水敏性地层钻探用接枝淀粉聚合物泥浆体系研究

陶士先，胡继良，纪卫军

(北京探矿工程研究所，北京100083)

水敏性地层钻探用接枝淀粉聚合物泥浆体系研究

陶士先，胡继良，纪卫军

(北京探矿工程研究所，北京100083)

以接枝淀粉共聚物为降失水剂，选择抑制剂、防塌剂、润滑剂、包被剂、膨润土等处理剂，优化设计了水敏性地层用接枝淀粉聚合物泥浆体系。经过测试，该体系的API失水为7ml，相对膨胀降低率84．2%，岩屑回收率92%，摩阻系数0．07。该体系在水敏性地层的钻探施工中取得了良好的使用效果。

水敏性地层钻探泥浆体系接枝淀粉聚合物

Tao Shi－xian，Hu Ji－liang，Ji Wei－jun．Study of the grafted starch－polymer mud system used for drilling in water－sensitive strata［J］．Geology and Exploration，2012，48(5):1029－1033．

水敏性地层是地质钻探中常遇的主要不稳定地层之一(徐同台，1996)。水敏性地层主要有粘土层、粘土质地层(如页岩、千枚岩)、盐膏层等。粘土遇水膨胀是水敏性地层孔壁不稳定的主要原因之一(和冰，2008)。粘土水化是指粘土颗粒表面吸附水分子形成水化膜，粘土晶格层面间距增大，产生膨胀和分散的过程。水敏性地层的水化作用，一方面引起地层水化膨胀，发生孔壁缩径;另一方面也会发生岩屑分散，造浆严重，使得泥浆比重迅速提高，流变性能急剧恶化，极易造成孔内事故。

1 水敏性地层的泥浆体系设计因素分析

油基泥浆(张文波，2010)或合成基泥浆(岳前升等，2004;马东等，2008)是近年发展的可以有效解决水敏性地层稳定问题的钻井液技术，主要应用在油气深井和深水油气井钻探。但油基泥浆成本昂贵，对生态环境有一定影响(马文臣等，1998;张炜等，2008)，应用受到了限制。合成基泥浆也存在成本高，技术还不完善的问题。目前国内外在水敏性地层钻探大多采用的还是水基钻井液体系，特别是小口径地质钻探基本采用水基泥浆。发展和完善新型抑制性水基钻井液处理剂及其体系，是解决水敏性地层钻进孔壁稳定的有效途径(隋跃华等，2005;王建华等，2007)。进行地质钻探水敏性地层水基泥浆研究和体系设计时应考虑以下因素(胡继良等，2011):

(1)尽可能降低泥浆的滤失量;在井壁快速形成坚韧、致密的泥皮，避免大量自由水进入地层。

(2)提高冲洗液的抑制性能，在泥浆中加入含有K+或NH4+的泥浆处理剂，抑制渗透水化，以防止蒙脱石含量较高地层的水化膨胀。

(3)采用具有吸附交联作用的泥浆处理剂，控制岩屑分散。

(4)封堵毛细管通道，防止或减少自由水进入粘土层理或微裂隙而引起粘土水化。

(5)良好的流变性能。在其它条件相同的情况下，钻井液粘度低，有利于降低环空压力和防止钻杆内壁结垢(陶士先等，2007)。因此在保证钻井液正常携带岩屑的前提下，尽可能保持低粘度。另外，在水敏性地层钻进中保持良好的流变性能(占样烈等，2010)，可以降低粘附卡钻的风险。

(6)良好的润滑性能。除满足减摩降阻要求外，良好的润滑性能有助于保护钻具，提高钻具的使用寿命。

(7)控制泥浆的pH值。pH值越高，越不利于孔壁的稳定。

通过分析我们可以认为，优质聚合物泥浆(王政敏，2001;代国忠，2010)、粗分散泥浆(蔡晓文等，2010)、硅酸盐钻井液(刘选朋等，2010)、正电胶(MMH)钻井液(刘贵传等，2000)、盐水泥浆及低渗透或非渗透成膜(张琰等，2000;刘艳等，2005)钻井液体系是解决水敏性地层孔壁稳定问题的有效途径和技术方向。

2 接枝淀粉聚合物泥浆体系研究

根据地质钻探的特点，要求冲洗液具有良好造壁性能的同时，还要保持良好的流变性能。针对水敏性地层，在主要处理剂降失水剂的选择上，要求:

