堵隔离液的要求，且可降低完井费用的同时保证现场施工安全。

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