评估KCl在水基钻井液中的抑制效率：一种针对页岩稳定性的形成响应方法

《Industrial & Engineering Chemistry Research》：Assessment of KCl Inhibition Efficiency in Water-Based Drilling Fluids: A Formation-Responsive Approach for Shale Stability

抑制页岩水化膨胀的最佳KCl浓度受矿物组成和阳离子交换容量（CEC）调控，库尔德地区Gercus（高CEC，需2% KCl）、Sarmord（中等CEC）、CG-G-N（低CEC）和Baluti（低CEC）四组页岩的实验表明：KCl浓度需与岩层特性匹配，过高会导致低CEC岩层机械强度下降。矿物类型（如蒙脱石与伊利石）、CEC值及流体化学协同作用是决定抑制效果的关键因素。

　　在伊拉克库尔德地区的钻井作业中，由于页岩的膨胀特性、颗粒分散性以及机械破坏性，钻井活动面临诸多挑战。页岩主要由黏土矿物组成，如伊利石、绿泥石、高岭石和蒙脱石，这些矿物对水的敏感性较高，容易发生膨胀。这种膨胀行为会改变页岩的物理和化学性质，导致其水化，从而削弱钻井井眼的机械完整性。在实际钻井过程中，页岩的膨胀不仅会影响井眼稳定性，还可能引发一系列地质问题，如井壁坍塌、钻井效率下降以及非生产时间增加。因此，研究如何有效抑制页岩膨胀，成为提高钻井效率和降低操作风险的重要课题。

为了应对这些问题，研究人员开发了基于钾盐（KCl）的抑制性水基钻井液（WBDFs），并对其在库尔德地区的多个页岩层中的表现进行了系统性测试。这些页岩层包括杰尔库斯（Gercus）、萨尔莫德（Sarmord）、奇亚加拉-加拉库斯（CG-G-N）和巴卢提（Baluti）层。这些层的矿物组成和阳离子交换容量（CEC）各不相同，从而导致它们对钻井液的反应也有所差异。例如，杰尔库斯层含有较多的蒙脱石和坡缕石，其CEC较高，表现出较强的膨胀倾向。而巴卢提层则主要由伊利石和绿泥石组成，其CEC较低，因此膨胀率较低，且具有较高的页岩回收率和机械强度。研究结果表明，抑制性钻井液的效果不仅取决于其配方，还与页岩的矿物组成和CEC密切相关。尽管低浓度的KCl（1–2 wt%）在抑制页岩膨胀方面表现出色，但其效果并非适用于所有研究层，而是受到矿物学和CEC的显著影响。

KCl作为一种常用的无机页岩抑制剂，在水基钻井液中具有重要的应用价值。其作用机制主要包括阳离子交换和渗透压平衡。KCl的离子半径适中，能够有效替代页岩层间的钠离子，减少水分子在层间渗透，从而抑制膨胀。同时，KCl能够通过建立渗透压平衡，减少水分子进入页岩内部的驱动力。在实验中，研究人员对不同浓度的KCl（1 wt%和2 wt%）进行了测试，并结合热滚动和过滤实验，模拟了实际钻井环境中的高温和高压条件。结果显示，在巴卢提层中，2 wt% KCl的钻井液表现出最低的滤失率，仅为4.8 mL（在低压高温条件下），而萨尔莫德层则表现出最高的滤失率，达到15.9 mL。这些数据表明，不同页岩层对KCl的反应存在显著差异，需要根据具体的矿物学和化学特性进行定制化设计。

在实验过程中，研究人员采用了多种测试方法，以全面评估KCl对页岩膨胀和分散行为的影响。这些方法包括线性膨胀测量（LSM）、热滚动分散测试（SDT）、滤失测试、流变性能分析以及机械硬度测试。其中，LSM用于测量页岩在接触钻井液后的膨胀率，而SDT则用于评估页岩在高温条件下的分散程度。机械硬度测试则反映了页岩在钻井液作用下的抗压能力，进而间接判断其稳定性。这些测试方法的综合应用，使得研究人员能够更准确地评估不同页岩层对钻井液的响应，从而优化钻井液配方，提高钻井效率。

在研究过程中，研究人员发现，尽管KCl在某些层中表现出色，但在其他层中可能产生不利影响。例如，巴卢提层在接触2 wt% KCl钻井液后，虽然表现出较低的膨胀率（0.16%），但其机械硬度却显著下降，从250 psi降至200 psi。这种硬度下降可能与KCl的高盐度导致的离子过饱和有关，进而引发页岩结构的脆化和破坏。这种现象表明，KCl的使用需要根据页岩的具体性质进行调整，以避免因过量使用而导致的机械性能下降。同样，杰尔库斯层在接触KCl后表现出较高的膨胀率（6.23–6.45%），而其机械硬度也相对较低，这说明该层对KCl的反应较为敏感，需要更高的抑制浓度才能有效控制膨胀。

这些研究结果对实际钻井作业具有重要的指导意义。首先，它们表明了KCl在抑制页岩膨胀方面的有效性，尤其是在高CEC的页岩层中。然而，同时也要注意，KCl的使用并非适用于所有页岩层，特别是那些对盐度不敏感的低CEC层，如巴卢提层。在这些层中，高浓度的KCl可能会引发不利的机械效应，降低页岩的稳定性。因此，研究人员建议，在实际钻井过程中，应结合页岩的矿物组成和CEC，采用定制化的钻井液配方，以达到最佳的抑制效果，同时避免对页岩结构造成损害。

此外，这些研究还揭示了页岩-钻井液相互作用的复杂性。不同页岩层对KCl的反应不仅受到矿物学的影响，还与钻井液的其他成分有关。例如，某些添加剂如聚胺、甘油和聚合物，可以进一步增强KCl的抑制效果，同时改善钻井液的流变性能和滤失控制能力。在实验中，研究人员发现，当KCl与这些添加剂共同使用时，能够更有效地抑制页岩膨胀，同时保持较高的页岩回收率和机械强度。因此，未来的钻井液设计应更加注重多组分系统的协同作用，以实现更全面的页岩抑制。

总的来说，这些研究不仅加深了对KCl在抑制页岩膨胀方面的理解，还为实际钻井作业提供了科学依据。它们强调了在钻井液设计中考虑页岩的矿物学和CEC的重要性，以及在不同层中采用不同KCl浓度的必要性。通过这些研究，钻井工程师可以更好地预测和控制页岩的膨胀行为，从而提高钻井效率，减少非生产时间，降低钻井成本，并确保井眼的稳定性。这些成果对于推动页岩钻井技术的发展具有重要意义，同时也为其他类似地质条件下的钻井作业提供了参考价值。