高聚物改性钻井液在复杂地层钻探施工中的应用

袁华东

（湖北省地质局第六地质大队，湖北孝感 432100）

0 引言

随着我国地质钻探技术的不断发展，越来越多的公路、铁路、石油和采矿等工程项目向着复杂地区扩展，复杂地层的钻探施工常常面临着钻进、取心和护壁难等问题［1-2］，其中孔壁失稳最为常见，不仅会造成施工受阻，还会导致孔内事故［3］。

目前针对孔壁失稳最为有效地处理方式就是合理地使用钻井液，传统的低固相钻井液和无固相钻井液很难完全满足复杂地层的孔壁稳定和钻取完整岩心的目的［4-5］。植物胶等高聚物改性钻井液的研发和应用使得上述问题得到了一定的缓解，植物胶钻井液为非牛顿流体，具有亲水性、较好的悬浮性、可携带岩粉和可溶性等特点，加之植物胶取自天然植物资源，对环境无害，因此得到了广泛地关注和应用［6-7］。

20世纪50年代末，美国人将主要成分为半乳甘露聚糖的瓜儿豆作为主要材料成功制备出植物胶钻井液，标志着植物胶在钻井液中的首次使用［8-9］。植物胶钻井液在我国的使用时间起步较晚，早期的钻井液主要是“黄泥加水”，之后还经历过细分散钻井液、粗分散抑制钻井液、深井钻井液和低固相钻井液等不同类型泥浆的发展［10-12］。20 世纪80 年代中期，SM植物胶的研发标志着植物胶钻井液在我国的正式使用［13］。虽然植物胶钻井液具备传统钻井液不具备的诸多优势，但其价格昂贵，只能作为改性剂进行使用，且植物胶种类较多，不同种类的植物胶及其掺量对钻井液的影响效果不同，目前尚未形成一套完整的体系［14-15］。因此，本文将对传统的植物胶钻井液进行改性强化，配制出一种性能更加稳定、防塌效果更好、成本更低和适应更加复杂地层钻探施工的新型钻井液，并结合湖北省广水市余店矿区白云岩矿实际工程，进行钻井液性能验证。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

选用的常规植物胶钻井液为魔芋胶钻井液，魔芋胶的成分及相对含量为粗脂肪014%，纤维素1.42%，淀粉1.45%，还原糖1.62%，蛋白质2.57%，灰分3.75%，多缩甘露糖64.78%和适量的水。通过室内试验得出魔芋胶钻井液的最佳植物胶浓度，采用WH型微泡剂作为新型防塌剂对植物胶钻井液进行改性。

1.2 试验方案

首先通过室内试验探索不同魔芋胶掺量下（0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%和0.8%）植物胶钻井液的滤失性能、流变特性和现场取样防塌特性，在得出最佳魔芋胶掺量后研究不同WH型微泡剂掺量下（0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%和0.8%）改性植物胶钻井液的滤失性能、流变特性和现场取样防塌特性，从而得出微泡剂最佳掺量。

在得出改性植物胶钻井液的最佳配比后进行现场取样，现场配制钻井液应使用机械搅使植物胶充分溶解，时间约30 min，并于2021年5月湖北省广水市余店矿区白云岩矿进行现场取样。

2 试验结果分析

2.1 钻井液性能

不同魔芋胶浓度配制的植物胶钻井液滤失量和流变性能测试结果如图1 所示。从图1 中可以看出，随着魔芋胶浓度的增加，钻井液的滤失量逐渐降低，降滤失性能提高，当魔芋胶浓度从0.3%提升至0.8%时，滤失量从31.6 mL/30min 下降至21.5 mL/30min，降低了31.96%。且钻井液的流变性也随着魔芋胶浓度的增加逐渐提升，即魔芋胶的加入能显著提升钻井液的表观黏度、塑性黏度和动切力，当魔芋胶浓度从0.3%提升至0.8%时，钻井液的表观黏度、塑性黏度和动切力分别从8.1 mPa·s、4.1 mPa·s 和3.8 Pa 上升至24 mPa·s、11.1 mPa·s 和13.8 Pa；钻井液黏度的升高能使得其形成更好的携岩、护壁及取心能力。

图1 魔芋胶钻井液滤失量及流变特性Figure 1 Filtration and rheological properties of konjac gum drilling fluid

综合以往研究及魔芋胶钻井液作用机理得知，魔芋胶的聚糖结构有—OH—和—O—两种极性键，但是缺少与黏土具有排斥作用的阴离子基团，因此魔芋胶钻井液对黏土仅有絮凝作用，而无分散作用。但是魔芋胶的分子链较长，且上面的极性基团使分子链能与破碎岩体中的破碎颗粒进行吸附缠绕，形成一层膜状物，从而达到护壁和将破碎颗粒进行胶结的效果［16］。

2.2 魔芋胶钻井液防塌性能

对矿区现场同一区域进行取样，在室内不同魔芋胶浓度的钻井液中进行浸泡，通过观测试样的竖向膨胀量表征钻井液的防塌特性，测试结果如图2所示。从图2可以看出，随着魔芋胶浓度的增加，试样的竖向膨胀量逐渐减小，说明魔芋胶浓度越高，钻井液的防塌性能越好。但是，当魔芋胶浓度高于0.7%以后，试样的最终膨胀量减小幅度变小，因此综合考虑钻井液的性能及经济成本，认为魔芋胶浓度为0.7%时的植物胶钻井液综合性能最佳。

