油基钻井液能完全抑制地层中黏土矿物的水化,因此具有井壁稳定性好、钻井液性能易于稳定、利于保护油层等优点而广泛应用,但存在对环境污染严重且不易处理、成本过高等问题。因此发展效果与油基钻井液相当的水基钻井液来代替油基钻井液是当前钻井液技术发展的一种趋势,在页岩气开发中特别突出。页岩地层黏土矿物含量高,页岩气水平井水平段长,钻井液与地层接触的时间增加,页岩水化更严重,井壁失稳更加突出。为实现这种替代,必须首先作到水基钻井液能像油基钻井液那样完全抑制黏土矿物的渗透水化和表面水化。现阶段水基钻井液的理论和技术只能有效抑制黏土矿物渗透水化,不能很好抑制黏土矿物表面水化。因此急需研究建立水基钻井液抑制黏土矿物表面水化的理论和方法,才能指导建立具有油基钻井液体系抑制能力,对环境无(小)危害、低成本的新型水基钻井液体系以代替油基钻井液。鉴于此前国内外几乎没有对黏土矿物表面水化程度和水化状态的定量化研究,也没有相应的研究方法,更没有现存的抑制黏土矿物表面水化的理论和评价方法。因此本文的研究几乎从零开始。进行了一系列研究之后取得如下创新成果。本文建立了黏土矿物水化程度及表面水化评价方法,本方法包括通过黏土矿物在不同相对湿度自水气中的等温吸附法测量黏土矿物在不同条件下的吸附水(束缚水)含量,通过X-射线衍射法测量黏土矿物在不同条件下的基底间距(d001),通过热失重分析法定量分析黏土矿物吸附水含量和类型等三种方法,综合分析三种方法所得数据可评价黏土矿物结合水的类型(包括自由水、毛细管凝聚水、渗透水化水、表面吸附水化水...)及含量,并从中分析评价出该黏土矿物样品有无表面水化及水化程度(黏土矿物晶层表面吸附水的量)及吸附水分子的排列层数(吸附状态)。提出了“插层吸附抑制黏土矿物表面水化作用原理”,建立了其抑制能力的评价方法,验证了这个原理的正确性和可行性。“插层吸附抑制黏土矿物表面水化作用原理”是插层抑制剂的吸附基团通过吸附、插层、离子交换等作用以单层平铺方式插入黏土矿物晶层间,吸附基团置换晶层内上、下表面的可交换阳离子,优先占据硅氧四面体的负电荷位置(活性位),阻止水分子的吸附或置换已吸附的水分子,并拉紧相邻晶层,最大程度降低基底间距(d001),并通过亲水基团与疏水链的协同作用挤出层间水分子,从而抑制黏土矿物表面水化。这种化学剂称之为“插层吸附黏土矿物表面水化抑制剂”,简称“插层抑制剂”。通过它的作用可实现未水化的干黏土矿物放入加有此抑制剂的水中不发生表面水化,在水中已表面水化黏土矿物加入此抑制剂发生表面去水化。从而达到类似油基钻井液对黏土矿物表面水化完全抑制的效果。根据此原理,筛选和合成一批插层抑制剂模型化合物。通过对插层前、后黏土矿物样品进行等温吸附法、X-射线衍射法、热失重分析法系统研究了这类插层抑制剂对黏土矿物表面水化作用的影响后发现并证实:插层抑制剂的官能团同时与黏土矿物晶体中两个相邻硅酸盐晶层的上、下层发生强烈的吸附作用,形成的插层复合物十分稳定,加热或用其他的极性分子洗涤都不能将其破坏;而且黏土矿物在油和加有此类插层抑制剂的水溶液中都同样能完全抑制黏土矿物的表面水化,水中已完全水化的黏土矿物在加入一定量的这种插层抑制剂之后,可以使已表面水化的黏土矿物发生去水化。证明了“插层吸附抑制黏土矿物表面水化作用原理”的正确性和可行性。研究了各类插层抑制剂插层吸附作用及其对抑制黏土矿物表面水化作用的关系,发现胺类化合物作为插层抑制剂插层吸附后,可在黏土矿物层间表面形成平躺的单分子吸附层,使钠蒙脱土的基底间距小于1.4nm,同时可以达到有效抑制黏土矿物表面水化的目的。研究了烷基胺的插层吸附作用行为和其分子结构关系,提出了插层抑制剂分子结构设计原则。即插层抑制剂应该具有良好的水溶性和疏水性,通过实验选择伯胺基团作为吸附基团和水化基团,选择碳链骨架作为疏水链。实验发现烷基胺的疏水链长度和伯胺基团数量对在黏土矿物上的饱和吸附量和吸附速率常数有非常重要的影响。随着疏水链的增加,烷基胺在钠蒙脱土上的饱和吸附量降低,吸附速率常数增加;疏水链长度对烷基胺在黏土矿物晶层间的排列方式也有非常重要的影响。随着疏水链的增加,烷基胺在钠蒙脱土中的插层排列方式由倾斜单层变成单层平铺,随后又变为倾斜单层。根据插层抑制黏土矿物表面水化作用原理,插层抑制剂在黏土矿物晶层间的排列方式为单层平铺最佳,因此疏水链长度4-7个当量碳原子为好。随着伯胺基团数量的增加,烷基胺在钠蒙脱土上的饱和吸附量大大降低,吸附速率常数急剧增加;随着温度的升高,烷基胺在钠蒙脱土上的饱和吸附量和吸附速率常数略有降低。烷基二胺插层后蒙脱土基底间距在湿态为1.32nm时,结合插层抑制实验结果,烷基二胺能抑制表面水化,但蒙脱土晶层间仍存在1层水分子。具有多个伯胺基团的支化聚乙烯亚胺(BPEI)插层后蒙脱土基底间距在湿态为1.39nm时,BPEI能完全抑制表面水化。因此只要条件允许插层抑制剂的伯胺基团数量越多越好,至少多于两个。根据插层抑制剂分子结构设计原则,室内合成了 BEN-5NH2插层抑制剂。通过插层抑制黏土矿物表面水化评价方法评价了 BEN-5NH2,研究发现BEN-5NH2能完全抑制黏土矿物表面水化,其抑制效果强于已二胺略低于BPEI,进一步验证了插层吸附抑制黏土矿物表面水化作用原理以及插层抑制剂分子结构设计原则。并在实验室成功研制出一种有效的“插层吸附黏土表面水化抑制剂”。