泥、页地层中钻井冲洗液的应用研究

刘加才

（江苏省地质工程勘察院，江苏南京211102）

泥、页地层中钻井冲洗液的应用研究

刘加才*

（江苏省地质工程勘察院，江苏南京211102）

对苏南钻井经常遇到的泥、页岩地层特征进行研究，利用实验和对比分析的方法，提出冲洗液方案，并对该类地层中钻井冲洗液的作用机理和特点进行分析。在苏南临湖和石湖等地复杂地层地热钻井施工中，冲洗液的应用效果较好，孔壁稳定，钻孔质量好，钻进效率高。可以作为苏南地区泥、页岩地层地热钻井冲洗液应用参考。

泥、页岩；钻井；冲洗液

1 概述

泥、页岩层中水化造成孔壁不稳定，引起井壁缩径，进而垮塌，原因是地层中的粘土易吸水膨胀和分散，造成井壁的岩石强度降低，在钻进的过程中，冲洗液对井壁的冲刷作用，加上钻具回转对缩径井壁的撞击作用，导致井壁的垮塌，严重时发生吸钻、埋钻、造成井壁局部超径，影响冲洗液上返速度及降低冲洗液携带岩粉的能力，产生二次破碎。该类地层中井壁不稳定，实质上就是地层的水化问题，而水化分为表面水化和渗透水化。所以稳定此类地层，最主要的是控制水分子的流向问题。

配置优良的冲洗液能有效降低钻井液滤失量，封堵漏层，提高地层承压能力，以解决钻井过程中遇到各种复杂地层时易发生的漏失、卡钻、坍塌等技术难题[1-3]。

2 苏南地区泥、页岩地层概况

一般把复杂地层分为4类：力学不稳定地层、物理化学不稳定地层、漏失地层、中高温地层。泥、页岩属于物理化学不稳定地层，在这些钻进力学不稳定地层和物理化学不稳定地层中常常会发生孔壁的坍塌、掉快。造成此现象的因素主要有以下几方面：（1）岩层的性质、岩层的孔隙性、地层的含水情况；（2）孔壁岩层受冲洗液的破坏作用；（3）孔壁岩层的应力状态及压力变化；（4）钻进过程技术工艺及升降钻具产生压力激动的破坏作用。

江苏苏南地区比较常见的复杂地层有二叠系的煤系、侏罗系的软凝灰岩、白垩系的泥质砂岩、泥页岩以及水文勘察常见的漏失地层，其中泥、页岩地层因其在该地区分布广泛、厚度大，物质成分主要为泥质，遇水软化、膨胀，给现场钻探工作带来很大的难度。作者通过多年在该地区的勘探工作，对该地区的泥、页岩地层的地质特性及钻孔要求进行了总结，发现苏南地区的泥、页岩地层具有岩石松散、吸水膨胀的特性，钻孔过程中地层因吸水膨胀而缩径，钻进过程中冲洗不流畅，起下钻遇阻容易卡钻，所以在钻井过程中必须采用优质冲洗液钻进，以降低失水，保持泥浆矿化度。

3 冲洗液配比及作用机理

3.1 冲洗液配比

在确定泥浆的具体性能时还应考虑地层压力梯度、破裂强度和孔隙压力的大小以达到压力平衡钻进。当地层表面发生水化后则可能导致钻进困难，一般水化有2种：（1）表面水化：当地层中含有的粘土表面带有负电荷，吸附冲洗液中的水分子，引起粘土表面水化，使粘土变软和膨胀；（2）渗透水化：当地层中的电解质的浓度高于周围冲洗液中的电解质的浓度时，由于渗透作用，水分子由电解质浓度低的冲洗液渗入到电解质浓度高的地层内部，造成孔壁的水化膨胀、坍塌。临湖地热在1600m埋钻后，返钻杆时，此类地层由于坍塌严重，导致事故头难以找到，最终给钻井生产带来很大的麻烦。

针对此类地层的特性，选择低固相不分散冲洗液体系，以降低失水为主，最主要的还是保证冲洗液中的矿化浓度与地层中保持平衡，从而抑制水分子向地层中渗入。此类冲洗液主要是加入高分子聚合物水解聚丙烯酰胺，同时加入腐植酸钾提高矿化度，为了更好地阻止水分子向地层渗入，还加入油脂类磺化沥青做封堵剂和润滑剂。

由于不同水解的PAM对泥浆失水量的影响也不同，配置PAM的水解度与加碱量的关系表（见表1），而水解度对失水量的影响见图1（原浆比重为1.05，失水量为18）。

表1PAM的水解度与加碱量的关系表

图1 PAM水解度对泥浆失水量的影响

具体配比（见表2）及性能（见表3）如下：

配置步骤：首先使膨润土预水化，然后加入稳定剂CMC，使之包围在分散的粘土颗粒周围，稳定泥浆胶体；然后再加入水解度为30%的水解聚丙烯酰胺，搅拌均匀后加入腐植酸钾和磺化沥青。

