硅酸鹽鉆井液泥包形成的趨勢研究

姚倩，許明標(biāo)，，由福昌

（1.長江大學(xué)石油工程學(xué)院，武漢 430100；2.非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430100）

硅酸鹽鉆井液能很好地應(yīng)用于泥頁巖地層，是因為其具有優(yōu)異的防塌抑制性、固壁防漏失、材料費用低及不污染環(huán)境等優(yōu)點，但其在現(xiàn)場作業(yè)中鉆具及鉆頭往往存在嚴(yán)重的泥包現(xiàn)象，影響鉆井作業(yè)的進(jìn)度，國內(nèi)外對硅酸鹽鉆井液中產(chǎn)生泥包現(xiàn)象的應(yīng)對措施與實驗研究也相對較少。在鉆進(jìn)過程中鉆頭切削出的泥質(zhì)巖屑遇水后會產(chǎn)生泥包現(xiàn)象，是因為巖屑不能及時上返出井底而黏附于鉆頭上，導(dǎo)致鉆頭機械鉆速大幅降低，所以在泥頁巖地層，預(yù)防及清除鉆頭泥包是一個不容忽視的技術(shù)問題[1-5]。但國內(nèi)文獻(xiàn)對預(yù)防和處理硅酸鹽鉆井液產(chǎn)生泥包問題的報道相對較少。筆者通過對硅酸鹽鉆井液體系產(chǎn)生泥包的因素進(jìn)行分析，并進(jìn)行了實驗研究?？偨Y(jié)出該體系中硅酸鹽模數(shù)、硅酸鹽含量、膨潤土含量、KCl含量及不同防泥包劑對泥包產(chǎn)生的影響及趨勢，結(jié)合其對體系流變性的影響，為選擇合適的防泥包鉆井液及處理劑提供了參考依據(jù)[6-10]。

1 硅酸鹽鉆井液泥包現(xiàn)象主要機理

使用硅酸鹽鉆井液體系鉆進(jìn)泥頁巖地層時，硅酸鹽在水中形成不同大小尺寸的顆粒，通過吸附、擴散進(jìn)入地層孔隙、裂縫中，在弱堿性條件下形成硅酸鹽凝膠封堵地層，硅酸根離子與巖石表面發(fā)生反應(yīng)生成沉淀，覆蓋在巖石表面封固井壁[11-13]。但對于鉆進(jìn)過程中分散在硅酸鹽鉆井液中的黏土顆粒，體系中硅酸根離子通過吸附并與其發(fā)生反應(yīng)，堵塞黏土顆粒表面孔隙阻止其進(jìn)一步水化分散，導(dǎo)致鉆井液中大量未分散的黏土顆粒隨著鉆頭鉆進(jìn)黏附并聚集在鉆具表面形成泥包。

另一方面硅酸鹽鉆井液對pH值要求過高（大于11），導(dǎo)致其潤滑性能的不足，并且體系對潤滑性能的要求明顯高于其他水基鉆井液，這更會加劇泥包的發(fā)生[14-16]。但要想硅酸鹽鉆井液保持良好的流變性能，就要保證其pH值大于11，才能保持硅酸鹽較好的分散度，當(dāng)pH值降低時，硅酸鉀則會形成凝膠，導(dǎo)致鉆井液黏度上升，影響其流變性能。硅酸鹽鉆井液與大多數(shù)潤滑劑配伍性較差，且由于硅酸鹽體系的高堿性，一些潤滑劑在該環(huán)境下容易失效，導(dǎo)致該體系極易產(chǎn)生泥包[17]。

2 實驗配方及方法

基本配方 1.0%淡水膨潤土漿+0.3%NaOH+0.3% 包被劑PAC-LV+0.1%XC+0.5% 淀粉FLO+2.5%高溫降濾失劑SEAL-H+2.5%SPNH+2.5%降濾失劑 EnFLO-H+3%高溫穩(wěn)定劑CM-W7+3.0%硅酸鉀+3 %KCl+0.5%消泡劑+重晶石

實驗步驟：在老化罐中加入400 mL模擬實驗基漿，并放入一顆直徑25 mm的實心鋼球，再加入定量由膨潤土搓制成的粒徑為2.0 mm～3.2 mm泥球模擬鉆屑，放入高溫滾子爐進(jìn)行熱滾實驗。熱滾30 min后拿出，當(dāng)溫度下降至50 ℃開罐倒出鋼球，放在白色空白紙片上測量其最大直徑與其垂直的另一條直徑即為其泥包厚度，則為鋼球泥包大小。

