地質鉆探常用鉆井液材料和處理劑

胡繼良 陶士先

(1.中國地質大學(北京) 北京 100083)

(2.北京探礦工程研究所 北京 100083)

鉆井液由鉆井液基礎材料及化學處理劑兩部分組成。鉆井液基礎材料是指在配漿中用量較大的基本組分,如膨潤土、水、油和重晶石等。處理劑是指用于改善和穩(wěn)定鉆井液性能,或為滿足鉆井液某些性能要求需要加入的化學添加劑。

鉆井液設計需要依據(jù)地層情況、鉆井液類型及材料特性進行選擇。

1 造漿材料

(1)膨潤土

膨潤土是水基鉆井液的重要配漿材料,分鈣膨潤土和鈉膨潤土兩種。

膨潤土在鉆井液中的作用:①增加粘度和切力,提高井眼凈化能力;②形成低滲透率的致密泥餅,降低泥漿濾失量;③對于膠結不良的地層,可改善井眼的穩(wěn)定性;④防止井漏。

鈣膨潤土需加入純堿使之轉化為鈉膨潤土后方可使用,純堿加量約為膨潤土量的5%左右。

鈉膨潤土國家標準:六速旋轉粘度計600r/min的讀數(shù)≥30,常溫中壓(690kPa)30分鐘失水量≤15m L,動塑比(動切力/塑性粘度)≤3,75μm濕篩篩余 ≤4。

(2)增效粉

增效粉是膨潤土經(jīng)化學改性后的升級產(chǎn)品。產(chǎn)品名稱為低粘增效粉(LBM-1),是一種集造漿土與泥漿處理劑性能于一體的多功能“方便面”式產(chǎn)品,在復雜地層中的護壁效果十分顯著。特別適用于金剛石繩索取心鉆探,可有效防止繩鉆鉆桿內(nèi)壁結垢問題。

水+3%LBM-1泥漿性能達到:表觀粘度≤7.0m Pa·s,動塑比0.1～0.4,API濾失量≤15m L,相對膨脹降低率(%)≥50。

2 加重材料

加重材料又稱加重劑,添加到鉆井液中以提高鉆井液的密度,用于對付高壓地層和穩(wěn)定孔壁。常用的加重材料有以下幾種:

(1)重晶石粉

重晶石粉是一種以BaSO4為主要成分的天然礦石。API標準為:密度≥4.2g/cm3,200目篩的篩余量≤3.0%。一般用于加重密度不超過2.30g/cm3的鉆井液,是目前應用最為廣泛的一種鉆井液加重材料。

(2)石灰石粉

主要成分為CaCO3,密度2.7～2.9g/cm3,用于配制密度≤1.68g/cm3的鉆井液。

(3)鐵礦粉和鈦鐵礦粉

前者主要成分為Fe2O3,密度4.9～5.3g/cm3;后者主要成分為 TiO2·Fe2O3,密度4.5～5.1g/cm3。用于配制比重更高的鉆井液。

3 配漿水

鉆井液的性能與配漿水的水質密切相關,施工現(xiàn)場配制鉆井液大都就地取水,因此,配制鉆井液時必須事先了解配漿水的水質。若配漿水礦化度較高,應加適量的純堿預先處理,以免影響膨潤土的造漿量和泥漿處理劑的性能。

4 無機處理劑

(1)純堿

主要作用:鈉化作用、沉淀作用。

應用:鈣膨潤土鈉化;鉆水泥塞或鉆井液受到鈣、鎂離子侵入時,加入適量純堿可有效沉除鈣離子,改善鉆井液性能;調(diào)節(jié)p H值。

(2)燒堿——堿度控制劑

主要作用:調(diào)節(jié)鉆井液的p H值;分散作用;沉淀作用。

注意:對泥頁巖地層而言,加入過量的燒堿(即p H值大于10),會加速泥頁巖的水化膨脹,縮徑造漿。從防止泥頁巖水化膨脹角度,建議使用低堿度鉆井液,p H值不超過9。

