钻井液性能要求及处理剂类型和作用

钻井液性能要求及处理剂类型和作用

一般而言，煤田地质勘探采用金刚石绳索取芯钻进在稳定岩层可使用清水作钻井液。而对各种不稳定岩层,如各种水敏岩层、破碎岩层、特别是对于深孔、长孔段的不稳定岩层,则必须采用泥浆作钻井液。由于金刚石岩心钻探内外管间隙小、钻头转速高、钻头价格贵,因此对泥浆提出了一些特殊要求。

金刚石绳索取芯钻进用钻井液，主要要求润滑性、流变性、滤失性、固相含量等项指标。并据此来选择钻井液类型、添加剂种类和工艺措施。

金刚石钻进要求钻井液有好的润滑性是不言而喻的。为发挥钻头的破岩效率，特别是使用孕镶钻头，要求高转速，只有泥浆润滑性能好，才能减少钻头磨损，提高钻头进尺；减少钻杆磨损和钻杆折断事故，降低功率消耗。不管用清水还是用泥浆作钻井液，都要重视其润滑性指标。

为保护孔壁和有效排除钻屑，要求钻井液有较好的流变性。以前用漏斗粘度来衡量流动性能是不够的。金刚石钻探的特点，要求钻井液通过小间隙处流动阻力小，即粘度小；而在大断面处粘度高，对孔壁冲刷小。

我们在金刚石绳索取芯钻探中应用流变学的理论解决生产实际问题，选择流变性能好的泥浆，取得较好满意的效果。

要使泥浆有较好的护壁能力，必须注意其滤失性能。失水量过大是造成泥页岩，盐类地层、破碎地层的膨胀、溶蚀、剥蚀、坍塌的主要根源。

在这些地层要求失水量低,金刚石钻进环空间隙很小，泥饼厚度过大是很不利的。此外，滤液的成分对护壁有重要影响。滤液中含有盐类离子、高分子材料等抑制性成分，即使失水量大一些，护壁能力也很好。因此，对滤失性能要注意失水量、泥饼厚度及滤液成分三个方面。为控制失水常加入多种降失水剂。

固相含量过高，尤其是钻屑含量过高，给钻进工作带来很多问题，如钻速下降、钻头寿命降低，设备磨损加快、孔内事故多。固相含量的多少和类型，直接影响到钻井液的流变性、滤失性和润滑性。

煤田金刚石绳索取钻进通常用低固相泥浆，固相含量可由比重观测。一般要求固相含量(体积)在4%以内，泥浆比重在1.06以下。

控制固相的方法有二；一是采用物理、化学的方法，即使用具有选择性絮凝的处理剂对钻屑起絮凝作用，而对搬士起增效的作用，或使用具有抑制性的处理剂，抑制钻屑的分散；二是采用机械的方法控制固相，安装机械净化设备。岩心钻探不能采用石油钻井的净化设备，必须按本身的特点发展净化装置。

一人工钠土、处理剂类型和作用 1、人工钠土

我国钙搬土资源非常丰富，我们的科研人员研制成人工钠搬土，建立了生产车间生产流水线，将钙搬土加工活化变成完全符合标准的钠搬土，其性能已能赶上美国商品土的指标，如表l所示。现在已经投产可以大量供应商品土，价格比国际市场价格低廉。比用钙土粉在现场改性价格便宜而性能优越。如表2所示：

表1

国家粘度计读数 R600 动塑比 YP／PV API失水 FL

API规范>30 <3 <13.5 MIL GEL(美) 53.4 1. 12.4 MAGCO GEL(美) 118.6 3.6 12.6 KONIGE一3V(日) 59 1.8 12.3 中国NaViL 50 1.7 9.5

(注：动塑比及失水为更重要的指标) 表2 产地

搬土类型粘度计读数

R600 视粘度 AV 动塑比 YP／PV 失水量 FL

山东钙土加碱23.6 11.8 1.36 15.4 高阳人工钠±30.6 15.3 2.36 10 山东钙±加碱 20.6 10.3 1.38 18 付马营人工钠土5O 25 1.70 9.5

我国还有极为丰富的海泡土及凹凸棒土资源，经加工其成品质量已达到标准。这两种土可用于高温地热井，盐类地层钻井及海上钻井。

2，润滑剂：

金刚石钻进使用的润滑剂，除使用传统的皂化溶解油，太古油外，还有癸脂酸钠，松香酸钠等

3、聚丙烯酸盐类处理剂：

不分散低固相泥浆中采用的一种双作用的泥浆处理剂～选择性絮凝剂：对无用固相絮凝，而对有用固相增效。理想的选择性絮凝是不易达到的。但是我们选用聚丙烯酸盐类处理剂，在钻探实践中收到良好的技术经济效益。具有流变性好、防塌，润滑性好等优点。

