低软化点防塌减阻剂研究及在复杂地层中的应用

熊正强，何玉云，陶士先，李晓东，苏兴涛

(1. 北京探矿工程研究所，北京 100083； 2. 宁夏核工业地质勘查院，宁夏银川 750021)



低软化点防塌减阻剂研究及在复杂地层中的应用

熊正强1，何玉云2，陶士先1，李晓东1，苏兴涛1

(1. 北京探矿工程研究所，北京 100083； 2. 宁夏核工业地质勘查院，宁夏银川 750021)

为解决现有沥青类防塌剂软化点高及较低温度条件下润滑性差等问题，采用沥青及石油树脂等为主要原料，研制出软化点30℃～60℃可调的防塌减阻剂GFT。室内性能评价表明，GFT具有胶体稳定性好、软化点低、乳液粒径小及润滑能力强等特点，而且与冲洗液配伍性强，不会明显增加冲洗液的粘度，并能有效地降低冲洗液的滤失量。在淡水膨润土基浆中加入1%软化点为46℃的防塌减阻剂，基浆的润滑系数降低率达69%。经在山东及安徽等地多个复杂地层钻孔中现场应用，证明了防塌减阻剂GFT对松散破碎地层、见水易分散地层及硬碎地层具有良好的护壁效果，同时能较好地降低钻具扭矩及摩擦阻力。

孔壁稳定 防塌减阻剂 低软化点 润滑性 复杂地层

Xiong Zheng-qiang, He Yu-yun, Tao Shi-xian, Li Xiao-dong, Su Xing-tao. Application of the anti-collapse and anti-drag agent with low softening point to complex strata[J]. Geology and Exploration, 2015,51(6):1175-1180.

0 引言

随着我国地质找矿的深入，会大量钻遇松散、破碎及遇水分散剥落等复杂地层。由于这些地层胶结性差、孔壁薄弱，易坍塌掉块，钻进时要求冲洗液具有较强的粘接能力和封堵能力，即需要在冲洗液中加入防塌剂或护壁类材料，并适当地提高冲洗液的密度。常用的防塌护壁类材料有腐植酸类(丁锐,1997)、沥青类(McCrary,1983; Davis and Tooman,1989; Labenski,2003; Liu,2013；Xiongetal.,2014)、聚合醇类(Astonetal.,1994；吕开河，2004；李万清等，2006)、硅酸盐(Baileyetal.,1998; EI Essawyetal.,2004; Guoetal.,2006; McDonald,2012)、铝络合物(Labenski,2003; Maetal.,2012; Xiongetal.,2012; Zhangetal.,2013)、成膜树脂(丁锐,1998；金军斌等，2002)及碳酸钙等。从防塌性能、冲洗液维护及经济性角度来看，沥青类材料是提高松散破碎地层孔壁稳定性的最佳防塌剂，其防塌机理是利用沥青具有软化变形的特性，当孔内温度高于其软化点时，沥青颗粒开始软化变形，粘接破碎岩块及填充孔壁微裂缝，从而有效地封堵地层，保护孔壁。但是现有的沥青类防塌剂软化点高(大于80℃)，适用于地质钻探，这是因为目前地质钻探钻孔深度主要集中在1000m～2000m，按地层温度3℃/100m计算，钻孔孔底温度不超过60℃。因此，急需研制适用于地质钻探的低软化点沥青防塌剂。

本文以沥青为主要原料，加入石油树脂等作为沥青软化点调节剂，研制出具有低软化点及良好润滑性能的防塌减阻剂(简称GFT)。在山东及安徽等地进行了现场应用，较好地解决了复杂地层孔壁失稳问题取得了良好的效果。

1 防塌减阻剂GFT的制备

以沥青为原料，加入石油树脂等软化点调节剂，在110℃～130℃温度下搅拌均匀后制得油相；将所需的乳化剂加入水中，加热搅拌均匀后制得水相；在70℃～90℃温度下将油相加入到水相中，待高速剪切一定时间后，即制得防塌减阻剂GFT。

