地质钻探常用钻井液材料和处理剂

胡继良 陶士先

(1.中国地质大学(北京) 北京 100083)

(2.北京探矿工程研究所 北京 100083)

钻井液由钻井液基础材料及化学处理剂两部分组成。钻井液基础材料是指在配浆中用量较大的基本组分,如膨润土、水、油和重晶石等。处理剂是指用于改善和稳定钻井液性能,或为满足钻井液某些性能要求需要加入的化学添加剂。

钻井液设计需要依据地层情况、钻井液类型及材料特性进行选择。

1 造浆材料

(1)膨润土

膨润土是水基钻井液的重要配浆材料,分钙膨润土和钠膨润土两种。

膨润土在钻井液中的作用:①增加粘度和切力,提高井眼净化能力;②形成低渗透率的致密泥饼,降低泥浆滤失量;③对于胶结不良的地层,可改善井眼的稳定性;④防止井漏。

钙膨润土需加入纯碱使之转化为钠膨润土后方可使用,纯碱加量约为膨润土量的5%左右。

钠膨润土国家标准:六速旋转粘度计600r/min的读数≥30,常温中压(690kPa)30分钟失水量≤15m L,动塑比(动切力/塑性粘度)≤3,75μm湿筛筛余 ≤4。

(2)增效粉

增效粉是膨润土经化学改性后的升级产品。产品名称为低粘增效粉(LBM-1),是一种集造浆土与泥浆处理剂性能于一体的多功能“方便面”式产品,在复杂地层中的护壁效果十分显著。特别适用于金刚石绳索取心钻探,可有效防止绳钻钻杆内壁结垢问题。

水+3%LBM-1泥浆性能达到:表观粘度≤7.0m Pa·s,动塑比0.1～0.4,API滤失量≤15m L,相对膨胀降低率(%)≥50。

2 加重材料

加重材料又称加重剂,添加到钻井液中以提高钻井液的密度,用于对付高压地层和稳定孔壁。常用的加重材料有以下几种:

(1)重晶石粉

重晶石粉是一种以BaSO4为主要成分的天然矿石。API标准为:密度≥4.2g/cm3,200目筛的筛余量≤3.0%。一般用于加重密度不超过2.30g/cm3的钻井液,是目前应用最为广泛的一种钻井液加重材料。

(2)石灰石粉

主要成分为CaCO3,密度2.7～2.9g/cm3,用于配制密度≤1.68g/cm3的钻井液。

(3)铁矿粉和钛铁矿粉

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

3 配浆水

钻井液的性能与配浆水的水质密切相关,施工现场配制钻井液大都就地取水,因此,配制钻井液时必须事先了解配浆水的水质。若配浆水矿化度较高,应加适量的纯碱预先处理,以免影响膨润土的造浆量和泥浆处理剂的性能。

4 无机处理剂

(1)纯碱

主要作用:钠化作用、沉淀作用。

应用:钙膨润土钠化;钻水泥塞或钻井液受到钙、镁离子侵入时,加入适量纯碱可有效沉除钙离子,改善钻井液性能;调节p H值。

(2)烧碱——碱度控制剂

主要作用:调节钻井液的p H值;分散作用;沉淀作用。

注意:对泥页岩地层而言,加入过量的烧碱(即p H值大于10),会加速泥页岩的水化膨胀,缩径造浆。从防止泥页岩水化膨胀角度,建议使用低碱度钻井液,p H值不超过9。

(3)氢氧化钙、石膏、氯化钙——无机絮凝剂及页岩抑制剂

作用:①提供钙离子,主要用于配制抑制型钻井液。用氢氧化钙配制低钙钻井液,滤液中钙离子含量为120～200m g/L;用石膏配制中钙基钻井液,滤液中钙离子含量为300～500mg/L;用氯化钙配制高钙钻井液,滤液中钙离子含量大于 1200～4000mg/L。②胶凝堵漏。钻井液中加入大量钙离子,可提高其结构粘度和切力,堵塞岩石的细小裂缝,减少漏失。

(4)氯化钠——无机絮凝剂及页岩抑制剂

主要用于配制盐水钻井液。

(5)氢氧化钾、氯化钾——页岩抑制剂

用于配制钾基钻井液,氯化钾加量一般≥4%。

(6)硅酸钠——页岩抑制剂

用于配制硅酸盐泥浆,一般加量3～5%。

主要作用:①抑制泥页岩水化膨胀,可吸附在井壁表面形成坚固的薄摸,防止滤液向地层渗透。②对于胶结较差的破碎及松散地层,具有较好的稳定孔壁作用;③凝胶堵漏,加入到钻井液或水泥浆中,可立即形成冻胶状物质。

5 降滤失剂

(1)腐植酸钠、磺化褐煤(磺甲基化褐煤)

