水敏性地層鉆探用接枝淀粉聚合物泥漿體系研究

陶士先，胡繼良，紀衛(wèi)軍

(北京探礦工程研究所，北京100083)

水敏性地層鉆探用接枝淀粉聚合物泥漿體系研究

陶士先，胡繼良，紀衛(wèi)軍

(北京探礦工程研究所，北京100083)

以接枝淀粉共聚物為降失水劑，選擇抑制劑、防塌劑、潤滑劑、包被劑、膨潤土等處理劑，優(yōu)化設(shè)計了水敏性地層用接枝淀粉聚合物泥漿體系。經(jīng)過測試，該體系的API失水為7ml，相對膨脹降低率84．2%，巖屑回收率92%，摩阻系數(shù)0．07。該體系在水敏性地層的鉆探施工中取得了良好的使用效果。

水敏性地層鉆探泥漿體系接枝淀粉聚合物

Tao Shi－xian，Hu Ji－liang，Ji Wei－jun．Study of the grafted starch－polymer mud system used for drilling in water－sensitive strata［J］．Geology and Exploration，2012，48(5):1029－1033．

水敏性地層是地質(zhì)鉆探中常遇的主要不穩(wěn)定地層之一(徐同臺，1996)。水敏性地層主要有粘土層、粘土質(zhì)地層(如頁巖、千枚巖)、鹽膏層等。粘土遇水膨脹是水敏性地層孔壁不穩(wěn)定的主要原因之一(和冰，2008)。粘土水化是指粘土顆粒表面吸附水分子形成水化膜，粘土晶格層面間距增大，產(chǎn)生膨脹和分散的過程。水敏性地層的水化作用，一方面引起地層水化膨脹，發(fā)生孔壁縮徑;另一方面也會發(fā)生巖屑分散，造漿嚴重，使得泥漿比重迅速提高，流變性能急劇惡化，極易造成孔內(nèi)事故。

1 水敏性地層的泥漿體系設(shè)計因素分析

油基泥漿(張文波，2010)或合成基泥漿(岳前升等，2004;馬東等，2008)是近年發(fā)展的可以有效解決水敏性地層穩(wěn)定問題的鉆井液技術(shù)，主要應用在油氣深井和深水油氣井鉆探。但油基泥漿成本昂貴，對生態(tài)環(huán)境有一定影響(馬文臣等，1998;張煒等，2008)，應用受到了限制。合成基泥漿也存在成本高，技術(shù)還不完善的問題。目前國內(nèi)外在水敏性地層鉆探大多采用的還是水基鉆井液體系，特別是小口徑地質(zhì)鉆探基本采用水基泥漿。發(fā)展和完善新型抑制性水基鉆井液處理劑及其體系，是解決水敏性地層鉆進孔壁穩(wěn)定的有效途徑(隋躍華等，2005;王建華等，2007)。進行地質(zhì)鉆探水敏性地層水基泥漿研究和體系設(shè)計時應考慮以下因素(胡繼良等，2011):

(1)盡可能降低泥漿的濾失量;在井壁快速形成堅韌、致密的泥皮，避免大量自由水進入地層。

(2)提高沖洗液的抑制性能，在泥漿中加入含有K+或NH4+的泥漿處理劑，抑制滲透水化，以防止蒙脫石含量較高地層的水化膨脹。

(3)采用具有吸附交聯(lián)作用的泥漿處理劑，控制巖屑分散。

(4)封堵毛細管通道，防止或減少自由水進入粘土層理或微裂隙而引起粘土水化。

(5)良好的流變性能。在其它條件相同的情況下，鉆井液粘度低，有利于降低環(huán)空壓力和防止鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢(陶士先等，2007)。因此在保證鉆井液正常攜帶巖屑的前提下，盡可能保持低粘度。另外，在水敏性地層鉆進中保持良好的流變性能(占樣烈等，2010)，可以降低粘附卡鉆的風險。

(6)良好的潤滑性能。除滿足減摩降阻要求外，良好的潤滑性能有助于保護鉆具，提高鉆具的使用壽命。

(7)控制泥漿的pH值。pH值越高，越不利于孔壁的穩(wěn)定。

通過分析我們可以認為，優(yōu)質(zhì)聚合物泥漿(王政敏，2001;代國忠，2010)、粗分散泥漿(蔡曉文等，2010)、硅酸鹽鉆井液(劉選朋等，2010)、正電膠(MMH)鉆井液(劉貴傳等，2000)、鹽水泥漿及低滲透或非滲透成膜(張琰等，2000;劉艷等，2005)鉆井液體系是解決水敏性地層孔壁穩(wěn)定問題的有效途徑和技術(shù)方向。

2 接枝淀粉聚合物泥漿體系研究

根據(jù)地質(zhì)鉆探的特點，要求沖洗液具有良好造壁性能的同時，還要保持良好的流變性能。針對水敏性地層，在主要處理劑降失水劑的選擇上，要求:

