石英砂粒径和含量对成膜钻井液滤失性能和抑制性能影响规律的研究

周 斌，朱 林 ，莫定强

(1.湖南省中彩机械化施工有限责任公司， 湖南 长沙 410208；2.中南大学 地球科学与信息物理学院， 湖南 长沙 410083；3.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南 长沙 410083)

0 引 言

井壁稳定性问题一直是钻探领域普遍存在的一大技术难题，经过国内外专家和学者不懈努力，钻井过程中的井壁稳定性问题得了长足进步，但是仍没有得到彻底解决。据统计，全世界每年用于维持孔壁的费用多达10亿美元。在粗颗粒含量大、渗透系数大的浅部地层中进行非开挖钻探作业时，由于浅部砂卵石地层的颗粒间胶结弱、孔隙大，普通钻井液循环时漏失严重导致不能平衡地层压力，从而引起塌孔、埋钻等事故，造成严重的经济损失[1-2]。近些年来兴起各种钻井液成膜技术，其中以硅酸盐为代表的水基成膜钻井液体系能够在井壁上形成半渗透膜，从而有效地控制空隙压力的传递，使孔壁具有较好的稳定性，故尝试将成膜钻井液引入到非开挖领域中。钻井液成膜技术就是通过在钻井液中加入成膜材料，使钻井液能够在井壁表面形成一层半透膜或隔离膜结构，即在井壁的外围形成保护层，阻止或减小钻井液及滤液进入地层，封堵地层裂隙，保持井壁稳定。

渗透系数大的地层普遍存在钻井液难以短时间内形成泥饼的问题，解决该问题的常用办法是向钻井液中加入粗粒材料或高聚物。国内外大量相关专家学者通过室内外试验的方法对钻井液成膜问题展开研究。Talmon等[3]发现在钻井液中添加悬浮砂能够缩短滤饼形成时间，Heinz等[4]发现加入粉土、砂土等添加剂的膨润土泥钻井液在高渗透性地层中的渗透距离更短；Fritz等[5]通过试验得出，在钻井液中加入砂子、蛭石、聚合物等添加剂可以在高渗透性地层中形成泥饼；刘成等[6]通过研究发现添加适量轻质粗粒材料可以有效缩短泥饼形成时间和降低滤失量，但添加量达到一定值，其改善效果降低；吴迪[7]等研究发现泥浆的相对密度反应了单位体积内所能提供的用于孔隙填充的颗粒数量，是影响滤水量以及填充致密程度的首要因素；王春河等[8]发现在废浆中加入高分子材料和膨润土材料可以提高开挖面的稳定性。

已有研究表明，通过加入添加剂增大钻井液颗粒尺寸或直接添加粗粒材料能够提高渗透系数较高地层的泥饼质量，但就对加入的石英砂粒径和含量对成膜钻井液的滤失性能和抑制性展开的研究很少。笔者选择石英砂作为钻井液粗粒添加材料，通过全实验的方法开展粗颗粒粒径和含量对成膜钻井液滤失性能和抑制性能的影响规律研究，以期为高渗透地层成膜钻井液应用提供一定理论指导。

1 实验材料

硅酸盐成膜钻井液体系选用硅酸钠溶液作为成膜主剂，由于单独使用硅酸钠溶液时，其粘度与清水一般，成膜效果不太明显，加之其碱性较强，直接使用会对钻具造成一定的腐蚀，所以论文借鉴前人研究成果选取与硅酸钠溶液配伍性较好的处理剂作为成膜助剂[9]，然后通过硅酸盐溶液与成膜助剂的复配试验通过室内试验，确定了以水+12%膨润土为基浆，羧甲基纤维素钠（CMC-Na）、聚丙烯酰胺（PAM）、硅酸钠（Na2SiO3）、氯化钾（KCl）为添加剂的成膜钻井液配方。钻井液由膨润土、水、CMC、PAM、硅酸钠、氯化钾按照120:880:15:3:33.33:16.67的质量比进行配置而成。

