饱和盐水钻井液对高膨胀凝灰岩的防塌机理分析

郑明雄李 峰

（1.昆明理工大学计算中心，云南昆明 650500；2.昆明理工大学国土工程资源学院，云南昆明 650093）

饱和盐水钻井液对高膨胀凝灰岩的防塌机理分析

郑明雄1，2李 峰2

（1.昆明理工大学计算中心，云南昆明 650500；2.昆明理工大学国土工程资源学院，云南昆明 650093）

针对高膨胀快速垮塌凝灰岩带来的钻井卡钻问题，前期研究中研制了饱和盐水防塌钻井液，对该钻井液的防塌机理进行研究。通过讨论可溶淀粉、NaCl、NaOH和凝灰岩浸提液的作用、井壁膜组分等分析钻井液的阻水防塌作用；通过设计增量溶剂防塌实验并对比溶出离子状态，分析钻井液对凝灰岩中可溶物的阻溶防塌作用。研究认为：配方中的可溶淀粉沿微裂缝失水絮凝，淀粉絮凝可堵塞溶液进入凝灰岩的通道，淀粉还为NaCl结晶提供结晶和生长的基础；NaOH的加入有助于淀粉絮凝和NaCl结晶，并对可溶物的溶解有增进阻碍作用；饱和NaCl有阻止凝灰岩中可溶物溶出和结晶堵塞的双重作用；凝灰岩浸提液对阻溶及助结晶有重要作用。井壁凝灰岩吸水后，钻井液中的NaCl和可溶淀粉在其他成分的共同作用下，在井壁形成含NaCl结晶的混合膜，絮凝、结晶及成膜均阻碍了水渗入凝灰岩中。由定性和定量分析得到可溶物的溶出在凝灰岩分解垮塌中起重要作用的结论。对溶出物质的定量分析表明，钻井液不仅从物理上隔水防塌，也从化学上阻溶防塌。

饱和盐水钻井液；凝灰岩；防塌机理

凝灰岩的分布十分广泛，多为高膨胀软岩，在石油和有色金属勘探中均有遇到。如李培林等介绍了针对芳深9-2井的凝灰岩易垮塌地层的钻井［1］，王鹏等认为凝灰岩是一种新型烃源［2］。澜沧凝灰岩为遇水快速分解垮塌型沉凝灰岩，极易卡钻。前期研究中［3］，在饱和盐水配方基础上做了成分适应性研究，并使用了可溶淀粉和凝灰岩浸提液进行防塌性能改进，并去除防结晶添加剂，获得了能有效防止澜沧凝灰岩分解垮塌的钻井液配方：就地取材的凝灰岩浸提液+过饱和NaCl+NaOH+可溶淀粉，将常压下水中2 min迅速完全泥沙化的垮塌速度降低到了10 d仍然保持稳定。在此基础上，笔者继续研究该配方钻井液对高膨胀凝灰岩的防塌机理。

1 钻井液防塌机理研究现状

研究钻井液的防塌机理对于合理设计钻井液体系具有重要意义。蓝强［4］等通过电位、粒径分布、红外稳定性、压力吸附及吸附量等的测定研究了硅酸盐钻井液的防塌机理，认为较高的膜效率是防塌的原因；秦永和［5］利用电位粒度仪、红外分散稳定仪、活度仪及SHM等研究了硅酸盐和改性多元醇防塌剂的防塌机理，认为胶体和成膜是防塌的主要原因；魏新勇［6］等对硅酸盐的防塌机理进行了讨论，认为pH值是影响防塌能力的主要因素，这从一个方面反映了pH值的重要性，但结论在应用对象上不能一概而论；张红红［7］等从膜稳定性等方面研究了聚合物钻井液的防塌机理；郑力会［8］等研究了仿磺化沥青的胶束离子的封堵防塌作用等。

可见，对防塌机理的讨论多有关于硅酸盐成膜的讨论，成膜无疑是防塌的重要因素，对本文研究有一定参考价值，但钻井液的防塌机理不仅仅是成膜封堵作用。对于非成膜防塌成分，也有其作用机理。