图2 不同浓度魔芋胶钻井液岩心浸泡膨胀曲线Figure 2 Core immersion expansion curve of konjac gum drilling fluid with different concentrations

2.3 微泡剂改性魔芋胶钻井液性能

对浓度为0.7%的魔芋胶钻井液进行改性，改性剂选用不同浓度的微泡剂，测试改性钻井液的滤失量和流变特性，结果如图3所示。从图3中可以看出，随着微泡剂浓度的增加，改性钻井液的滤失量逐渐降低，降滤失性能提高，当微泡剂浓度从0.3%提升至0.8%时，滤失量从19.3 mL/30min下降至8.8 mL/30min，降低了54.4%。改性钻井液的流变性也随着微泡剂浓度的增加逐渐提升，微泡剂的加入能显著提升钻井液的表观黏度、塑性黏度和动切力，当微泡剂浓度从0.3%提升至0.8%时，钻井液的表观黏度、塑性黏度和动切力分别从27.0 mPa·s、16.5 mPa·s和17.2 Pa上升至49.1 mPa·s、27.9 mPa·s和30.0 Pa；改性钻井液相比魔芋胶钻井液而言具备更好的携岩、护壁及取心能力。

图3 微泡剂魔芋胶钻井液滤失量及流变特性Figure 3 Filtration and rheological properties of microbubble agent konjac gum drilling fluid

2.4 微泡剂改性魔芋胶钻井液防塌性能

微泡剂能将钻井液中的聚合物和部分表面活性剂进行结合产生微泡，微泡的特殊结构能护壁防漏，同时具备高剪切和良好的稀释性，减小井底压力，提升取样率［12，16］。不同浓度微泡剂改性钻井液岩心浸泡膨胀曲线如图4 所示。从图4 中可以看出，随着微泡剂浓度的增加，试样的竖向膨胀量逐渐减小，说明微泡剂浓度越高，改性钻井液的防塌性能进一步增强。与魔芋胶掺量对钻井液防塌性能影响规律类似，当微泡剂浓度高于0.7%以后，试样的最终膨胀量减小幅度变小，因此认为微泡剂浓度为0.7%时的改性植物胶钻井液综合性能最佳。

图4 不同浓度微泡剂改性钻井液岩心浸泡膨胀曲线Figure 4 Core immersion expansion curve of microbubble agent modified drilling fluid with different concentrations

3 现场应用

3.1 地质条件

试验区属低山丘陵区，海拔在110～220 m；区内地形较为平缓，相对高差在小于180 m，属侵蚀堆积地貌。地层主要分为新元古界中—上南华统耀岭河组（Nh2-3y）和新元古界上震旦统—下古生界下寒武统灯影组（Z2∈1d）。区内除山间沟谷的底部有少量第四系冲洪积、残坡积分布外，其余大面积为变质岩分布区。矿区位于两郧-应山逆冲推覆构造带，构造表现为以北西向褶皱构造为主，断裂次之；区内气候温和，雨量充沛，属北亚热带大陆性季风气候，降雨主要集中于春夏两季，年平均降雨量1 115 mm。

现场钻探终孔直径≥90 mm，完整岩石采取率应≥85%，破碎岩层、强风化层及碎石土应≥50%，黏性土≥90%，孔深度误差≤5 cm，岩样按设计需要采取。目的层为220～260 m。前期钻探发现当钻探深度达到210 m 后便进入破碎带，取心结果为碎屑状，且钻井液存在漏液现象，无法满足取心要求。

3.2 应用过程及效果

利用GY-150 钻机和BW-160QF 型泥浆泵进行现场取样试验，并验证水∶魔芋胶∶微泡剂=1 000∶7∶7 的新型高聚物改性钻井液的护壁效果。现场钻孔深度为260 m，首先用130 mm 的硬质合金钻头进行开孔并穿过土层，随后改用110 mm 的金刚钻，钻进深度为195 m，再改用91 mm 的金刚钻进行取心，直至到指定深度。现场钻探取样的过程中，虽然面临钻孔区域的岩土体松散及破碎等不利情况，但是改性植物胶钻井液的性能十分稳定，取样过程中孔壁稳定未坍塌，且未发生任何孔内事故，采取的岩心成功率高达90%以上，现场岩心取样如图5所示。

图5 现场取样岩心Figure 5 Geological structures of the mining area

4 结论

1）通过增加魔芋胶掺量能有效降低钻井液的滤失量和增大其黏度，魔芋胶钻井液具备一定的护壁效果，魔芋胶最优掺量为0.7%。

2）微泡剂改性魔芋胶钻井液具有更少的滤失量和更大的黏度，护壁效果更加显著，微泡剂最优掺量为0.7%。

3）结合现场矿区采样，对水∶魔芋胶∶微泡剂=1 000∶7∶7新型钻井液进行了护壁取心的现场应用，测试效果良好，该钻井液能适用于复杂地层的钻探施工。