将不同粒径区间和不同质量的石英砂加入成膜钻井液体系中以研究粗颗粒材料加入后对成膜泥钻井液体系的影响情况，石英砂的粒径区间有20～40目、40～80目、80～120目三个水平；质量有1，2，3，4 g四个水平。

2 实验设计

采用全面试验的方法展开粗颗粒材料对成膜钻井液滤失和抑制性影响规律的研究。在试验设计中，为了获得全面试验信息，对所选取的试验因素的所有水平组合全部进行一次以上试验，这种方法称为全面试验设计法，通过全面试验能得到最优配方，它适用于考察的因素和水平数都不多的情况。本实验由于只考虑石英砂粒径和质量两个因素对成膜钻井液的影响，试验次数总共 13个（其中 1个为对照实验），故可以用全面试验的方法。全面试验设计方案见表1，其中13号试验为对照实验。

3 试验结果与分析

3.1 滤失结果分析

在压差作用下，钻井液的自由水向井壁岩石的裂隙或者孔隙中渗透，称为钻井液的滤失作用。滤失作用的强弱用滤失量来表示，滤失量的评价在国内外均采用API滤失量，即钻井液在规定的压差下通过一定的渗滤断面30 min内的滤失量来衡量。

本实验先称取880 g 65℃的水置于容器中，打开搅拌器慢速搅拌，同时称取15 g CMC，缓慢加入搅拌器中并适当提高搅拌器转速，当CMC充分溶解后称取3 g PAM缓慢放入搅拌器中，待其完全溶解后称取33.33 g Na2SiO3和16.67 g KCl放入搅拌器中，搅拌均匀后按照表2依次称取各石英砂放入搅拌器中，搅拌3 min后适当降低转速，最后加入120 g膨润土，适当提高转速，搅拌5 min后取适量钻井液倒入已垫好滤纸的六联失水仪钻井液杯中，将钻井液杯密封好后将量筒置于六联失水仪托盘上，随后打开气源，将压力控制在0.69 MPa，然后缓慢打开减压阀芯，开始滤失，滤失30 min后关闭气源，关闭减压阀，读出滤失液体积，最后打开减压阀将气排除。滤失数据如图1所示。

表1 全面试验设计方案

图1 滤失数据图

由图1可知，当石英砂添加量从0～3 g时，所有成膜钻井液的滤失量都呈下降趋势。当石英砂添加量为3 g时成膜钻井液的滤失量最小，当继续增加石英砂，滤失量却出现增加的情况，这说明对于成膜钻井液而言并不是加入的粗颗粒材料越多，其滤失越小，而是在粗颗粒质量增加的过程中随着粗颗粒含量增加，钻井液中的级配发生变化，其中存在一个所对应滤失量最小的最优级配。另一方面，40～80目的石英砂成膜钻井液的滤失量几乎一直是最小的，20～40目的石英砂成膜钻井液滤失量最大，80～120目的石英砂成膜钻井液的滤失量在两者之间。这也说明成膜钻井液中加入粗颗粒后，其滤失量在一定粒径区间范围内随粒径的减小而减小，当超过这个范围后，粒径减小其滤失量增加。

3.2 抑制膨胀结果分析

钻井液对粘土矿物水化膨胀的抑制性程度与地层的井壁稳定关系十分密切，若钻井液抑制膨胀差，则钻井液中侵入到地层的水多，会导致井壁稳定性差。因此钻井液体系必须具有很强的抑制水化膨胀和水化分散能力。采用页岩膨胀仪测试膨润土岩芯在钻井液体系中的膨胀量，得出成膜钻井液体系抑制泥页岩膨胀的好坏。具体做法是：先在测筒底盖内垫一层滤纸，旋紧筒底盖，称取10 g膨润土装入测筒内，把测筒放在压力机上均匀加压，直到压力表上指针读数为0.4 MPa，稳压10 min后卸去压力，取下测筒，把测筒安装在膨胀仪上，在泥浆杯中分别加入各组已配制好的钻井液，最后将膨胀仪放入泥浆杯中，使杯内液体淹没测筒，同时将膨胀仪上膨胀量置零，此时开始计时和测量膨胀量。由于实验结果分析要考虑时间效应、石英砂粒径、石英砂加量以及膨胀量，故可从石英砂加量和石英砂粒径两个方向来分析石英砂对成膜钻井液的抑制膨胀影响。