表2 配比表

表3 性能表

需要说明的是，若不加CMC，直接加入水解聚丙烯酰胺，粘土会絮凝成团状，不利分散。30%的水解聚丙烯酰胺的配置有2种方法，中高温水解和常温水解，经试验而知，常温水解的粘度和分散效果比中高温好，中高温水解温度需煮沸至90℃～100℃。由于常温水解速度慢，所以一般要加过量的碱。2种水解方式的配比如下：

中高温水解：（7%）PAM∶NaOH∶H2O=10∶0.13∶60

常温水解：（7%）PAM∶NaOH∶H2O=10∶1∶60

3.2 冲洗液作用机理

不分散低固相泥浆，由于粘土含量较少，所以在孔壁形成的泥皮较薄，而加入PHP（水解聚丙烯酰胺）以后，它可以有效地把无用的固相颗粒絮凝成团，能防止岩屑分散，起到包被作用。长链的PHP在泥页岩井壁表面上产生多点吸附（见图2），并可横过微裂缝，从而阻止泥、页岩的剥落；同时能在井壁表面形成致密的吸附膜。减少水渗透进地层的速度，对地层的水化膨胀，起抑制作用。PHP还具有降失水作用，这点与CMC类似，通过提高液相粘度，其吸附基吸附在粘土的表面，众多的水化基束缚住大量的自由水，使失水量降低。

腐植酸钾也具有降失水作用，但同时它能提供K+，众所周知，K+能镶嵌在硅氧四面体氧原子组成的六角环中，能紧紧地把粘土片连结在一起。K+还可以减小粘土颗粒表面的水化半径，阻止其水化膨胀。通过加入腐植酸钾，还能提高冲洗液中的矿化度，阻止因为冲洗液与地层的矿物质浓度差导致水流向地层，钻孔中的几种作用力见图3。

磺化沥青物质亲水性差，亲油性强，能在泥皮上形成一层油膜，防止水分子的渗入，同时具有润滑作用，减少冲洗液循环对孔壁的冲刷作用。

图2 高聚物吸附粘土颗粒示意图

图3 井内作用力示意图

由于加入水解聚丙烯酰胺，能有效地对无用固相进行絮凝、聚沉，固相含量低，有利于提高钻进效率。在孔壁上形成的泥皮薄而韧、致密、富有塑性。具有较理想的流变性，剪切稀释作用强，润滑性效果好，对钻具及泥浆泵的易损件消耗减少。

4 工程应用

临湖地热420～690m为泥岩，第一口井泥浆运用不当，导致坍塌。返钻时，局部严重超径，找不到事故源头。在第二口井开钻后，上部比较软的地层，采用不分散低固相体系冲洗液，很好地抑制了地层坍塌，未发现缩径、超径等现象。在石湖地热上部泥岩地层使用此冲洗液方案，起下钻顺利无阻，下钻到底，未发生泥质包钻等现象。

配浆时，膨润土必须先预水化，且在加入PHP前必须先加入稳定剂中粘CMC；若失水量过大时，可适量加入低粘CMC，切勿加入无机降失水剂；由于PHP具有絮凝、选择性絮凝作用，絮凝后的岩粉很难在地面自然沉降，必须与机械除砂器配合。在除砂后，泥浆的切力和粘度会降低，必须进行絮凝剂补充，补充时在孔口循环槽慢慢加入补充即可。在石湖地热的实践中说明，不分散低固相泥浆在对付水敏性地层时效果相当好。

5 结论

钻井液具有良好的抑制性能是确保活性泥、页岩优质钻井的关键，应从多方面、多角度去评价钻井液抑制剂的抑制性能，同时应注重改进、完善钻井液抑制剂的评价方法，使其能够反映钻井液与井壁岩石、岩屑接触后的真实情况。

泥、页岩地层的钻井冲洗液应选择低固相不分散冲洗液体系，以降低失水为主。

[1]孙金声,苏义脑,罗平亚,等.超低渗透钻井液提高地层承压能力机理研究[J].钻井液与完井液,2005,22(5):78-81.

[2]薛玉志,刘宝锋,唐代绪,等.非渗透钻井液体系的研究与初步应用[J].钻井液与完井液,2005,22(2):73-76.

[3]Reid P,Santos H.Novel Drilling,Comp Letion and Workover Fluids for Dep Leted Zones:Avoiding Losses,Formation Damage and Stuck Pipe[C].SPE/IADC 85326,2003.

TE254

A

1004-5716(2015)01-0022-03

2014-06-10

2014-06-20

刘加才（1973-），男（汉族），江苏南京人，高级工程师，现从事水工环地质及地热地质研究工作。