粘土防膨技术

对于含粘土砂岩油藏的开采，如何防止水敏、速敏、酸敏是一个十分重要的问题，是直接关系到能否开发和开发好这类油藏的重要问题。国内外对此给予了高度重视，取得了很大成效。防止注水过程中的粘土膨胀是一项有效的增注措施。

随着油田的开发，粘土稳定剂的应用越来越广泛，种类越来越多，根据不同的结构及所使用的化学药品不同，在这方面的研制大致可以可分为三个阶段：（1）50年代到60年代后期，主要用无机盐类来稳定粘土；(2)70年代主要用无机多核聚合物和阳离子表面活性剂来稳定粘土；(3)80年代以后，主要开展了用阳离子有机聚合物稳定粘土的研究和实验。

1.粘土稳定剂的种类及特点

目前粘土稳定剂种类繁多，而且还在不断的发展。就其分子结构、作用机理及使用特点，大致可以把它们归纳为以下几类。

1.1无机盐类和无机碱类 

常用的无机盐类和无机碱类粘土稳定剂如表5—9所示。     

表5—9 无机盐类和无机碱类粘土稳定剂

从广义上讲，一切无机盐均可起到粘土防膨作用，但通常所指的是K＋、NH4＋、Ca2＋和A13十等高价金属粒子。它们是通过阳离子交换作用，大量交换到粘土粒子表面从而有效地抑制了粘土的表面渗透水化作用。无机碱主要是KOH，它除了K十有抑制水化作用外，OHˉ能与粘土表面发生钝化作用使其水化能力下降，这种作用需要较高的温度（100℃以上）和较长的时间才能发生。在深井中效果比较明显，这类粘土防膨剂的优点是来源广，价格低，使用方法简单，对只需短期稳定粘土的情况特别适用。但由于它是通过离子交换吸附起作用，因此具有可逆性。即当离子环境改变时，它们又可能被取代或解吸，从而恢复到原有的水敏性状态。因此它对粘土的稳定作用是有条件的，在动态条件下难以长期稳定粘土，不易作到长效。同时，它只能起到抑制水化作用，不能有效地防止微粒运移。 

1.2无机聚合物      

目前，常用的无机聚合物类粘土稳定剂有羟基铝、氢氧化铅，这类处理剂在水溶液中和一定的pH值范围内形成多核络合物即无机聚合物。此聚合物带有大量正电荷能强烈地吸附并覆盖在粘土粒子表面，既有效地防止了粘土粒子的渗透水化，又能抑制粘土粒子的膨胀、分散，并将粘土固定在原位。事实上由于无机聚合物正电荷很多，所以在粘土表面的吸附不可逆。因此它能有效地防止粘土的水化、膨胀、分散、运移，而且长期有效。但是这类聚合物在pH值较高时（一般大于7），即会逐渐变化为氢氧化物沉淀而失效，而在强酸性介质中，多核络合物分解，且效能降低，这样就使其应用范围受到很大限制。   

这类粘土防膨剂无毒、安全、应用方法简单、成本低，处理粘土长期有效。但不能用于碳酸盐地层，不能用于碱性介质。常可用于完井液、射孔液、压裂液、砾石充填液、砂控、注水、注蒸汽的地层预处理、酸化前后的粘土稳定等。但由于对粘土悬浮体的强絮凝作用在改性钻井液中少有使用。

1.3有机聚合物类

非离子，阴离子，阳离子型有机聚合物都对黏土有稳定作用，但现在使用效果最好的是阳离子聚合物。它们多为聚季铵盐、聚季磷酸盐、聚季硫酸盐等。在此类聚合物分子链上，众多的季胺、季磷、季硫的阳离子与粘土表面产生强烈的吸附，同时聚合物链束对粘土有覆盖和包被作用。以上作用不仅能有效地中和粘土粒子的电荷，抑制粘土的表面渗透水化作用，也能抑制粘土粒子的膨胀、分散运移，将油层粘土固定在原位。而此作用由于阳离子聚合物在粘土表面吸附过强而达到不可逆，因而具有长效性。就是酸流、水流、油流的长期作用也不易使之失效，同时它又耐酸、耐碱，在酸性、碱性、中性环境中同样有效，是效果最好的一类粘土稳定剂，但成本偏高。

常用阳离子聚合物以季胺盐为主，它大体上可分为以下四类：

①季氮原子在主链上的缩聚物。以环氧氯丙烷与二甲胺共聚物为代表，分子量为800～

800000。   

②季氮原子在主链的五元环或六元环上 （以五元环为主），以聚二甲基二烯丙基氯化胺为代表，分子量可达2.6×106，它在完井液中使用广泛。作为粘土防膨剂使用于注水、反注水、修井等作业中时，分子量以37000～75000为好，在水泥浆中使用时，分子量可达600000，用量为6500～7000ppm即可使水泥浆滤液对地层的损害显著降