傳統(tǒng)的泥包實驗都是使用鋼棒來代替鉆頭模擬井下鉆進(jìn)過程，但是這并不能充分展示出鉆頭鉆進(jìn)的實際情況，也可能會與現(xiàn)場施工的情況形成很大的差異。使用鋼棒進(jìn)行實驗來測量其泥包程度則需要烘干鋼棒后稱其質(zhì)量進(jìn)行比較，這樣得出的數(shù)據(jù)往往不準(zhǔn)確，用時也較長，而且鋼棒被泥包的長度也并不均勻，會使結(jié)果的誤差變大。

使用的高溫滾子爐往往是專用定制的，每次測量只能放入2個老化罐，會使實驗誤差變大。

采用鋼球模擬鉆頭鉆進(jìn)，可以使鋼球與鉆井液有更加多角度的接觸，保持與現(xiàn)場施工條件的一致，并且用鋼球進(jìn)行實驗更易于測量與比較鉆屑泥包程度。使用普通高溫老化滾子爐即可，實用性高。

3 不同因素對硅酸鹽鉆井液形成泥包的影響趨勢

3.1 硅酸鹽模數(shù)

硅酸鹽模數(shù)一般是指硅酸鹽分子中的二氧化硅與金屬氧化物物質(zhì)的量的比值，也可以簡單地理解成硅酸鹽化學(xué)式NaO2·nSiO2中的n值。模數(shù)越大，硅酸根離子在溶液中聚集形成的膠粒就越多，對泥頁巖的水化抑制性則越強，但隨著模數(shù)的增加，鉆井液體系的流變性會更加難以控制，濾失量也會隨之增大[18]。結(jié)合K2SiO3的加量，考察了不同硅酸鹽模數(shù)對鉆井液泥包產(chǎn)生的影響，結(jié)果見表1。選用模數(shù)分別為2、2.4、2.8、3.2的K2SiO3進(jìn)行實驗，在老化罐中放入鋼球后加入25 g粒徑為2.0 mm～3.2 mm的模擬巖屑，在100 ℃下熱滾30 min，結(jié)果見圖1。由表1和圖1可知，硅酸鹽模數(shù)對泥包影響不大，泥包厚度均在3 mm左右；隨著模數(shù)增大，體系的黏度、切力呈下降趨勢，當(dāng)模數(shù)超過2.8，流變性不易控制，推薦體系中硅酸鉀模數(shù)不高于2.8。

表1 K2SiO3不同模數(shù)對硅酸鹽鉆井液體系性能的影響

圖1 不同K2SiO3模數(shù)的泥包實驗

3.2 硅酸根含量

隨著硅酸鹽加量的增大，硅酸鹽鉆井液體系的防塌能力和抑制性顯著提高，但當(dāng)其加量超過5%后其防塌抑制性的增強幅度降低[19]。在老化罐中放入鋼球后加入25 g粒徑為2.0 mm～3.2 mm的模擬巖屑，100 ℃下熱滾30 min，考察K2SiO3加量變化對硅酸鹽鉆井液體系性能的影響，結(jié)果如圖2所示?？芍?，隨著K2SiO3加量的增加，泥包呈增大趨勢，加量超過7%后，泥包程度相差不大，硅酸鹽鉆井液體系中硅酸鹽加量越小泥包程度就越小，基于硅酸鹽鉆井液體系的流變性能、濾失性能，建議硅酸鹽的加量控制在3%～5%之間，對泥包的影響相對較小。這可能是因為硅酸鹽鉆井液體系隨著硅酸鹽加量增大會產(chǎn)生強吸附作用，使黏土顆粒通過黏附大量聚集在鋼球表面形成泥包。

表2 K2SiO3加量變化對硅酸鹽鉆井液體系性能的影響

圖2 K2SiO3加量對比泥包實驗

3.3 膨潤土

選用深圳膨潤土漿作為基漿，考察膨潤土加量對硅酸鹽鉆井液體系性能的影響結(jié)果見表3。可知，硅酸鹽鉆井液體系的切力、黏度隨膨潤土加量增大呈上升趨勢，加量超過2%時，流變性能、濾失性能不易控制。在老化罐中放入鋼球后加入25 g粒徑為6～10目的模擬巖屑，在100 ℃下熱滾30 min，考察膨潤土加量對硅酸鹽鉆井液產(chǎn)生泥包大小的影響結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著膨潤土加量的增加，泥球的直徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，膨潤土加量為1%時，泥球直徑最小，說明加入少量的膨潤土有利于防止泥球的產(chǎn)生。這可能是因為在無膨潤土鉆井液中，硅酸根離子對固相顆粒的強抑制性阻止其水化分散，使得顆粒間更易黏結(jié)聚集在鋼球表面；加入少量預(yù)水化膨潤土漿，提高了鉆井液的黏度和切力，部分硅酸根離子被黏土顆粒消耗；但隨著膨潤土含量增加，鉆井液中黏土顆粒含量增多，硅酸根離子吸附更多的黏土顆粒抑制其水化分散，相互黏結(jié)并聚集在鋼球表面形成泥包。

