石英砂粒徑和含量對成膜鉆井液濾失性能和抑制性能影響規律的研究

周 斌，朱 林 ，莫定強

(1.湖南省中彩機械化施工有限責任公司， 湖南 長沙 410208；2.中南大學 地球科學與信息物理學院， 湖南 長沙 410083；3.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083)

0 引 言

井壁穩定性問題一直是鉆探領域普遍存在的一大技術難題，經過國內外專家和學者不懈努力，鉆井過程中的井壁穩定性問題得了長足進步，但是仍沒有得到徹底解決。據統計，全世界每年用于維持孔壁的費用多達10億美元。在粗顆粒含量大、滲透系數大的淺部地層中進行非開挖鉆探作業時，由于淺部砂卵石地層的顆粒間膠結弱、孔隙大，普通鉆井液循環時漏失嚴重導致不能平衡地層壓力，從而引起塌孔、埋鉆等事故，造成嚴重的經濟損失[1-2]。近些年來興起各種鉆井液成膜技術，其中以硅酸鹽為代表的水基成膜鉆井液體系能夠在井壁上形成半滲透膜，從而有效地控制空隙壓力的傳遞，使孔壁具有較好的穩定性，故嘗試將成膜鉆井液引入到非開挖領域中。鉆井液成膜技術就是通過在鉆井液中加入成膜材料，使鉆井液能夠在井壁表面形成一層半透膜或隔離膜結構，即在井壁的外圍形成保護層，阻止或減小鉆井液及濾液進入地層，封堵地層裂隙，保持井壁穩定。

滲透系數大的地層普遍存在鉆井液難以短時間內形成泥餅的問題，解決該問題的常用辦法是向鉆井液中加入粗粒材料或高聚物。國內外大量相關專家學者通過室內外試驗的方法對鉆井液成膜問題展開研究。Talmon等[3]發現在鉆井液中添加懸浮砂能夠縮短濾餅形成時間，Heinz等[4]發現加入粉土、砂土等添加劑的膨潤土泥鉆井液在高滲透性地層中的滲透距離更短；Fritz等[5]通過試驗得出，在鉆井液中加入砂子、蛭石、聚合物等添加劑可以在高滲透性地層中形成泥餅；劉成等[6]通過研究發現添加適量輕質粗粒材料可以有效縮短泥餅形成時間和降低濾失量，但添加量達到一定值，其改善效果降低；吳迪[7]等研究發現泥漿的相對密度反應了單位體積內所能提供的用于孔隙填充的顆粒數量，是影響濾水量以及填充致密程度的首要因素；王春河等[8]發現在廢漿中加入高分子材料和膨潤土材料可以提高開挖面的穩定性。

已有研究表明，通過加入添加劑增大鉆井液顆粒尺寸或直接添加粗粒材料能夠提高滲透系數較高地層的泥餅質量，但就對加入的石英砂粒徑和含量對成膜鉆井液的濾失性能和抑制性展開的研究很少。筆者選擇石英砂作為鉆井液粗粒添加材料，通過全實驗的方法開展粗顆粒粒徑和含量對成膜鉆井液濾失性能和抑制性能的影響規律研究，以期為高滲透地層成膜鉆井液應用提供一定理論指導。

1 實驗材料

硅酸鹽成膜鉆井液體系選用硅酸鈉溶液作為成膜主劑，由于單獨使用硅酸鈉溶液時，其粘度與清水一般，成膜效果不太明顯，加之其堿性較強，直接使用會對鉆具造成一定的腐蝕，所以論文借鑒前人研究成果選取與硅酸鈉溶液配伍性較好的處理劑作為成膜助劑[9]，然后通過硅酸鹽溶液與成膜助劑的復配試驗通過室內試驗，確定了以水+12%膨潤土為基漿，羧甲基纖維素鈉（CMC-Na）、聚丙烯酰胺（PAM）、硅酸鈉（Na2SiO3）、氯化鉀（KCl）為添加劑的成膜鉆井液配方。鉆井液由膨潤土、水、CMC、PAM、硅酸鈉、氯化鉀按照120:880:15:3:33.33:16.67的質量比進行配置而成。

