徐梓辰，金衍*，劉曉敏

1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實驗室，北京 102249 2 中海油田服務(wù)股份有限公司，廊坊 065201

0 引言

水平井鉆井井眼穩(wěn)定性是頁巖氣開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)，高活性頁巖的水化膨脹和分散可導(dǎo)致井壁失穩(wěn)[1-6]。另外，頁巖被鉆井液侵入后出現(xiàn)水化分散，影響鉆井液性能，不利于鉆速提高，導(dǎo)致鉆井成本增加。高活性頁巖地層的井壁失穩(wěn)是至今鉆井領(lǐng)域的世界性難題，在這種形勢下，該領(lǐng)域的研究人員在鉆井液抑制防塌技術(shù)方面開展了大量研究[7-9]。雖然油基鉆井液的抑制性強(qiáng)，高溫穩(wěn)定、潤滑、抗污染及儲層保護(hù)等性能較好，但油基鉆井液也有諸多不足之處，具體表現(xiàn)為配制成本高、不利于錄井作業(yè)、井漏損失嚴(yán)重、鉆屑后處理環(huán)保壓力大等問題，這些缺點(diǎn)限制著油基鉆井液大規(guī)模的應(yīng)用[10]。為此，近年來鉆井液研發(fā)人員在具有油基鉆井液性能的高性能水基鉆井液方面做了大量的研究工作。司西強(qiáng)等研究了烷基糖苷衍生物在鉆井液中的應(yīng)用[11]，張琰等最早研究了甲基糖苷對鉆井液抑制性的提升作用[12]。高性能水基鉆井液采取總體強(qiáng)化抑制的基本思路，依靠強(qiáng)效頁巖抑制劑、高效潤滑防卡劑、高效封堵降濾失劑等多種處理劑的協(xié)同作用，基本達(dá)到了鉆井液抑制性能和其它性能與油基鉆井液相當(dāng)?shù)男Ч揖哂杏突@井液所不具備的環(huán)保優(yōu)勢[13-18]。作為高性能水基鉆井液的最關(guān)鍵處理劑，研制的新型頁巖抑制劑烷基糖苷季銨鹽抑制性能優(yōu)異。筆者擬對制備得到的烷基糖苷季銨鹽產(chǎn)品的抑制性能進(jìn)行全面評價，并對其抑制機(jī)理開展深入研究，以其對鉆井防坍塌領(lǐng)域有一定啟發(fā)和指導(dǎo)作用。

1 頁巖抑制劑設(shè)計原理

圖1 頁巖表面微觀粒間孔示意圖Fig. 1 Schematic diagram of microscopic intergranular pores on the shale surface

通過對頁巖的微觀實驗，研究發(fā)現(xiàn)頁巖層理表面蘊(yùn)含著非常豐富的裂隙，這些裂隙在過平衡鉆井時，會在鉆井液的壓力作用下張開。如圖1、圖2所示，當(dāng)水分順著微裂隙侵入到巖石內(nèi)部后，會進(jìn)一步的向微米級的孔道內(nèi)滲透[19-20]。滲入微納米級孔道內(nèi)的水分與蒙脫石等礦物接觸后會直接進(jìn)入蒙脫石晶層，使晶層膨脹導(dǎo)致膨脹應(yīng)力激增，最終導(dǎo)致井壁坍塌。

圖2 頁巖表面微觀裂隙示意圖Fig. 2 Schematic diagram of micro-cracks on shale surface

因此，需要利用更容易進(jìn)入蒙脫石礦物晶層又不易引起膨脹的礦物質(zhì)，取代水而填補(bǔ)晶層間的空隙。據(jù)此選擇了季銨鹽作為插層物質(zhì)嵌入黏土礦物晶層，烷基糖苷作為吸附成膜物質(zhì)，可進(jìn)入黏土顆粒的孔道中，通過羥基、季銨基等強(qiáng)吸附基團(tuán)的作用牢牢吸附在孔道壁上，起到縮小孔道的孔徑和孔容的作用，且與孔壁上的Si-O-Si或R-O-Si鍵形成硅鎖封固層，阻止水分子侵入黏土顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，起到較好的抑制水化分散膨脹作用，同時，孔隙壁上吸附的烷基糖苷季銨鹽可與進(jìn)入孔隙內(nèi)的自由水生成氫鍵，束縛孔道內(nèi)的自由水分子，而表現(xiàn)出一定的去水化作用。上述設(shè)計的頁巖抑制劑可堵塞、填充孔隙，使黏土顆粒的孔徑和對應(yīng)孔容變小，且形成封固層，阻止水分子的侵入，達(dá)到阻止頁巖水化膨脹的目的，最終從根本上解決井壁穩(wěn)定問題。