2 防塌减阻剂GFT的性能评价

2.1 GFT的特点

防塌减阻剂GFT为灰黑色水包油型乳液，易分散在水中，从其具体技术指标(表1)可见，防塌减阻剂具有胶体稳定性好及软化点低的特点。

表1 防塌减阻剂GFT技术指标Table 1 Index of anti-collapse anti-drag agent GFT

2.2 GFT的粒度分布

以软化点为46℃的GFT为例，配制出1%GFT蒸馏水溶液，采用LA-950V2型(HORIBA)激光粒度仪测定其粒径分布，测试结果见图1所示。

从图1(a)可见：防塌减阻剂GFT乳液的粒径主要集中在50μm以下，并在100～150μm之间有很少量分布；乳液液滴主要集中在3～7μm。总之，GFT的乳液粒径分布集中，而且粒径小，其平均粒径仅为7.96μm。

2.3 GFT在不同冲洗液中性能

以软化点为46℃的GFT为例，将其加入5%钠基膨润土基浆中，测定在室温及60℃老化16h再冷却至室温条件下GFT对基浆的粘度、滤失量及润滑性能的影响，具体结果见图2～图3。

由图2(a)可知，室温下，随着GFT用量增加，基浆的表观粘度基本不变，而在60℃老化16h后，基浆的表观粘度随着GFT用量增加而缓慢增加。例如，基浆表观粘度为9.5mPa·s，而加有3%GFT的基浆表观粘度为10.5 mPa·s。由图2(b)可知，在室温及经60℃老化16h后，基浆的API滤失量均随着GFT用量增加而逐渐降低。例如，室温下，加有1%GFT的基浆API滤失量为13ml，而未加GFT的基浆API滤失量为16ml。这是因为小粒径的GFT乳液能很好地吸附在粘土颗粒表面，并在粘土颗粒间充填、粘结，从而形成薄而致密、低渗透率的泥皮，导致API滤失量降低。另外，在60℃长时间老化后，促进了基浆中的粘土分散及GFT在粘土颗粒表面的吸附，使得API滤失量进一步降低。

图3显示，在室温及经60℃老化16h后，基浆的润滑系数均随着GFT用量增加而显著降低。但是当GFT加量超过1.5%时，基浆的润滑系数缓慢降低。另外，在60℃老化16h后，基浆的润滑系数略微增加，润滑性能相比于老化前略微降低。例如，室温下基浆的润滑系数为0.49，而加有0.5%GFT的基浆润滑系数为0.20，其润滑系数降低率为59.2%；加有1%GFT的基浆在室温及经60℃老化16h后，其润滑系数分别为0.15及0.18，其润滑系数降低率分别为69.4%及65.3%。这是因为GFT为水包油型乳液，液滴通过亲水基团吸附在金属表面，并在其表面形成油膜，导致润滑系数降低。当吸附在金属表面的液滴达到饱和后，基浆的润滑系数基本保持不变。

为了探究防塌减阻剂对冲洗液性能的影响，以软化点为46℃的GFT为例，将其加入到一种地质钻探常用的冲洗液——低粘增效粉冲洗液(低粘增效粉简称LBM，为一种配浆材料，用其配制的冲洗液具有低粘、低切和低失水量的特点)中，测定在室温及60℃老化16h再冷却至室温条件下其对LBM冲洗液(4%LBM加入淡水中配制而成)的粘度、滤失量及润滑性能的影响，具体结果见图4～图5。

图1 GFT的粒度分布：(a)粒径在0～500μm；(b)粒径在0～10μmFig.1 Particle size distribution of GFT (a) Particle size 0～500μm; (b) Particle size 0～10μm

图2 不同温度下GFT加量对基浆性能的影响：(a)表观粘度；(b)API滤失量Fig.2 Effect of GFT dosage on performance of bentonite dispersion at different temperature (a) apparent viscosity; (b) filtration loss

图3 不同温度下GFT加量对基浆润滑性能的影响Fig.3 Effect of GFT dosage on lubricity of bentonite dispersion at different temperature

图4(a)显示，室温下，LBM冲洗液的表观粘度随着GFT用量增加基本不变。经60℃老化16h后，LBM冲洗液的表观粘度随着GFT用量增加而缓慢增加。图4(b)显示，在室温及经60℃老化16h后，LBM冲洗液的API滤失量随着GFT用量增加而逐渐降低，其滤失量降低机理与基浆滤失量降低机理类似。