表3 膨潤土加量對硅酸鹽鉆井液體系性能的影響

圖3 膨潤土加量對比泥包實驗

3.4 KCl

硅酸鹽鉆井液自身對黏土具有較強的抑制性，加入適量無機鹽能與硅酸鹽產(chǎn)生協(xié)同作用，促進(jìn)硅酸鹽沉淀的生成，形成的凝膠和沉淀物能阻止濾液侵入地層，提高鉆井液的封堵能力。考察了KCl加量對硅酸鹽鉆井液體系基本性能的影響，結(jié)果見表4。在老化罐中放入鋼球后加入25 g粒徑為2.0 mm～3.2 mm的模擬巖屑，100 ℃熱滾30 min，鉆屑泥包見圖4?？芍?，隨著KCl加量的增大，硅酸鹽鉆井液體系的切力和黏度略有降低，當(dāng)KCl的加量超過6%時黏度下降明顯，濾失量增大。由圖4可知，加入KCl后，泥包現(xiàn)象有所緩解，但隨著加量的增加，鋼球表面泥包變厚，可能是加入少量KCl后降低了鉆井液中水的活度，增加黏土顆粒界面間短程斥力，減少了黏土顆粒間相互黏附、聚集，隨著KCl加量的增大，體系的抑制性增強，黏土顆粒更易吸附聚集在鋼球上，KCl最佳濃度在3%～6%之間。

表4 KCl加量對硅酸鹽鉆井液體系性能的影響

圖4 KCl加量對比泥包實驗

3.5 不同防泥包劑

在硅酸鹽鉆井液體系中分別加入2%聚胺UHIB、2%聚丙烯酰胺PULB、2%疏水性表面活性劑WZ-B、2%胺基潤濕劑WETMINE，進(jìn)行防泥包劑對比實驗。在老化罐中放入鋼球后加入8%粒徑為2.0 mm～3.2 mm模擬巖屑，100 ℃熱滾30 min，鉆屑泥包情況如圖5所示。

圖5 不同防泥包劑泥包實驗

可知，加入WETMINE比其他3種防泥包劑的泥球直徑最小，具有優(yōu)異的防泥包效果，能有效阻止鋼球表面泥包的生成。WETMINE一端帶有親水性胺基，易吸附在鉆具、鉆屑、黏土礦物和井壁表面，另一端帶有疏水性基團(tuán)聚氧乙烯脂肪醇醚，能有效改變其表面性質(zhì)，通過吸附在鉆頭及鉆具表面快速形成憎水膜，降低表面對黏土顆粒的吸附，同時能夠滲透到鉆屑剪切面改變表面吸附性，使黏土顆粒由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷?，阻止黏土顆粒相互聚集、黏結(jié)，并改變了巖石孔隙內(nèi)部潤濕性，增強了體系的潤滑性，從而防止鉆頭泥包、黏附卡鉆[8]。

考察了WETMINE的加量對硅酸鹽鉆井液體系性能的影響結(jié)果見表5和表6。在老化罐中放入鋼球后加入25 g粒徑為2.0 mm～3.2 mm的模擬巖屑，100 ℃熱滾，鉆屑泥包情況如圖6所示。可知，加入防泥包劑WETMINE后，鋼球泥包程度明顯降低，能改善鉆井液的潤滑性能，且硅酸鹽鉆井液體系的流變、濾失性能影響不大；當(dāng)WETMINE加量為3%時，鋼球表面無泥包，具有較好的防泥包性能。

表5 WETMINE加量對硅酸鹽鉆井液體系性能的影響

表6 硅酸鹽鉆井液體系的潤滑性能

圖6 防泥包劑WETMINE加量對比泥包實驗

4 結(jié)論

1.硅酸鹽模數(shù)對泥包影響不大，泥包厚度均在3 mm左右。隨著硅酸鹽含量的增加，泥包程度呈增大趨勢，但加量超過5 %后泥包程度相差不大；隨著膨潤土加量的增加，泥球的直徑呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，最小直徑膨潤土加量為1%，說明加入少量的膨潤土有利于防止泥球的產(chǎn)生。KCl在一定濃度內(nèi)有助于降低泥包的產(chǎn)生，過量的KCl會反而會促進(jìn)泥包生成，最佳濃度在3%～6 %之間。

2.對比不同防泥包劑在硅酸鹽鉆井液體系中的防泥包效果，篩選出3%胺基潤濕劑WETMINEE加量能改善鋼球泥包大小，并對鉆井液流變性、濾失性能影響不大，改善了體系潤滑性，具有良好的防泥包效果。