饱和盐水钻井液的应用起于19世纪40年代初，对其防塌机理的系统研究不多，一般认为是防盐侵。但对于饱和盐水中的淀粉类的研究非常广泛，王中华［9］总结了一段时间内的钻井液中淀粉类聚合物研究与应用；刘祥［10］等以马铃薯淀粉和氯乙酸为主要原料制备了交联—羧甲基复合变性淀粉，并讨论了其在饱和盐水钻井液和4%盐水钻井液中的增黏、降滤失性能指标；陈馥［11］等以可溶性玉米淀粉、AMPS、DMDAAC、AM四元共聚，制得一种两性离子改性淀粉钻井液降滤失剂，对淡水基浆、盐水基浆、人工海水基浆均具有较好的降滤失性能。Sifferman［12］等研制并实验了由水、淀粉和润滑油生产含有悬浮润滑油滴的水淀粉混合物，以之来改善水基钻井液的润滑性和滤失性；Simonides［13］等讨论了淀粉交联、羧甲基化处理，认为淀粉在降滤失和改善流体流变性中起主要作用。

除淀粉应用外，有必要进一步研究淀粉的作用，同时研究为什么要选择NaCl，NaCl的作用还有哪些，以及钻井液中其他成分的作用及成分间的相互作用等。由于研究表明易分解垮塌地层含黏土，本文暂未考虑加入膨润土等黏土成分。

2 研究思路及实验方法

本文主要通过化学实验的方法来研究饱和盐水钻井液的防塌机理。通过化学反应现象进行定性的研究，继而通过物质检测进行定量研究。通过设计一系列的化学实验，比较凝灰岩在不同溶质条件下的稳定性、溶出物质，以及溶液表面结晶状态等。

笔者对高膨胀凝灰岩的膨胀垮塌机理进行全面系统的研究：研究了凝灰岩的化学反应特征、膨胀垮塌的微观结构原因、膨胀垮塌的物质因素、防塌钻井液及机理等，这些研究相互支持，其余研究是防塌机理的重要支撑。本文从两个方面来研究和阐述盐水钻井液的防塌机理：一是从单独成分讨论，从可溶淀粉的作用、NaCl的作用及岩石微观表面研究、NaOH的作用，研究其物理阻隔水作用；二是精心设计了按钻井液配方增量溶质实验，从凝灰岩在增量实验中的可溶成分的离子浓度变化，定量地研究钻井液的阻止溶解的作用，并通过对凝灰岩中可溶物质的定量分析和准确定位，为钻井液体系的正确选择提供理论基础。

3 实验结果及讨论

3.1 可溶淀粉的作用

对遇水快速垮塌型凝灰岩来说，淀粉是防塌的主要成分之一。虽然淀粉的作用比较确定，但由于其在本文钻井液中的重要性，这里仍进行简单描述和讨论。

单纯的可溶淀粉溶液不具有防塌功能，需和NaOH结合，凝灰岩在单纯可溶淀粉溶液中迅速分解为细泥沙。如图1，将干凝灰岩置入NaOH+可溶淀粉混合溶液中，10 min内，产生明显的条状絮凝（不同淀粉及NaOH加量均有），凝灰岩较稳定。多数凝灰岩块样在饱和NaCl水溶液+NaOH混合溶液中的稳定时间不超过1 d，加入可溶淀粉后的凝灰岩的稳定性有相当大的提高，大部分样品（包括湿润凝灰岩块）的稳定时间达到3 d以上。

图1 可溶淀粉絮凝

图1中条状絮凝的位置均与干凝灰岩的较大裂缝有关，凝灰岩的表面也有一层淀粉絮凝膜。絮凝膜首先与凝灰岩中的微裂缝和微孔隙有关。由微观结构及物质分析可知，凝灰岩中普遍存在的高吸水性层片状高岭石是凝灰岩膨胀垮塌的主要矿物质因素［14］，凝灰岩表面吸水而使淀粉絮凝成膜。目前，成膜堵水钻井液技术应用较普遍［15］。淀粉还对NaCl结晶提供结晶基础，在3.4中讨论。

3.2 NaCl的作用

这里从饱和NaCl溶液的结晶阻水作用和阻碍凝灰岩中盐的溶出两方面来讨论。

3.2.1 NaCl结晶分析 使用配方溶液对凝灰岩浸泡10 h后，对凝灰岩的表面进行扫描电镜观察，可见凝灰岩的表面覆盖有一层NaCl结晶。如图2，部分表面的NaCl结晶易于识别，为立方体规则结晶突出；如图3，凝灰岩表面产生不规则叶状、冰晶状结晶，经电子探针检测该结晶主要成分为Na、Cl、O，分析认为是在淀粉絮凝基础上NaCl附着生长结晶（后文3.4有结晶分析）；如图4，在凝灰岩表面的突出结晶以外，可见冰状透明结晶层完全覆盖凝灰岩表层，经电子探针检测（表1），该结晶主要成分为C、O、Na、Cl，其中C及O元素占较大比例，应为淀粉和NaCl结晶混合膜，从图4裂口可见，裂口整齐锐利，说明混合膜为淀粉膜上进行的NaCl结晶，最表面以NaCl结晶为主。