(1)在降低濾失量的同時，緩慢增加粘度;

(2)造壁性能好，濾失量低，能夠形成薄而致密的泥皮;

(3)具有較強的抗污染能力。

根據(jù)試驗分析，一般聚合物類降失水劑在較低的加量下具有顯著的降失水效果，但形成的泥皮質(zhì)量較差，而淀粉類產(chǎn)品有使泥餅致密的作用，可改善泥皮質(zhì)量，并具有較強的抗鹽污染性(張紅紅等，2006)。因此，我們采用以淀粉與乙烯基單體接枝共聚的接枝改性淀粉為降失水劑，這種材料具有天然高分子和合成聚合物的雙重性能。

根據(jù)水敏性地層不穩(wěn)定特點，在泥漿體系的綜合性能的方面，還需考慮泥漿對粘土膨脹和分散的抑制性、地層裂隙的封堵、防塌、防粘、防卡和潤滑鉆具等作用。因此我們設(shè)計了以優(yōu)選的降失水劑、抑制劑、防塌劑、潤滑劑、包被劑、膨潤土等材料進行泥漿體系配伍試驗的方案。

2．1 體系用材料的選擇

造漿材料:采用甘肅金昌鈉膨潤土。

交聯(lián)包被劑:選用包被劑GBJ。GBJ屬陰離子型、分子量3×106～6×106、水解度27%～35%，具有較強的交聯(lián)和包被性能。

降濾失劑:接枝淀粉共聚物，具有淀粉和低分子聚合物產(chǎn)品的優(yōu)良特性，能夠顯著降低泥漿濾失量，同時改善泥皮質(zhì)量。

抑制劑:選用聚丙烯腈銨鹽(NH4HPAN)，銨鹽含有NH+4、－COOH、－COONH4、－CONH2等基團，分子量在10000～50000之間，具有降低鉆井液濾失量、抑制粘土水化膨脹及改善鉆井液流變性等作用。

防塌劑:選用瀝青類產(chǎn)品，即改性瀝青(GLA)(何遠信，1995)。能夠吸附在頁巖表面，封堵孔隙或微裂隙，形成憎水油膜，減少與水的接觸，防止孔壁膨脹，穩(wěn)定孔壁。同時提高泥漿的潤滑性能，降低扭矩。

潤滑劑:選用高效潤滑劑(GLUB)(何遠信等，2006)，潤滑減阻，保護鉆具。

2．2 體系配方優(yōu)選

采用正交試驗法優(yōu)選鉆井液配方。配方試驗中，膨潤土加量固定為3%，包被劑加量固定在0.2%。由于高效潤滑劑的加量對泥漿流變性能和降濾失性能基本沒有影響，不參與正交試驗。其它三種材料的加量:接枝淀粉為0．5%、0．7%和1．0%;水解聚丙烯腈銨鹽為0．5%、0．7%和1．0%;改性瀝青加量為0．5%、1．0%和1．5%。因此，配方設(shè)計簡化為三因素三水平，設(shè)計L9(34)正交試驗表(表1)。按配方考察泥漿的表觀粘度、塑性粘度、動切力、API濾失量、泥皮質(zhì)量等指標(表2)。

表1 泥漿配方正交試驗表Table1 Orthogonal tests of mud formulation

表2 鉆井液配方試驗結(jié)果Table2 Test results of fluid formulation for drilling

通過試驗得知，接枝淀粉加量大于0．7%，泥漿各項性能沒有明顯變化;改性瀝青加量大于1．0%，泥皮質(zhì)量堅韌、光滑。優(yōu)選沖洗液體系配方如下:

水+2%～4%鈉膨潤土+0．2%～0．3%包被劑+0．5%～0．7%接枝淀粉+0．7%～1．0%銨鹽+1．0%～1．5%改性瀝青+0．3%～0．5%潤滑劑(GLUB)。

2．3 接枝淀粉聚合物泥漿體系性能評價

按配方“水+3%鈉膨潤土+0．2%包被劑+0．5%接枝淀粉+1．0%銨鹽+1%改性瀝青+0．5%～0．7%潤滑劑(GLUB)”配制泥漿，進行鉆井液性能評價試驗。

(1)泥漿體系常規(guī)性能，見表3。

表3 泥漿體系常規(guī)性能Table3 Conventional performance of the mud system

(2)泥漿體系抑制性能

體系抑制膨脹性能評價:采用NP－01型頁巖膨脹測試儀，巖心采用山東安丘鈣膨潤土壓制。分別用蒸餾水和按3%土+0．4%接枝淀粉共聚物+1．5%GLA配制的泥漿浸泡巖心，測巖心線膨脹量，并計算相對膨脹降低率。試驗結(jié)果見表4。

