鹽水鉆井液配制方法對其性能的影響

劉翠娜，紀衛軍，李曉瑋，鄭秀華

（1.中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京100083;2.北京探礦工程研究所，北京 100083）

鹽水鉆井液配制方法對其性能的影響

劉翠娜1，紀衛軍2，李曉瑋1，鄭秀華1

（1.中國地質大學〈北京〉工程技術學院，北京100083;2.北京探礦工程研究所，北京 100083）

隨著鉆井技術的發展，深井、超深井鉆遇復雜地層的情況越來越多，對鉆井液性能提出了越來越高的要求。通過對鹽水鉆井液的配制方法進行理論分析和對比，并結合現場應用，利用已有抗鹽材料，基于預水化對鉆井液性能影響機理及預水化時間的長短對鉆井液性能的影響進行了研究。試驗得出，預水化對鉆井液的性能起著至關重要的作用，且隨預水化時間的變化，鉆井液性能產生不同的變化趨勢，根據鉆井液要求的側重點不同，為配制不同性能指標的鉆井液提供實踐指導和理論依據。

鹽膏層;鹽水鉆井液;配制方法;鉆井液性能

1 概述

在油井鉆探和地質鉆探中鉆遇巖鹽層、鹽膏層、鹽水層等含鹽底層或者配漿用水礦化度較高時，一般需要配制鹽水鉆井液。在配制鹽水鉆井液時，最好選用抗鹽粘土（海泡石、凹凸棒石等）作為配漿土，這類粘土在鹽水中可以很好地分散而獲得較高的粘度和切力，配制方法也比較簡單，但由于此類粘土價格較高，施工方出于成本考慮經常選用膨潤土配漿。使用膨潤土配制鹽水鉆井液時，配制方式對鉆井液的性能影響很大。根據現場調研，得出鹽水鉆井液的配制主要有以下2種方式:其一是膨潤土及處理劑直接加入到鹽水中，如在海邊或者咸水湖邊施工時就地取材使用鹽水配漿;其二是膨潤土及處理劑先加入到淡水中攪拌均勻，預水化一段時間后加鹽至所需濃度轉化為鹽水鉆井液，如在淡水資源充足的地區施工鉆遇含鹽地層或者為了抑制強水敏性地層的水化等。本文通過理論分析、室內試驗等手段詳細分析了這2種配漿方式對鹽水鉆井液性能的影響，并分析了鹽水鉆井液性能隨預水化時間增長的變化趨勢。

2 鹽水鉆井液預水化與未預水化的膠體化學分析

2.1 粘土的水化作用

膨潤土的造漿率主要取決于粘土的水化作用，粘土的水化作用是指粘土顆粒表面吸附水分子形成水化膜，使晶格層面間的距離增大發生膨脹的作用。它是影響鉆井液性能和孔壁穩定的重要因素。

粘土的水化分為表面水化和滲透水化，表面水化由粘土晶體表面吸附水分子與交換性陽離子水化兩部分組成。滲透水化是指水發生濃差擴散，進入層間，由此增加晶層間距，從而形成擴散雙電層。圖1為粘土層面的雙電層示意圖。

2.2 兩種配制方法的鉆井液預水化分析。2.2.1 直接用鹽水配制鉆井液

直接用鹽水配制鉆井液，膨潤土在較高濃度的鹽水中不能進行充分的水化，晶層之間的陽離子濃度小于溶液內部的濃度，不能形成有效的擴散雙電層，表面水化和滲透水化受到阻礙，電解質的濃度越高，這種阻礙作用越明顯。膨潤土此時類似于一種惰性固體，無法再起到造漿和降濾失的作用。因此泥漿性能不穩定，濾失量大，泥皮松散，一般不能滿足鉆井要求。