圖3 抑制劑原理設(shè)計示意圖Fig. 3 Schematic diagram of inhibitory mechanism of QASAPG

烷基糖苷季銨鹽產(chǎn)品具有優(yōu)異的頁巖抑制作用，可有效解決強(qiáng)水敏性地層及其它易坍塌地層的井壁失穩(wěn)問題，這與其自身的電性和獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。烷基糖苷季銨鹽分子本身帶正電，其分子結(jié)構(gòu)包括一個親油的烷基(-CH3)、三個親水的羥基(-OH)、一個親水的醚鍵(C-O-C)和一個強(qiáng)吸附的季銨陽離子(R1R2R3R4N+Cl-)。烷基糖苷季銨鹽的抑制機(jī)理不是單一作用，而是多種化學(xué)和物理作用的共同體現(xiàn)，主要包括嵌入及拉緊晶層、靜電及羥基吸附成膜、降低水活度、形成封固層等，故需要對其作用機(jī)理進(jìn)行深入分析研究，用于指導(dǎo)烷基糖苷季銨鹽產(chǎn)品的生產(chǎn)及現(xiàn)場應(yīng)用。因此，研究通過對烷基糖苷季銨鹽作用前后的膨潤土柱、巖心及鉆井液濾餅等的微觀結(jié)構(gòu)、晶層間距及孔結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行對比分析，總結(jié)得到烷基糖苷季銨鹽的抑制防塌機(jī)理。

1.1 烷基糖苷季銨鹽的實驗室合成

(1)原料采用摩爾比投加，將1:12～20:0.02～0.12的環(huán)氧氯丙烷:水:催化劑投入到反應(yīng)器中，在溫度為60～100 ℃條件下，進(jìn)行水解反應(yīng)3～8 h，得到3-氯-1,2-丙二醇的水溶液，為無色透明液體；

(2)將摩爾比為1:0.5～5的烷基糖苷與3-氯-1-2-丙二醇在溫度為80～110 ℃條件下，反應(yīng)0.5～4.0 h后，得到氯代醇糖苷的水溶液，為無色或淡黃色透明粘稠狀液體；

(3)將上述氯代醇糖苷的水溶液用中和劑中和到pH值為6～9，將叔胺加入到氯代醇糖苷水溶液底部，氯代醇糖苷與叔胺摩爾比為1:0.2～1.2，在溫度為40～80 ℃，常壓下反應(yīng)3～10 h，得到淡黃色透明的烷基糖苷季銨鹽水溶液，經(jīng)提純、除水，即得烷基糖苷季銨鹽產(chǎn)品烷基糖苷季銨鹽。

所得到的新型頁巖抑制劑烷基糖苷季銨鹽分子式如圖4所示。

圖4 新型頁巖抑制劑烷基糖苷季銨鹽分子式Fig. 4 Molecular formula of new shale inhibitor QASAPG

1.2 烷基糖苷季銨鹽鉆井液體系配置

為考察新型頁巖抑制劑烷基糖苷季銨鹽的抑制性能，該研究針對烷基糖苷季銨鹽開發(fā)了相應(yīng)的鉆井液體系。鉆井液配方組成：4%土 + 1.0%LV-PAC +0.5%LV-CMC + 0.2%HV-CMC + 0.2%XC + 3%SMP +3%SMC + 0.2%NaOH + 36%NaCl。

2 烷基糖苷季銨鹽的抑制性能評價實驗

2.1 巖屑滾動回收率實驗

巖屑滾動回收率實驗是目前評價頁巖水化分散性能最常用的一種方法。它是在模擬井下溫度和環(huán)空剪切速率下進(jìn)行的動態(tài)實驗，用相同條件下測定的高溫滾動16 h淡水回收率來比較各種頁巖的分散性。可用來評價頁巖分散特性，研究鉆井液抑制劑，并能衡量其對頁巖的保護(hù)能力或抑制分散的能力。本文通過巖屑滾動回收率實驗來評價烷基糖苷季銨鹽的抑制鉆屑水化分散的性能。

