泥、頁地層中鉆井沖洗液的應用研究

劉加才

（江蘇省地質工程勘察院，江蘇南京211102）

泥、頁地層中鉆井沖洗液的應用研究

劉加才*

（江蘇省地質工程勘察院，江蘇南京211102）

對蘇南鉆井經常遇到的泥、頁巖地層特征進行研究，利用實驗和對比分析的方法，提出沖洗液方案，并對該類地層中鉆井沖洗液的作用機理和特點進行分析。在蘇南臨湖和石湖等地復雜地層地熱鉆井施工中，沖洗液的應用效果較好，孔壁穩定，鉆孔質量好，鉆進效率高。可以作為蘇南地區泥、頁巖地層地熱鉆井沖洗液應用參考。

泥、頁巖；鉆井；沖洗液

1 概述

泥、頁巖層中水化造成孔壁不穩定，引起井壁縮徑，進而垮塌，原因是地層中的粘土易吸水膨脹和分散，造成井壁的巖石強度降低，在鉆進的過程中，沖洗液對井壁的沖刷作用，加上鉆具回轉對縮徑井壁的撞擊作用，導致井壁的垮塌，嚴重時發生吸鉆、埋鉆、造成井壁局部超徑，影響沖洗液上返速度及降低沖洗液攜帶巖粉的能力，產生二次破碎。該類地層中井壁不穩定，實質上就是地層的水化問題，而水化分為表面水化和滲透水化。所以穩定此類地層，最主要的是控制水分子的流向問題。

配置優良的沖洗液能有效降低鉆井液濾失量，封堵漏層，提高地層承壓能力，以解決鉆井過程中遇到各種復雜地層時易發生的漏失、卡鉆、坍塌等技術難題[1-3]。

2 蘇南地區泥、頁巖地層概況

一般把復雜地層分為4類：力學不穩定地層、物理化學不穩定地層、漏失地層、中高溫地層。泥、頁巖屬于物理化學不穩定地層，在這些鉆進力學不穩定地層和物理化學不穩定地層中常常會發生孔壁的坍塌、掉快。造成此現象的因素主要有以下幾方面：（1）巖層的性質、巖層的孔隙性、地層的含水情況；（2）孔壁巖層受沖洗液的破壞作用；（3）孔壁巖層的應力狀態及壓力變化；（4）鉆進過程技術工藝及升降鉆具產生壓力激動的破壞作用。

江蘇蘇南地區比較常見的復雜地層有二疊系的煤系、侏羅系的軟凝灰巖、白堊系的泥質砂巖、泥頁巖以及水文勘察常見的漏失地層，其中泥、頁巖地層因其在該地區分布廣泛、厚度大，物質成分主要為泥質，遇水軟化、膨脹，給現場鉆探工作帶來很大的難度。作者通過多年在該地區的勘探工作，對該地區的泥、頁巖地層的地質特性及鉆孔要求進行了總結，發現蘇南地區的泥、頁巖地層具有巖石松散、吸水膨脹的特性，鉆孔過程中地層因吸水膨脹而縮徑，鉆進過程中沖洗不流暢，起下鉆遇阻容易卡鉆，所以在鉆井過程中必須采用優質沖洗液鉆進，以降低失水，保持泥漿礦化度。

3 沖洗液配比及作用機理

3.1 沖洗液配比

在確定泥漿的具體性能時還應考慮地層壓力梯度、破裂強度和孔隙壓力的大小以達到壓力平衡鉆進。當地層表面發生水化后則可能導致鉆進困難，一般水化有2種：（1）表面水化：當地層中含有的粘土表面帶有負電荷，吸附沖洗液中的水分子，引起粘土表面水化，使粘土變軟和膨脹；（2）滲透水化：當地層中的電解質的濃度高于周圍沖洗液中的電解質的濃度時，由于滲透作用，水分子由電解質濃度低的沖洗液滲入到電解質濃度高的地層內部，造成孔壁的水化膨脹、坍塌。臨湖地熱在1600m埋鉆后，返鉆桿時，此類地層由于坍塌嚴重，導致事故頭難以找到，最終給鉆井生產帶來很大的麻煩。

針對此類地層的特性，選擇低固相不分散沖洗液體系，以降低失水為主，最主要的還是保證沖洗液中的礦化濃度與地層中保持平衡，從而抑制水分子向地層中滲入。此類沖洗液主要是加入高分子聚合物水解聚丙烯酰胺，同時加入腐植酸鉀提高礦化度，為了更好地阻止水分子向地層滲入，還加入油脂類磺化瀝青做封堵劑和潤滑劑。

由于不同水解的PAM對泥漿失水量的影響也不同，配置PAM的水解度與加堿量的關系表（見表1），而水解度對失水量的影響見圖1（原漿比重為1.05，失水量為18）。

表1PAM的水解度與加堿量的關系表

圖1 PAM水解度對泥漿失水量的影響

具體配比（見表2）及性能（見表3）如下：

配置步驟：首先使膨潤土預水化，然后加入穩定劑CMC，使之包圍在分散的粘土顆粒周圍，穩定泥漿膠體；然后再加入水解度為30%的水解聚丙烯酰胺，攪拌均勻后加入腐植酸鉀和磺化瀝青。