3.2.1 石英砂加量对膨胀结果分析

以石英砂加量为影响因素，成膜钻井液膨胀量为实验结果进行石英砂加量对膨胀量影响分析。各试验号的膨胀量如图2～5所示（其中0号试验为清水对照实验，13号实验是未加入石英砂对照实验）。

图2 20～40目石英砂钻井液膨胀量

由图2可知，对于加入清水作为对照实验的膨润土岩芯膨胀量远远大于其他各组成膜钻井液，其中膨润土岩芯在清水浸泡 12 h的膨胀量接近于在成膜钻井液浸泡12 h膨胀量的3倍。膨润土岩芯遇水会快速水化膨胀，而图2结果表明其在成膜钻井液中的水化膨胀量远小于清水，这表明成膜钻井液在膨润土岩芯表面形成了一层隔离膜，减少了水的渗入，说明成膜钻井液能一定程度上维持孔壁稳定。

图3 20～40目石英砂钻井液膨胀量

图4 40～80目石英砂钻井液膨胀量

图5 80～120目石英砂钻井液膨胀量

图3结果显示，膨润土岩芯在20～40目石英砂成膜钻井液中浸泡12 h的膨胀量在0.6～0.8 mm之间。对于粒径为20～40目石英砂而言，当其加量为2 g时，膨润土岩芯在成膜钻井液的膨胀量最小，加量为1 g时膨胀量稍大，加量为3 g时膨胀量最大。膨润土岩芯在未添加石英砂的成膜钻井液膨胀量均大于加入石英砂成膜钻井液的膨胀量，这说明对于20～40目的石英砂成膜钻井液而言，通过加入石英砂可以一定程度提高成膜钻井液的抑制性。所有的实验结果都表明，膨胀量增加随时间的增加而逐渐减小。

图4结果表明，膨润土岩芯在包括对照组在内的所有40～-80目石英砂成膜钻井液中浸泡12 h的膨胀量均在0.6～0.8 mm之间，且膨胀量增量均出现随时间的增加而减小的趋势。其中膨润土岩芯在含量为2 g的40～80目石英砂钻井液中的膨胀量最小，含量为4 g的膨胀量稍大，3 g的膨胀量最大。膨润土岩芯在含量为2 g和4 g的40～80目石英砂钻井液的膨胀量均小于未加入石英砂的钻井液，即对于40～80目石英砂成膜钻井液而言，当加入石英砂质量为2 g或者4 g时能提高钻井液的抑制性。

由图5可知，膨润土岩芯在80～120目石英砂成膜钻井液中浸泡12 h后的膨胀量在0.6～0.8 mm之间，膨润土岩芯在 80～120目石英砂浸泡的膨胀量随石英砂加量的增加而增加。膨润土岩芯在80～120目石英砂成膜钻井液中浸泡的膨胀量除了含量为4 g时的膨胀量大于对照实验，其他均小于对照实验，这表明当向成膜钻井液中加入的80～120目石英砂含量超过一定量后钻井液体系的抑制膨胀性反而降低。

3.2.2 石英砂粒径对膨胀结果分析

将石英砂粒径为研究对象，以膨润土岩芯在各加入不同粒径的石英砂成膜钻井液中浸泡的膨胀量为结果进行石英砂粒径对膨润土岩芯膨胀影响进行分析。膨润土岩芯在加入不同石英砂粒径的成膜钻井液中浸泡的膨胀量结果如图6～9所示。