對不同含量的烷基糖苷季銨鹽水溶液進(jìn)行巖屑回收率評價。所用巖屑為克拉瑪依油田馬湖區(qū)塊某井2977 m處的頁巖。巖屑一次滾動回收率實驗條件為：175 ℃、16 h，二次滾動回收率實驗條件為：175 ℃、2 h。

由圖5中結(jié)果可以看出，當(dāng)烷基糖苷季銨鹽的含量超過5%時，巖屑一次回收率大于94.7%，二次回收率大于95%，相對回收率大于99%。烷基糖苷季銨鹽在含量較低的情況下即可對巖屑的水化分散起到較強(qiáng)的抑制作用，故在鉆井液中烷基糖苷季銨鹽的含量超過5%時，即可起到優(yōu)異的抑制防塌作用，為鉆井作業(yè)提供有力的支持。

2.2 相對抑制率實驗

相對抑制率是通過對鉆井液流變參數(shù)的測試，來直觀地表現(xiàn)出處理劑對黏土水化膨脹的抑制效果，相對抑制率越高，越有利于控制地層中的劣質(zhì)坂土造漿。本文通過相對抑制率實驗來評價烷基糖苷季銨鹽的抑制黏土水化分散的性能。

為了進(jìn)一步考察烷基糖苷季銨鹽抑制膨潤土水化分散的能力，對3%烷基糖苷季銨鹽的相對抑制率進(jìn)行了考察?？瞻讟訛椋?50 mL蒸餾水+1.75 g無水碳酸鈉+35 g膨潤土，實驗條件為：175 ℃、16 h。烷基糖苷季銨鹽的相對抑制率測試結(jié)果見表1。

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，3%烷基糖苷季銨鹽對膨潤土的水化分散具有較好的抑制作用，相對抑制率達(dá)99.9%。

圖5 不同含量烷基糖苷季銨鹽水溶液的巖屑回收率Fig. 5 The effect of QASAPG content on the recovery rates of cuttings

表1 烷基糖苷季銨鹽相對抑制率評價Table 1 Evaluation of relative inhibition rates of QASAPG

2.3 頁巖膨脹實驗

頁巖膨脹實驗是通過對天然或人工巖心柱在不同介質(zhì)中不同時間的膨脹高度來直觀地展現(xiàn)處理劑對巖石及黏土的水化膨脹的抑制效果，頁巖膨脹高度越小，越有利于控制地層巖石及黏土的水化膨脹作用。本文通過頁巖膨脹實驗來評價烷基糖苷季銨鹽的抑制黏土水化膨脹的性能。

為了進(jìn)一步考察烷基糖苷季銨鹽抑制膨潤土水化膨脹的能力，對膨潤土巖心柱在清水及不同含量烷基糖苷季銨鹽水溶液中的膨脹情況進(jìn)行了考察，實驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6中結(jié)果可以看出，清水的頁巖膨脹高度最高，浸泡1 h后，膨脹高度達(dá)到4.38 mm，浸泡24 h后，膨脹高度高達(dá)7.64 mm，說明在沒有烷基糖苷季銨鹽抑制劑加入的情況下，黏土膨脹作用明顯；隨著烷基糖苷季銨鹽含量的升高，通過相同浸泡時間時膨脹高度的對比結(jié)果可以看出，烷基糖苷季銨鹽含量越高，膨脹高度越小。在烷基糖苷季銨鹽含量為0.25%時，浸泡1 h，巖心柱膨脹高度3.26 mm，浸泡24后，膨脹高度6.48 mm，跟清水相比，膨脹高度降低率為15.2%；在烷基糖苷季銨鹽含量為25%時，浸泡1 h，巖心柱膨脹高度1.60 mm，浸泡24后，膨脹高度4.46 mm，跟清水相比，膨脹高度降低率為41.6%；在烷基糖苷季銨鹽含量為50%時，浸泡1 h，巖心柱膨脹高度0.64 mm，浸泡24后，膨脹高度2.49 mm，跟清水相比，膨脹高度降低率為67.3%?？梢钥闯?，在烷基糖苷季銨鹽含量較小的情況下，即可起到良好的抑制頁巖膨脹的作用，在實際使用過程中，烷基糖苷季銨鹽的使用量控制在5%以內(nèi)即可滿足鉆井現(xiàn)場的需求。