(1)在降低滤失量的同时，缓慢增加粘度;

(2)造壁性能好，滤失量低，能够形成薄而致密的泥皮;

(3)具有较强的抗污染能力。

根据试验分析，一般聚合物类降失水剂在较低的加量下具有显著的降失水效果，但形成的泥皮质量较差，而淀粉类产品有使泥饼致密的作用，可改善泥皮质量，并具有较强的抗盐污染性(张红红等，2006)。因此，我们采用以淀粉与乙烯基单体接枝共聚的接枝改性淀粉为降失水剂，这种材料具有天然高分子和合成聚合物的双重性能。

根据水敏性地层不稳定特点，在泥浆体系的综合性能的方面，还需考虑泥浆对粘土膨胀和分散的抑制性、地层裂隙的封堵、防塌、防粘、防卡和润滑钻具等作用。因此我们设计了以优选的降失水剂、抑制剂、防塌剂、润滑剂、包被剂、膨润土等材料进行泥浆体系配伍试验的方案。

2．1 体系用材料的选择

造浆材料:采用甘肃金昌钠膨润土。

交联包被剂:选用包被剂GBJ。GBJ属阴离子型、分子量3×106～6×106、水解度27%～35%，具有较强的交联和包被性能。

降滤失剂:接枝淀粉共聚物，具有淀粉和低分子聚合物产品的优良特性，能够显著降低泥浆滤失量，同时改善泥皮质量。

抑制剂:选用聚丙烯腈铵盐(NH4HPAN)，铵盐含有NH+4、－COOH、－COONH4、－CONH2等基团，分子量在10000～50000之间，具有降低钻井液滤失量、抑制粘土水化膨胀及改善钻井液流变性等作用。

防塌剂:选用沥青类产品，即改性沥青(GLA)(何远信，1995)。能够吸附在页岩表面，封堵孔隙或微裂隙，形成憎水油膜，减少与水的接触，防止孔壁膨胀，稳定孔壁。同时提高泥浆的润滑性能，降低扭矩。

润滑剂:选用高效润滑剂(GLUB)(何远信等，2006)，润滑减阻，保护钻具。

2．2 体系配方优选

采用正交试验法优选钻井液配方。配方试验中，膨润土加量固定为3%，包被剂加量固定在0.2%。由于高效润滑剂的加量对泥浆流变性能和降滤失性能基本没有影响，不参与正交试验。其它三种材料的加量:接枝淀粉为0．5%、0．7%和1．0%;水解聚丙烯腈铵盐为0．5%、0．7%和1．0%;改性沥青加量为0．5%、1．0%和1．5%。因此，配方设计简化为三因素三水平，设计L9(34)正交试验表(表1)。按配方考察泥浆的表观粘度、塑性粘度、动切力、API滤失量、泥皮质量等指标(表2)。

表1 泥浆配方正交试验表Table1 Orthogonal tests of mud formulation

表2 钻井液配方试验结果Table2 Test results of fluid formulation for drilling

通过试验得知，接枝淀粉加量大于0．7%，泥浆各项性能没有明显变化;改性沥青加量大于1．0%，泥皮质量坚韧、光滑。优选冲洗液体系配方如下:

水+2%～4%钠膨润土+0．2%～0．3%包被剂+0．5%～0．7%接枝淀粉+0．7%～1．0%铵盐+1．0%～1．5%改性沥青+0．3%～0．5%润滑剂(GLUB)。

2．3 接枝淀粉聚合物泥浆体系性能评价

按配方“水+3%钠膨润土+0．2%包被剂+0．5%接枝淀粉+1．0%铵盐+1%改性沥青+0．5%～0．7%润滑剂(GLUB)”配制泥浆，进行钻井液性能评价试验。

(1)泥浆体系常规性能，见表3。

表3 泥浆体系常规性能Table3 Conventional performance of the mud system

(2)泥浆体系抑制性能

体系抑制膨胀性能评价:采用NP－01型页岩膨胀测试仪，岩心采用山东安丘钙膨润土压制。分别用蒸馏水和按3%土+0．4%接枝淀粉共聚物+1．5%GLA配制的泥浆浸泡岩心，测岩心线膨胀量，并计算相对膨胀降低率。试验结果见表4。