其中部分水解聚丙烯酰胺（PHP）分子量较大，水解度较低，作用偏重于絮凝。其中，水解度为30%的絮儗效果最好。

聚丙烯酸钠（HPA）、聚丙烯晴钠盐(HPAN)分子量较小，水解度较高，作用偏重于降失水和增效。

聚丙烯晴钙盐（CPAN）为钙盐，磺化聚丙烯酰胺（SPAM）为磺化体，它们抗污染能力较强，性能较为稳定。这些处理剂在现场广泛应用，是用得最多的一类处理剂。

4、纤维素类

羧甲基纤维素钠(CMC)，有高粘、中粘，低粘不同品种。高粘

CMC主要用于增粘，而中粘、低粘CMC用于降失水。

现在已有速溶产品。在调整一种泥浆性能时，常希望另一性能不发生变化。如调整失水量时，粘度不变化或变化很小，低粘CMC处理失水，可使粘度不致增大

5，腐植酸盐

腐植酸钾（KHm）为有效的防塌剂。用于防止泥页岩的水化、坍塌。具有防塌，降失水。和稀释作用。KHm在泥浆中提供K＋可将泥页岩中蒙脱石晶层内的Na＋置换下来，形成伊利石结构，抑制泥页岩的水化膨胀。在泥浆中，KHm高分子化合物吸附在±搬士表面，形成溶剂化层，降低泥浆的失水量。失水量减小能降低泥页岩的水化；

KHm降失水，同时使泥浆稀释，使静切力降低，这和CMC不同，CMC降失水的同时，使粘度有不同程度的增大。

KHm与PHP配合使用，防塌效果提高。现在已经生产有KP共聚物，具有防塌、润滑，抗Ca、Mg污染、稀释(粘度可控制)等优点，尤其适宜于金刚石绳索取心钻探。

6，磺花沥青

磺花沥青（DLSAS）是井壁稳定剂。用于泥页岩等水敏性地层，能有效地稳定井壁。具有降失水，防塌、润滑、防卡多种功能。尤其在深井，较高温度下降失水效果更好。

DLSAS还可作润滑剂使用，润滑系数较低，尤其能降低泥饼粘附系效。防止压差吸附卡钻

7、改性石棉

为泥浆结构剂，在泥浆中形成网状结构，可以增粘、提高携带岩粉能力，特别是抗盐，抗钙、抗高温。可用于大直径钻孔或超径钻孔携带钻屑，还可用于配制加重泥浆、悬浮加重剂等。

8.生物聚合物

生物聚合物（XC）是流变性调节剂，增粘剂和降失水剂等，为多用途的泥处理剂。在现有处理剂中，它的剪切稀释能力最好，能有效地改善流型、抗盐、抗钙能力很强，同时无毒，对环境无污染。对水文地质及水井钻进，岩盐，盐湖钻进等较为有利。

9、木质素类

铁铬木素磺酸盐是性能优良的稀释剂，具有反絮凝和抑制页岩钻屑分散的功能，目前还是陆上钻探用的重要处理剂，在钙处理泥浆、盐水泥球中是不可少的添加剂。

二、钻井液类型 1、坚硬稳定地层

采用润滑冲洗液。即在清水中加入润滑剂。常用皂化油、松香酸钠、癸脂酸钠等

2、硬、脆、碎不稳定地层

选用低固相、低粘度、低失水的PHP泥浆、泥浆中采用优质搬土加润滑剂，聚丙烯酸钠（HPA）或聚丙烯晴钠盐（HPAN）作降失剂，再加PHP作选释性絮凝剂。PHP的加量为lOO～300PPM，配制的泥浆比重为1.02、～1.03，不超过1.06

3、厚复盖层及泥岩地层

地层具有水敏性，孔壁易水化膨胀，钻屑自然造浆使泥浆增稠。应选用抑制性泥浆，用腐植酸钾、磺化沥青处理，能抑制泥岩水化膨胀。

还可用钙处理泥浆，如石灰泥浆或聚丙烯酸钙（CPA）、丙烯晴钠盐（CPAN）泥浆。防止泥浆增稠，

选用稀释剂如腐植酸盐、铁铬盐或无铬木质素。腐植酸钾加最在O.5～1.5%，磺化沥青的加量一般为1.5～2%。

4、破碎带、矿化带、蚀变带等不稳定地层

泥浆必须低固相、低粘度、低失水量。选用钠搬土配浆、减少固相含量，选用PHp 用作选释性絮凝剂、聚丙烯晴钠盐(HPAN)用于降失水和增效。磺化聚丙烯酰胺（SPAM）抗污染低粘CMC处理失水，同时选用能稀释而不增粘的处理剂，如腐殖酸钾（KHm），K P共聚物等。并采取泥浆净化措施。