(3)氫氧化鈣、石膏、氯化鈣——無機絮凝劑及頁巖抑制劑

作用:①提供鈣離子,主要用于配制抑制型鉆井液。用氫氧化鈣配制低鈣鉆井液,濾液中鈣離子含量為120～200m g/L;用石膏配制中鈣基鉆井液,濾液中鈣離子含量為300～500mg/L;用氯化鈣配制高鈣鉆井液,濾液中鈣離子含量大于 1200～4000mg/L。②膠凝堵漏。鉆井液中加入大量鈣離子,可提高其結構粘度和切力,堵塞巖石的細小裂縫,減少漏失。

(4)氯化鈉——無機絮凝劑及頁巖抑制劑

主要用于配制鹽水鉆井液。

(5)氫氧化鉀、氯化鉀——頁巖抑制劑

用于配制鉀基鉆井液,氯化鉀加量一般≥4%。

(6)硅酸鈉——頁巖抑制劑

用于配制硅酸鹽泥漿,一般加量3～5%。

主要作用:①抑制泥頁巖水化膨脹,可吸附在井壁表面形成堅固的薄摸,防止濾液向地層滲透。②對于膠結較差的破碎及松散地層,具有較好的穩(wěn)定孔壁作用;③凝膠堵漏,加入到鉆井液或水泥漿中,可立即形成凍膠狀物質。

5 降濾失劑

(1)腐植酸鈉、磺化褐煤(磺甲基化褐煤)

特點:具有降失水、稀釋作用;熱穩(wěn)定性高(抗溫200～230℃),抗鹽能力差。

加量:一般為0.5～2.0%。

(2)纖維素類:主要指鈉羧甲基纖維素(Na-CMC),有低粘、中粘及高粘三種產(chǎn)品。其行業(yè)標準見表1。

鈉羧甲基纖維素具有降濾失和增粘作用,抗鹽能力強。

參考加量:淡水泥漿0.1～0.6%,鹽水泥漿0.5～1.0%。

(3)聚合物類

主要產(chǎn)品:水解聚丙烯腈鈉鹽和水解聚丙烯腈銨鹽。該類產(chǎn)品是優(yōu)良的降濾失劑,熱穩(wěn)定性好,抗溫可達200～230℃。水解聚丙烯腈鈉鹽,抗鹽能力強,抗鈣能力差;水解聚丙烯腈銨鹽具有降濾失、抑制粘土水化分散作用。該類產(chǎn)品的性能指標見表2(詳見 SY/T5062-94、SY/T5063-94、SY/T5316-94)。

表1 鈉羧甲基纖維素(Na-CMC)

表2 水解聚丙烯腈類產(chǎn)品性能指標

該類產(chǎn)品的參考加量:淡水泥漿0.3～1.0%;鹽水泥漿:1～2%。

(4)淀粉類

常用的降濾失劑。在淡水、海水和飽和鹽水泥漿中均可使用。

常用產(chǎn)品:羧甲基淀粉、接枝淀粉共聚物。

按OCMA標準,4%鹽水+35.0gOCMA評價土+1.0g碳酸氫鈉(基漿,API濾失量90±10mL)+0.9%試樣,其視粘度應 ≤9.0m Pa·s,濾失量 ≤10mL;飽和鹽水+35.0gOCMA評價土+1.0g碳酸氫鈉(基漿,API濾失量100±10mL)+1.2%試樣,其視粘度應≤12.0m Pa·s,濾失量應≤10mL。

推薦加量:淡水泥漿0.3～1.0%,鹽水泥漿1.0～2.0%。

(5)樹脂類

高溫降濾失劑(抗溫180～200℃),抗鹽、抗鈣能力較強。

常用產(chǎn)品:磺甲基酚醛樹脂、磺化褐煤樹脂(SPNH)。

產(chǎn)品加量為3～5%。

6 降粘劑

降粘劑又稱為解絮凝劑和稀釋劑。根據(jù)其作用機理的不同,可分為分散型稀釋劑和聚合物型稀釋劑。

(1)單寧類

主要產(chǎn)品有:單寧酸鈉、磺甲基單寧(SM T)、磺甲基栲膠(SM K)。

(2)鐵鉻木素磺酸鹽(鐵鉻鹽FCLS)

在淡水、飽和鹽水、高鈣鉆井液中均具有良好的稀釋效果,抗溫可達170～180℃。

鐵鉻鹽的缺點:必須在較高p H值下使用,需將鉆井液的p H值調(diào)至9～11,不利于孔壁穩(wěn)定;p H值較低時會產(chǎn)生大量泡沫;泥餅摩擦系數(shù)較高;對環(huán)境有污染。