图2 凝灰岩表面的规则NaCl晶体SEM

图3 配方溶液处理后凝灰岩表面的不规则叶状晶体SEM

图4 配方溶液处理后凝灰岩表面的晶体膜覆盖SEM

表1 电子探针物质及含量

实验室研究测试有效果放大情况，主要因为扫描电镜观察室是真空环境，溶液中的水分必然大量挥发，结晶状态被放大。在非真空的液体环境中，NaCl有可能在井壁和裂缝中结晶吗？实际应用中，出现图2、图3及图4这样干燥坚实的结晶的可能性不大，但从一些实验现象中可以明显看到液体中的NaCl结晶。图5为NaCl沿凝灰岩裂缝结晶现象（溶液为饱和NaCl+NaOH溶液，pH值12），并由后文的淀粉作用进一步分析得出淀粉有助于结晶，由此可以进一步认为：钻井时，由于凝灰岩强烈吸水而可能在井壁发生一定的NaCl结晶现象，在近井壁凝灰岩裂缝中NaCl结晶可能性较大，由井壁局部失水导致形成以淀粉和NaCl为主的含结晶物的胶状黏稠液体可在井壁成膜［16］，显然，这种含NaCl结晶的混合膜对水进入凝灰岩的阻碍作用将远大于单纯的淀粉絮凝及淀粉膜对水的阻碍作用，混合膜稳定持久性更强。

图5 NaCl沿凝灰岩裂缝结晶

3.2.2 饱和NaCl对盐溶出阻碍 对于饱和NaCl对盐溶出阻碍，先由实验现象可进行定性分析和推测，再结合定量分析证实，定量的溶出离子分析见后文。

将凝灰岩置于稀盐酸中，反应十分强烈，溶液呈淡绿色；在凝灰岩纯水分解浸提液中加入NaOH，液体由无色变为墨绿色。可知凝灰岩中含有Fe2+，淡绿色为FeCl2溶液，墨绿色为Fe（OH）2胶体。在图6中，从右到左依次为：2#样，饱和NaCl水溶液；3#样，饱和NaCl水溶液+NaOH；4#样，饱和NaCl水溶液+NaOH+可溶淀粉；5#样，凝灰岩浸提液+饱和NaCl+NaOH+可溶淀粉溶液；图7及图8为放置一段时间后的状态。在中间2个烧杯的饱和NaCl水溶液+淀粉+NaOH液体及饱和NaCl水溶液+NaOH中置入凝灰岩块，较长时间内无墨绿色出现，在这两种溶液中凝灰岩较稳定且Fe2+一段时间内难于溶出，而水中凝灰岩迅速分解且Fe2+溶出明显较快（图6左1，凝灰岩浸提液为基液含Fe2+）。

图6 颜色及亚铁盐溶出对比

图6的对比实验可得出初步结论：饱和盐水对凝灰岩中的一些盐溶出起阻碍作用，结论在物质因素定量分析中得到证实。由饱和NaCl等溶液中凝灰岩的稳定性远高于水中的稳定性，亦可知盐溶出对凝灰岩分解垮塌具有重要作用。

3.3 NaOH的作用

在上述实验中，NaOH起到了指示剂作用，可由其观察Fe2+溶出。一般认为，NaOH的作用有双电层作用、保持碱性、防钙侵等，饱和盐水钻井液由于大量钠离子置换出了黏土颗粒中部分H+，使OH-减少，pH值降低，所以使用的烧碱比较多。这里讨论其他作用。

前期实验表明［3］，单一的淀粉溶液及单一的NaOH溶液均不能防塌（NaOH中分解物呈带层片的絮状），但淀粉+NaOH溶液中凝灰岩较稳定，这是由于碱性环境中淀粉更易絮凝，堵塞加强。

对比凝灰岩在单纯的饱和NaCl溶液（图7a，简称2#样，与后文表3中一致，水为1#样）及饱和NaCl+NaOH溶液（3#样，图7b）中实验现象，置入3 d后，明显可见3#烧杯上先有NaCl沿烧杯壁结晶，而2#无结晶，可见NaOH有助于NaCl结晶。

