土层、泥页岩中使用的泥浆

 

 

      在粘土、泥页岩中钻进，突出问题之一是钻井井壁的遇水膨胀、缩径，甚至流散、垮孔。其原因是粘土、泥页岩中存在着大量的粘土矿物，尤其是蒙脱石粘土矿物的存在，使井壁粘土接触到钻井液中的水时，即发生粘土的吸水、膨胀、分散。这样的地层又称之为水敏性地层。

       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。从第三节对泥浆失水量影响因素的分析和第二节对岩土的水化性分析可以归纳出针对水敏性地层配制泥浆时的几个要点。

（ 1 ）选优质土。由于水化效果好，粘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。使粘土颗粒适度絮凝，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、井壁网架隔膜作用，可使失水量明显减少。

（ 4 ）提高基液粘度。泥浆中的“自由水”实际上是滤向地层的基液，其粘度愈高，向地层中渗滤的速率就愈低。

（ 5 ）调整泥浆比重，平衡地层压力。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。

（ 6 ）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粘土颗粒之间的结合力，从而使井壁稳定性提高。

（ 7 ）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。

（ 8 ）利用微颗粒的堵塞作用。在泥浆中添加与地层空隙尺寸相配伍的微小颗粒，可以堵塞渗漏通道，降低泥浆的失水量。

（ 9 ）活度平衡。

       下面介绍适于水敏性地层钻进的抑制性泥浆，包括钙处理泥浆、钾基泥浆，乳化沥青泥浆和油包水活度平衡泥浆的配方。这些泥浆抑制水敏往往是利用上述多个原理，而以其中之一为主。  

 

（一）钙处理泥浆

 

        钙处理泥浆是粗分散泥浆的代表。粗分散泥浆的一个重要特性就是不使岩土过度分散，从而保持井壁的稳定。 Ca 2+ 的作用机理正 如第二节详述的， 取代粘土颗粒表面的 Na + ，降低 ζ 电位， 压缩双电层，使粘土颗粒适度聚结，井壁的分散性降低。较为典型的钙处理泥浆如下。

 

1、  石膏—铁铬盐泥浆

 

        石膏可提供较高的 Ca 2+ 和 pH 值较低，对井壁起聚结作用：铁铬盐能抑制井壁的分散，因而该泥浆的防塌性能提高。石膏泥浆多用于钻进厚石膏层和易塌的水敏性泥岩和页岩。配方：石膏的加量一般为泥浆体积的 1.14~1.7% ，铁铬盐加量为 0.86~1.7% ，烧碱为 0.28~0.42% ，为降失水可加入 0.14~0.42% 的 CMC 。配制的程序是：在淡水泥浆中先加少量铁铬盐和烧碱及一部分水，搅拌后，把其余的铁铬盐和石膏一起加入，再后加 CMC 控制失水量。典型的泥浆性能为：比重 1.20 ，漏斗粘度 25s ，动切力 3.0Pa ，静切力 1min1 。 0Pa ， 10min4.5Pa ，失水量 3~6ml ， pH 值 10 左右。

 

2 、氯化钙—褐煤泥浆

 

         氯化钙和褐煤反应生成的腐植酸钙一方面使泥皮变得薄而致密、渗透性小、故泥浆失水量小；另一方面可调节泥浆中 Ca 2+ 的浓度，即 CaHM ？？？？？？？ Ca 2+ +2HM ，从而有效地抑制地层造浆和泥页岩的水化膨胀，防止井眼坍塌。配方：以加有 0.3~0.5% 纯碱的比重为 1.10~1.20 的新浆一份，与煤碱剂（ 15 ： 2~3 ： 100~150 ）一份相混合，配成煤碱剂泥浆，然后加入 0.5~1.0% 的氯化钙（配成溶液加入）经搅拌而成。其性能大致为：比重 1.13~1.34 ，漏斗粘度 18~28s ，失水量 3~5ml ，泥皮厚 0.5~ 1mm ， PH 值 10~11.5 ，滤液粘度 0.75~0.85MPa·S ， Ca 2+ 浓度 160~240ppm 。

 

（二）钾基泥浆

 

        钾离子对泥、页岩的特殊抑制原理，在第 节中已有叙述，含钾离子的化合物有多种，因而可配制多种类型的钾基泥浆。若同时再加入基于其他稳定井壁原理的处理剂，则解决地层水敏问题的效果会更好。钾基泥浆的种类有： 

 

1. PAM-KCl 泥浆

 

        用无机盐 KCl 为离子交换型抑制剂，抑制粘土的膨胀，用絮凝型聚合物处理泥浆，聚合物吸附在井壁上，以包膜原理阻止水的渗入而维持井壁稳定，属非分散型钾基泥浆。配方：粘土加量按在泥浆中所占体积计为 3~5% ，纯碱加量为土重的分子量在 300 ╳ 10 4 以上， 30% 水解度的 PAM 加量为 1.43Kg /m 3 ~ 3.58 3 3Kg /m 3 ， KCL 加量为 3%~15% 左右。为除钙和提高抗温性能，可加入 5% 左右的（ NH 4 ） 2 SO 4 。这种泥浆对泥页岩的抑制作用，按稳定性指数仅次于油基泥浆。