推薦加量:淡水泥漿0.3～0.5%;鹽水泥漿0.5～2.0%。

(3)聚合物稀釋劑

主要是相對分子質量較低的丙烯酰胺或丙烯酸類聚合物,是非分散型降粘劑。

聚合物類稀釋劑具有稀釋和抑制作用,但在實際使用中其固相承載能力和抗污染能力均較鐵鉻鹽差。

(4)腐植酸類

大多數(shù)腐植酸類產(chǎn)品都具有較好的稀釋作用,如腐植酸鈉、腐植酸鉀、磺化褐煤、硅腐植酸等,主要用于不含其它泥漿處理劑的膨潤土泥漿。

7 增粘劑

(1)生物聚合物

主要特點:增粘、降失水效果顯著;抗污染能力強,用其配制鹽水泥漿,可有效提高泥漿的動切力;與其他化學處理劑配合能抑制強粘土頁巖的水化、膨脹;用量小;抗凍性好,可在0℃以下使用。

(2)羧甲基纖維素(HV-CMC)

(3)聚合物類增粘劑(80A 51)

技術指標見表3。

表3 增粘劑80A51的技術指標

8 抑制劑(又稱防塌劑)

(1)瀝青類

磺化瀝青:部分水溶、部分油溶。具有抑制、降濾失、減摩降阻作用。

改性瀝青:經(jīng)過改性的瀝青與腐植酸鉀的縮合物。抑制、降失水、減摩降阻效果顯著。如改性瀝青(GLA),其主要性能指標為:視粘度≤基漿的視粘度,API濾失量≤12mL,高溫高壓(150℃,3.45MPa)濾失量≤25mL/30min,相對膨脹降低率≥40%。

瀝青類產(chǎn)品的加量為:1～3%。

(2)腐植酸鉀

腐植酸鉀:頁巖抑制劑,兼有降粘、降濾失作用,抗溫180℃。

重要指標:相對膨脹降低率≥40%(腐植酸鈉只有 20～30%)。

加量:1～3%。

(3)聚合物類抑制劑

①聚丙烯酸鉀(或聚丙烯酰胺鉀,俗稱大鉀):具有抑制、降濾失、增粘作用。

主要技術指標:純度 ≥75%,水解度 27.0～35.0%,鉀含量11.0～15.0%,特性粘度 ≥6.0dl/g,相對膨脹降低率≥40%。

加量:0.1～0.3%。

②水解聚丙烯腈鉀鹽(K-HPAN,俗稱鉀鹽):泥頁巖抑制劑,兼有降濾失作用。抗溫150～180℃。主要技術指標(行業(yè)標準SY/T 5316-94)見表4。

加量:0.3～0.5%。

表4 水解聚丙烯腈鉀鹽(K-HPAN)

③水解聚丙烯腈銨鹽(N H4—HPAN):泥頁巖抑制劑,兼有降濾失、稀釋作用?？箿?50～180℃。

加量:0.3～0.5%。

9 絮凝劑

多采用水解聚丙烯酰胺作選擇性絮凝劑,分子量300～600萬,水解度30%左右。目前越來越多的地質鉆探采用高分子量的聚丙烯酰胺配制無固相鉆井液。

高分子量聚丙烯酰胺(分子量大于1000萬)的特點是:絮凝、增粘效果更明顯,用量小。非水解聚丙烯酰胺(水解度小于5%)為全絮凝劑。

10 潤滑劑

潤滑劑分固體類潤滑劑和液體類潤滑劑。

(1)癸植酸鈉:一種表面活性劑,在淡水泥漿中具有較好的使用效果。缺點:容易產(chǎn)生泡沫,抗污染能力差。

(2)液體類潤滑劑

①陰離子潤滑劑:皂化油、太古油等。潤滑性能良好,但不適用于硬水(Ca2+、M g2+≥150mg/L)及石灰?guī)r、白云巖等地層,易產(chǎn)生破乳現(xiàn)象。

