胡繼良 陶士先

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 北京 100083)

(2.北京探礦工程研究所 北京 100083)

鉆井液由鉆井液基礎(chǔ)材料及化學(xué)處理劑兩部分組成。鉆井液基礎(chǔ)材料是指在配漿中用量較大的基本組分,如膨潤土、水、油和重晶石等。處理劑是指用于改善和穩(wěn)定鉆井液性能,或為滿足鉆井液某些性能要求需要加入的化學(xué)添加劑。

鉆井液設(shè)計需要依據(jù)地層情況、鉆井液類型及材料特性進(jìn)行選擇。

1 造漿材料

(1)膨潤土

膨潤土是水基鉆井液的重要配漿材料,分鈣膨潤土和鈉膨潤土兩種。

膨潤土在鉆井液中的作用:①增加粘度和切力,提高井眼凈化能力;②形成低滲透率的致密泥餅,降低泥漿濾失量;③對于膠結(jié)不良的地層,可改善井眼的穩(wěn)定性;④防止井漏。

鈣膨潤土需加入純堿使之轉(zhuǎn)化為鈉膨潤土后方可使用,純堿加量約為膨潤土量的5%左右。

鈉膨潤土國家標(biāo)準(zhǔn):六速旋轉(zhuǎn)粘度計600r/min的讀數(shù)≥30,常溫中壓(690kPa)30分鐘失水量≤15m L,動塑比(動切力/塑性粘度)≤3,75μm濕篩篩余 ≤4。

(2)增效粉

增效粉是膨潤土經(jīng)化學(xué)改性后的升級產(chǎn)品。產(chǎn)品名稱為低粘增效粉(LBM-1),是一種集造漿土與泥漿處理劑性能于一體的多功能“方便面”式產(chǎn)品,在復(fù)雜地層中的護(hù)壁效果十分顯著。特別適用于金剛石繩索取心鉆探,可有效防止繩鉆鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢問題。

水+3%LBM-1泥漿性能達(dá)到:表觀粘度≤7.0m Pa·s,動塑比0.1～0.4,API濾失量≤15m L,相對膨脹降低率(%)≥50。

2 加重材料

加重材料又稱加重劑,添加到鉆井液中以提高鉆井液的密度,用于對付高壓地層和穩(wěn)定孔壁。常用的加重材料有以下幾種:

(1)重晶石粉

重晶石粉是一種以BaSO4為主要成分的天然礦石。API標(biāo)準(zhǔn)為:密度≥4.2g/cm3,200目篩的篩余量≤3.0%。一般用于加重密度不超過2.30g/cm3的鉆井液,是目前應(yīng)用最為廣泛的一種鉆井液加重材料。

(2)石灰石粉

主要成分為CaCO3,密度2.7～2.9g/cm3,用于配制密度≤1.68g/cm3的鉆井液。

(3)鐵礦粉和鈦鐵礦粉

前者主要成分為Fe2O3,密度4.9～5.3g/cm3;后者主要成分為 TiO2·Fe2O3,密度4.5～5.1g/cm3。用于配制比重更高的鉆井液。

3 配漿水

鉆井液的性能與配漿水的水質(zhì)密切相關(guān),施工現(xiàn)場配制鉆井液大都就地取水,因此,配制鉆井液時必須事先了解配漿水的水質(zhì)。若配漿水礦化度較高,應(yīng)加適量的純堿預(yù)先處理,以免影響膨潤土的造漿量和泥漿處理劑的性能。

4 無機處理劑

(1)純堿

主要作用:鈉化作用、沉淀作用。

應(yīng)用:鈣膨潤土鈉化;鉆水泥塞或鉆井液受到鈣、鎂離子侵入時,加入適量純堿可有效沉除鈣離子,改善鉆井液性能;調(diào)節(jié)p H值。

(2)燒堿——堿度控制劑

主要作用:調(diào)節(jié)鉆井液的p H值;分散作用;沉淀作用。

注意:對泥頁巖地層而言,加入過量的燒堿(即p H值大于10),會加速泥頁巖的水化膨脹,縮徑造漿。從防止泥頁巖水化膨脹角度,建議使用低堿度鉆井液,p H值不超過9。

