水敏性地层钻探泥浆性能优化及配制

代万庆，薛艳，颜巧云

（河南省地质矿产勘查开发局第一地质勘查院，河南 郑州 450001）

0 引言

由各种粘土或粘土经后生作用形成的泥岩、页岩等组成的岩层称为水敏性地层，较为典型的水敏性地层有粘土层、泥岩层、软页岩层、粘土胶结硬页岩层等［1-3］。

水敏性地层钻探常出现泥浆增稠、钻速急速下降、钻头泥包不进尺和偏磨损坏、孔壁缩径及掉块剥落、钻孔埋钻、钻具折断等不利情况，这些情况与泥浆性能紧密相关。

解决水敏性地层钻探泥浆性能问题，对提高钻探质量和效率意义重大。

1 工程概况

1.1 工程简介

“河南省通许凸起许昌—鄢陵岩溶热储地热资源调查评价地热钻探井”为河南省自然资源厅2019年度省财政地质勘查类招投标项目。地热井位于许昌市五女店镇苗店村西村边，于2020年4月30日开钻，10月4日终孔。

钻孔从上至下揭露地层情况见表1。

表1 地热井地层情况Table 1 Stratum of the geothermal well

1.2 施工中出现的问题

前期泥浆配方为（1 m3泥浆）：山东高阳粘土70 kg，Na2CO3（碳酸氢钠）2.80 kg，PAN（水解聚丙烯腈）0.1%~0.2%，CMC（钠羧甲基纤维素）0.1%~0.2%，NaOH（氢氧化钠）0.1%。

泥浆性能指标见表2。

表2 泥浆性能指标Table 2 Mud performance index

在施工过程中，井深300 m以浅，钻进施工进展顺利，井深超过300 m后，施工出现了一系列问题。钻探施工异常情况见表3。

由表3可知，泥浆性能不适用于水敏性地层钻探需求是导致钻探异常的主要原因。

表3 钻探问题原因分析Table 3 Cause analysis of the drilling problems

2 水敏性地层对钻探泥浆性能的需求

由表1可知，地热井地层大部分为粘土、泥岩或者粘土和泥岩互层等水敏性地层。

取该井岩样进行岩矿鉴定，鉴定结果见表4。

由表4可知，该井水敏性地层主要成分为高岭石、伊利石，局部以蒙脱石为主。

富含高岭石、伊利石的地层，吸水后粘土颗粒进入泥浆，加大泥浆表观粘度和滤失量，作为有害颗粒，较易沉淀于井底，导致钻速急剧降低。井壁吸水后不稳定，易剥落掉块。

富含蒙脱石的地层吸水后粘土水化分散进入泥浆体系，加大泥浆稠度和粘度，增大了钻头糊钻、偏磨、泥包及钻具“粘钻”风险；井壁易出现缩径和流散。

基于水敏性地层成分的特点，其对钻进泥浆性能需求如下［4-13］：（1）低滤失量，减少井壁的吸水量，减缓井壁的水敏性趋势；（2）低密度。泥浆密度过大，泥浆液柱的压强高，泥浆的滤失量就高，易引起井壁粘土的水化分散；（3）良好的流动性，低的泥浆粘度，降低循环液泵压，减少滤失量；合适的“动塑比”，泥浆携、排岩屑能力、钻进效率就高；（4）强抑制性，能增强泥皮的强度、降低泥浆滤失量；抑制粘土坍塌掉块、水化分散的趋势。

水敏性地层钻进需要滤失量小、密度低、流变性好、抑制性强的泥浆。

3 泥浆配制的设计思路

由水敏性地层的成分、水化机理及钻进泥浆性能需求［14-20］，选择蒙脱石含量高的膨润土，用烧碱或食碱改性和陈化，制成优质基浆；选取合适、经济的高分子处理剂及阴、阳离子种类和浓度，增强粘土的分散稳定性，降低泥浆的滤失量，抑制地层水化分散趋势，提高泥皮致密性和强度，加强孔壁的稳固性，调节泥浆的动塑比，提升泥浆携排能力。

表4 水敏性地层成分含量岩矿鉴定Table 4 Identification of the rock and mineral contents of water sensitive formation components