表2 配比表

表3 性能表

需要說明的是，若不加CMC，直接加入水解聚丙烯酰胺，粘土會絮凝成團狀，不利分散。30%的水解聚丙烯酰胺的配置有2種方法，中高溫水解和常溫水解，經試驗而知，常溫水解的粘度和分散效果比中高溫好，中高溫水解溫度需煮沸至90℃～100℃。由于常溫水解速度慢，所以一般要加過量的堿。2種水解方式的配比如下：

中高溫水解：（7%）PAM∶NaOH∶H2O=10∶0.13∶60

常溫水解：（7%）PAM∶NaOH∶H2O=10∶1∶60

3.2 沖洗液作用機理

不分散低固相泥漿，由于粘土含量較少，所以在孔壁形成的泥皮較薄，而加入PHP（水解聚丙烯酰胺）以后，它可以有效地把無用的固相顆粒絮凝成團，能防止巖屑分散，起到包被作用。長鏈的PHP在泥頁巖井壁表面上產生多點吸附（見圖2），并可橫過微裂縫，從而阻止泥、頁巖的剝落；同時能在井壁表面形成致密的吸附膜。減少水滲透進地層的速度，對地層的水化膨脹，起抑制作用。PHP還具有降失水作用，這點與CMC類似，通過提高液相粘度，其吸附基吸附在粘土的表面，眾多的水化基束縛住大量的自由水，使失水量降低。

腐植酸鉀也具有降失水作用，但同時它能提供K+，眾所周知，K+能鑲嵌在硅氧四面體氧原子組成的六角環中，能緊緊地把粘土片連結在一起。K+還可以減小粘土顆粒表面的水化半徑，阻止其水化膨脹。通過加入腐植酸鉀，還能提高沖洗液中的礦化度，阻止因為沖洗液與地層的礦物質濃度差導致水流向地層，鉆孔中的幾種作用力見圖3。

磺化瀝青物質親水性差，親油性強，能在泥皮上形成一層油膜，防止水分子的滲入，同時具有潤滑作用，減少沖洗液循環對孔壁的沖刷作用。

圖2 高聚物吸附粘土顆粒示意圖

圖3 井內作用力示意圖

由于加入水解聚丙烯酰胺，能有效地對無用固相進行絮凝、聚沉，固相含量低，有利于提高鉆進效率。在孔壁上形成的泥皮薄而韌、致密、富有塑性。具有較理想的流變性，剪切稀釋作用強，潤滑性效果好，對鉆具及泥漿泵的易損件消耗減少。

4 工程應用

臨湖地熱420～690m為泥巖，第一口井泥漿運用不當，導致坍塌。返鉆時，局部嚴重超徑，找不到事故源頭。在第二口井開鉆后，上部比較軟的地層，采用不分散低固相體系沖洗液，很好地抑制了地層坍塌，未發現縮徑、超徑等現象。在石湖地熱上部泥巖地層使用此沖洗液方案，起下鉆順利無阻，下鉆到底，未發生泥質包鉆等現象。

配漿時，膨潤土必須先預水化，且在加入PHP前必須先加入穩定劑中粘CMC；若失水量過大時，可適量加入低粘CMC，切勿加入無機降失水劑；由于PHP具有絮凝、選擇性絮凝作用，絮凝后的巖粉很難在地面自然沉降，必須與機械除砂器配合。在除砂后，泥漿的切力和粘度會降低，必須進行絮凝劑補充，補充時在孔口循環槽慢慢加入補充即可。在石湖地熱的實踐中說明，不分散低固相泥漿在對付水敏性地層時效果相當好。

5 結論

鉆井液具有良好的抑制性能是確保活性泥、頁巖優質鉆井的關鍵，應從多方面、多角度去評價鉆井液抑制劑的抑制性能，同時應注重改進、完善鉆井液抑制劑的評價方法，使其能夠反映鉆井液與井壁巖石、巖屑接觸后的真實情況。

泥、頁巖地層的鉆井沖洗液應選擇低固相不分散沖洗液體系，以降低失水為主。

[1]孫金聲,蘇義腦,羅平亞,等.超低滲透鉆井液提高地層承壓能力機理研究[J].鉆井液與完井液,2005,22(5):78-81.

[2]薛玉志,劉寶鋒,唐代緒,等.非滲透鉆井液體系的研究與初步應用[J].鉆井液與完井液,2005,22(2):73-76.

[3]Reid P,Santos H.Novel Drilling,Comp Letion and Workover Fluids for Dep Leted Zones:Avoiding Losses,Formation Damage and Stuck Pipe[C].SPE/IADC 85326,2003.

TE254

A

1004-5716(2015)01-0022-03

2014-06-10

2014-06-20

劉加才（1973-），男（漢族），江蘇南京人，高級工程師，現從事水工環地質及地熱地質研究工作。