钻井液设计配比在大口径钻井施工中的应用

陈鑫发，陈青山，陈莹，程存平

(1.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，郑州 450053； 2.河北省地矿局地质测绘院，河北 廊坊 065000)



钻井液设计配比在大口径钻井施工中的应用

陈鑫发1，陈青山2，陈莹1，程存平1

(1.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，郑州 450053； 2.河北省地矿局地质测绘院，河北 廊坊 065000)

采用大口径石油钻井和小口径绳索取心“二合一”钻探新技术，在沉积地层中采用直径为89 mm的绳索取心钻杆成功完成了大口径深部钻探和取心，取得了较好成效，为沉积地层大口径深部钻探取心工程提供了示范。岩心钻探在变质岩、岩浆岩地层中通常采用小环空间隙金刚石绳索取心钻进方法。而水文地质、地热、石油等钻探采用大口径实现快速钻井，采用大泵量、高压力、适当的环空间隙，通过岩石的体积破碎和较高的上返速度来避免岩屑的重复破碎、保持井底干净，以达到高效率的钻井取心。因此钻井液的合理配比与使用尤为重要。

大口径；绳索取心；钻进；钻井液；配比

1 工程概况

河南省叶舞凹陷盐矿普查位于河南省叶县李庄村西北，项目编号：GTZY2011-002 ZK3钻孔(设计孔深2630 m，实际孔深2386 m，2000 m以深取心)，是我院2011年完成的一口采用大口径石油钻井和小口径绳索取心“二合一”钻探新技术方法，在沉积凹陷盆地层中采用直径为89 mm的绳索取心钻杆成功试验完成了大口径深部钻探和取心钻进，探索出一种高效、低耗的深部快速钻探技术方法，取得了较好成效。根据传统的岩心钻探通常采用小环空间隙(2～3 mm)金刚石绳索取心钻进的优点，我们选配了较为合理的钻机施工设备、绳索取心钻杆、取心钻具、全面钻进钻头及取心钻头、固相控制设备。同时，更加重要的是如何在钻井施工过程中调配实用的钻井液，把没有经过完全破碎岩屑快速返回孔外尤为重要，为项目顺利完成起决定性作用。

2 固相控制设备的选配

钻探取心阶段固相含量控制尤为重要，钻具与井壁间隙较小，固相含量过多，易造成卡钻、磨损钻具、泥浆泵缸套及其他易损件；此外，还影响泥浆失水造壁性，泥皮交结质量变差，颗粒之间孔隙增大，失水量加大。固相控制采用三级固相控制：振动筛、旋流除砂器以及离心机，如图1所示。

图1 固相控制设备

3 钻井液(泥浆)的合理配比方式

3.1 全面钻进时钻井液配方

基本配方：水+膨润土+烧碱+CMC；性能参数：密度1130～1160 kg/m3；黏度25～35 s；滤失量<15 mL/30 min；pH值8～10；泥饼厚度2 mm。

3.2 取心钻进时钻井液配方

基本配方：水+CMC+烧碱+NaCl+聚丙烯酰胺+水解聚丙烯腈钾盐(饱和盐水钻井液)；性能参数：密度1130～1160 kg/m3；黏度23～25 s；滤失量<10 mL/30 min；pH值8～10。

目前，国内外绳索取心钻进常用的泥浆体系主要有三种：①无固相泥浆(钻进完整地层时)；②不分散低固相泥浆(钻进破碎地层时)；③具有特殊性能的泥浆(钻进松软、破碎、膨胀、裂隙等复杂地层时)。随着绳索取心钻探工作量的不断增加，以及绳索取心钻探深度的逐渐加深，钻探过程的泥浆钻井液也逐渐得到优化，并在实际应用中取得了较好的应用效果，目前应用效果较好的泥浆体系主要包括以下几种：LBM泥浆体系、PAM泥浆、CL植物胶复合无固相冲洗液、低固相油基泥浆、低温耐寒泥浆。