2.4 水活度測試

水活度數(shù)值表征處理劑對溶液中自由水的束縛程度。水活度越低，黏土顆粒、鉆屑在其中浸泡時水化應(yīng)力越低，處理劑的抑制水化分散的趨勢越強(qiáng)；反之，水活度越高，黏土顆粒、鉆屑在其中浸泡時水化應(yīng)力越高，處理劑的抑制水化分散的趨勢越弱。本文通過水活度測試實驗來評價烷基糖苷季銨鹽產(chǎn)品對自由水的束縛能力。

為了驗證烷基糖苷季銨鹽降低水活度的效果，測試了不同含量的烷基糖苷季銨鹽水溶液的水活度，所用儀器為水活度測試儀。分別配制烷基糖苷季銨鹽含量 為0.25%、0.5%、1.5%、2.5%、5%、10%、15%、20%、25%、35%、50%的水溶液，分別測試其水活度，測試結(jié)果如圖7所示。

圖6 不同含量烷基糖苷季銨鹽水溶液在不同時間的頁巖膨脹高度Fig. 6 Expansion height of shale with different content of QASAPG solution at different times

圖7 不同含量的烷基糖苷季銨鹽水溶液的水活度Fig. 7 Water activity of QASAPG aqueous solution with different contents

由圖7可以看出， 隨著烷基糖苷季銨鹽含量的增加，烷基糖苷季銨鹽水溶液水活度呈降低趨勢。當(dāng)烷基糖苷季銨鹽含量為15%時，水溶液水活度降至0.775，當(dāng)烷基糖苷季銨鹽含量為25%時，水溶液水活度降至0.702，烷基糖苷季銨鹽含量為50%時，水溶液水活度為0.67，可以認(rèn)為，當(dāng)烷基糖苷季銨鹽含量較高時，其水溶液水活度降低幅度明顯。且烷基糖苷季銨鹽含量超過25%后，水溶液水活度降低趨勢變緩。據(jù)測試，焦石壩頁巖水活度在0.73左右，25%烷基糖苷季銨鹽本身水活度在0.702，以25%烷基糖苷季銨鹽為主劑配制成類油基鉆井液后，鉆井液水活度會降至0.7以下，其可與頁巖氣形成活度平衡，起到較好的防塌作用。因此，從保持鉆井液與頁巖地層的活度平衡和保證地層的井壁穩(wěn)定角度考慮，確定烷基糖苷季銨鹽在鉆井液中的加量為15%～25%。從節(jié)約成本的角度考慮，可將烷基糖苷季銨鹽與一些鹽類(氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣等)復(fù)配使用來達(dá)到較好地降低水活度的效果，也可以實現(xiàn)地層水從地層中運(yùn)移到鉆井流體中，實現(xiàn)鉆井液對地層的反滲透作用，從而更好地保證井壁穩(wěn)定。

2.5 粒度分布實驗

通過激光粒度分析儀測定粒子尺寸及粒度大小分布。粒度是顆粒在空間范圍所占大小的線性尺度。粒度越小，粒度的微細(xì)程度越大。本文通過粒度分布實驗來評價烷基糖苷季銨鹽產(chǎn)品對固相顆粒分散作用的抑制程度，亞微米顆粒的含量越少，鉆井液抑制性越強(qiáng)。

為考察烷基糖苷季銨鹽的加入對鉆井液中亞微米顆粒含量變化的影響，在鉆井液中加入不同含量的烷基糖苷季銨鹽后，在175 ℃下滾動16 h后，用激光粒度儀對鉆井液進(jìn)行粒度分析，對亞微米顆粒含量的變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計，實驗結(jié)果見圖8。

由圖8中結(jié)果可以看出，當(dāng)烷基糖苷季銨鹽含量為1%時，鉆井液中亞微米顆粒體積分?jǐn)?shù)為35.11%，而未加烷基糖苷季銨鹽的鉆井液亞微米離子體積分?jǐn)?shù)為37.8%。加入烷基糖苷季銨鹽后，鉆井液中亞微米粒子體積分?jǐn)?shù)有較大幅度降低。當(dāng)烷基糖苷季銨鹽含量為5%，鉆井液中亞微米顆粒含量降為34.3%?？梢哉J(rèn)為當(dāng)烷基糖苷季銨鹽含量超過1%時，對鉆井液中亞微米粒子體積分?jǐn)?shù)的降低幅度較明顯，表現(xiàn)出控制鉆井液中有害固相侵入的能力。因此，當(dāng)烷基糖苷季銨鹽作為固相控制劑時，低濃度的添加量即可達(dá)到相應(yīng)的效果。

