水敏性地層鉆探泥漿性能優(yōu)化及配制

代萬慶，薛艷，顏巧云

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450001）

0 引言

由各種粘土或粘土經(jīng)后生作用形成的泥巖、頁巖等組成的巖層稱為水敏性地層，較為典型的水敏性地層有粘土層、泥巖層、軟頁巖層、粘土膠結(jié)硬頁巖層等［1-3］。

水敏性地層鉆探常出現(xiàn)泥漿增稠、鉆速急速下降、鉆頭泥包不進(jìn)尺和偏磨損壞、孔壁縮徑及掉塊剝落、鉆孔埋鉆、鉆具折斷等不利情況，這些情況與泥漿性能緊密相關(guān)。

解決水敏性地層鉆探泥漿性能問題，對提高鉆探質(zhì)量和效率意義重大。

1 工程概況

1.1 工程簡介

“河南省通許凸起許昌—鄢陵巖溶熱儲地?zé)豳Y源調(diào)查評價地?zé)徙@探井”為河南省自然資源廳2019年度省財政地質(zhì)勘查類招投標(biāo)項目。地?zé)峋挥谠S昌市五女店鎮(zhèn)苗店村西村邊，于2020年4月30日開鉆，10月4日終孔。

鉆孔從上至下揭露地層情況見表1。

表1 地?zé)峋貙忧闆rTable 1 Stratum of the geothermal well

1.2 施工中出現(xiàn)的問題

前期泥漿配方為（1 m3泥漿）：山東高陽粘土70 kg，Na2CO3（碳酸氫鈉）2.80 kg，PAN（水解聚丙烯腈）0.1%~0.2%，CMC（鈉羧甲基纖維素）0.1%~0.2%，NaOH（氫氧化鈉）0.1%。

泥漿性能指標(biāo)見表2。

表2 泥漿性能指標(biāo)Table 2 Mud performance index

在施工過程中，井深300 m以淺，鉆進(jìn)施工進(jìn)展順利，井深超過300 m后，施工出現(xiàn)了一系列問題。鉆探施工異常情況見表3。

由表3可知，泥漿性能不適用于水敏性地層鉆探需求是導(dǎo)致鉆探異常的主要原因。

表3 鉆探問題原因分析Table 3 Cause analysis of the drilling problems

2 水敏性地層對鉆探泥漿性能的需求

由表1可知，地?zé)峋貙哟蟛糠譃檎惩痢⒛鄮r或者粘土和泥巖互層等水敏性地層。

取該井巖樣進(jìn)行巖礦鑒定，鑒定結(jié)果見表4。

由表4可知，該井水敏性地層主要成分為高嶺石、伊利石，局部以蒙脫石為主。

富含高嶺石、伊利石的地層，吸水后粘土顆粒進(jìn)入泥漿，加大泥漿表觀粘度和濾失量，作為有害顆粒，較易沉淀于井底，導(dǎo)致鉆速急劇降低。井壁吸水后不穩(wěn)定，易剝落掉塊。

富含蒙脫石的地層吸水后粘土水化分散進(jìn)入泥漿體系，加大泥漿稠度和粘度，增大了鉆頭糊鉆、偏磨、泥包及鉆具“粘鉆”風(fēng)險；井壁易出現(xiàn)縮徑和流散。

基于水敏性地層成分的特點，其對鉆進(jìn)泥漿性能需求如下［4-13］：（1）低濾失量，減少井壁的吸水量，減緩井壁的水敏性趨勢；（2）低密度。泥漿密度過大，泥漿液柱的壓強高，泥漿的濾失量就高，易引起井壁粘土的水化分散；（3）良好的流動性，低的泥漿粘度，降低循環(huán)液泵壓，減少濾失量；合適的“動塑比”，泥漿攜、排巖屑能力、鉆進(jìn)效率就高；（4）強抑制性，能增強泥皮的強度、降低泥漿濾失量；抑制粘土坍塌掉塊、水化分散的趨勢。

水敏性地層鉆進(jìn)需要濾失量小、密度低、流變性好、抑制性強的泥漿。

3 泥漿配制的設(shè)計思路

由水敏性地層的成分、水化機理及鉆進(jìn)泥漿性能需求［14-20］，選擇蒙脫石含量高的膨潤土，用燒堿或食堿改性和陳化，制成優(yōu)質(zhì)基漿；選取合適、經(jīng)濟(jì)的高分子處理劑及陰、陽離子種類和濃度，增強粘土的分散穩(wěn)定性，降低泥漿的濾失量，抑制地層水化分散趨勢，提高泥皮致密性和強度，加強孔壁的穩(wěn)固性，調(diào)節(jié)泥漿的動塑比，提升泥漿攜排能力。

表4 水敏性地層成分含量巖礦鑒定Table 4 Identification of the rock and mineral contents of water sensitive formation components