图7 有、无NaOH的饱和盐水中结晶比较

从颜色来看明显不同，没有NaOH的2#样中有Fe2+析出并被氧化为Fe3+，而有NaOH的3#样中却未见变色（如变色应为墨绿），可以定性说明NaOH对凝灰岩中的铁离子析出有一定阻碍作用，可由此推测以饱和NaCl溶液为基础时加入NaOH对某些其他离子的溶出也有阻碍作用。结合后文增量实验中对溶液离子浓度的定量对比分析可知，饱和NaCl溶液中加入NaOH对凝灰岩中物质溶出有进一步的阻碍作用。

3.4 结晶比较和结晶分析

图7表明加入NaOH后饱和NaCl溶液更易结晶。接下来再对比纯水（图8a，4#样）和凝灰岩浸提液（图8b，5#样）作基液，含饱和NaCl+NaOH+淀粉及凝灰岩浸泡时的结晶情况，均为放置3 d。

图8 水和凝灰岩浸提液作基液的结晶比较

图7、图8是一个溶质递增序列，对应于后文表3中的2#～5#样。对比4#和5#可知，5#样中结晶明显较4#厚，分析认为凝灰岩浸提液中含多种离子和微颗粒，为NaCl结晶提供了更多的晶核，故5#更易结晶。对比2#～5#实验样品，不难发现无淀粉样品的结晶均易沿烧杯壁进行结晶（2#久置后亦先沿杯壁结晶），而图8的4#、5#样却易于溶液表面结晶（烧杯壁有残液时除外，有残液时均易沿杯壁结晶）。为对比需要，烧杯中均有多余的未溶解的过量NaCl固体。这是一个非常有意义的现象，它说明了淀粉对结晶的影响。

在4#、5#样中结晶发生于溶液表面，说明溶液中本身存在晶核，不需要烧杯壁上首先析出的微小晶体作为晶核，5#中可以解释为凝灰岩浸提液（沉淀液）中含有较多微小颗粒，但是4#中并无现存的岩石微小颗粒提供晶核，故只有一种可能，就是淀粉的絮凝可以为NaCl结晶提供结晶和晶体生长的基础。从日常生活中知道淀粉在液体表面易絮凝，故由4#、5#实验中的结晶产生于液体表面，可知NaCl可沿淀粉絮凝物结晶并生长。由淀粉絮凝还发生在凝灰岩裂缝和表面可推知，淀粉可使得NaCl在凝灰岩裂缝和表面发生结晶，结合图5及扫描电镜观察结果，可认为凝灰岩裂缝和表面由于凝灰岩强烈吸水而存在NaCl结晶，这种结晶同淀粉膜一起对井壁阻水防塌有一定作用。

3.5 钻井液对可溶物溶出的阻碍

在凝灰岩的分解垮塌过程中，由饱和盐水中凝灰岩稳定性较水中极大提高可知，可溶物溶出对凝灰岩分解垮塌起重要作用。故需确定到底是何种物质起作用，钻井液是否能阻碍该物质的溶出等问题。通过对可溶物质及溶出状态的对比分析，可以研究钻井液的阻溶能力。由于凝灰岩在5 min内基本完成分解，故首先检测5 min内的离子溶出状态，结果见表2。

表2 5 min内水浸泡凝灰岩的溶液离子浓度 mg/L

表2实验，水没出凝灰岩少许。由表2可知：凝灰岩近于已完全分解的5 min快速水分解溶液中（pH值7.8），离子浓度较大的为K+、Na+、Ca2+和Mg2+，与其余离子有数量级差距，说明这些离子的盐溶出较快，Na+、K+、Ca2+和Mg2+对凝灰岩遇水垮塌可能有一定影响。

为测试钻井液成分对可溶物溶出的阻碍，设计了按钻井液防塌配方成分进行增加溶质种类的溶出对比实验，增量溶液物质下浸泡凝灰岩相同时间的溶液离子对比结果见表3（岩石质量及液体体积相同），凝灰岩在表3的2#～5＃序列中的稳定性依次增加。

表3 增量溶质下浸泡凝灰岩3 d的溶液离子浓度 mg/L

由表3可知：（1）按钻井液防塌配方增量序列，多数离子溶出呈较明显的下降趋势（Na+由于饱和NaCl为基础不具可比性），对应凝灰岩在液体中的稳定性呈相反的上升趋势，说明这些配方成分有明显的防止可溶物溶出的功能；（2）按增量序列，Ca2+和Mg2+浓度呈明显的下降趋势，说明Ca2+和Mg2+可能为功能离子，K+的溶出受溶液成分影响不大，说明K+随凝灰岩分解溶出较快，也可能为功能离子；（3）对比2#和3#，加有NaOH的溶液中，各离子浓度均大幅度降低，说明NaOH对物质溶出具有阻碍作用或对食盐结晶堵塞有较大的帮助。表3中，由于浸入的凝灰岩为块状，所以虽凝灰岩的质量和实验溶液体积相同，但由于凝灰岩的成分具有不均一性，故部分离子浓度有一定差别，但可确定趋势。

