摘要
钻井工程是自然资源勘探和开采的直接手段，钻井技术的发展是矿产和油气资源开发利用的重要保障。然而钻进裂隙、孔隙及层理发育地层过程中的井壁失稳问题，被认为是钻井工程主要技术瓶颈之一。因此，保持井壁稳定，对于钻井工程的顺利开展具有重要意义。作为钻井工程的“血液”，钻井液的流变性、页岩抑制性和孔隙封堵性等多种特性是影响井壁稳定的关键因素，对于钻井安全高效进行至关重要。目前水基钻井液以其成本低廉和环境友好成为了业界的首要选择，而钻井液处理剂的盐侵稳定性、水化抑制性和孔隙封堵性仍有待提高。因此，开发高性能流型调节剂、降滤失剂、页岩抑制剂和堵漏剂等处理剂已成为钻井工程亟需解决的难题。 本文以可生物降解的天然海藻提取物—海藻酸盐作为研究对象，系统地探究了海藻酸钠钻井液在不同浓度电解质侵入下的性能变化规律；研发了一种海藻酸钾/硅酸钾复合页岩抑制剂，揭示了包被封堵/离子交换协同抑制特性，阐明了海藻酸基钻井液抗盐侵和抑制机理；基于海藻酸盐离子螯合机制，建立了具备胶结封堵特性的延时复合凝胶配方；针对性地提出了两种环保解堵剂，探究了pH和解堵剂加量对解堵效率的影响，揭示了解堵剂的竞争络合机制。本文主要研究内容和结论如下： （1）研究海藻酸钠（SA）对钻井液性能影响及其在盐侵条件下变化规律。首先探究了SA浓度对基浆的流变性、滤失性的影响，并与两种常用处理剂对比，对流变模型进行拟合及优选；考察了不同浓度电解质对 SA 钻井液性能的影响，通过一系列表征手段揭示了SA与黏土颗粒间的相互作用及抗盐机制。结果表明，宾汉模型具有较高的预测精度，0.3 wt%SA可将基浆表观黏度（AV）、塑性黏度（PV）和动切力（YP）分别由6.5 mPa·s、3.4 mPa·s和3.1 Pa大幅度提升至45.5 mPa·s，31.1 mPa·s和14.7 Pa，并使动塑比（DPR）降低至0.47 Pa/mPa·s；SA钻井液在盐侵状态下仍具有优异的流型调节作用和降滤失性能，在20 wt%NaCl侵入下，SA钻井液的AV、PV和YP仅降低了16.4%、19.6%和6.4%，保持DPR值在合理范围内。机理分析表明，SA通过氢键和配位键作用吸附于黏土颗粒表面，起桥联作用形成网格结构；广泛的粒度分布和较大的Zeta电位绝对值说明， SA钻井液中分子间及分子内静电斥力使黏土颗粒呈高度分散状态，避免了电解质插层作用导致的黏土颗粒聚结或絮凝。 （2）研发了一种基于海藻酸钾（PA）的有机/无机复合页岩抑制剂。系统地评价了复合抑制剂对钻井液性能参数的影响；揭示了复合抑制剂的协同作用机制，建立了基于PA的强抑制性钻井液配方。结果表明，复合抑制剂效果明显优于单一抑制剂，24 h线性膨胀率由单一抑制剂K2SiO3中的50.7%降低至22.4%、120℃热滚16 h后页岩回收率由70.1%提高至92.4%，热滚回收的页岩形貌完整、棱角分明；复合抑制剂无机组分中 K+通过离子交换作用进入层间，压缩双电层并使水化膜变薄，抑制泥页岩渗透水化；有机组分中PA多糖链的极性基团通过氢键作用吸附桥接包裹多个黏土颗粒，形成连续聚合物膜结构，抑制泥页岩表面水化；构建的环保强抑制性钻井液配方为4.0 wt%Na-Bt+0.1 wt%NaOH+0.2 wt%XC+0.5 wt%PA+1.5 wt%K2SiO3，120℃热滚后抑制性、流变性和降滤失性良好。 （3）基于高分子海藻酸盐的离子螯合作用，引入羟丙基瓜尔胶（Hpg）作为复配聚合物、刚性颗粒碳酸钙（CaCO3）作为交联剂、环保型弱酸D-葡萄糖酸钠（GDL）作为引发剂，构建了成胶时间可控、具备胶结封堵特性的延时复合凝胶体系，阐明了复合凝胶的交联机制。研究了聚合物、交联剂和引发剂的种类、配比对成胶时间和成胶强度的影响，获得的复合凝胶最优组分及加量为 0.6 wt%SA+0.6 wt%Hpg+3.0 wt%CaCO3(800目)+0.03 mol/L GDL；探究了复合凝胶延时成胶机制，SA与Hpg构成的聚合物互穿网络构成第一层网络结构，CaCO3在GDL水解作用下缓慢释放 Ca2+与 SA 交联形成的海藻酸钙凝胶构成第二网络，未反应的 CaCO3作为骨架颗粒充填至凝胶三维网状结构空隙中，显著增强了凝胶胶结强度。可视化封堵实验表明，复合凝胶具备良好的封堵胶结能力，3.0 MPa下承压180 min后封堵空隙率为35.7%、46.3%和57.1%的岩层漏失量仅为55.1、44.0和22.4 mL。 （4）基于络合剂的离子竞争螯合机制，研究了两种成本低廉、解堵时间可控的环保解堵液。考察了pH和解堵剂加量对解堵时间的影响，揭示了碱性条件可以通过改变解堵剂的赋存形态，减短或延长凝胶解聚时间。结果表明，在 pH值为11、EDTA-2Na浓度为7.0 mmol/L的溶液中，在pH值为9.0、SCT浓度为25.0 mmol/L的溶液中，凝胶均在5 h内完全解聚、解堵剂解堵率(渗透率恢复系数)均高于95.0%。
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