采用窒內(nèi)試驗與正交實驗極差選擇法相結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化，確定最適宜本項目水敏性地層鉆探施工的泥漿配方。

3.1 基漿的確定

山東高陽膨潤土性能優(yōu)良穩(wěn)定，故選其作為基漿材料。資料及實踐證明，粘土含量4%的泥漿，其表觀粘度低而動塑比高。

3.2 泥漿處理劑的選擇確定

無機處理劑：常用的有燒堿（NaOH）和純堿（Na2CO3）。Na2CO3提 高pH值 的 能 力較 弱，清 除鈣、鎂離子的效果比NaOH強；生產(chǎn)安全性相對較高。故無機處理劑選用Na2CO3。

有機處理劑：常用的泥漿降失水劑有鈉羧甲基纖維素（Na-CMC）、腐殖酸鉀（KHm）、聚丙烯腈胺鹽（NH4HPAN）等。

KHm是良好的降失水劑、稀釋劑和防塌劑。K+能增強粘土中伊利石的聚結(jié)穩(wěn)定性，KHm與粘土顆粒吸附性較強，有加強泥皮強度、降低泥漿濾失量的作用［5-7］。

Na-CMC與粘土顆粒吸附在一起，能使粘土顆粒的水化膜厚度增厚，提高泥漿的切力，增高泥漿的粘度。低粘CMC和中粘CMC一般降失水性能明顯，做降失水劑，而高粘CMC增粘效果顯著，做增粘劑［5-7］。選擇了聚合度為200~600之間、取代度為80%~85%的中粘CMC作為降失水劑。

NH4HPAN中的NH4+能抑制粘土顆粒的水化分散，能加厚粘土的水化膜，降低粘土水化及坍塌趨勢，減少泥漿濾失量，是良好的防塌劑和降濾失劑。聚合度為235~376、取代度為60%~70%之間的NH4HPAN較為適用［5-7］。

泥漿中巖屑等固體顆粒危害較大，水解聚丙烯酰胺（HPAM/PHP）吸附基團(tuán)可將巖屑等有害固體顆粒吸附絮凝沉淀，控制泥漿固體含量。其長分子鏈吸附于孔壁上，也起到降低地層吸水水化膨脹、穩(wěn)定孔壁防塌作用［5-7］。分子量為300萬~500萬、水解度在30%左右、濃度為100 mg/L左右、泥漿pH值在7~9之間時，絮凝作用最好。

3.3 泥漿初步配方的正交試驗極差分析

基漿配方為（1 m3基漿）：山東高陽膨潤土40 kg，Na2CO32 kg。

基漿中按質(zhì)量比例分別加入KHm、Na-CMC（中粘）、NH4HPAN（分子量235萬~376萬、水解度60%~70%）、PHP（分子量300萬~500萬、水解度30%），在室內(nèi)試驗測定泥漿性能的基礎(chǔ)上，用正交實驗極差選擇法對泥漿組方進(jìn)行優(yōu)化。

正交試驗設(shè)計采用4因素3水平正交表。依據(jù)文獻(xiàn)資料及生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，列出4種泥漿處理劑的水平值。泥漿處理劑正交試驗因素及水平值設(shè)定詳見表5。

泥漿正交試驗測定的粘度、濾失量、泥皮厚度數(shù)據(jù)見表6。

表5 泥漿處理劑因素及水平值設(shè)定Table 5 Factors and level setting of the mud treatment agent

表6 泥漿正交試驗測試結(jié)果及極差分析Table 6 Orthogonal test results and range analysis of the mud

根據(jù)表6極差分析情況，排列出各指標(biāo)下每個因素的試驗指標(biāo)為：漏斗粘度（%）：BADC；濾失量（%）：BACD；泥皮厚度（mm）：BCAD。

依據(jù)各指標(biāo)下試驗結(jié)果，確定各因素的最優(yōu)水平組合為：漏斗粘度（%）：B1A3D1C1；濾失量（%）：B3A1C3D2；泥皮厚度（mm）：B3C3A3D1。

由于漏斗粘度、濾失量、泥皮厚度3個指標(biāo)確認(rèn)的最優(yōu)水平組合結(jié)果并不一致，我們再根據(jù)KHm、Na-CMC、NH4HPAN、PHP 4個因素影響的3個指標(biāo)的主次順序，結(jié)合水敏性地層對泥漿性能具體需求，確定出最優(yōu)結(jié)果。

B（Na-CMC）是主要因素指標(biāo)，對濾失量、泥皮厚度的影響大小排第一位，取B3；對漏斗粘度的影響也排第一位，取B1。取值B3與取值B1相比，漏斗粘度升高了18.33%，對泥漿性能不利；濾失量減少了27%，泥皮厚度減少了33%，對泥漿性能有利。水敏性地層的泥漿設(shè)計，濾失量是關(guān)鍵，故我們?nèi)3。