3.3 钻井液设计内容及方法

较全面的钻井液设计内容主要是：钻井液的重度(或密度)、流变性、降失水性、胶体率、许可含砂量、固相含量、pH值、润滑性、渗透率、泥皮质量等；选择造浆黏土和处理剂；进行钻井液处理剂配方设计；计算钻井液材料用量；确定钻井液的制备方法；拟定钻井液循环、净化、管理措施。一般情况下，按照以下基本设计程序进行泥浆的全面设计。

(1)按平衡地层压力的要求计算泥浆的密度ρ：

(1)

或：

(2)

式中：Pc—井深h处的地层侧压力；

P0—井深h处的地层孔隙流体压力；

g—重力加速度；

h—井深。

由于该井为固体矿产，非油气井，目的层为固体矿产，密度设计时无需考虑地层流体压力，泥浆密度控制在1.05～1.10 g/cm3即可。

(2)考虑悬排钻渣、护壁堵漏的要求确定泥浆的流变性。流变性的指标主要是黏度η和切力τ，黏度和切力的调整范围很宽，η的范围在10～100 mPa·s，τ的范围在0～20 MPa，应视不同钻进情况具体确定。

(3)钻井液的其他设计指标的参考范围：滤失量一般应不大于15 mL/30 min，含沙量不大于8%，pH在6～11之间变化，润滑系数必要时应控制在0.02～0.50。

各种钻进情况下的钻进目的、地层特、钻井工艺方法等差异甚大，因而对钻井液性能等有明显不同的要求，设计重点也因此而不同。在钻渣粗大及井壁松散的地层中，钻井液的黏度和切力等流变性指标成为设计重点；在稳定的坚硬岩中钻进，钻井液设计的重点是针对钻头的冷却和钻具的润滑，而此时护壁和排粉等则处于次要位置。又如在遇水膨胀塌孔的地层中钻进，钻井液的设计重点则应放在降失水护壁上；在对压力敏感的地层中，钻井液的重度设计又显得尤为重要。因此，针对特定的钻进情况，在全面设计中找出相应的设计要点，是做好泥浆设计的关键所在。

4 钻孔钻井液设计原则

该钻孔为典型的沉积地层，地层特点为松软、胶结性差、井壁易垮塌、水敏性地层。具体岩性见表1。

表1 试验孔(叶舞凹陷盐矿)区域地层岩性

据表1地层岩性特征，对于钻井液体系设计而言，1317.00 m是一个重要的地层分界线，因为1317.00 m以上以大段泥页岩为主，未出现盐膏质地层，可以使用淡水防塌钻井液体系，低固相且失水造壁性好；然而自1317.00 m以下开始出现大段盐膏质泥岩地层，需要将淡水钻井液在进入此井段之前转换为饱和盐水钻井液体系，防止岩盐在低矿化度淡水钻井液中发生溶解，导致井壁垮塌。因此，据地层信息，钻井液设计中把握以下四个原则：

(1)全面钻进阶段是以泥页岩为主的水敏性地层，尽可能减少泥浆滤液渗入地层，防止井壁垮塌，要求低失水量；岩屑易分散、易造浆，防止岩屑分散造浆，需要稀释剂控制黏度、固相含量。

(2)与常规固体矿产钻探相比，取心段为石盐矿，为了防止石盐溶解垮塌，需要配置聚合物饱和盐水钻井液体系。与常规的淡水钻井液相比，盐水会破坏外加剂结构，使其丧失外加剂具体功能，钻井液体系遭到破坏，造成钻井液性能不稳定，钻井液的维护难度较大。24小时进行1～2次钻井液全套性能测试，相应补充外加剂，维持钻井液性能稳定，保证孔内安全。