圖1 粘土層面的雙電層示意圖

配制鹽水鉆井液時，首先對膨潤土在淡水中進行預水化，并在加鹽之前用適量分散劑進行處理，造漿率顯著提高。這是因為在遇到鹽侵之前，粘土已經進行了充分的水化分散，形成了相對穩定的雙電層，性能穩定，造漿率高。當補鹽后，雙電層受到一定的壓縮，此時膨潤土仍表現出一定的水化性能，從而能有效地起到提高粘度、切力和降濾失的作用。此外，雙電層之所以被壓縮，是因為當補鹽后，隨著電解質的加入，特別是離子價數的升高，此時將有更多的反離子進入吸附層，結果擴散層的離子數目下降，這就導致雙電層厚度下降，電動電位隨之下降，即電解質壓縮雙電層的作用，如圖2所示。但由于粘土的預水化過程，電解質對雙電層的壓縮量是有限的，補鹽后，粘土依然保留了大部分的水化能力，因此泥漿性能較優良。

圖2 電解質濃度對電位的影響

3 室內試驗

3.1 預水化與未預水化鉆井液性能對比

鹽水鉆井液可分為3種類型，即一般鹽水鉆井液（含鹽量為1%直至飽和）;飽和鹽水鉆井液;海水鉆井液。本次實驗選取3組配方，配方一是膨潤土基漿，配方二及配方三是在現場應用過的比較成熟的鹽水鉆井液配方。分別測量3種不同鹽水鉆井液中采用2種不同配漿方式配制的鉆井液的常規性能。具體實驗數據見表1～3。

配方一:6.4%膨潤土（API標準）。

配方二:4%膨潤土+1%抗鹽共聚物。

配方三:4%膨潤土+1.5%CMS。

表1 配方一對比試驗分析

表2 配方二對比試驗分析

表3 配方三對比試驗分析

從表1～3的實驗結果可以看出，預水化后泥漿的表觀粘度和塑性粘度均明顯增大，失水量減小，各項常規性能指標均強于未預水化的泥漿。

假設距離震源依次有檢波器A和B，兩檢波器之間的距離為Δx，檢波器A記錄到的時間信號是un-1(t)，其頻譜為Un-1(f)；檢波器B記錄到的時間信號un(t)，其頻譜為Un(f)。假設波從檢波器A傳播到檢波器B，Un-1(f)與Un(f)之間的變化完全由頻散引起，則有：

圖3為配方三在飽和鹽水中2種配漿方式形成的泥餅，從圖中可以看出預水化泥漿形成的泥餅（圖3a）薄而致密，未預水化泥漿形成的泥餅（圖3b）厚而稀松。

圖3 泥皮質量對比分析

3.2 預水化時間長短對鉆井液性能的影響

分別在 1、2、3、4、5、6、16 h 等預水化時間段后進行鉆井液性能的測定，并將表觀粘度、塑形粘度、API失水3個指標的變化趨勢繪制成圖。

3.2.1 表觀粘度變化趨勢分析

鉆井液的表觀粘度隨預水化時間增長的變化趨勢見圖4、圖5?？梢钥闯觯@井液的表觀粘度在未預水化的情況下較低，預水化后表觀粘度產生突變性增大，隨預水化時間增長，表觀粘度先增大后趨于穩定，實驗數據顯示，鹽水泥漿在預水化4 h以上，才會表現出相對穩定的表觀粘度。

圖4 配方二表現粘度變化趨勢

圖5 配方三表現粘度變化趨勢

3.2.2 塑性粘度變化趨勢分析

鉆井液的塑性粘度隨預水化時間增長的變化趨勢見圖6、圖7?？梢钥闯觯@井液的塑性粘度在未預水化的情況下較低，預水化僅1 h后塑性粘度顯著增大，在預水化4～5 h后趨于穩定，因此，鹽水鉆井液的預水化時間應該在4 h以上，此時間段泥漿性能趨于穩定，后增大趨勢變緩。