 

2. 分散型氯化钾泥浆

 

         用磺化类有机处理剂与无机盐氯化钾相配合，起抑制页岩膨胀，维护孔壁稳定的作用。其配方为：配制 1m 3 泥浆，粘土 50~ 100kg ， KCl30 ～ 50kg ，聚合物（ КМЦ ， М — 14 ， Merac ，淀粉等） 5~ 10kg ， КССБ （缩合亚硫酸酒精废液） 30~ 50kg ， KOH5~ 10kg ，消泡剂 2~ 3kg ，水 920~ 940L 。泥浆性能：密度 1.08~ 2.0g /cm 3 ，漏斗粘度 25~40s ，失水量 4~8ml/30min ，静切力 1min ， 12~60dPa ； 10min ， 36~120dPa ， pH=9~9.5 ，滤液含氯化钾 30~ 70g /l ，最大为 150g /l 。

 

3. 氢氧化钾 - 褐煤泥浆

 

        用于不宜含氯离子过高的地区，用聚合物来控制失水和调节流变性、也可添加 KCl 来补充钻井中 K + 的消耗，但 Cl - 不能超过规定的水平，这种泥浆起抑制作用的组分为 KOH 和 KHM ，并主要靠 KOH 来维持钾含量和 pH 值。

 

4. 氢氧化钾 - 磺酸盐泥浆

 

         用于钻井蒙脱石含量高的地层。 KOH 用于控制 pH 值和提供抑制所需的钾含量，钾含量必须使滤液中 K + 高于 2000~3000ppm ，而木质素磺酸盐的含量亦必须保持在 24.8~ 28.6kg /m 3 之间以起辅助抑制作用。钾和木质素磺酸盐含量低于此水平，便会因页岩水化而出现井眼问题。

 

5. 铝钾泥浆

 

          它是钾离子和铝离子共同起抑制作用，聚合物是用丙烯酰胺共聚物，这种泥浆在前苏联油田得到应用，泥浆配方为配制 1m 3 泥浆，粘土 60~ 150kg ， KCl （ SO 4 ） 2 3~ 5kg ， KOH1~ 3kg ， K 2 Cr 2 O 7 0.3~ 0.5kg ，铬木素磺酸盐（ Окзил ） 20~ 30kg ，甲基丙烯酸与甲基丙烯酰胺共聚物（ Metac ） 3~ 5kg ，水 920~ 960L 。

（三）乳化沥青泥浆

          乳化沥青泥浆抑制水敏性地层的原理是泥浆循环时，由于岩石表面的矿物吸附乳化剂而使乳状沥青破乳，放出沥青微粒粘附在孔壁上，形成薄而坚韧的沥青质膜，起封闭隔水作用，防止水渗入水敏性地层，以及沥青质封堵水敏性页岩的孔隙和微裂缝，从而起到稳定孔壁的作用。

         乳化沥青泥浆的配制方法是，先配制沥青膏，然后配制沥青泥浆。沥青膏的配制有多种方法：

 

1. 用苛性钠皂化法

 

        在容器中放入所需的水及部分碱，加热至沸腾，在搅拌情况下注入沥青和所需的碱液，搅拌 20~30min 即得。苛性钠加量，依沥青的酸值来定，沥青 ∶ 水 =252~ 430kg ∶ 500~ 700L 。

 

2. 用粘土粉制沥青膏

 

         先将沥青加热至 180~ 200 ℃ 熔化脱水，保温在 180 ℃ 备用。按水 ∶ 粘土（加 5%~6% 纯碱） =2 ∶ 1 搅成泥浆加温至 80 ℃ ，在搅拌下细流加入保温在 180 ℃ 的沥青中，加完后继续搅拌 30~40min 即成沥青膏。

 

3. 用乳化剂制备乳化沥青

 

          可用不同的乳化剂来制备，几种乳化沥青的配比如表 4-4 所示。

          沥青泥浆的制备可用粘土粉制备的沥青膏为例来说明。其配方为：沥青膏 20~30% ， Na-CMC 0.3~0.5% ，水解度为 60% 的水解 PAM 50ppm ，水 70~80% 。

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（四）油基泥浆

 

        油基泥浆不是以水而是以油作为主要分散介质。以其中的油包水乳化泥浆为典型例子，它可以有效地抑制水敏性泥页岩地层、大段岩盐层的井壁分散，并适于低压地层、高温、超深井钻进，润滑性、防塌防卡性也较好。

         油包水乳化泥浆是以油为外相，水为内相，用乳化剂配制而成。它在井壁上形成一油膜阻挡层，阻止井壁的水化膨胀；通过调节油水比例来与地层配伍；通过调节水相中盐的浓度来调节油膜阻挡层两侧的渗透压力，使之达到活度平衡，在压力平衡下消除水的运移，从而稳定泥页岩井壁。