采用窒内试验与正交实验极差选择法相结合进行优化，确定最适宜本项目水敏性地层钻探施工的泥浆配方。

3.1 基浆的确定

山东高阳膨润土性能优良稳定，故选其作为基浆材料。资料及实践证明，粘土含量4%的泥浆，其表观粘度低而动塑比高。

3.2 泥浆处理剂的选择确定

无机处理剂：常用的有烧碱（NaOH）和纯碱（Na2CO3）。Na2CO3提 高pH值 的 能 力较 弱，清 除钙、镁离子的效果比NaOH强；生产安全性相对较高。故无机处理剂选用Na2CO3。

有机处理剂：常用的泥浆降失水剂有钠羧甲基纤维素（Na-CMC）、腐殖酸钾（KHm）、聚丙烯腈胺盐（NH4HPAN）等。

KHm是良好的降失水剂、稀释剂和防塌剂。K+能增强粘土中伊利石的聚结稳定性，KHm与粘土颗粒吸附性较强，有加强泥皮强度、降低泥浆滤失量的作用［5-7］。

Na-CMC与粘土颗粒吸附在一起，能使粘土颗粒的水化膜厚度增厚，提高泥浆的切力，增高泥浆的粘度。低粘CMC和中粘CMC一般降失水性能明显，做降失水剂，而高粘CMC增粘效果显著，做增粘剂［5-7］。选择了聚合度为200~600之间、取代度为80%~85%的中粘CMC作为降失水剂。

NH4HPAN中的NH4+能抑制粘土颗粒的水化分散，能加厚粘土的水化膜，降低粘土水化及坍塌趋势，减少泥浆滤失量，是良好的防塌剂和降滤失剂。聚合度为235~376、取代度为60%~70%之间的NH4HPAN较为适用［5-7］。

泥浆中岩屑等固体颗粒危害较大，水解聚丙烯酰胺（HPAM/PHP）吸附基团可将岩屑等有害固体颗粒吸附絮凝沉淀，控制泥浆固体含量。其长分子链吸附于孔壁上，也起到降低地层吸水水化膨胀、稳定孔壁防塌作用［5-7］。分子量为300万~500万、水解度在30%左右、浓度为100 mg/L左右、泥浆pH值在7~9之间时，絮凝作用最好。

3.3 泥浆初步配方的正交试验极差分析

基浆配方为（1 m3基浆）：山东高阳膨润土40 kg，Na2CO32 kg。

基浆中按质量比例分别加入KHm、Na-CMC（中粘）、NH4HPAN（分子量235万~376万、水解度60%~70%）、PHP（分子量300万~500万、水解度30%），在室内试验测定泥浆性能的基础上，用正交实验极差选择法对泥浆组方进行优化。

正交试验设计采用4因素3水平正交表。依据文献资料及生产实践经验，列出4种泥浆处理剂的水平值。泥浆处理剂正交试验因素及水平值设定详见表5。

泥浆正交试验测定的粘度、滤失量、泥皮厚度数据见表6。

表5 泥浆处理剂因素及水平值设定Table 5 Factors and level setting of the mud treatment agent

表6 泥浆正交试验测试结果及极差分析Table 6 Orthogonal test results and range analysis of the mud

根据表6极差分析情况，排列出各指标下每个因素的试验指标为：漏斗粘度（%）：BADC；滤失量（%）：BACD；泥皮厚度（mm）：BCAD。

依据各指标下试验结果，确定各因素的最优水平组合为：漏斗粘度（%）：B1A3D1C1；滤失量（%）：B3A1C3D2；泥皮厚度（mm）：B3C3A3D1。

由于漏斗粘度、滤失量、泥皮厚度3个指标确认的最优水平组合结果并不一致，我们再根据KHm、Na-CMC、NH4HPAN、PHP 4个因素影响的3个指标的主次顺序，结合水敏性地层对泥浆性能具体需求，确定出最优结果。

B（Na-CMC）是主要因素指标，对滤失量、泥皮厚度的影响大小排第一位，取B3；对漏斗粘度的影响也排第一位，取B1。取值B3与取值B1相比，漏斗粘度升高了18.33%，对泥浆性能不利；滤失量减少了27%，泥皮厚度减少了33%，对泥浆性能有利。水敏性地层的泥浆设计，滤失量是关键，故我们取B3。