圖6 配方二塑性粘度變化趨勢

圖7 配方三塑性粘度變化趨勢

3.2.3 API濾失變化趨勢

鉆井液的API失水隨預水化時間增長的變化趨勢見圖8、圖9。可以看出，鉆井液未預水化時表現出較高的API濾失量，例如配方三海水泥漿的濾失量達到了104 mL，預水化后減小到19 mL，預水化過程后，濾失量減小了近60 mL，預水化對濾失控制起了關鍵的作用。且鹽水泥漿預水化5 h后顯示出較為理想和穩定的濾失量。

4 現場應用

圖8 配方二API失水變化趨勢

圖9 配方三API失水變化趨勢

2008年5月在柴達木盆地西部千米科學深鉆項目施工中使用了飽和鹽水鉆井液，配漿用水取自本地一鉀肥公司的鹵水溝（成分較復雜，密度達到1.27 kg/L，除了含有鈉、鉀離子以外還含有鈣、鎂等高價陽離子），泥漿體系使用的是膨潤土+抗鹽共聚物體系，為了向現場人員解釋預水化的好處，在現場做了預水化與未預水化的對比實驗，具體情況如下。

鉆井液配方:5%土+1%抗鹽共聚物。

鉆井液性能見表4。

表4 鉆井液性能對比

從表4中數據可以看出，預水化后的鉆井液性能明顯強于未預水化的泥漿，所以在之后的配漿過程中我們一般都先把土和處理劑用50～100 L的淡水泡上一段時間后再補充鹵水和相應的鹽攪拌（當地淡水資源缺乏，全部使用淡水配漿成本較高），這樣既能提高泥漿總體性能，又能大大節約泥漿材料。

5 結論

在配漿時，首先對膨潤土進行預水化，可以使其充分分散，補鹽后，不易聚結，表現出更好的粘度和濾失特性。且試驗表明，鹽水泥漿在預水化4～5 h后，性能趨向穩定，繼續增加預水化的時間，性能基本保持不變。

［1］ 鄢捷年.鉆井液工藝學原理［M］.山東東營:中國石油大學出版社，2006.

［2］ 趙巖，仲玉芳，王衛民，等.S/D-2井欠飽和鹽水鉆井液技術［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（3）:41-43.

［3］ 劉崇建，黃柏宗，等.油氣井注水泥理論與應用［M］.北京:石油工業出版社，2001.

［4］ 編寫組.鉆井手冊（甲方）［M］.北京:石油工業出版社，1990.

［5］ 王勇軍，趙長亮，鄭宇軒，等.牛熱四井膏泥巖鉆井液技術［J］.探礦工程（巖土鉆掘工程），2011，38（3）:33-34.

Influence of the Preparation Method on Saltwater Drilling Mud Properties

LIU Cui-na1，JI Wei-jun2，LI Xiao-wei1，ZHENG Xiu-hua1（1.China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.Beijing Exploration Engineering Institute，Beijing 100083，China）

Along with the development of drilling technology，more and more complex stratum situations are encountered in deep and ultra-deep well drilling，and the demand of drilling fluid performance becomes higher.By the theoretical analysis and contrast on preparation methods of saltwater drilling fluid，according to the field application with existed salt resistant materials and based on the analysis and the tests on influence mechanism of pre-hydration to drilling fluid properties and influence of pre-hydration time to drilling fluid properties，it showed that the pre-hydration is very important to the performance of drilling fluid.With the changes of hydration time，drilling fluid property produces different changing trends.The analysis provides practical guide and theoretical basis to preparation of different drilling fluids with different emphasis points.

salt-gypsum bed;saltwater drilling fluid;preparation method;drilling fluid property

P634.6

A

1672-7428（2012）01-0033-04

2011-05-26

劉翠娜（1984-），女（漢族），河北唐山人，中國地質大學（北京）碩士研究生，地質工程專業，從事大陸科學鉆探超深井鉆探技術的研究工作，北京市海淀區學院路29號中國地質大學（北京）工程技術學院09碩士，307538685@qq.com。