表4 相对膨胀率试验表Table4 Test results of relative expansion rates

由表4可以看出，体系具有较好的抑制性能，相对膨胀降低率达到84．2%。

(3)泥浆体系抑制分散性能

称取自制岩屑50g，放入装有350ml试验浆的密封杯中，在滚子炉中于90℃下滚动16h后，取出冷却至室温。然后用0．5mm标准筛筛洗，将筛余物放入表面皿中，在(105±3)℃下烘4h取出冷却，并在空气中放置24h后称量，并计算岩屑回收率。该体系具有良好的抑制岩屑分散性能。试验结果见表5。

(4)泥浆体系润滑性能

试验采用OFI生产的极压润滑仪，型号110－1: 230－Volt。试验结果见表6。可以看出，当GLUB的加量为0．5%时泥浆的润滑系数明显降低。

表6 泥浆体系的润滑性能表Table6 Lubrication performance of the mud system

3 接枝淀粉聚合物泥浆体系现场试验

2010年7月～10月接枝淀粉聚合物体系先后在天津王兰庄地热项目津兰热A、B井和陕西岩盐资源3#对井钻探中的进行了现场应用试验。津兰热A、B井是两口斜井，最大井斜角26度，钻探地层是典型的水敏性地层，以泥岩、页岩为主，造浆严重，容易垮塌，加之井斜角偏大，极易发生粘附卡钻。

陕西岩盐资源3#对井，主要地层是泥岩、粘土岩、灰岩、砂岩、夹杂煤层及石盐与石膏互层，组成十分复杂，存在胶结差、松散、易碎、地层造浆、水溶等诸多问题。

两处采用接枝淀粉聚合物泥浆体系共钻进5216 m。钻进中泥浆性能一般都保持在漏斗粘度22～30s，API失水4～8ml，动塑比0．15～0．30，泥皮薄韧光滑，厚度小于0．2mm。试验取得了很好的效果。具体表现在以下几个方面:

(1)良好的护壁性能、抑制性能。没有出现过坍塌、掉块和缩径现象，进入强造浆地层，加入少量稀释剂，并配合固控设备的使用，泥浆仍维持良好的性能。

(2)具有很好的流变性能和触变性能，钻进效率高。陕西岩盐资源3#对井采用了喷射钻进的施工工艺，对泥浆的流动性能要求很高。该孔钻探的平均时效为12．12m/h，提高2～10倍。

(3)良好的润滑性能。泵压由8MPa下降到6～7MPa，起下钻比较通畅。

(4)泥浆成本相对较低。较之前采用钾基泥浆体系，泥浆成本下降30%。

4 结语

(1)在水敏性地层钻探中，泥浆体系应具有良好的造壁性能、较低滤失量和良好的抑制性能、良好的流变性能以及润滑性。

(2)采用具有淀粉和低分子聚合物产品优良特性的接枝淀粉共聚物为降失水剂，并优选抑制剂、防塌剂、润滑剂、包被剂、膨润土等泥浆处理剂，研究设计了水敏性地层用接枝淀粉聚合物泥浆体系配方。经实验测试达到了良好性能指标。

(3)该泥浆体系在水敏性地层钻探中取得了好的护壁效果，并具有钻进效率高，泥浆配制简单、便于维护、成本低的特点。

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Study of the Grafted Starch－polymer Mud System Used for Drilling in Water－sensitive Strata

TAO Shi－xian，HU Ji－liang，JI Wei－jun
(Beijing Institute of Exploration Engineering，Beijing100083)

In this study，we designed and optimized a starch graft polymers mud system used for drilling in water－sensitive strata，using the graft copolymer of starch as filtrate reducer，selecting inhibitor，anti－sloughing agent，lubricant，encapsulating agent and bentonite as treating agents．Tests show that the system＇s API filtrate loss is 7ml;the reduction of relative expansion is 84．2%;recovery of cuttings is 92%;and the friction coefficient is 0．07．This mud system has achieved good results in real drilling in water－sensitive strata．

water－sensitive strata，drilling，mud system，grafted starch，polymer

book=9,ebook=533

P63．4+4

A

0495－5331(2012)05－1029－5

2011－09－14;

2012－02－05;［责任编辑］郝情情。

本文为地质矿产资源调查评价专项(编号1212010816008和1212011120252)资助。

陶士先(1964年－)，女，1987年毕业于长春地质学院，教授级高工，从事钻井液技术研究与应用。E－mail:taosx@139．com。