图5显示，在室温及经60℃老化16h后，随着GFT用量增加，LBM冲洗液的润滑系数呈缓慢降低趋势。例如，室温下在LBM冲洗液中加入2.5%GFT，其润滑系数为0.22，其润滑系数降低率为18.5%。这是因为LBM为聚合物改性钠基膨润土产品，用其配制的冲洗液具有良好的润滑性能。当GFT加入LBM冲洗液中，由于聚合物分子链上的羧基、羟基等基团优先吸附在金属表面，导致GFT不能很好地吸附在金属表面。因此，GFT不能明显地提高LBM冲洗液的润滑性能。

综上所述，GFT加入基浆及LBM冲洗液后，不会明显增加冲洗液的粘度，能较好地降低冲洗液的API滤失量及提高冲洗液的润滑性能。即使经过60℃老化16h后，加有GFT的基浆与LBM冲洗液仍具有良好的性能。

3 防塌减阻剂GFT现场应用

3.1 GFT在山东莱芜张家洼铁矿区松散破碎地层中的应用

张家洼铁矿区钻孔设计孔深约为1200m，复杂孔段位于第三系官庄群朱家沟组，主要岩性为紫红色含砾石砂岩或砾岩。砾岩胶结物为粘土质和钙质，基底式胶结，不坚固。由于紫红色砾石砂岩松散及砾岩胶结物胶结性差，因此在该孔段施工时，塌孔、埋钻等事故经常发生。

GFT在该矿区两个钻孔进行了现场试验，其中ZK7-20孔从541m开始试验，ZK15-20孔从645m开始试验。冲洗液配方为：4% LBM+1%～1.5% GFT+ 0.5% ～1%随钻堵漏剂GPC。采用该冲洗液后，顺利完了矿区复杂孔段的施工，岩心采取率高，未出现塌孔，共完成钻探工作量300m。现场取出的岩心照片见图6。

图4 不同温度下GFT加量对LBM冲洗液性能的影响：(a)表观粘度；(b)API滤失量Fig.4 Effect of GFT dosage on performance of LBM flushing fluid at different temperature (a) apparent viscosity; (b) filtration loss

图5 不同温度下GFT加量对LBM冲洗液润滑性能的影响Fig.5 Effect of GFT dosage on lubricity of LBM flushing fluid at different temperature

3.2 GFT在安徽六安何家圩子铁矿区见水易分散地层中的应用

何家圩子铁矿区主要为第四系地层，地层中存在大段的水敏性泥岩和破碎粉砂岩。例如，图7(a)中紫红色泥岩水敏性较强，略造浆，遇水易分散坍塌。图7(b)中青灰色泥岩胶结性差，遇水易分散而形成掉块。由于泥岩见水易分散及砂岩较破碎，某施工方施工的ZK3101孔在孔深约350m处发生塌孔并导致部分钻具断裂在孔内。

GFT在该矿区3个钻孔进行了现场试验，分别是ZK3101、ZK1701及ZK301孔。冲洗液配方为：3% ～5% 膨润土+1%～1.5% 降失水剂+1%～1.5% GFT+0.5% ～1% GPC+0.1%～0.3% 包被剂。现场冲洗液性能见表2。

使用该冲洗液钻进，孔壁稳定，未发生塌孔事故，共完成3个钻孔的施工，完成钻探工作量2073m。说明了GFT与其他处理剂配伍性好，能在见水易分散地层中起到防塌护壁作用。另外，也表明GFT具有良好的润滑性能。钻进时通过观察电流表发现，当冲洗液中未加入GFT时，电流表读数为40A，加入1%GFT后电流降至35A，钻机扭矩降低率为12.5%。

3.3 GFT在黑龙江嫩江县浅钻硬碎地层中的应用

黑龙江省嫩江县黑宝山镇浅钻示范项目共设计两条剖面，布置钻孔20个，钻孔平均深度为50m，总工作量为1000m。孔深3.5m～50m为坚硬、破碎的安山岩，易发生掉块及塌孔。现场取出的安山岩岩心照片见图8。