3 烷基糖苷季銨鹽的抑制機(jī)理分析

3.1 嵌入晶層及拉緊晶層

烷基糖苷季銨鹽分子具有一定的尺寸，是一種低分子質(zhì)量的烷基糖苷衍生物。其分子結(jié)構(gòu)采用橋接劑將烷基糖苷和叔胺基團(tuán)鏈接到一起，生成醚鍵，醚鍵的存在使季銨陽離子基團(tuán)可以跟糖環(huán)的距離變大，增長了烷基糖苷側(cè)鏈結(jié)構(gòu)上的骨架碳鏈，從而使季銨陽離子基團(tuán)更容易進(jìn)入黏土晶層間，一方面，通過拉緊黏土晶層來達(dá)到阻止其水化分散的目的，另一方面，通過嵌入或封堵氧六角環(huán)，起到封閉作用，避免水分子進(jìn)入導(dǎo)致的黏土水化膨脹。

圖8 烷基糖苷季銨鹽對鉆井液中亞微米顆粒含量的影響Fig. 8 Effect of QASAPG on the content of submicron particles in drilling fluid

為了證明烷基糖苷季銨鹽分子確實能夠起到嵌入晶層及拉緊晶層的作用，對烷基糖苷季銨鹽作用前后的膨潤土巖心柱進(jìn)行了X射線衍射(XRD)分析。把經(jīng)過Na2CO3水化后的鈣土分成三份，第一份未做任何處理，第二份加入含量為1%的烷基糖苷季銨鹽，將三份鈣土樣品分別裝入老化罐，在175 ℃高溫下熱滾16 h，對熱滾后的樣品干燥后進(jìn)行XRD表征分析，結(jié)果如表2所示。

表2 Na2CO3水化鈣膨潤土及烷基糖苷、烷基糖苷季銨鹽處理后鈣膨潤土的XRD數(shù)據(jù)Table 2 XRD data of Na2CO3 hydrated calcium bentonite and calcium bentonite treated with QASAPG

由表2中數(shù)據(jù)可以看出，碳酸鈉水化的鈣土熱滾干燥后，晶層間距為1.4056 nm；碳酸鈉水化的鈣土經(jīng)烷基糖苷季銨鹽處理后，熱滾干燥后，晶層間距為1.3824 nm。這說明烷基糖苷季銨鹽處理過的水化鈣膨潤土晶層間距均比水化鈣膨潤土小，這就充分證明了烷基糖苷季銨鹽分子表現(xiàn)出了季銨結(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì)，其確實能夠進(jìn)入黏土晶層間，一方面嵌入晶層，替換出晶層間的水分子，另一方面對晶層進(jìn)行拉緊，使晶層間距變小，從而起到抑制黏土水化膨脹、分散的作用。

烷基糖苷季銨鹽及能起到成膜風(fēng)封堵作用，又能通過嵌入及拉緊晶層、靜電及羥基吸附成膜、降低水活度、形成封固層等多重作用共同表現(xiàn)出的結(jié)果，進(jìn)一步證明了烷基糖苷季銨鹽拉緊晶層的效果。

3.2 靜電及羥基吸附成膜

由于烷基糖苷季銨鹽本身呈正電性，可與帶負(fù)電荷的黏土顆粒發(fā)生靜電相吸，從而牢牢吸附到黏土顆粒上，當(dāng)含量足夠高時即可在黏土顆粒表面形成一層保護(hù)膜，從而有效阻止水分子進(jìn)入黏土晶層，達(dá)到抑制黏土水化分散的效果。這種黏土和烷基糖苷季銨鹽的結(jié)合是其發(fā)揮優(yōu)異抑制性能的主要因素。烷基糖苷季銨鹽與水分子在頁巖中的黏土上發(fā)生競爭吸附，減緩了水分子形成有序結(jié)構(gòu)的速率，而水分子形成的有序結(jié)構(gòu)正是導(dǎo)致黏土水化分散、膨脹的主要因素。