將不同粒徑區間和不同質量的石英砂加入成膜鉆井液體系中以研究粗顆粒材料加入后對成膜泥鉆井液體系的影響情況，石英砂的粒徑區間有20～40目、40～80目、80～120目三個水平；質量有1，2，3，4 g四個水平。

2 實驗設計

采用全面試驗的方法展開粗顆粒材料對成膜鉆井液濾失和抑制性影響規律的研究。在試驗設計中，為了獲得全面試驗信息，對所選取的試驗因素的所有水平組合全部進行一次以上試驗，這種方法稱為全面試驗設計法，通過全面試驗能得到最優配方，它適用于考察的因素和水平數都不多的情況。本實驗由于只考慮石英砂粒徑和質量兩個因素對成膜鉆井液的影響，試驗次數總共 13個（其中 1個為對照實驗），故可以用全面試驗的方法。全面試驗設計方案見表1，其中13號試驗為對照實驗。

3 試驗結果與分析

3.1 濾失結果分析

在壓差作用下，鉆井液的自由水向井壁巖石的裂隙或者孔隙中滲透，稱為鉆井液的濾失作用。濾失作用的強弱用濾失量來表示，濾失量的評價在國內外均采用API濾失量，即鉆井液在規定的壓差下通過一定的滲濾斷面30 min內的濾失量來衡量。

本實驗先稱取880 g 65℃的水置于容器中，打開攪拌器慢速攪拌，同時稱取15 g CMC，緩慢加入攪拌器中并適當提高攪拌器轉速，當CMC充分溶解后稱取3 g PAM緩慢放入攪拌器中，待其完全溶解后稱取33.33 g Na2SiO3和16.67 g KCl放入攪拌器中，攪拌均勻后按照表2依次稱取各石英砂放入攪拌器中，攪拌3 min后適當降低轉速，最后加入120 g膨潤土，適當提高轉速，攪拌5 min后取適量鉆井液倒入已墊好濾紙的六聯失水儀鉆井液杯中，將鉆井液杯密封好后將量筒置于六聯失水儀托盤上，隨后打開氣源，將壓力控制在0.69 MPa，然后緩慢打開減壓閥芯，開始濾失，濾失30 min后關閉氣源，關閉減壓閥，讀出濾失液體積，最后打開減壓閥將氣排除。濾失數據如圖1所示。

表1 全面試驗設計方案

圖1 濾失數據圖

由圖1可知，當石英砂添加量從0～3 g時，所有成膜鉆井液的濾失量都呈下降趨勢。當石英砂添加量為3 g時成膜鉆井液的濾失量最小，當繼續增加石英砂，濾失量卻出現增加的情況，這說明對于成膜鉆井液而言并不是加入的粗顆粒材料越多，其濾失越小，而是在粗顆粒質量增加的過程中隨著粗顆粒含量增加，鉆井液中的級配發生變化，其中存在一個所對應濾失量最小的最優級配。另一方面，40～80目的石英砂成膜鉆井液的濾失量幾乎一直是最小的，20～40目的石英砂成膜鉆井液濾失量最大，80～120目的石英砂成膜鉆井液的濾失量在兩者之間。這也說明成膜鉆井液中加入粗顆粒后，其濾失量在一定粒徑區間范圍內隨粒徑的減小而減小，當超過這個范圍后，粒徑減小其濾失量增加。

3.2 抑制膨脹結果分析

鉆井液對粘土礦物水化膨脹的抑制性程度與地層的井壁穩定關系十分密切，若鉆井液抑制膨脹差，則鉆井液中侵入到地層的水多，會導致井壁穩定性差。因此鉆井液體系必須具有很強的抑制水化膨脹和水化分散能力。采用頁巖膨脹儀測試膨潤土巖芯在鉆井液體系中的膨脹量，得出成膜鉆井液體系抑制泥頁巖膨脹的好壞。具體做法是：先在測筒底蓋內墊一層濾紙，旋緊筒底蓋，稱取10 g膨潤土裝入測筒內，把測筒放在壓力機上均勻加壓，直到壓力表上指針讀數為0.4 MPa，穩壓10 min后卸去壓力，取下測筒，把測筒安裝在膨脹儀上，在泥漿杯中分別加入各組已配制好的鉆井液，最后將膨脹儀放入泥漿杯中，使杯內液體淹沒測筒，同時將膨脹儀上膨脹量置零，此時開始計時和測量膨脹量。由于實驗結果分析要考慮時間效應、石英砂粒徑、石英砂加量以及膨脹量，故可從石英砂加量和石英砂粒徑兩個方向來分析石英砂對成膜鉆井液的抑制膨脹影響。

