硅酸盐钻井液泥包形成的趋势研究

姚倩，许明标，，由福昌

（1.长江大学石油工程学院，武汉 430100；2.非常规油气湖北省协同创新中心，武汉 430100）

硅酸盐钻井液能很好地应用于泥页岩地层，是因为其具有优异的防塌抑制性、固壁防漏失、材料费用低及不污染环境等优点，但其在现场作业中钻具及钻头往往存在严重的泥包现象，影响钻井作业的进度，国内外对硅酸盐钻井液中产生泥包现象的应对措施与实验研究也相对较少。在钻进过程中钻头切削出的泥质岩屑遇水后会产生泥包现象，是因为岩屑不能及时上返出井底而黏附于钻头上，导致钻头机械钻速大幅降低，所以在泥页岩地层，预防及清除钻头泥包是一个不容忽视的技术问题[1-5]。但国内文献对预防和处理硅酸盐钻井液产生泥包问题的报道相对较少。笔者通过对硅酸盐钻井液体系产生泥包的因素进行分析，并进行了实验研究。总结出该体系中硅酸盐模数、硅酸盐含量、膨润土含量、KCl含量及不同防泥包剂对泥包产生的影响及趋势，结合其对体系流变性的影响，为选择合适的防泥包钻井液及处理剂提供了参考依据[6-10]。

1 硅酸盐钻井液泥包现象主要机理

使用硅酸盐钻井液体系钻进泥页岩地层时，硅酸盐在水中形成不同大小尺寸的颗粒，通过吸附、扩散进入地层孔隙、裂缝中，在弱碱性条件下形成硅酸盐凝胶封堵地层，硅酸根离子与岩石表面发生反应生成沉淀，覆盖在岩石表面封固井壁[11-13]。但对于钻进过程中分散在硅酸盐钻井液中的黏土颗粒，体系中硅酸根离子通过吸附并与其发生反应，堵塞黏土颗粒表面孔隙阻止其进一步水化分散，导致钻井液中大量未分散的黏土颗粒随着钻头钻进黏附并聚集在钻具表面形成泥包。

另一方面硅酸盐钻井液对pH值要求过高（大于11），导致其润滑性能的不足，并且体系对润滑性能的要求明显高于其他水基钻井液，这更会加剧泥包的发生[14-16]。但要想硅酸盐钻井液保持良好的流变性能，就要保证其pH值大于11，才能保持硅酸盐较好的分散度，当pH值降低时，硅酸钾则会形成凝胶，导致钻井液黏度上升，影响其流变性能。硅酸盐钻井液与大多数润滑剂配伍性较差，且由于硅酸盐体系的高碱性，一些润滑剂在该环境下容易失效，导致该体系极易产生泥包[17]。

2 实验配方及方法

基本配方 1.0%淡水膨润土浆+0.3%NaOH+0.3% 包被剂PAC-LV+0.1%XC+0.5% 淀粉FLO+2.5%高温降滤失剂SEAL-H+2.5%SPNH+2.5%降滤失剂 EnFLO-H+3%高温稳定剂CM-W7+3.0%硅酸钾+3 %KCl+0.5%消泡剂+重晶石

实验步骤：在老化罐中加入400 mL模拟实验基浆，并放入一颗直径25 mm的实心钢球，再加入定量由膨润土搓制成的粒径为2.0 mm～3.2 mm泥球模拟钻屑，放入高温滚子炉进行热滚实验。热滚30 min后拿出，当温度下降至50 ℃开罐倒出钢球，放在白色空白纸片上测量其最大直径与其垂直的另一条直径即为其泥包厚度，则为钢球泥包大小。

传统的泥包实验都是使用钢棒来代替钻头模拟井下钻进过程，但是这并不能充分展示出钻头钻进的实际情况，也可能会与现场施工的情况形成很大的差异。使用钢棒进行实验来测量其泥包程度则需要烘干钢棒后称其质量进行比较，这样得出的数据往往不准确，用时也较长，而且钢棒被泥包的长度也并不均匀，会使结果的误差变大。

