水敏性地层地热钻井钻井液应用分析

王勇军

（山东省鲁北地质工程勘察院，山东 德州 253015）

0 前言

地热井钻井施工中常钻遇水敏性地层，时有地层膨胀缩径、井壁坍塌等现象出现，造成卡钻埋钻、甚至钻孔报废等事故，给地热钻井施工带来极大困难。众所周知钻井液是钻井工程的血液，是钻进过程中孔内安全的关键因数。目前国内子在地热井钻井液工艺上所做的研究还比较少，先进的钻井液工艺技术没有得到有效的推广，下面就现阶段水敏性地层钻井液的应用作简单分析。

1 钻井液对水敏性地层的影响

我们通常所说的水敏性地层是指遇水后易产生吸水膨胀、分散、崩解、剥落等现象的岩层，其共同特征是含有粘土矿物或水溶性矿物，根据所含粘土及水溶性矿物的物理化学性质、含量和软硬程度大致可分为两类：（1）溶胀分散地层：含大量粘土矿物的松软地层；（2）水化剥落地层：硬页岩、粘土胶结或水溶性矿物胶结的地层[2]。

经过物理化学分析，我们知道钻井过程中钻井液对水敏性地层的影响主要表现在对岩层的水化和冲刷这两个方面。

1.1 对岩层的水化

对岩层的水化主要是针对那些与水作用而发生复杂情况的泥页岩而言，根据泥页岩的水化机理一般可分为两种情况：

1.1.1 表面水化

岩层受上覆压力压实的过程中吸附水被挤出，当其表面在与水接触时，即发生吸水水化，并受能量释放的影响而造成水化膨胀；

1.1.2 渗透水化

渗透水化是由渗透压差（即离子浓度差）存在而产生的，是指水分子通过半渗透膜进行移动，当岩层遇水且岩层所含介质离子浓度高于泥浆介质离子浓度时，钻井液中的水向岩层移动，即产生岩层渗透水化[1]。

1.2 对岩层的冲刷

钻井液对岩层的冲刷是指钻井液循环过程对孔壁岩层的力学扰动作用，其主要取决于钻井液的流速和流态。

2 常见问题分析

在地热井施工中钻遇水敏性地层常见的问题有：孔壁掉块坍塌、钻井液侵污、地层吸水膨胀缩径等。

2.1 孔壁掉块坍塌

钻进中掉块坍塌多发生在页岩、含煤泥页岩等地层，其产生主要有两方面的原因：一方面，地层被钻穿后，破坏了岩层的力学平衡，加之重力的作用，导致孔壁失稳；另一方面，钻井液侵入地层使其产生水解、水化等作用，导致孔壁岩层松软、松散、剥落[3]。

处理孔壁掉块坍塌事故需要提高钻井液的护壁性能，使钻井液具有较低的失水量、一定的粘度、较好的抑制性、薄而韧的泥皮，并根据相应的地层压力选用适当的钻井液密度，此外还要设计合理的钻井液上返速度和流态，尽量降低钻井液对孔壁的冲刷破坏，严格控制钻井液固相含量。常用的处理剂有：羧甲基纤维素、水解聚丙烯晴、聚丙烯酸钾、磺化沥青、腐植酸钾等。

2.2 钻井液侵污

钻井液侵污主要是指钻进过程中地层高价阳离子、可溶性无机盐和粘土等侵入钻井液，造成钻井液性能的改变。

2.2.1 粘土侵

是指钻进中粘土不断进入钻井液中，导致钻井液中粘土含量超标，常发生在地层造浆的粘土层或泥页岩孔段，它的主要表现为，钻井液变稠，甚至不能流动，钻具被泥包，钻进效率低等。常用的处理方法是加清水、稀释剂稀释钻井液，同时添加处理剂维持钻井液的性能，常用的处理剂有铁铬盐、腐植酸钾、水解聚丙烯晴铵盐、火碱等，此外还要加强机械出砂，严格控制钻井液的固相含量。

2.2.2 高价阳离子和可溶性无机盐侵

主要发生在水溶性地层，如盐岩层、盐膏层、泥膏岩、膏泥岩等地层。其造成孔壁失稳主要体现在两个方面：（1）地层中胶结的盐膏吸水膨胀或溶解，使孔壁岩层结构遭到破坏，造成孔壁失稳；（2）地层中高价阳离子溶解进入钻井液中，破坏钻井液性能，导致钻井液变稠、失水量增大、pH降低等现象，使钻井液护壁性变差，孔壁失稳[2]。施工中常用的处理剂有：羧甲基纤维素钠盐、水解聚丙烯晴钠盐、铁铬盐、腐植酸钾、磺化沥青、水解聚丙铵盐、抗盐共聚物等。钻遇大段此类地层时，多采用盐水抑制性钻井液。