3.2.1 石英砂加量對膨脹結果分析

以石英砂加量為影響因素，成膜鉆井液膨脹量為實驗結果進行石英砂加量對膨脹量影響分析。各試驗號的膨脹量如圖2～5所示（其中0號試驗為清水對照實驗，13號實驗是未加入石英砂對照實驗）。

圖2 20～40目石英砂鉆井液膨脹量

由圖2可知，對于加入清水作為對照實驗的膨潤土巖芯膨脹量遠遠大于其他各組成膜鉆井液，其中膨潤土巖芯在清水浸泡 12 h的膨脹量接近于在成膜鉆井液浸泡12 h膨脹量的3倍。膨潤土巖芯遇水會快速水化膨脹，而圖2結果表明其在成膜鉆井液中的水化膨脹量遠小于清水，這表明成膜鉆井液在膨潤土巖芯表面形成了一層隔離膜，減少了水的滲入，說明成膜鉆井液能一定程度上維持孔壁穩定。

圖3 20～40目石英砂鉆井液膨脹量

圖4 40～80目石英砂鉆井液膨脹量

圖5 80～120目石英砂鉆井液膨脹量

圖3結果顯示，膨潤土巖芯在20～40目石英砂成膜鉆井液中浸泡12 h的膨脹量在0.6～0.8 mm之間。對于粒徑為20～40目石英砂而言，當其加量為2 g時，膨潤土巖芯在成膜鉆井液的膨脹量最小，加量為1 g時膨脹量稍大，加量為3 g時膨脹量最大。膨潤土巖芯在未添加石英砂的成膜鉆井液膨脹量均大于加入石英砂成膜鉆井液的膨脹量，這說明對于20～40目的石英砂成膜鉆井液而言，通過加入石英砂可以一定程度提高成膜鉆井液的抑制性。所有的實驗結果都表明，膨脹量增加隨時間的增加而逐漸減小。

圖4結果表明，膨潤土巖芯在包括對照組在內的所有40～-80目石英砂成膜鉆井液中浸泡12 h的膨脹量均在0.6～0.8 mm之間，且膨脹量增量均出現隨時間的增加而減小的趨勢。其中膨潤土巖芯在含量為2 g的40～80目石英砂鉆井液中的膨脹量最小，含量為4 g的膨脹量稍大，3 g的膨脹量最大。膨潤土巖芯在含量為2 g和4 g的40～80目石英砂鉆井液的膨脹量均小于未加入石英砂的鉆井液，即對于40～80目石英砂成膜鉆井液而言，當加入石英砂質量為2 g或者4 g時能提高鉆井液的抑制性。

由圖5可知，膨潤土巖芯在80～120目石英砂成膜鉆井液中浸泡12 h后的膨脹量在0.6～0.8 mm之間，膨潤土巖芯在 80～120目石英砂浸泡的膨脹量隨石英砂加量的增加而增加。膨潤土巖芯在80～120目石英砂成膜鉆井液中浸泡的膨脹量除了含量為4 g時的膨脹量大于對照實驗，其他均小于對照實驗，這表明當向成膜鉆井液中加入的80～120目石英砂含量超過一定量后鉆井液體系的抑制膨脹性反而降低。

3.2.2 石英砂粒徑對膨脹結果分析

將石英砂粒徑為研究對象，以膨潤土巖芯在各加入不同粒徑的石英砂成膜鉆井液中浸泡的膨脹量為結果進行石英砂粒徑對膨潤土巖芯膨脹影響進行分析。膨潤土巖芯在加入不同石英砂粒徑的成膜鉆井液中浸泡的膨脹量結果如圖6～9所示。