③在聚合物的链节的侧链上含有一个或多个季氮原子（也可以是叔氮原子），分子量约为50000～1000000。它可以稳定非膨胀性粘土微粒，防止其运移，又称“微粒稳定剂”。例如阳离子聚丙烯酰胺。

④含有①、②、③类重复单元（含一种、二种或三种）的与其它单体的共聚物，其它单体不一定为阳离子单体，其使用功能取决于单体种类、分子量及分子申单体的排列和聚合物分子构形。事实上，这将是发展前途最宽的一大类。

除此以外，凡能有效地抑制粘土粒子的水化、膨胀、分散、运移的各类聚合物；无论其作用机理如何，都可能在完井液中作为粘土稳定剂使用。从而为粘土稳定剂的开发提供了广阔的天地。

2防膨剂的筛选

    由于粘土矿物成分和储层岩石的差异，没有一种固定的现成防膨剂通用于各油层。欲取得理想的防膨效果，必须经过精心的室内筛选。

    (1)  初选  将储层的岩屑粉碎过筛，在一定的强度下，将其加入到有防膨剂的水(或注入用的水)申，浸泡一定的时间，对比其前后的重量变化。其变化最小的防膨剂及配方为最佳者，即初选完成。   

    (2) 渗流防膨效果评价  将初选的防膨剂加入到注入水中，经岩心模拟注入试验，测定其渗透率的变化值，如果变化小即初选正确，可用于现场；否则，重新初选，再经渗流防膨效果评价。

3.防膨剂的使用

    防膨剂在含泥砂岩并中的完井液、压裂液、注入水、酸液中都应使用。

    在酸化时，可直接加入酸液中。

对于注水，一般是周期性注入加防膨剂的段塞。即当停止加防膨剂注水后，其注量降低到一定值时再注入段塞，然后再注水。目的是降低成本，取得较好的经济效益。如果用量小，效果好，也可采取连续注入。

4.几种有效的防膨剂性能

    (1) ZYC系列防膨剂性能  ZYC系列防膨剂适用范围广、与水、醚的配伍性好，防止粘土膨胀和迁移，水润湿性好、无毒。

    ZYC—01  絮凝性强，用于钻井。作为絮凝剂，具有一定的粘土防膨性能和降低失水作用，可以作为完井液和修井液的添加剂。

    ZYC—02  具有一定的絮凝性，耐冲刷。具有一定的防膨胀性能和稳定地层、防止胶结物分散和出砂。可用于压井和注水，也可作为完并液和工作液的添加剂。

    ZYC—03  耐冲刷性能强，有较强的防膨性能，可以作为压裂液及注入水的防膨剂，亦可作为完井液和修井液的添加剂。

    ZYC—04  具有铰强的抑制粘土膨胀性能，有效期长。主要用于注入水和压裂液的防膨剂。

    (2)  PTA粘土稳定剂  PTA是聚季铵型有机阳离子聚合物化学处理剂。主要用于抑制地层中的粘土矿物温水时发生水化膨胀和分散运移。    

    PTA为一种淡黄色到棕黄色的粘稠状透明液体，可与水、醇、有机醚等强极性溶剂混溶。分子虽约为7000~22000。在空气中热稳定性为200 oC。

    1)  PTA的稳定粘土原理  PTA以较强的静电作用力、较快的作用速度与粘土上的降价阳离子自发地进行不可逆离子交换吸附，使粘土的表面负电荷得到“中和”并使其表面积大大降低，从而使粘土的水敏性基本消失，通淡水时不再发生水化膨胀和分散迁移，起到抑制粘土水敏性，防止粘土水敏造成的钻井事故和油层损害作用。

    2)  使用方法

    ①  与其它钻井或作业液体一起使用   将PTA以0.4~1.0％的浓度加入其它液体中。

②  PTA单独使用  用1.0~2.0％HCI或NH4CI溶液配制PTA，浓度为0.5~ 1.0％，然后注入地层。

3)  注意事项

①  使用PTA前，对地层要有明确的认识，地层确实存在粘土水敏性问题时，方可使用。

②  对阴离子聚合物体系及含粘土钻井液要慎重。

4)  质量指标  见表5一10。

表5—10 PTA的主要质量指标

5)  应用范图

    ①  碳酸盐对其性能无影响，可用于碳酸盐含量高的地层。

    ②  PTA溶液粘度低，可用于各种渗透率的地层都不会引起溶剂本身堵塞地层。

    ③  不会造成地层油润湿转移，既可用于生产井也可用于注水井。

    ④  抗酸碱性能强，可用于不同酸碱的作业液中。

    ⑤  稳定粘土的效果时间长。

    ⑥  与粘土作用速度快，处理后不需要特别关井就可以投产。

    ⑦  耐温性强，可用于不同地温的地层。