(3)孔深2630 m(地温梯度3℃/100 m)，所筛选的钻井液外加剂还需耐高温。

(4)携岩、排渣效率(宏观方面：确定泵量、上返速度；微观方面：调整钻井液动切力、塑性黏度，提高其携岩能力，保持井底、孔内清洁),防止埋钻。

5 钻井液性能要求与配方

5.1 松散覆盖地层钻井液

0～491.2 m地层主要为：第四系更新统平原组(Qp)，主要由黄、黄褐、灰褐色亚黏土及砂质黏土、棕红色黏土、砾石层组成。该类地层属于机械分散地层。由于颗粒之间缺乏胶结，钻进时井壁很容易坍塌。对于该类地层用泥浆护壁，解决问题的关键是增加井壁颗粒之间的胶结力。黏性较大的泥浆适当渗入井壁地层中，可以明显增强砂、砾之间的胶结力，以此使井壁的稳定性增强。

提高泥浆黏度，主要通过使用高分散度泥浆(细分散泥浆)，增加泥浆中的黏土含量、加入有机或无机增黏剂等措施来实现。细分散泥浆是含盐量小于1%，含钙量小于120 mg/L，不含抑制性高聚物的分散型泥浆。其组成除黏土、碳酸钠和水外，为了满足钻井需要，往往加有提黏剂、降失水剂和防絮凝剂(稀释剂)。细分散泥浆在砂、砾层中钻进的成功工程很多，该孔一开井段可以选用常规膨润土配方，性能要求见表2。

表2 膨润土泥浆性能指标要求

根据表2膨润土泥浆性能指标要求进行现场小样试验，需要的外加剂。配方：8‰CMC+1.75‰NaOH+2‰Na2CO3+2.5%黏土。

5.2 泥页岩钻井液

491.2～2000.0 m地层主要由棕红、褐、灰、灰白色泥岩、砂质泥岩、细砂岩、泥质砂岩组成，下部可见白云质泥岩夹有暗色岩屑。

在黏土、泥岩中钻进，突出问题之一是钻井井壁的遇水膨胀、缩径，甚至流散、垮孔。其原因是黏土、泥页岩中存在着大量的黏土矿物，尤其是蒙脱石黏土矿物的存在，使井壁黏土接触到钻井液中的水时，即发生黏土的吸水、膨胀、分散。这样的地层称之为水敏性地层。显然，对于水敏性地层，应尽量减少钻井液对地层的渗水，也就是降低泥浆的失水量以及增强井壁岩土的抗水敏性，抑制分散是最为关键的问题。水敏性地层配浆时的几个要点：

(1)选优质土。由于水化效果好，黏土颗粒吸附了较厚的水化膜，泥浆体系中的自由水量大大减少，所以优质土泥浆的失水量远低于劣质土的。

(2)采取“粗分散”方法。使黏土颗粒适度絮凝，而非高度分散，从而使井壁岩土的分散性减弱，保持一定的稳定性。

(3)添加降失水剂。Na-CMC、PAM等降失水剂通过增加水化膜厚度、增大渗透阻力、起井壁网架隔膜作用等，可使失水量明显减少。

(4)调整泥浆比重，平衡地层压力。井眼中液体压力与地层的基液，其黏度越高，向地层中渗滤的速率就愈低。井眼中液体压力与地层中流体的压力差是泥浆失水的动力，尽可能减少压力差，维持平衡钻进是降失水的有效措施。

(5)利用特殊离子对地层的“钝化”作用。一些特殊离子的嵌合作用可以加强黏土颗粒之间的结合力，从而使井壁稳定性提高，利用大分子链网在井壁上的隔膜作用。泥浆中的大分子物质相互桥接，滤余后附着在井壁上形成阻碍自由水继续向地层渗漏的隔膜，利用微颗粒的堵塞作用，在泥浆中添加与地层孔隙尺寸相配伍的微小颗粒，可以堵塞渗透通道，降低泥浆的失水量。

(6)活度平衡。调整泥浆中电解质的类型与含量，使之与地层物质相平衡，从而减少或消除井内泥浆的失水量。

钻井液以防止井壁坍塌为主，故选用耐高温甲基抑制性钻井液体系，其主要特点为：①对水敏性泥岩、页岩具有较好的防塌效果；②抑制泥页岩能力较强；③钻井液细颗粒含量比较低，对油层的黏土矿物起稳定作用；④分散型钾基钻井液有较高的固相容度限。固相控制设备严格控制固相含量。