使用的高温滚子炉往往是专用定制的，每次测量只能放入2个老化罐，会使实验误差变大。

采用钢球模拟钻头钻进，可以使钢球与钻井液有更加多角度的接触，保持与现场施工条件的一致，并且用钢球进行实验更易于测量与比较钻屑泥包程度。使用普通高温老化滚子炉即可，实用性高。

3 不同因素对硅酸盐钻井液形成泥包的影响趋势

3.1 硅酸盐模数

硅酸盐模数一般是指硅酸盐分子中的二氧化硅与金属氧化物物质的量的比值，也可以简单地理解成硅酸盐化学式NaO2·nSiO2中的n值。模数越大，硅酸根离子在溶液中聚集形成的胶粒就越多，对泥页岩的水化抑制性则越强，但随着模数的增加，钻井液体系的流变性会更加难以控制，滤失量也会随之增大[18]。结合K2SiO3的加量，考察了不同硅酸盐模数对钻井液泥包产生的影响，结果见表1。选用模数分别为2、2.4、2.8、3.2的K2SiO3进行实验，在老化罐中放入钢球后加入25 g粒径为2.0 mm～3.2 mm的模拟岩屑，在100 ℃下热滚30 min，结果见图1。由表1和图1可知，硅酸盐模数对泥包影响不大，泥包厚度均在3 mm左右；随着模数增大，体系的黏度、切力呈下降趋势，当模数超过2.8，流变性不易控制，推荐体系中硅酸钾模数不高于2.8。

表1 K2SiO3不同模数对硅酸盐钻井液体系性能的影响

图1 不同K2SiO3模数的泥包实验

3.2 硅酸根含量

随着硅酸盐加量的增大，硅酸盐钻井液体系的防塌能力和抑制性显著提高，但当其加量超过5%后其防塌抑制性的增强幅度降低[19]。在老化罐中放入钢球后加入25 g粒径为2.0 mm～3.2 mm的模拟岩屑，100 ℃下热滚30 min，考察K2SiO3加量变化对硅酸盐钻井液体系性能的影响，结果如图2所示。可知，随着K2SiO3加量的增加，泥包呈增大趋势，加量超过7%后，泥包程度相差不大，硅酸盐钻井液体系中硅酸盐加量越小泥包程度就越小，基于硅酸盐钻井液体系的流变性能、滤失性能，建议硅酸盐的加量控制在3%～5%之间，对泥包的影响相对较小。这可能是因为硅酸盐钻井液体系随着硅酸盐加量增大会产生强吸附作用，使黏土颗粒通过黏附大量聚集在钢球表面形成泥包。

表2 K2SiO3加量变化对硅酸盐钻井液体系性能的影响

图2 K2SiO3加量对比泥包实验

3.3 膨润土

选用深圳膨润土浆作为基浆，考察膨润土加量对硅酸盐钻井液体系性能的影响结果见表3。可知，硅酸盐钻井液体系的切力、黏度随膨润土加量增大呈上升趋势，加量超过2%时，流变性能、滤失性能不易控制。在老化罐中放入钢球后加入25 g粒径为6～10目的模拟岩屑，在100 ℃下热滚30 min，考察膨润土加量对硅酸盐钻井液产生泥包大小的影响结果见图3。由图3可知，随着膨润土加量的增加，泥球的直径呈现先减小后增大的趋势，膨润土加量为1%时，泥球直径最小，说明加入少量的膨润土有利于防止泥球的产生。这可能是因为在无膨润土钻井液中，硅酸根离子对固相颗粒的强抑制性阻止其水化分散，使得颗粒间更易黏结聚集在钢球表面；加入少量预水化膨润土浆，提高了钻井液的黏度和切力，部分硅酸根离子被黏土颗粒消耗；但随着膨润土含量增加，钻井液中黏土颗粒含量增多，硅酸根离子吸附更多的黏土颗粒抑制其水化分散，相互黏结并聚集在钢球表面形成泥包。