(3)氫氧化鈣、石膏、氯化鈣——無機絮凝劑及頁巖抑制劑

作用:①提供鈣離子,主要用于配制抑制型鉆井液。用氫氧化鈣配制低鈣鉆井液,濾液中鈣離子含量為120～200m g/L;用石膏配制中鈣基鉆井液,濾液中鈣離子含量為300～500mg/L;用氯化鈣配制高鈣鉆井液,濾液中鈣離子含量大于 1200～4000mg/L。②膠凝堵漏。鉆井液中加入大量鈣離子,可提高其結(jié)構(gòu)粘度和切力,堵塞巖石的細(xì)小裂縫,減少漏失。

(4)氯化鈉——無機絮凝劑及頁巖抑制劑

主要用于配制鹽水鉆井液。

(5)氫氧化鉀、氯化鉀——頁巖抑制劑

用于配制鉀基鉆井液,氯化鉀加量一般≥4%。

(6)硅酸鈉——頁巖抑制劑

用于配制硅酸鹽泥漿,一般加量3～5%。

主要作用:①抑制泥頁巖水化膨脹,可吸附在井壁表面形成堅固的薄摸,防止濾液向地層滲透。②對于膠結(jié)較差的破碎及松散地層,具有較好的穩(wěn)定孔壁作用;③凝膠堵漏,加入到鉆井液或水泥漿中,可立即形成凍膠狀物質(zhì)。

5 降濾失劑

(1)腐植酸鈉、磺化褐煤(磺甲基化褐煤)

特點:具有降失水、稀釋作用;熱穩(wěn)定性高(抗溫200～230℃),抗鹽能力差。

加量:一般為0.5～2.0%。

(2)纖維素類:主要指鈉羧甲基纖維素(Na-CMC),有低粘、中粘及高粘三種產(chǎn)品。其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

鈉羧甲基纖維素具有降濾失和增粘作用,抗鹽能力強。

參考加量:淡水泥漿0.1～0.6%,鹽水泥漿0.5～1.0%。

(3)聚合物類

主要產(chǎn)品:水解聚丙烯腈鈉鹽和水解聚丙烯腈銨鹽。該類產(chǎn)品是優(yōu)良的降濾失劑,熱穩(wěn)定性好,抗溫可達(dá)200～230℃。水解聚丙烯腈鈉鹽,抗鹽能力強,抗鈣能力差;水解聚丙烯腈銨鹽具有降濾失、抑制粘土水化分散作用。該類產(chǎn)品的性能指標(biāo)見表2(詳見 SY/T5062-94、SY/T5063-94、SY/T5316-94)。

表1 鈉羧甲基纖維素(Na-CMC)

表2 水解聚丙烯腈類產(chǎn)品性能指標(biāo)

該類產(chǎn)品的參考加量:淡水泥漿0.3～1.0%;鹽水泥漿:1～2%。

(4)淀粉類

常用的降濾失劑。在淡水、海水和飽和鹽水泥漿中均可使用。

常用產(chǎn)品:羧甲基淀粉、接枝淀粉共聚物。

按OCMA標(biāo)準(zhǔn),4%鹽水+35.0gOCMA評價土+1.0g碳酸氫鈉(基漿,API濾失量90±10mL)+0.9%試樣,其視粘度應(yīng) ≤9.0m Pa·s,濾失量 ≤10mL;飽和鹽水+35.0gOCMA評價土+1.0g碳酸氫鈉(基漿,API濾失量100±10mL)+1.2%試樣,其視粘度應(yīng)≤12.0m Pa·s,濾失量應(yīng)≤10mL。

推薦加量:淡水泥漿0.3～1.0%,鹽水泥漿1.0～2.0%。

(5)樹脂類

高溫降濾失劑(抗溫180～200℃),抗鹽、抗鈣能力較強。

常用產(chǎn)品:磺甲基酚醛樹脂、磺化褐煤樹脂(SPNH)。

產(chǎn)品加量為3～5%。

6 降粘劑

降粘劑又稱為解絮凝劑和稀釋劑。根據(jù)其作用機理的不同,可分為分散型稀釋劑和聚合物型稀釋劑。

(1)單寧類

主要產(chǎn)品有:單寧酸鈉、磺甲基單寧(SM T)、磺甲基栲膠(SM K)。

(2)鐵鉻木素磺酸鹽(鐵鉻鹽FCLS)

在淡水、飽和鹽水、高鈣鉆井液中均具有良好的稀釋效果,抗溫可達(dá)170～180℃。

鐵鉻鹽的缺點:必須在較高p H值下使用,需將鉆井液的p H值調(diào)至9～11,不利于孔壁穩(wěn)定;p H值較低時會產(chǎn)生大量泡沫;泥餅?zāi)Σ料禂?shù)較高;對環(huán)境有污染。