         油包水乳化泥浆的组成和配制工序比较复杂，配制成本也较高。 ① 油相，柴油或煤油，为满足流变性等要求，一般油相占 60~70% ； ② 水相，采用盐水并按活度平衡要求调节其含盐量； ③ 乳化剂，包括油溶性和水容性的，多为复合型的。常用的乳化剂有石油磺酸铁、十二烷基酰醇胺、腐植酸酰胺、司盘— 80 等； ④ 油中可分散的胶体，用于悬浮重晶石、钻碴、增粘和降失水，主要为膨润土，使润土转变为亲油有机膨润土的有机阳离子活性剂、氧化沥青等； ⑤ 水相活度调节剂，常用的盐有氯化钠、氯化钾、氯化钙等，水相含盐量视地层性状在 3%~60% 范围内调节； ⑥ 碱度调节剂，调节泥浆的 pH 值，一般用石灰。此外经常还用到加重剂和消泡剂等。

         以我国华北油田曾使用过的配方为例：柴油 78% 、饱和盐水 30% 、石油磺酸铁 10% 、司盘 -80 7% 、腐植酸酰胺 3% 、有机土 3% 、氧化沥青 3% 、 NaCl16% 、 KCl5% 、 Ca(CL) 2 15% 、生石灰 9% 、重晶石 0~200% 。泥浆在 50 ℃ 时的主要性能指标为：漏斗粘度 80~100s ，表观粘度（ 90~120 ） × 10 -3 Pa · s ，粘度塑性（ 80~100 ） × 10 -3 Pa · s ，屈服值（ 25~40 ） dPa ，静切力（ 20~35 ） / （ 30~50 ） dPa ，失水量 ≤ 2ml/30min 。其他有关的性能指标是：高温高压失水（ 3.45MPa,369 ° K ） 1 ～ 2ml/30min ， PH 值 11.2 ～ 11.5 ，润滑系数 0.04 ～ 0.05 ，破乳电压 548 ～ 574V ，水相分散细度 (3 ～ 5μm)95% 以上，悬浮稳定性 150 ℃ 陈化 16h 重晶石不沉淀。

         此油包水乳化泥浆的配制工艺如表 4-5 所列。

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（五）有机阳离子聚合物泥浆

 

         这是一种新型的钻井液，以有机阳离子聚合物（或称高分子量聚阳离子、大阳离子）为包被絮凝剂，以小分子量有机阳离子化合物（小阳离子）作为粘土稳定剂，并配合使用降失水剂、降粘剂、封堵剂、润滑剂等的钻井液体系。它具有很强的抑制性、良好的流变性，而且易于维护。

        大阳离子由于其带高正电荷，中和能力强，聚合物链长，架桥作用好，能以较快的速度和较强的静电作用力以单分子层形式铺敷在粘土上，使粘土的比表面和表面负电荷大大下降，从而使粘土的水敏性基本丧失而起到稳定井壁的作用；而小阳离子又能进入到粘土片的晶层间形成持久的吸附，使粘土颗粒间的连接力更牢固，使抑制泥页岩水化、膨胀和分散的能力进一步提高。

        有机阳离子聚合物泥浆主要是水基泥浆，也可以配制成乳状液。其粘土等主要成分与普通水基泥浆相近，但其中至少含有一种高分子量的阳离子聚合物。

         大阳离子中绝大多数是含氮的聚合物，少数含有磷、硫等元素。在泥浆中常用的季铵盐型聚合物的结构通式为：

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         式中， R 1 、 R 2 、 R 3 、 R 4 是含有一定数目碳原子的烃基，如脂肪烃、环烷烃、芳香烃基，其中 1~2 个烃基是长链的，其余含碳原子较少，若氮原子在环内，则烃基的数目相应减少； X 表示阴离子，可以是卤素离子、硝酸根离子等； n 是聚合度； m 是能使聚合物保持电中性的阴离子数目；氮原子可以被磷、硫原子置换，当氮被硫置换时， R 4 不存在。

         例如， 聚胺甲基丙烯酰胺（代号 CPAM ），其结构式为：

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         又如，阳离子淀粉，其结构式为

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          小阳离子较常用的有环氧丙基三甲基氯化铵（代号 QC ）和代号 NW-1 ），它们的结构式分别为：

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        使用有机阳离子聚合物泥浆必须解决好两个问题： ① 防止泥浆中粘土颗粒在高价阳离子的强烈聚结作用下聚结沉淀； ② 能够在泥浆中与广泛使用的阴离子型泥浆处理剂共存。理论研究和实验表明：采用合理的处理剂配方可以较好地解决这两个问题。

        现场使用的基本配方示例：膨润土 4% ， CPAM 0.2~0.4% ， QC 0.2~0.3% ， Na-CMC0.2~0.3% 。

        实验室的性能试验情况见表 4-6 。

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