由于烷基糖苷季銨鹽的季銨基團(tuán)極性較強(qiáng)，易被黏土優(yōu)先吸附，固定黏土晶片，促使黏土晶層間脫水，破壞水化結(jié)構(gòu)，減小膨脹力，更好地發(fā)揮烷基糖苷季銨鹽對黏土的強(qiáng)抑制作用。當(dāng)烷基糖苷季銨鹽在水基鉆井液中的含量達(dá)到一定程度后，強(qiáng)吸附的季銨基團(tuán)能夠吸附在帶負(fù)電的黏土礦物顆粒表面并形成一層憎水的半透膜，阻緩鉆井液中的自由水到達(dá)黏土礦物顆粒表面和內(nèi)部，有效地抑制了水分子在黏土礦物顆粒表面由表及里的水化作用。

烷基糖苷季銨鹽在黏土礦物顆粒表面的吸附成膜現(xiàn)象如圖9、圖10所示。其中圖9為在清水中浸泡的黏土礦物顆粒熱滾烘干后的表面微觀形貌，圖10為在3%烷基糖苷季銨鹽水溶液中浸泡的黏土礦物顆粒熱滾烘干后的表面微觀形貌。老化試驗條件：175 ℃高溫下熱滾16 h；干燥實驗條件：103 ℃下干燥4 h。

圖9 在清水中黏土礦物顆粒的表面微觀形貌Fig. 9 Surface microcosmic morphology of clay mineral particles in clear water

圖10 在3%烷基糖苷季銨鹽水溶液中黏土礦物顆粒的表面微觀形貌Fig. 10 Surface microcosmic morphology of clay mineral particles in 3%AGQAS aqueous solution

由圖9和圖10可以直觀地看出，未經(jīng)烷基糖苷季銨鹽處理的黏土礦物顆粒表面凹凸不平，孔隙較多，經(jīng)3%烷基糖苷季銨鹽處理后，黏土礦物顆粒表面的孔隙結(jié)構(gòu)完全消失，且黏土礦物顆粒表面非常平坦光滑，這是由于烷基糖苷季銨鹽分子中的季銨基團(tuán)具有強(qiáng)吸附性能，能夠牢牢吸附在黏土顆粒表面，并形成一層憎水的強(qiáng)吸附半透膜，阻緩自由水接近黏土礦物顆粒表面并侵入其內(nèi)部，烷基糖苷季銨鹽的成膜作用有效地抑制了水分子在黏土礦物顆粒表面的由表及里的水化分散、膨脹作用，達(dá)到穩(wěn)定井壁的目的。

這里需要說明的是，羥基的吸附與季銨基團(tuán)的吸附機(jī)理是有區(qū)別的。羥基在黏土顆粒表面上的吸附主要是通過氫鍵吸附，而季銨陽離子基團(tuán)在黏土顆粒表面上的吸附主要是靜電吸附和晶層之間的孔隙吸附。烷基糖苷季銨鹽與烷基糖苷吸附機(jī)理的不同在于：烷基糖苷以-OH吸附為主，而烷基糖苷季銨鹽以季銨基團(tuán)的吸附為主，烷基糖苷季銨鹽的吸附強(qiáng)度比烷基糖苷更強(qiáng)，吸附的更牢固，這也是烷基糖苷季銨鹽抑制性優(yōu)于烷基糖苷的原因所在。

3.3 降低水活度

烷基糖苷季銨鹽能夠降低鉆井液水活度，可通過調(diào)節(jié)烷基糖苷季銨鹽鉆井液的水活度來控制鉆井液與地層水的運(yùn)移，使頁巖中的水進(jìn)入鉆井液，有效抑制頁巖的水化膨脹?？衫闷溆行B透力的增加來抵消水力和化學(xué)力的作用所導(dǎo)致的頁巖吸水，從而可以制止頁巖的水化。需要說明的是當(dāng)烷基糖苷季銨鹽含量較低(＜5%)時對水活度影響不大，而當(dāng)烷基糖苷季銨鹽含量較高時，對可顯著降低鉆井液水活度，因此從節(jié)約成本的角度考慮，可將烷基糖苷季銨鹽與無機(jī)鹽復(fù)配使用來達(dá)到較好地降低水活度的效果。烷基糖苷季銨鹽通過降低水活度來提高抑制性的結(jié)果還需繼續(xù)深入研究。