②水基潤滑劑:由水及植物油渣或地溝油等制成,淡水泥漿中有一定的潤滑效果。

③極壓潤滑劑:此類潤滑劑能牢固地吸附在金屬和粘土表面,形成致密的油膜,使鉆具與巖石之間的摩擦阻力大大降低。

典型產(chǎn)品:無熒光潤滑劑(GLUB),在淡水泥漿、海水泥漿及飽和鹽水泥漿中均具有良好的潤滑效果。GLUB的主要性能指標為:

淡水泥漿摩擦系數(shù)降低率:≥70%;

海水泥漿摩擦系數(shù)降低率:≥60%;

極壓膜強度:≥150 M Pa;

熒光級別:≤5級。

(3)瀝青類潤滑劑

瀝青類產(chǎn)品主要用于改善泥餅質量和提高潤滑性。能夠在井壁上形成一層油膜,減輕鉆具對孔壁的摩擦和對孔壁的沖擊作用。

11 堵漏劑

(1)惰性堵漏材料

顆粒狀材料:核桃殼、珍珠巖、石灰石、瀝青等,起“架橋”作用,又稱“架橋劑”。

纖維狀材料:如鋸末、紙纖維、花生殼、棉籽殼等,起懸浮拉筋作用,又稱“懸浮拉筋劑”。

片狀材料:如云母、稻殼等,起填塞作用,又稱“填塞劑”。

堵漏過程中,將上述三類材料以合理的比例和級配復合使用,才能收到理想的效果。復合堵漏劑常用產(chǎn)品有:復合堵漏劑CBM、暫堵915、暫堵917等。

(2)隨鉆堵漏劑

隨鉆堵漏劑又稱單向壓力封閉劑、屏蔽劑。用于封堵砂巖、礫石層、破碎煤層、石灰?guī)r等類地層的孔喉和微裂縫。

常用產(chǎn)品類型:

①液體套管(又稱單向壓力封閉劑):以落地棉、棉籽殼、稻殼等為原料,酸化而得到的產(chǎn)品。

現(xiàn)場使用:要求其粒徑與地層的孔喉直徑或微裂隙尺寸相匹配,否則,封堵效果較差。

②以天然植物材料為主要成分制成的產(chǎn)品。其特性為:天然植物遇水可以膨脹,其膨脹顆粒又具有伸展性和可壓縮性,因此應用范圍廣,堵漏速度快,效果好。該類產(chǎn)品還具有明顯的降失水效果,破碎地層使用,有利于加固孔壁,防塌效果也明顯。如防塌型隨鉆堵漏劑(GPC),其主要性能指標見表5。

表5 防塌型隨鉆堵漏劑(GPC)技術指標

(3)高失水堵漏劑

主要由架橋材料、軟質纖維及助濾劑等復合而成。堵漏原理:將堵漏漿液(避免與泥漿混合)送至漏失層,在壓力作用下迅速失去漿液中的水(16～30s),在井壁形成一層致密、具有較高強度(承壓能力2～4M Pa)的濾餅。

使用過程中,堵劑必須用清水配制,防止泥漿對堵漏液的污染。適合于邊打邊漏的連續(xù)多漏層井段的堵漏。

12 泡沫劑與消泡劑

(1)泡沫劑

用于配制泡沫鉆井液。評價泡沫劑主要參數(shù)為:粘度、密度、發(fā)泡力及泡沫穩(wěn)定性等。

常用泡沫劑:

①十二烷基苯磺酸鈉:發(fā)泡能力強,但穩(wěn)定性差,使用時需加入穩(wěn)泡劑;抗鹽、抗鈣能力差,只能用于一般地層鉆進。

②DF—1型泡沫劑:發(fā)泡能力強,抗鹽、抗鈣、抗溫能力較好。

(2)消泡劑

典型產(chǎn)品:DF-4。消泡能力強,抗鹽、鈣污染,對難以消除的瀝青類產(chǎn)品引起的泡沫尤為有效。兼有良好的潤滑效果。

13 膠植物

植物膠類產(chǎn)品特點:

(1)增粘、降濾失、無毒、可生物降解。攜巖能力強,易形成層流,對孔壁沖刷小。

(2)抗鹽、抗鈣及抗溫能力較差;易降解,使用時需加入防腐劑。經(jīng)過改性的植物膠性能更好。

常用產(chǎn)品:瓜爾膠、田菁膠、魔芋膠及其改性產(chǎn)品等。