由上可知，在凝灰岩垮塌过程中，Na+、K+、Ca2+及Mg2+的溶出与垮塌可能有较大联系，需确认。使用这4种离子的饱和溶液来进行凝灰岩浸泡验证，结果表明：Ca2+及Mg2+饱和溶液无明显的防塌作用，Na+、K+饱和溶液防塌作用明显。实际上，由凝灰岩的化学反应研究可知［3］，除Na+、K+外表1中其余离子的饱和溶液均无明显效果，K+系列中的KNO3、K2SO4等多种钾盐的防塌效果较弱，应使用Cl-和Br-为阴离子。

由凝灰岩在饱和NaCl溶液中稳定性较在水中的稳定性显著提高，及凝灰岩在钻井液配方溶液中可保持10 d以上稳定性的现象，结合表3的离子浓度变化可见，虽凝灰岩不是典型的盐溶岩石，但离子溶出对凝灰岩垮塌具有重要作用，阻止凝灰岩离子溶出可起到防塌作用。

4 结论

（1）钻井液配方中，碱性环境中可溶淀粉絮凝具有强烈的堵塞作用；NaOH具有一定的阻碍凝灰岩中可溶物溶出的作用，并可形成Fe（OH）2等胶体；凝灰岩浸提液可增加钻井液中凝灰岩可溶出成分的离子浓度以降低井壁凝灰岩物质溶出速度。

（2）钻井液中的可溶淀粉沿凝灰岩裂缝及表面絮凝，井壁由淀粉絮凝物、NaCl结晶及胶体形成的混合膜覆盖，极大地阻碍了水浸入凝灰岩层，钻井液的隔水能力是防塌的重要原因。

（3）饱和盐水+NaOH对凝灰岩中的可溶物溶出有初步的阻碍作用，絮凝结晶及膜覆盖后溶出被进一步阻止，钻井液具有较强的阻溶能力亦是防塌的重要原因。

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（修改稿收到日期 2013-12-26）

〔编辑 朱 伟〕

Anti-caving mechanism analysis of saturated saltwater drilling fluid for high expansion tuff

ZHENG Mingxiong1,2,LI Feng2
（1.Computer Center,Kunming University of Science and Technology,Kunming650500,China;2.Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming650093,China）

s:To solve the problems with drill pipe sticking caused by high-expansion and collapse tuff,the drilling fluid has been developed in early stage research,and the anti-caving mechanism of the saturated saltwater drilling fluid is discussed in this paper.Here,by discussing the functions of the soluble starch,NaCl,NaOH,tuff extracting solution and the wall film components,the anti-water and anti-caving function of the drilling fluid is studied.By designing incremental solvent anti-sloughing experiments and comparing the dissolution ion state,the anti-dissolving function is studied too.Researches show that,the soluble starch of the formula flocculates along the crack when it loses water,and the flocculation may block the channels along which the solution go into the tuff,and,soluble starch provides the basis for NaCl crystallization;the adding of NaOH contributes to the NaCl crystallization and NaOH can prevent the salt solution;saturated NaCl can block the solution of the salt in tuff and NaCl crystallization can block the channels;the tuff extracting solution plays an important role in preventing dissolution of the salt solution,and in helping the crystal formation.After the well tuff absorbs water,under the common action of NaCl and other components,the hybrid film which contained NaCl crystallization is formed on the well wall.All the flocculation,crystallization and film prevent water infiltration into the tuff.The quantitative and qualitative analysis shows that the leaching of soluble matters plays an important part in tuff breakdown and collapse.The quantitative analysis of the leached material shows that,the drilling fluid not only prevents collapse and obstructs water obstructing physically,but also it prevents dissolution and collapse chemically.

saturated saltwater drilling fluid;tuff;anti-caving mechanism

郑明雄，李峰.饱和盐水钻井液对高膨胀凝灰岩的防塌机理分析［J］.石油钻采工艺，2014，36（1）：51-56.

TE254

：A

1000-7393（2014）01-0051-06

10.13639/j.odpt.2014.01.014

云南省教育厅基金“基于垮塌机理的澜沧凝灰岩钻井液研究”（编号：2013Y312）。

郑明雄，1974年生。1998年毕业于西南石油大学石油工程专业，主要从事地质及钻井工程方向的研究，博士，副教授。E-mail：zhmxggg@126.com。