2.3 地层吸水膨胀缩径

地层吸水膨胀缩径主要发生在粘土层、软泥岩等地层，是指钻进过程中由于钻井液失水，地层中矿物质（一般为粘土矿物）水化，使其分子间力增加、水化膜变厚，造成地层体积膨胀、钻孔孔径缩小的现象。地层吸水膨胀的关键是地层的水化，控制地层的水化主要体现在两个方面：一方面，降低钻井液的失水量；另一方面，提高钻井液的抑制性、减弱渗透水化的作用。常用的处理剂有：羧甲基纤维素、腐植酸钾、水解聚丙烯晴铵盐、磺化沥青、重金石粉等。

3 应用实例分析

3.1 山东省某井队在河北霸州某地热井施工中使用磺化沥青、CMC、水解聚丙烯晴铵盐、腐植酸钾、聚丙烯酸钾配制钻井液，成功穿越了寒武系厚层泥页岩地层。

3.1.1 事故描述分析

三开钻进至2450m时，上返岩屑增多，上提钻具有阻力，根据上返岩屑判断井壁出现了崩塌，现场分析井壁崩塌的原因为：泥页岩吸水膨胀剥落，从而井壁发生崩塌。

3.1.2 钻井液配方

磺化沥青1%、CMC0.5%、KHM1%、聚丙烯酸钾0.3%、火碱0.1%。调节后钻井液性能如下：漏斗粘度23s（苏式），密度1.18g/ml，失水量7ml/30min，pH值9，泥皮厚度0.8mm。调整钻井液性能参数后，顺利穿过近两百米厚的泥页岩地层。

3.1.3 总结

磺化沥青在高温降失水、抑制岩层分散、稳定井壁方面有较好的作用；水解聚丙烯晴铵盐、KHM均为稀释型防塌将失水剂，其提供的NH4+和K+具有良好的防塌作用，同时控制了钻井液失水量和粘度[4]；聚丙烯酸钾中的聚丙烯酸根主要起包被和絮凝作用，K+具有较好的防塌作用；钻井液防塌性能很好，在配合CMC的使用，失水量亦得到了很好的控制，同时钻井液也具有一定的抗温性能。很好的解决了泥页岩剥落坍塌的问题。

3.2 山东某井队在江苏某地热井施工中采用聚丙烯酰胺—腐植酸钾钻井液成功穿越了二叠系含煤泥页岩地层。

3.2.1 事故描述分析

二开钻进至945m时钻探进尺突然加快，返出岩屑增多，随着钻进的进行，返出岩屑越来越多，且含有煤块，含量超过30%，从返出岩屑判断井壁出现了崩塌，现场分析为软弱的煤泥层在卸压和遇水的情况下发生坍塌。3.2.2 钻井液配方

KHM2%、高分子量（500×104）水解度30%的聚丙烯酰胺0.5%、水解度60%低分子量聚丙烯酰胺0.4%、水解聚丙烯晴0.3%、CMC0.5%、火碱0.2%。调节后钻井液性能为：密度1.21g/ml，粘度32s（苏式），失水量3.5ml/30min，pH值8.5，泥皮厚度1.0mm。调整钻井液性能参数后，顺利穿过厚达100m的煤泥岩地层。

3.2.3 总结

腐植酸钾在煤泥岩地层具有较好的防塌抑制性，同时聚丙烯酰胺具有良好的护壁作用，钻井液防塌护壁效果较好。

4 总结

4.1 水敏性地层对钻井液的总体要求是：低失水、适当的粘度、适当的密度、适当的pH值、较强的抑制性和能形成较好的泥皮护壁，另外还要求钻井液具有较好的流变性能，合理的流态。为了保证钻井液的性能、满足钻进的需要，应选用优质粘土造浆，同时选用合理处理剂调节钻井液的性能；此外还要加强地面出砂工作，控制钻井液中固相含量，强化钻井液质量管理。

4.2 水敏性地层钻井液的调节大致可总结为 “两个控制一个调节”，两个控制是：（1）对水的控制，要尽量降低钻井液的失水，减轻对地层的水化作用；（2）对钻井液—地层系统压力平衡的控制，要尽量使用平衡压力钻进。一个调节是：调节钻井液的流速及流态，以适合不同地层条件的要求。

［1］黄汉仁,等,编.泥浆工艺原理[M].北京：石油工艺出版社,1981.

［2］武汉地质学院,等.钻探工艺学中册[M].北京：地质出版社,1981.

［3］鄢捷年.钻井液工艺学[M].东营：石油大学出版社,2001.

［4］于进海,等.兴隆1井钻井液技术[J].北京：钻井液与完井液,2007,01.