特点:具有降失水、稀释作用;热稳定性高(抗温200～230℃),抗盐能力差。

加量:一般为0.5～2.0%。

(2)纤维素类:主要指钠羧甲基纤维素(Na-CMC),有低粘、中粘及高粘三种产品。其行业标准见表1。

钠羧甲基纤维素具有降滤失和增粘作用,抗盐能力强。

参考加量:淡水泥浆0.1～0.6%,盐水泥浆0.5～1.0%。

(3)聚合物类

主要产品:水解聚丙烯腈钠盐和水解聚丙烯腈铵盐。该类产品是优良的降滤失剂,热稳定性好,抗温可达200～230℃。水解聚丙烯腈钠盐,抗盐能力强,抗钙能力差;水解聚丙烯腈铵盐具有降滤失、抑制粘土水化分散作用。该类产品的性能指标见表2(详见 SY/T5062-94、SY/T5063-94、SY/T5316-94)。

表1 钠羧甲基纤维素(Na-CMC)

表2 水解聚丙烯腈类产品性能指标

该类产品的参考加量:淡水泥浆0.3～1.0%;盐水泥浆:1～2%。

(4)淀粉类

常用的降滤失剂。在淡水、海水和饱和盐水泥浆中均可使用。

常用产品:羧甲基淀粉、接枝淀粉共聚物。

按OCMA标准,4%盐水+35.0gOCMA评价土+1.0g碳酸氢钠(基浆,API滤失量90±10mL)+0.9%试样,其视粘度应 ≤9.0m Pa·s,滤失量 ≤10mL;饱和盐水+35.0gOCMA评价土+1.0g碳酸氢钠(基浆,API滤失量100±10mL)+1.2%试样,其视粘度应≤12.0m Pa·s,滤失量应≤10mL。

推荐加量:淡水泥浆0.3～1.0%,盐水泥浆1.0～2.0%。

(5)树脂类

高温降滤失剂(抗温180～200℃),抗盐、抗钙能力较强。

常用产品:磺甲基酚醛树脂、磺化褐煤树脂(SPNH)。

产品加量为3～5%。

6 降粘剂

降粘剂又称为解絮凝剂和稀释剂。根据其作用机理的不同,可分为分散型稀释剂和聚合物型稀释剂。

(1)单宁类

主要产品有:单宁酸钠、磺甲基单宁(SM T)、磺甲基栲胶(SM K)。

(2)铁铬木素磺酸盐(铁铬盐FCLS)

在淡水、饱和盐水、高钙钻井液中均具有良好的稀释效果,抗温可达170～180℃。

铁铬盐的缺点:必须在较高p H值下使用,需将钻井液的p H值调至9～11,不利于孔壁稳定;p H值较低时会产生大量泡沫;泥饼摩擦系数较高;对环境有污染。

推荐加量:淡水泥浆0.3～0.5%;盐水泥浆0.5～2.0%。

(3)聚合物稀释剂

主要是相对分子质量较低的丙烯酰胺或丙烯酸类聚合物,是非分散型降粘剂。

聚合物类稀释剂具有稀释和抑制作用,但在实际使用中其固相承载能力和抗污染能力均较铁铬盐差。

(4)腐植酸类

大多数腐植酸类产品都具有较好的稀释作用,如腐植酸钠、腐植酸钾、磺化褐煤、硅腐植酸等,主要用于不含其它泥浆处理剂的膨润土泥浆。

7 增粘剂

(1)生物聚合物

主要特点:增粘、降失水效果显著;抗污染能力强,用其配制盐水泥浆,可有效提高泥浆的动切力;与其他化学处理剂配合能抑制强粘土页岩的水化、膨胀;用量小;抗冻性好,可在0℃以下使用。

(2)羧甲基纤维素(HV-CMC)

(3)聚合物类增粘剂(80A 51)

技术指标见表3。

表3 增粘剂80A51的技术指标

8 抑制剂(又称防塌剂)

(1)沥青类

磺化沥青:部分水溶、部分油溶。具有抑制、降滤失、减摩降阻作用。

改性沥青:经过改性的沥青与腐植酸钾的缩合物。抑制、降失水、减摩降阻效果显著。如改性沥青(GLA),其主要性能指标为:视粘度≤基浆的视粘度,API滤失量≤12mL,高温高压(150℃,3.45MPa)滤失量≤25mL/30min,相对膨胀降低率≥40%。

沥青类产品的加量为:1～3%。

(2)腐植酸钾

腐植酸钾:页岩抑制剂,兼有降粘、降滤失作用,抗温180℃。

重要指标:相对膨胀降低率≥40%(腐植酸钠只有 20～30%)。

加量:1～3%。

(3)聚合物类抑制剂

①聚丙烯酸钾(或聚丙烯酰胺钾,俗称大钾):具有抑制、降滤失、增粘作用。

主要技术指标:纯度 ≥75%,水解度 27.0～35.0%,钾含量11.0～15.0%,特性粘度 ≥6.0dl/g,相对膨胀降低率≥40%。

加量:0.1～0.3%。

②水解聚丙烯腈钾盐(K-HPAN,俗称钾盐):泥页岩抑制剂,兼有降滤失作用。抗温150～180℃。主要技术指标(行业标准SY/T 5316-94)见表4。

加量:0.3～0.5%。

表4 水解聚丙烯腈钾盐(K-HPAN)