A（KHm）也是主要因素，对漏斗粘度、滤失量的影响排第二位，对泥皮厚度的影响排第三位。优先考虑第二位的影响。考虑漏斗粘度的影响取A3，滤失量的影响取A1，对比A3与A1的试验值，漏斗粘度减少8%，滤失量减少23.33%，泥皮厚度减少4%。综合考虑，A3更优。

C（NH4HPAN）对漏斗粘度的影响排在第四位，是次要因素，对滤失量的影响排在第三位，为C3，对泥皮厚度的影响排在第二位，也是C3。所以我们取C3。

D（PHP）对漏斗粘度的影响排在第三位，为D1，对滤失量的影响排第四位，为D2，次要因素；对泥皮厚度的影响排第四位，为D1，也为次要因素。经过统计表6试验值，D2比D1在漏斗粘度升高1%，滤失量降低4%，泥皮厚度升高9%。针对水敏性地层，滤失量是关键因素，D2提升漏斗粘度的幅度也较小，综合考虑，取D2较为合适。

最佳护壁堵漏材料组合为A3B3C3D2。还原各组分添加量为：KHm 3%，Na-CMC（聚合度200~600、取 代 度80%~85%的 中 粘）0.4%，NH4HPAN（聚合度235~376、取代度60~70%）1.5%，PHP（分子量300万~500万时，水解度30%左右）100 mg/L。

最终确定泥浆配方为（1 m3泥浆）：山东高阳膨润 土40 kg，Na2CO32 kg，KHm 3%，Na-CMC 0.4%，NH4HPAN 1.5%，PHP 100 mg/L。

该配方不在正交试验组合配方之内。按该比例配制泥浆，室内测试该新配方泥浆性能指标见表7。

表7 新配方泥浆性能指标Table 7 Performance index of the new formula mud

4 生产实践效果

地热井从500 m井深起始，采用新配方泥浆钻进。比对500 m井深前后泥浆的性能、井内状况、钻探效率等情况如下：

（1）新配方泥浆的密度降低了4.6%，漏斗粘度降低了46.7%，降低了循环液液柱的静压强和泵压压强；新配方泥浆增加了泥皮的致密性，大幅降低了泥浆内有害固体含量，泥浆滤失量大大降低。

（2）使用新配方泥浆后，钻进顺利，纯钻进时间增多，井内事故未再发生，钻进辅助时间大幅降低，钻速提升明显。

（3）井孔状况得到极大改善，未再出现缩径、粘钻、卡钻等险情。

（4）牙轮钻头未再出现偏磨、泥包等不正常状况。

新泥浆使用前后钻探情况、生产效率、泥浆漏失量情况对比见表8。

实践证明，我们选取的泥浆材料是合适的，正交试验极差分析法确定的配方比例是准确的，新配方泥浆完全适应本项目水敏性地层钻探施工需求，效果良好。

5 结语

（1）水敏性地层钻探，对泥浆性能有特殊需求。泥浆性能不适宜时，循环液会出现粘度增高、滤失量增大、有害固体含量过多，钻孔缩径、孔壁坍塌，钻速低下、钻头偏磨及泥包、钻杆“粘钻”等不正常情况。

（2）本项目水敏性地层的主要成分以高岭石、伊利石、蒙脱石为主，厚度较大，地层吸水后坍塌掉块、水化流散情况较为严重。配制泥浆从降低泥浆滤失量、抑制粘土水化分散剥落掉块趋势、加强孔壁稳固性等需求出发，配制滤失量小、密度低、抑制性强、流变性好的泥浆。

表8 新配方泥浆使用前后钻进施工情况及浆液漏失量对比Table 8 Comparison of drilling results and mud leakage before and after using the new formula mud

（3）钻探施工效果不理想时，应及时调整泥浆配方。针对本项目地层条件，推荐泥浆配方为（1 m3泥浆）：山东高阳膨润土40 kg；Na2CO32 kg；KHm 3%；Na-CMC（聚合度200~600、取代度80%~85%的中粘）0.4%；NH4HPAN（聚合度235~376、取代度60%~70%）1.5%；PHP（分子量300万~500万时，水解度30%左右）100 mg/L。

（4）正交试验极差分析法应用于泥浆处理剂浓度的确定，具有室内配制试验次数减少、确定浓度准确的优势，是一种简便、经济、科学、快速和准确的方法。