3.4 形成封固層

烷基糖苷季銨鹽在形成吸附膜之前，可進(jìn)入黏土顆粒、井壁巖石、鉆屑的孔道中，通過羥基、季銨基等強(qiáng)吸附基團(tuán)的作用牢牢吸附在孔道壁上，起到縮小孔道的孔徑和孔容的作用，且與孔壁上的Si-O-Si或R-O-Si鍵形成硅鎖封固層，阻止水分子侵入黏土顆粒、井壁巖石、鉆屑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，起到較好的抑制水化分散膨脹作用，同時，孔隙壁上吸附的烷基糖苷季銨鹽可與進(jìn)入孔隙內(nèi)的自由水生成氫鍵，束縛孔道內(nèi)的自由水分子，從而表現(xiàn)出一定的去水化作用。

為了驗證烷基糖苷季銨鹽在黏土顆粒上的堵塞填充孔隙和形成封固層的作用，對烷基糖苷季銨鹽作用前后黏土礦物顆粒的孔容的變化進(jìn)行BET表征分析，主要考察烷基糖苷季銨鹽含量變化對黏土礦物顆粒的孔分布的影響。

把經(jīng)過Na2CO3水化后的黏土分成7份，一份未做任何處理，其余6份加入含量為0.5%、2.5%、5%、15%、25%、50%的烷基糖苷季銨鹽產(chǎn)品，將7份黏土樣品分別裝入老化罐，在175 ℃高溫下熱滾16 h，對熱滾后的黏土干燥后進(jìn)行BET表征分析，測定烷基糖苷季銨鹽含量變化對黏土礦物顆粒的孔分布的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 烷基糖苷季銨鹽對黏土顆粒的最大孔徑和對應(yīng)孔容的影響趨勢Table 3 Influence trend of AGQAS on maximum pore size and pore volume of clay particles

由表3可知，烷基糖苷季銨鹽作用前后黏土顆粒的孔徑和對應(yīng)的孔容呈現(xiàn)規(guī)律性的變化趨勢，隨著烷基糖苷季銨鹽含量升高，黏土顆粒的最大孔徑呈減小趨勢，對應(yīng)的孔容也是相應(yīng)的呈減小趨勢，同樣，不同孔徑分布對應(yīng)的孔容也是呈減小的趨勢，達(dá)到了烷基糖苷季銨鹽頁巖抑制劑的設(shè)計初衷。

綜上所述，烷基糖苷季銨鹽主要通過嵌入及拉緊晶層、靜電及羥基吸附成膜、降低水活度、形成封固層等作用來發(fā)揮強(qiáng)抑制性能，而烷基糖苷主要通過高含量條件下吸附成膜、降低水活度來發(fā)揮抑制性能。通過抑制機(jī)理的分析可以很好地解釋烷基糖苷季銨鹽抑制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于烷基糖苷的原因。

4 結(jié)論及認(rèn)識

(1)烷基糖苷季銨鹽是一種新型具有優(yōu)異抑制性能的頁巖抑制劑，是配制高性能水基鉆井液的核心處理劑；

(2)烷基糖苷季銨鹽表現(xiàn)出優(yōu)異的抑制性能。巖屑一次回收率大于94.7%，相對回收率大于99%；相對抑制率達(dá)99.9%；頁巖膨脹高度降低率達(dá)67.3%；用10%烷基糖苷季銨鹽浸泡30天的膨潤土柱子保持完整，不坍塌；10%烷基糖苷季銨鹽水溶液水活度可低至0.8；烷基糖苷季銨鹽可顯著降低鉆井液中亞微米粒子含量；

(3)烷基糖苷季銨鹽主要通過嵌入及拉緊晶層、靜電及羥基吸附成膜、降低水活度、形成封固層等作用來發(fā)揮強(qiáng)抑制性能；

(4)以烷基糖苷季銨鹽為核心處理劑，配合潤滑防卡劑、封堵降濾失劑等主要處理劑，形成無毒環(huán)保、低成本、性能與油基鉆井液相當(dāng)?shù)母咝阅芩@井液體系，適用于高活性頁巖、含泥巖等易坍塌地層及頁巖氣水平井鉆井施工，對實現(xiàn)現(xiàn)場施工的安全快速、綠色高效鉆進(jìn)具有重要意義，表現(xiàn)出較好的推廣應(yīng)用前景。