5、水文地质钻探及水井钻进

选用优质土而不能用劣质土，处理剂可选用生物聚合物XC，剪切稀释能力强、增粘快、有利于携带岩粉、本身无毒，不影响水质。

ppm的含义

ppm含义为百万分之一，1ppm即是一百万分之一。

ppm可以用在质量上，一公斤(kg)的物质中有一毫克(mg)某物质，某物质含量即为1ppm；也可用在容量上，一千升(kl)的溶液中有一毫升(ml)的某物质，某物质含量即为1ppm；也可以质量和容量一起用，一公升的溶液中有某物质一毫克，某物质含量即为1ppm，这是因为以水来说，一公升(L)的水有一公斤重，一公斤比上一毫克的比值刚好是一百万分之一，也就是1ppm = 1 mg/L。

目前，在大多数科技期刊中，已经不使用ppm，而改用“‰”，ppm换算成‰为：

1ppm=0.001‰

1ppm=1mg/L(kg)=0.001g/L(kg)=1g/M3(T)=0.001kg/m3(T) 100ppm=100mg/L(kg)=0.1g/L(kg)=100g/m3(t)=0.1kg/M3(T) 1ppm=0.001%0 100ppm=0.1%0

在配置钻井液时，每立方米泥浆溶液加入一克重量的处理剂，其加入量称为1ppm，加入100克（0.1kg）重量的处理剂时，其加入量称为100ppm，以此类推

煤系水敏性地层经验钻井液配方 1、地层特点

进入煤系地层后，煤层层数多,结构松散，粘土、泥岩等水敏性地层在钻进过程中遇水后极易水化膨胀、造成钻孔垮塌、埋钻等事故。针对这种情况,必须配置高质量的钻井液。原浆采用优质膨润土加水再加纯碱适

2、技术重点

防塌、堵漏、抑制水化膨胀就成为钻井液技术的重点。 3、泥浆处理剂选择

水解聚丙烯腈胺盐(NH4-HPAN)、羧甲基纤维素钠(Na-CMC)、磺化沥青防塌护壁剂、803堵漏剂等四种泥浆处理剂。

原因是:①水解聚丙烯腈胺盐(NH4-HPAN)具有降滤失、降粘和抑

制页岩分散的作用。

②高粘羧甲基纤维素钠(Na-CMC)具有降滤失和增粘的作用。在泥浆中含量较高时,亦具有一定的抑制页岩水化膨胀能力。③磺化沥青防塌护壁剂具有良好的冷水分散性能,能够有效地抑制页岩膨胀和防止井壁坍塌;优良的降失水性能,泥皮致密坚韧;良好的润滑性能,可更好的防止粘附卡钻。④803堵漏剂具有较好的随钻堵漏效果。

4、钻井液经验配方

:清水1m3+钠土粉75kg+纯碱2kg+水解聚丙烯腈胺盐(NH4-HPAN)1.2kg（1200ppm）+羧甲基纤维素钠(Na-CMC)0.5kg（500ppm）+磺化沥青防塌护壁剂2.5kg（2500ppm）+803堵漏剂12.5kg。

5、性能指标

:密度1.04, 漏斗粘度28-30s ,滤失量7mL/30min, pH值为8.5。实验室用膨胀仪器测定的膨胀量为0.65mm/8h。

盐井钻探钻井液配方（盐水泥浆） 1、配方

清水1m3+陶土粉100kg+水分散沥青(SR401)3kg+璜化酚醛树脂（SMP-2）3kg+钠羧甲基纤维素（CMC）0.2kg+润滑剂（RH—4）1.5kg+盐（NaCI）32~35kg+木质素璜酸盐（FCLS）1.5kg+烧碱（NaOH）适量

2、性能

密度1.2~1.35 漏斗粘度35~40 s 失水量10ml/30min PH 值8~9 3、处理剂作用

水分散沥青(SR401)-----堵漏、防塌、润滑 璜化酚醛树脂（SMP-2）----降失水剂 钠羧甲基纤维素（CMC）-----增粘剂 RH—4------润滑剂

木质素璜酸盐（FCLS）-----稀释剂 烧碱（NaOH-----调节PH 值