采用浅层取样钻机TGQ-50钻进，φ60mm套管下至4m后，使用φ46mm钻头继续钻进。现场冲洗液配方为：4% LBM +0.1%～0.3% 水解聚丙烯酰胺+0.5%～1% 润滑剂。采用该冲洗液顺利完成了2号剖面10个钻孔的施工，但是在1号剖面施工却存在很大问题。这是因为1号剖面地层最为复杂。以2号孔为例，使用φ60mm单管钻具开孔，钻至3m左右，出现了严重塌孔，无法下套管。挪孔后重新钻至24m，又出现了卡钻及埋钻，提钻至12.7m时钻杆卡死。

为了解决安山岩孔段掉块卡钻及塌孔问题，起下钻时从孔口直接加入孔内泥浆总量约5%的GFT，最终顺利完成了1号剖面3个钻孔的施工，并取得了以下效果：

(1) 在原冲洗液中间歇加入GFT后，冲洗液护壁效果明显，3个钻孔均未出现卡钻、蹩钻及塌孔现象。另外，由于气候原因，经常停工一天甚至更长时间，但是在继续钻进过程中孔壁依然稳定；

图6 ZK7-20孔取出的岩心照片Fig.6 Core photos taken from the ZK7-20 hole

图7 现场取出的岩心照片：(a)紫红色泥岩；(b)青灰色泥岩Fig.7 Core photos taken from drilling field (a) purple red mudstone; (b) blue gray mudstone

马氏漏斗粘度s密度g·cm-3API滤失量ml泥皮厚度mm泥皮质量30～351.03～1.056～80.2～0.5致密、薄韧

图8 安山岩岩心照片Fig.8 Core photo of andesite

(2) 岩心采取率高，1号与2号孔取心率达到95%，3号孔的取心率达到80%。其中3号孔终孔深度为62.7m，超出了项目设计深度的25.4%；

(3) 配制维护简单，可在每个回次间加入GFT，减少了工作量；

(4) GFT具有良好的润滑性能，冲洗液中加入GFT后钻机扭矩明显降低。

4 结论

(1) 防塌减阻剂GFT具有胶体稳定性好、易分散在水中、软化点低及乳液粒径小的特点。

(2) 通过室内性能评价及多个钻孔的现场应用，表明防塌减阻剂GFT具有优良的防塌性能及润滑性能，能在较低温度下软化变形，充填在孔壁裂隙中并能胶结破碎岩块，起到提高孔壁稳定性的作用。

(3) 防塌减阻剂在见水分散地层、松散破碎地层及坚硬破碎地层中使用效果明显，具有广泛的应用前景。

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Application of an Anti-Collapse and Anti-Drag Agent with Low Softening Point to Complex Strata

Xiong Zheng-qiang1, He Yu-yun2, Tao Shi-xian1, Li Xiao-dong1, Su Xing-tao1

(1.BeijingInstituteofExplorationEngineering,Beijing100083;2.NingxiaNuclearIndustryGeologicalExplorationInstitute,Yinchuan,Ningxia750021)

In order to solve the problems that existing asphalt anti-caving agent of havin high softening point and poor lubricity at relatively low temperature,an anti-collapse anti-drag agent GFT with adjustable softening point at 30℃～60℃ is ed by using asphalt and petroleum resin.The experimens show that GFT exhibits the excellent colloidal stability,low softening point,small emulsion particle and good lubricity.Moreover,it has strong compatibility with flushing fluid system,nt increase the viscosity of drilling fluid and also efficiently reduces the filtration loss.When the 1% GFT with softening point at 46℃ is added into bentonite dispersion,the lubricity coefficient reducrate of bentonite dispersion is 69%.Eventually,field application of GFT in several complex strata boreholes of Shandong and Anhui indicate GFT is a good anti-caving agent which can solve the instability of borehole in loose broken formations and strong water-sensitivity strata,and reduce the torque and frictional resistance in drilling.

borehole stability,anti-collapse & anti-drag agent,low softening point,lubricity,complex strata

2015-06-05；

2015-09-19；[责任编辑]雷 华。

地质矿产调查评价项目“重点成矿带钻探冲洗液关键技术研究与示范”(编号12120113097400)资助。

熊正强(1985年-)，男，2012年毕业于中国地质大学(北京)，获硕士学位，工程师，从事钻井液材料研究与应用工作。E-mail：xiongzq1012@126.com。

P634.6+9

A

0495-5331(2015)06-1175-6