表3 膨润土加量对硅酸盐钻井液体系性能的影响

图3 膨润土加量对比泥包实验

3.4 KCl

硅酸盐钻井液自身对黏土具有较强的抑制性，加入适量无机盐能与硅酸盐产生协同作用，促进硅酸盐沉淀的生成，形成的凝胶和沉淀物能阻止滤液侵入地层，提高钻井液的封堵能力。考察了KCl加量对硅酸盐钻井液体系基本性能的影响，结果见表4。在老化罐中放入钢球后加入25 g粒径为2.0 mm～3.2 mm的模拟岩屑，100 ℃热滚30 min，钻屑泥包见图4。可知，随着KCl加量的增大，硅酸盐钻井液体系的切力和黏度略有降低，当KCl的加量超过6%时黏度下降明显，滤失量增大。由图4可知，加入KCl后，泥包现象有所缓解，但随着加量的增加，钢球表面泥包变厚，可能是加入少量KCl后降低了钻井液中水的活度，增加黏土颗粒界面间短程斥力，减少了黏土颗粒间相互黏附、聚集，随着KCl加量的增大，体系的抑制性增强，黏土颗粒更易吸附聚集在钢球上，KCl最佳浓度在3%～6%之间。

表4 KCl加量对硅酸盐钻井液体系性能的影响

图4 KCl加量对比泥包实验

3.5 不同防泥包剂

在硅酸盐钻井液体系中分别加入2%聚胺UHIB、2%聚丙烯酰胺PULB、2%疏水性表面活性剂WZ-B、2%胺基润湿剂WETMINE，进行防泥包剂对比实验。在老化罐中放入钢球后加入8%粒径为2.0 mm～3.2 mm模拟岩屑，100 ℃热滚30 min，钻屑泥包情况如图5所示。

图5 不同防泥包剂泥包实验

可知，加入WETMINE比其他3种防泥包剂的泥球直径最小，具有优异的防泥包效果，能有效阻止钢球表面泥包的生成。WETMINE一端带有亲水性胺基，易吸附在钻具、钻屑、黏土矿物和井壁表面，另一端带有疏水性基团聚氧乙烯脂肪醇醚，能有效改变其表面性质，通过吸附在钻头及钻具表面快速形成憎水膜，降低表面对黏土颗粒的吸附，同时能够渗透到钻屑剪切面改变表面吸附性，使黏土颗粒由亲水性转变为疏水性，阻止黏土颗粒相互聚集、黏结，并改变了岩石孔隙内部润湿性，增强了体系的润滑性，从而防止钻头泥包、黏附卡钻[8]。

考察了WETMINE的加量对硅酸盐钻井液体系性能的影响结果见表5和表6。在老化罐中放入钢球后加入25 g粒径为2.0 mm～3.2 mm的模拟岩屑，100 ℃热滚，钻屑泥包情况如图6所示。可知，加入防泥包剂WETMINE后，钢球泥包程度明显降低，能改善钻井液的润滑性能，且硅酸盐钻井液体系的流变、滤失性能影响不大；当WETMINE加量为3%时，钢球表面无泥包，具有较好的防泥包性能。

表5 WETMINE加量对硅酸盐钻井液体系性能的影响

表6 硅酸盐钻井液体系的润滑性能

图6 防泥包剂WETMINE加量对比泥包实验

4 结论

1.硅酸盐模数对泥包影响不大，泥包厚度均在3 mm左右。随着硅酸盐含量的增加，泥包程度呈增大趋势，但加量超过5 %后泥包程度相差不大；随着膨润土加量的增加，泥球的直径呈现先减小后增大的趋势，最小直径膨润土加量为1%，说明加入少量的膨润土有利于防止泥球的产生。KCl在一定浓度内有助于降低泥包的产生，过量的KCl会反而会促进泥包生成，最佳浓度在3%～6 %之间。

2.对比不同防泥包剂在硅酸盐钻井液体系中的防泥包效果，筛选出3%胺基润湿剂WETMINEE加量能改善钢球泥包大小，并对钻井液流变性、滤失性能影响不大，改善了体系润滑性，具有良好的防泥包效果。