圖6 1 g石英砂鉆井液膨脹量

圖7 2 g石英砂鉆井液膨脹量

圖8 3 g石英砂鉆井液膨脹量

圖9 4 g石英砂鉆井液膨脹量

圖6 結果表明，當加入的石英砂質量為1 g時，膨潤土巖芯在不同粒徑的石英砂成膜鉆井液中浸泡120 min以前，粒徑為40～80目的石英砂成膜鉆井液的膨脹量最大，未加入石英砂的成膜鉆井液膨脹量次之，20～40目石英砂成膜鉆井液膨脹量最小。當浸泡720 min時，膨脹量隨粒徑的減小呈現先增后減的規律，具體表現為：80～120目石英砂成膜鉆井液膨脹量最小，20～40目石英砂成膜鉆井液膨脹量稍大，40～80目石英砂成膜鉆井液膨脹量最大，對照組膨脹量稍微大于 20～40目石英砂成膜鉆井液，且小于40～80目石英砂成膜鉆井液。

由圖7可知，當向成膜鉆井液體系中加入的石英砂為2 g時，膨潤土巖芯在對照組的膨脹量最大，這表明當石英砂加量為2 g時，加入不同粒徑的石英砂均能提高成膜鉆井液的抑制性。膨潤土巖芯在20～40目石英砂成膜鉆井液中浸泡后的膨脹量最小，80～120目石英砂成膜鉆井液膨脹量稍增，40～80目石英砂成膜鉆井液中的膨脹量最大。即當石英砂加量為2 g時，膨脹量隨粒徑的減小呈現先增后減的規律。

由圖8可知，當石英砂含量為3 g時，各試驗號膨脹量在浸泡120 min左右時開始出現明顯的倒轉，120 min以前，粒徑為80～120的石英砂成膜鉆井液的膨脹量最大，40～80目的石英砂成膜鉆井液膨脹量最小，120 min以后80～120目石英砂成膜鉆井液的膨脹量最小，20～40目石英砂成膜鉆井液膨脹量稍大，對照組膨脹量稍大于20～40目石英砂成膜鉆井液膨脹量，40～80目石英砂成膜鉆井液膨脹量最大。即當石英砂含量為3 g，浸泡120 min后20～40目和 80～120目石英砂成膜鉆井液的抑制性均優于未加石英砂的成膜鉆井液。石英砂加量為3 g時，成膜鉆井液的膨脹量隨粒徑的減小出現先增后減的規律。

由圖9可知，膨潤土巖芯在石英砂粒徑不同、加量為4 g的成膜鉆井液時浸泡12 h后80～120目的石英砂成膜鉆井液的膨脹量最大，對照組次之，40～80目石英砂成膜鉆井液膨脹量再次之，20～40目石英砂成膜鉆井液的膨脹量最小。即當石英砂加量為4 g時，成膜鉆井液的膨脹量出現隨石英砂粒徑的減小而增加的趨勢。當加入石英砂4 g時，粒徑為20～40目和40～80目石英砂成膜鉆井液抑制膨脹性比未加石英砂的成膜鉆井液強。

4 結 論

以硅酸鹽成膜鉆井液體系為研究對象，以石英砂為封堵材料，通過全面實驗就石英砂粒徑和加量對成膜鉆井液濾失性能和抑制性能影響規律展開研究，得到以下結論：

（1）成膜鉆井液中加入石英砂后，一定范圍內的粒徑減小和石英砂含量增加會引起鉆井液體系濾失量減小，當超過這個范圍后，濾失量開始增加。

（2）膨潤土巖芯在加入石英砂的硅酸鹽成膜鉆井液中浸泡12 h后的膨脹量均在0.6～0.8 mm范圍內。

（3）膨潤土巖芯在質量分數為0.2%、粒徑為20～40、40～80目的石英砂以及質量分數為 0.1%下粒徑為 80～120目的石英砂硅酸鹽成膜鉆井液中浸泡后的膨脹量最小。

（4）當加入的石英砂質量分數在 0.1%～0.3%時，膨潤土巖芯在硅酸鹽成膜鉆井液中的膨脹量呈現隨粒徑的減小先增后減的規律，當加入的石英砂質量分數大于0.3%時，膨潤土巖芯在硅酸鹽成膜鉆井液中的膨脹量呈現隨粒徑的減小而增加的規律。