③水解聚丙烯腈铵盐(N H4—HPAN):泥页岩抑制剂,兼有降滤失、稀释作用。抗温150～180℃。

加量:0.3～0.5%。

9 絮凝剂

多采用水解聚丙烯酰胺作选择性絮凝剂,分子量300～600万,水解度30%左右。目前越来越多的地质钻探采用高分子量的聚丙烯酰胺配制无固相钻井液。

高分子量聚丙烯酰胺(分子量大于1000万)的特点是:絮凝、增粘效果更明显,用量小。非水解聚丙烯酰胺(水解度小于5%)为全絮凝剂。

10 润滑剂

润滑剂分固体类润滑剂和液体类润滑剂。

(1)癸植酸钠:一种表面活性剂,在淡水泥浆中具有较好的使用效果。缺点:容易产生泡沫,抗污染能力差。

(2)液体类润滑剂

①阴离子润滑剂:皂化油、太古油等。润滑性能良好,但不适用于硬水(Ca2+、M g2+≥150mg/L)及石灰岩、白云岩等地层,易产生破乳现象。

②水基润滑剂:由水及植物油渣或地沟油等制成,淡水泥浆中有一定的润滑效果。

③极压润滑剂:此类润滑剂能牢固地吸附在金属和粘土表面,形成致密的油膜,使钻具与岩石之间的摩擦阻力大大降低。

典型产品:无荧光润滑剂(GLUB),在淡水泥浆、海水泥浆及饱和盐水泥浆中均具有良好的润滑效果。GLUB的主要性能指标为:

淡水泥浆摩擦系数降低率:≥70%;

海水泥浆摩擦系数降低率:≥60%;

极压膜强度:≥150 M Pa;

荧光级别:≤5级。

(3)沥青类润滑剂

沥青类产品主要用于改善泥饼质量和提高润滑性。能够在井壁上形成一层油膜,减轻钻具对孔壁的摩擦和对孔壁的冲击作用。

11 堵漏剂

(1)惰性堵漏材料

颗粒状材料:核桃壳、珍珠岩、石灰石、沥青等,起“架桥”作用,又称“架桥剂”。

纤维状材料:如锯末、纸纤维、花生壳、棉籽壳等,起悬浮拉筋作用,又称“悬浮拉筋剂”。

片状材料:如云母、稻壳等,起填塞作用,又称“填塞剂”。

堵漏过程中,将上述三类材料以合理的比例和级配复合使用,才能收到理想的效果。复合堵漏剂常用产品有:复合堵漏剂CBM、暂堵915、暂堵917等。

(2)随钻堵漏剂

随钻堵漏剂又称单向压力封闭剂、屏蔽剂。用于封堵砂岩、砾石层、破碎煤层、石灰岩等类地层的孔喉和微裂缝。

常用产品类型:

①液体套管(又称单向压力封闭剂):以落地棉、棉籽壳、稻壳等为原料,酸化而得到的产品。

现场使用:要求其粒径与地层的孔喉直径或微裂隙尺寸相匹配,否则,封堵效果较差。

②以天然植物材料为主要成分制成的产品。其特性为:天然植物遇水可以膨胀,其膨胀颗粒又具有伸展性和可压缩性,因此应用范围广,堵漏速度快,效果好。该类产品还具有明显的降失水效果,破碎地层使用,有利于加固孔壁,防塌效果也明显。如防塌型随钻堵漏剂(GPC),其主要性能指标见表5。

表5 防塌型随钻堵漏剂(GPC)技术指标

(3)高失水堵漏剂

主要由架桥材料、软质纤维及助滤剂等复合而成。堵漏原理:将堵漏浆液(避免与泥浆混合)送至漏失层,在压力作用下迅速失去浆液中的水(16～30s),在井壁形成一层致密、具有较高强度(承压能力2～4M Pa)的滤饼。

使用过程中,堵剂必须用清水配制,防止泥浆对堵漏液的污染。适合于边打边漏的连续多漏层井段的堵漏。

12 泡沫剂与消泡剂

(1)泡沫剂

用于配制泡沫钻井液。评价泡沫剂主要参数为:粘度、密度、发泡力及泡沫稳定性等。

常用泡沫剂:

①十二烷基苯磺酸钠:发泡能力强,但稳定性差,使用时需加入稳泡剂;抗盐、抗钙能力差,只能用于一般地层钻进。

②DF—1型泡沫剂:发泡能力强,抗盐、抗钙、抗温能力较好。

(2)消泡剂

典型产品:DF-4。消泡能力强,抗盐、钙污染,对难以消除的沥青类产品引起的泡沫尤为有效。兼有良好的润滑效果。

13 胶植物

植物胶类产品特点:

(1)增粘、降滤失、无毒、可生物降解。携岩能力强,易形成层流,对孔壁冲刷小。

(2)抗盐、抗钙及抗温能力较差;易降解,使用时需加入防腐剂。经过改性的植物胶性能更好。

常用产品:瓜尔胶、田菁胶、魔芋胶及其改性产品等。