5.3 岩盐水溶地层钻井液

2000.0～2630.0 m为取心井段，目的层为盐膏层，该类地层属于溶蚀性地层或水溶性地层，它遇到钻井液中的水，就会发生溶解，使钻井井壁溶蚀掉，其结果导致井眼超径、垮塌。对付水溶性地层，主要从两方面入手解决：一是降失水，其原理和方法前面已经介绍过；二是：降低钻井液对地层的溶蚀性。在钻井液中加入与地层被溶物相同的物质，使溶解度趋于饱和，就是常用的治理溶蚀的方法。例如在岩盐中钻进，采用盐水钻井液作为钻井液，防塌效果很好。

盐水钻井液是黏土悬浮液中氯化钠含量大于1%，或用咸水(海水)配制的钻井液，它是靠氯化钠的含量较大而促使黏土颗粒适度聚结并利用有机保护胶维持此适度聚结的稳定粗分散钻井液体系。依含盐量的高低，分为盐水钻井液(一般含盐量3%～7%)、海水钻井液(总矿化度一般为3.3%～3.7%)和饱和盐水钻井液，氯化钠约为33%～36%。根据以上分析，该孔决定配置饱和盐水钻井液，防止盐膏层溶解。常用盐水钻井液性能要求见表3。

表3 盐水钻井液性能指标

盐水钻井液的配制有两种情况：其一是先用淡水制备分散性钻井液，然后加盐转化为盐水钻井液；其二是：直接用咸水或海水配制钻井液。前一种情况相当于盐侵后钻井液的处理，容易配置；后一种情况，由于膨润土和普通黏土在盐水中不易分散，固配浆困难。为此，对于用盐水或海水直接配浆，宜用抗盐黏土，如凹凸棒土、海泡土等。当氯化钠含量小于1%时，泥浆黏度、切力和滤失量的变化不大，属淡水钻井液的范围，然而当钻井液中氯化钠含量大于1%时，钻井液的黏度、切力以及滤失量随着含盐量的增大而迅速上升，当含盐量达到某一值时，钻井液黏度、切力达到最大值，当氯化钠超过某一值时，黏度和切力随含盐量的增加而下降，滤失量则继续增大，pH随含盐量的增加而逐渐下降。

现场配置时还需要对泥浆小样进行加热，加热后再次测试其性能，判定泥浆外加剂的耐高温性能。

钙、盐侵前钻井液6速黏度：6，10，14，19，24，38(黏度的上升是钙侵作用的结果，固井完毕后，钻井液黏度显著上升)；钙、盐侵后钻井液6速黏度：1，1.5，3，6，8，15(黏度的下降则主要是有盐侵造成，出现了大量气泡)。

6 结论

通过在深部沉积地层大口径绳索取心技术中钻井液配比与试用，在钻探工程方面主要取得了以下成果：

(1)通过钻井液不同阶段钻进中配比试用，分析了就提高钻井效率问题及影响钻速的与钻井液之间的因果关系；

(2)针对不同地层和现场试验，对沉积复杂地层钻井液进行了研究和配制，并且取得了较好成效；

(3)通过采用适用泥浆钻井液，不断提高完善钻井液合理配比，来得高的上返速度，从而避免了岩屑的重复破碎，其钻探效率可提高40.35%～247%；

(4)钻效与泥浆钻井液(钻井液上返速度)和钻孔直径密切相关，采用适用钻井液可以大大提高钻探效率。

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2017-01-16

陈鑫发(1971-) 男，河南郑州人，高级工程师，主要从事机具选型与配套、野外地质探矿勘查与管理工作钻探工程机械工作，郑州市南阳路56号河南地矿大厦403室，Tel：0371-86018017，E-mail:cxf197111@sohu.com。

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