图6 1 g石英砂钻井液膨胀量

图7 2 g石英砂钻井液膨胀量

图8 3 g石英砂钻井液膨胀量

图9 4 g石英砂钻井液膨胀量

图6 结果表明，当加入的石英砂质量为1 g时，膨润土岩芯在不同粒径的石英砂成膜钻井液中浸泡120 min以前，粒径为40～80目的石英砂成膜钻井液的膨胀量最大，未加入石英砂的成膜钻井液膨胀量次之，20～40目石英砂成膜钻井液膨胀量最小。当浸泡720 min时，膨胀量随粒径的减小呈现先增后减的规律，具体表现为：80～120目石英砂成膜钻井液膨胀量最小，20～40目石英砂成膜钻井液膨胀量稍大，40～80目石英砂成膜钻井液膨胀量最大，对照组膨胀量稍微大于 20～40目石英砂成膜钻井液，且小于40～80目石英砂成膜钻井液。

由图7可知，当向成膜钻井液体系中加入的石英砂为2 g时，膨润土岩芯在对照组的膨胀量最大，这表明当石英砂加量为2 g时，加入不同粒径的石英砂均能提高成膜钻井液的抑制性。膨润土岩芯在20～40目石英砂成膜钻井液中浸泡后的膨胀量最小，80～120目石英砂成膜钻井液膨胀量稍增，40～80目石英砂成膜钻井液中的膨胀量最大。即当石英砂加量为2 g时，膨胀量随粒径的减小呈现先增后减的规律。

由图8可知，当石英砂含量为3 g时，各试验号膨胀量在浸泡120 min左右时开始出现明显的倒转，120 min以前，粒径为80～120的石英砂成膜钻井液的膨胀量最大，40～80目的石英砂成膜钻井液膨胀量最小，120 min以后80～120目石英砂成膜钻井液的膨胀量最小，20～40目石英砂成膜钻井液膨胀量稍大，对照组膨胀量稍大于20～40目石英砂成膜钻井液膨胀量，40～80目石英砂成膜钻井液膨胀量最大。即当石英砂含量为3 g，浸泡120 min后20～40目和 80～120目石英砂成膜钻井液的抑制性均优于未加石英砂的成膜钻井液。石英砂加量为3 g时，成膜钻井液的膨胀量随粒径的减小出现先增后减的规律。

由图9可知，膨润土岩芯在石英砂粒径不同、加量为4 g的成膜钻井液时浸泡12 h后80～120目的石英砂成膜钻井液的膨胀量最大，对照组次之，40～80目石英砂成膜钻井液膨胀量再次之，20～40目石英砂成膜钻井液的膨胀量最小。即当石英砂加量为4 g时，成膜钻井液的膨胀量出现随石英砂粒径的减小而增加的趋势。当加入石英砂4 g时，粒径为20～40目和40～80目石英砂成膜钻井液抑制膨胀性比未加石英砂的成膜钻井液强。

4 结 论

以硅酸盐成膜钻井液体系为研究对象，以石英砂为封堵材料，通过全面实验就石英砂粒径和加量对成膜钻井液滤失性能和抑制性能影响规律展开研究，得到以下结论：

（1）成膜钻井液中加入石英砂后，一定范围内的粒径减小和石英砂含量增加会引起钻井液体系滤失量减小，当超过这个范围后，滤失量开始增加。

（2）膨润土岩芯在加入石英砂的硅酸盐成膜钻井液中浸泡12 h后的膨胀量均在0.6～0.8 mm范围内。

（3）膨润土岩芯在质量分数为0.2%、粒径为20～40、40～80目的石英砂以及质量分数为 0.1%下粒径为 80～120目的石英砂硅酸盐成膜钻井液中浸泡后的膨胀量最小。

（4）当加入的石英砂质量分数在 0.1%～0.3%时，膨润土岩芯在硅酸盐成膜钻井液中的膨胀量呈现随粒径的减小先增后减的规律，当加入的石英砂质量分数大于0.3%时，膨润土岩芯在硅酸盐成膜钻井液中的膨胀量呈现随粒径的减小而增加的规律。