推薦加量:淡水泥漿0.3～0.5%;鹽水泥漿0.5～2.0%。

(3)聚合物稀釋劑

主要是相對分子質(zhì)量較低的丙烯酰胺或丙烯酸類聚合物,是非分散型降粘劑。

聚合物類稀釋劑具有稀釋和抑制作用,但在實際使用中其固相承載能力和抗污染能力均較鐵鉻鹽差。

(4)腐植酸類

大多數(shù)腐植酸類產(chǎn)品都具有較好的稀釋作用,如腐植酸鈉、腐植酸鉀、磺化褐煤、硅腐植酸等,主要用于不含其它泥漿處理劑的膨潤土泥漿。

7 增粘劑

(1)生物聚合物

主要特點:增粘、降失水效果顯著;抗污染能力強,用其配制鹽水泥漿,可有效提高泥漿的動切力;與其他化學(xué)處理劑配合能抑制強粘土頁巖的水化、膨脹;用量小;抗凍性好,可在0℃以下使用。

(2)羧甲基纖維素(HV-CMC)

(3)聚合物類增粘劑(80A 51)

技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 增粘劑80A51的技術(shù)指標(biāo)

8 抑制劑(又稱防塌劑)

(1)瀝青類

磺化瀝青:部分水溶、部分油溶。具有抑制、降濾失、減摩降阻作用。

改性瀝青:經(jīng)過改性的瀝青與腐植酸鉀的縮合物。抑制、降失水、減摩降阻效果顯著。如改性瀝青(GLA),其主要性能指標(biāo)為:視粘度≤基漿的視粘度,API濾失量≤12mL,高溫高壓(150℃,3.45MPa)濾失量≤25mL/30min,相對膨脹降低率≥40%。

瀝青類產(chǎn)品的加量為:1～3%。

(2)腐植酸鉀

腐植酸鉀:頁巖抑制劑,兼有降粘、降濾失作用,抗溫180℃。

重要指標(biāo):相對膨脹降低率≥40%(腐植酸鈉只有 20～30%)。

加量:1～3%。

(3)聚合物類抑制劑

①聚丙烯酸鉀(或聚丙烯酰胺鉀,俗稱大鉀):具有抑制、降濾失、增粘作用。

主要技術(shù)指標(biāo):純度 ≥75%,水解度 27.0～35.0%,鉀含量11.0～15.0%,特性粘度 ≥6.0dl/g,相對膨脹降低率≥40%。

加量:0.1～0.3%。

②水解聚丙烯腈鉀鹽(K-HPAN,俗稱鉀鹽):泥頁巖抑制劑,兼有降濾失作用?？箿?50～180℃。主要技術(shù)指標(biāo)(行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5316-94)見表4。

加量:0.3～0.5%。

表4 水解聚丙烯腈鉀鹽(K-HPAN)

③水解聚丙烯腈銨鹽(N H4—HPAN):泥頁巖抑制劑,兼有降濾失、稀釋作用?？箿?50～180℃。

加量:0.3～0.5%。

9 絮凝劑

多采用水解聚丙烯酰胺作選擇性絮凝劑,分子量300～600萬,水解度30%左右。目前越來越多的地質(zhì)鉆探采用高分子量的聚丙烯酰胺配制無固相鉆井液。

高分子量聚丙烯酰胺(分子量大于1000萬)的特點是:絮凝、增粘效果更明顯,用量小。非水解聚丙烯酰胺(水解度小于5%)為全絮凝劑。

10 潤滑劑

潤滑劑分固體類潤滑劑和液體類潤滑劑。

(1)癸植酸鈉:一種表面活性劑,在淡水泥漿中具有較好的使用效果。缺點:容易產(chǎn)生泡沫,抗污染能力差。

(2)液體類潤滑劑

①陰離子潤滑劑:皂化油、太古油等。潤滑性能良好,但不適用于硬水(Ca2+、M g2+≥150mg/L)及石灰?guī)r、白云巖等地層,易產(chǎn)生破乳現(xiàn)象。