A（KHm）也是主要因素，對漏斗粘度、濾失量的影響排第二位，對泥皮厚度的影響排第三位。優(yōu)先考慮第二位的影響?？紤]漏斗粘度的影響取A3，濾失量的影響取A1，對比A3與A1的試驗值，漏斗粘度減少8%，濾失量減少23.33%，泥皮厚度減少4%。綜合考慮，A3更優(yōu)。

C（NH4HPAN）對漏斗粘度的影響排在第四位，是次要因素，對濾失量的影響排在第三位，為C3，對泥皮厚度的影響排在第二位，也是C3。所以我們?nèi)3。

D（PHP）對漏斗粘度的影響排在第三位，為D1，對濾失量的影響排第四位，為D2，次要因素；對泥皮厚度的影響排第四位，為D1，也為次要因素。經(jīng)過統(tǒng)計表6試驗值，D2比D1在漏斗粘度升高1%，濾失量降低4%，泥皮厚度升高9%。針對水敏性地層，濾失量是關(guān)鍵因素，D2提升漏斗粘度的幅度也較小，綜合考慮，取D2較為合適。

最佳護(hù)壁堵漏材料組合為A3B3C3D2。還原各組分添加量為：KHm 3%，Na-CMC（聚合度200~600、取 代 度80%~85%的 中 粘）0.4%，NH4HPAN（聚合度235~376、取代度60~70%）1.5%，PHP（分子量300萬~500萬時，水解度30%左右）100 mg/L。

最終確定泥漿配方為（1 m3泥漿）：山東高陽膨潤 土40 kg，Na2CO32 kg，KHm 3%，Na-CMC 0.4%，NH4HPAN 1.5%，PHP 100 mg/L。

該配方不在正交試驗組合配方之內(nèi)。按該比例配制泥漿，室內(nèi)測試該新配方泥漿性能指標(biāo)見表7。

表7 新配方泥漿性能指標(biāo)Table 7 Performance index of the new formula mud

4 生產(chǎn)實踐效果

地?zé)峋畯?00 m井深起始，采用新配方泥漿鉆進(jìn)。比對500 m井深前后泥漿的性能、井內(nèi)狀況、鉆探效率等情況如下：

（1）新配方泥漿的密度降低了4.6%，漏斗粘度降低了46.7%，降低了循環(huán)液液柱的靜壓強和泵壓壓強；新配方泥漿增加了泥皮的致密性，大幅降低了泥漿內(nèi)有害固體含量，泥漿濾失量大大降低。

（2）使用新配方泥漿后，鉆進(jìn)順利，純鉆進(jìn)時間增多，井內(nèi)事故未再發(fā)生，鉆進(jìn)輔助時間大幅降低，鉆速提升明顯。

（3）井孔狀況得到極大改善，未再出現(xiàn)縮徑、粘鉆、卡鉆等險情。

（4）牙輪鉆頭未再出現(xiàn)偏磨、泥包等不正常狀況。

新泥漿使用前后鉆探情況、生產(chǎn)效率、泥漿漏失量情況對比見表8。

實踐證明，我們選取的泥漿材料是合適的，正交試驗極差分析法確定的配方比例是準(zhǔn)確的，新配方泥漿完全適應(yīng)本項目水敏性地層鉆探施工需求，效果良好。

5 結(jié)語

（1）水敏性地層鉆探，對泥漿性能有特殊需求。泥漿性能不適宜時，循環(huán)液會出現(xiàn)粘度增高、濾失量增大、有害固體含量過多，鉆孔縮徑、孔壁坍塌，鉆速低下、鉆頭偏磨及泥包、鉆桿“粘鉆”等不正常情況。

（2）本項目水敏性地層的主要成分以高嶺石、伊利石、蒙脫石為主，厚度較大，地層吸水后坍塌掉塊、水化流散情況較為嚴(yán)重。配制泥漿從降低泥漿濾失量、抑制粘土水化分散剝落掉塊趨勢、加強孔壁穩(wěn)固性等需求出發(fā)，配制濾失量小、密度低、抑制性強、流變性好的泥漿。

表8 新配方泥漿使用前后鉆進(jìn)施工情況及漿液漏失量對比Table 8 Comparison of drilling results and mud leakage before and after using the new formula mud

（3）鉆探施工效果不理想時，應(yīng)及時調(diào)整泥漿配方。針對本項目地層條件，推薦泥漿配方為（1 m3泥漿）：山東高陽膨潤土40 kg；Na2CO32 kg；KHm 3%；Na-CMC（聚合度200~600、取代度80%~85%的中粘）0.4%；NH4HPAN（聚合度235~376、取代度60%~70%）1.5%；PHP（分子量300萬~500萬時，水解度30%左右）100 mg/L。

（4）正交試驗極差分析法應(yīng)用于泥漿處理劑濃度的確定，具有室內(nèi)配制試驗次數(shù)減少、確定濃度準(zhǔn)確的優(yōu)勢，是一種簡便、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、快速和準(zhǔn)確的方法。