表4 相對膨脹率試驗表Table4 Test results of relative expansion rates

由表4可以看出，體系具有較好的抑制性能，相對膨脹降低率達到84．2%。

(3)泥漿體系抑制分散性能

稱取自制巖屑50g，放入裝有350ml試驗漿的密封杯中，在滾子爐中于90℃下滾動16h后，取出冷卻至室溫。然后用0．5mm標準篩篩洗，將篩余物放入表面皿中，在(105±3)℃下烘4h取出冷卻，并在空氣中放置24h后稱量，并計算巖屑回收率。該體系具有良好的抑制巖屑分散性能。試驗結(jié)果見表5。

(4)泥漿體系潤滑性能

試驗采用OFI生產(chǎn)的極壓潤滑儀，型號110－1: 230－Volt。試驗結(jié)果見表6?？梢钥闯?，當GLUB的加量為0．5%時泥漿的潤滑系數(shù)明顯降低。

表6 泥漿體系的潤滑性能表Table6 Lubrication performance of the mud system

3 接枝淀粉聚合物泥漿體系現(xiàn)場試驗

2010年7月～10月接枝淀粉聚合物體系先后在天津王蘭莊地熱項目津蘭熱A、B井和陜西巖鹽資源3#對井鉆探中的進行了現(xiàn)場應用試驗。津蘭熱A、B井是兩口斜井，最大井斜角26度，鉆探地層是典型的水敏性地層，以泥巖、頁巖為主，造漿嚴重，容易垮塌，加之井斜角偏大，極易發(fā)生粘附卡鉆。

陜西巖鹽資源3#對井，主要地層是泥巖、粘土巖、灰?guī)r、砂巖、夾雜煤層及石鹽與石膏互層，組成十分復雜，存在膠結(jié)差、松散、易碎、地層造漿、水溶等諸多問題。

兩處采用接枝淀粉聚合物泥漿體系共鉆進5216 m。鉆進中泥漿性能一般都保持在漏斗粘度22～30s，API失水4～8ml，動塑比0．15～0．30，泥皮薄韌光滑，厚度小于0．2mm。試驗取得了很好的效果。具體表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)良好的護壁性能、抑制性能。沒有出現(xiàn)過坍塌、掉塊和縮徑現(xiàn)象，進入強造漿地層，加入少量稀釋劑，并配合固控設(shè)備的使用，泥漿仍維持良好的性能。

(2)具有很好的流變性能和觸變性能，鉆進效率高。陜西巖鹽資源3#對井采用了噴射鉆進的施工工藝，對泥漿的流動性能要求很高。該孔鉆探的平均時效為12．12m/h，提高2～10倍。

(3)良好的潤滑性能。泵壓由8MPa下降到6～7MPa，起下鉆比較通暢。

(4)泥漿成本相對較低。較之前采用鉀基泥漿體系，泥漿成本下降30%。

4 結(jié)語

(1)在水敏性地層鉆探中，泥漿體系應具有良好的造壁性能、較低濾失量和良好的抑制性能、良好的流變性能以及潤滑性。

(2)采用具有淀粉和低分子聚合物產(chǎn)品優(yōu)良特性的接枝淀粉共聚物為降失水劑，并優(yōu)選抑制劑、防塌劑、潤滑劑、包被劑、膨潤土等泥漿處理劑，研究設(shè)計了水敏性地層用接枝淀粉聚合物泥漿體系配方。經(jīng)實驗測試達到了良好性能指標。

(3)該泥漿體系在水敏性地層鉆探中取得了好的護壁效果，并具有鉆進效率高，泥漿配制簡單、便于維護、成本低的特點。

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Study of the Grafted Starch－polymer Mud System Used for Drilling in Water－sensitive Strata

TAO Shi－xian，HU Ji－liang，JI Wei－jun
(Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing100083)

In this study，we designed and optimized a starch graft polymers mud system used for drilling in water－sensitive strata，using the graft copolymer of starch as filtrate reducer，selecting inhibitor，anti－sloughing agent，lubricant，encapsulating agent and bentonite as treating agents．Tests show that the system＇s API filtrate loss is 7ml;the reduction of relative expansion is 84．2%;recovery of cuttings is 92%;and the friction coefficient is 0．07．This mud system has achieved good results in real drilling in water－sensitive strata．

water－sensitive strata，drilling，mud system，grafted starch，polymer

book=9,ebook=533

P63．4+4

A

0495－5331(2012)05－1029－5

2011－09－14;

2012－02－05;［責任編輯］郝情情。

本文為地質(zhì)礦產(chǎn)資源調(diào)查評價專項(編號1212010816008和1212011120252)資助。

陶士先(1964年－)，女，1987年畢業(yè)于長春地質(zhì)學院，教授級高工，從事鉆井液技術(shù)研究與應用。E－mail:taosx@139．com。