②水基潤滑劑:由水及植物油渣或地溝油等制成,淡水泥漿中有一定的潤滑效果。

③極壓潤滑劑:此類潤滑劑能牢固地吸附在金屬和粘土表面,形成致密的油膜,使鉆具與巖石之間的摩擦阻力大大降低。

典型產(chǎn)品:無熒光潤滑劑(GLUB),在淡水泥漿、海水泥漿及飽和鹽水泥漿中均具有良好的潤滑效果。GLUB的主要性能指標(biāo)為:

淡水泥漿摩擦系數(shù)降低率:≥70%;

海水泥漿摩擦系數(shù)降低率:≥60%;

極壓膜強度:≥150 M Pa;

熒光級別:≤5級。

(3)瀝青類潤滑劑

瀝青類產(chǎn)品主要用于改善泥餅質(zhì)量和提高潤滑性。能夠在井壁上形成一層油膜,減輕鉆具對孔壁的摩擦和對孔壁的沖擊作用。

11 堵漏劑

(1)惰性堵漏材料

顆粒狀材料:核桃殼、珍珠巖、石灰石、瀝青等,起“架橋”作用,又稱“架橋劑”。

纖維狀材料:如鋸末、紙纖維、花生殼、棉籽殼等,起懸浮拉筋作用,又稱“懸浮拉筋劑”。

片狀材料:如云母、稻殼等,起填塞作用,又稱“填塞劑”。

堵漏過程中,將上述三類材料以合理的比例和級配復(fù)合使用,才能收到理想的效果。復(fù)合堵漏劑常用產(chǎn)品有:復(fù)合堵漏劑CBM、暫堵915、暫堵917等。

(2)隨鉆堵漏劑

隨鉆堵漏劑又稱單向壓力封閉劑、屏蔽劑。用于封堵砂巖、礫石層、破碎煤層、石灰?guī)r等類地層的孔喉和微裂縫。

常用產(chǎn)品類型:

①液體套管(又稱單向壓力封閉劑):以落地棉、棉籽殼、稻殼等為原料,酸化而得到的產(chǎn)品。

現(xiàn)場使用:要求其粒徑與地層的孔喉直徑或微裂隙尺寸相匹配,否則,封堵效果較差。

②以天然植物材料為主要成分制成的產(chǎn)品。其特性為:天然植物遇水可以膨脹,其膨脹顆粒又具有伸展性和可壓縮性,因此應(yīng)用范圍廣,堵漏速度快,效果好。該類產(chǎn)品還具有明顯的降失水效果,破碎地層使用,有利于加固孔壁,防塌效果也明顯。如防塌型隨鉆堵漏劑(GPC),其主要性能指標(biāo)見表5。

表5 防塌型隨鉆堵漏劑(GPC)技術(shù)指標(biāo)

(3)高失水堵漏劑

主要由架橋材料、軟質(zhì)纖維及助濾劑等復(fù)合而成。堵漏原理:將堵漏漿液(避免與泥漿混合)送至漏失層,在壓力作用下迅速失去漿液中的水(16～30s),在井壁形成一層致密、具有較高強度(承壓能力2～4M Pa)的濾餅。

使用過程中,堵劑必須用清水配制,防止泥漿對堵漏液的污染。適合于邊打邊漏的連續(xù)多漏層井段的堵漏。

12 泡沫劑與消泡劑

(1)泡沫劑

用于配制泡沫鉆井液。評價泡沫劑主要參數(shù)為:粘度、密度、發(fā)泡力及泡沫穩(wěn)定性等。

常用泡沫劑:

①十二烷基苯磺酸鈉:發(fā)泡能力強,但穩(wěn)定性差,使用時需加入穩(wěn)泡劑;抗鹽、抗鈣能力差,只能用于一般地層鉆進(jìn)。

②DF—1型泡沫劑:發(fā)泡能力強,抗鹽、抗鈣、抗溫能力較好。

(2)消泡劑

典型產(chǎn)品:DF-4。消泡能力強,抗鹽、鈣污染,對難以消除的瀝青類產(chǎn)品引起的泡沫尤為有效。兼有良好的潤滑效果。

13 膠植物

植物膠類產(chǎn)品特點:

(1)增粘、降濾失、無毒、可生物降解。攜巖能力強,易形成層流,對孔壁沖刷小。

(2)抗鹽、抗鈣及抗溫能力較差;易降解,使用時需加入防腐劑。經(jīng)過改性的植物膠性能更好。

常用產(chǎn)品:瓜爾膠、田菁膠、魔芋膠及其改性產(chǎn)品等。