水平定向钻进泥浆配方的研究

 

 1  前言

我国在水平定向钻进的施工中所应用的泥浆是由膨润土单组份组成的，存在易产生被钻的孔洞塌方、卡钻问题，造成水平定向钻进的失败。针对钻进中的失败原因，借鉴石油工业的钻井泥浆技术，结合多变的地表土壤情况和现场施工经验，研制了水平定向钻进泥浆配方。

在水平定向钻进施工中，人们把泥浆比作钻进的血液，泥浆停止循环时，钻进工作就不能继续进行。随着泥浆技术水平的提高，人们对于泥浆的作用和意义的认识也逐步提高。泥浆的作用和地位更加突出，泥浆也更加受到普遍的重视。泥浆的主要功能：

一、是携带和悬浮钻屑。这是泥浆的一个基本功能，就是要把钻头（扩孔钻）破碎的岩（土）屑从孔洞中带出孔眼，保持孔洞净化。

二、稳定孔壁。孔壁稳定、规则是优质快速钻进的重要基础条件，也是泥浆技术措施的基本立足点。

三、冷却和冲洗钻头，清扫孔中（底）岩（土）屑。还有泥浆比重能在比较大的范围内调节，以建立与地层压力相平衡的液柱压力，防止漏、塌、卡等地下复杂情况。

总之，应根据每一次钻进的各个阶段的地层特点，结构、钻进措施等具体条件，正确选择泥浆类型，决定相应的合理的泥浆措施，达到优质快速钻进的目的。

2 关于泥浆配方

（1）泥浆类型的选择

目前，泥浆基本类型有：水基泥浆、油基泥浆和气基泥浆。

一、水基泥浆以水为分散介质，其基本组分是黏土、水和化学处理剂；

二、油基泥浆由柴油（或原油）和沥青（或有机般土）及有关处理剂配成；

三、气基泥浆气体的来源于化学法产生，流体是由气、液两相或气、液、固三相组成。

根据我们现有的钻机性能和我国的地质条件，选择以水为分散介质，由粘土、水和化学处理剂基本组分的水基泥浆。

（2）泥浆的组成

①粘土（膨润土）

水平定向钻进泥浆中的粘土主要由很细（2微米以下）的粘土矿物颗粒组成。它们主要含氧化硅、氧化铝和水，还有少量的铁、碱金属和碱土金属，粘土矿物的化学成分是含水铝硅酸盐。粘土矿物的种类很多，常见的和对泥浆工艺较为重要的只有四种：高岭石、伊利石、蒙脱石和海泡石。水平定向钻进泥浆中的粘土是以蒙脱石为主的膨润土（又称粘土）。

②化学处理剂

为了保证水平定向钻进泥浆的稳定性和提高泥浆的各种工艺性能，以适应各种情况下的钻进要求，泥浆中使用着各种各样的化学处理剂（泥浆添加剂）。水平定向钻进泥浆常用的化学处理剂（泥浆添加剂）有：A.纯碱；B.防塌剂；C.降失水剂；D.絮凝剂； E.润滑剂；F.增粘剂

A.  纯碱

碳酸钠（Na2CO3），又叫苏打。纯碱在水中容易电离和水解，在配制时加入从而有效地改善粘土的水化分散性能，因此加入适量纯碱可使泥浆的失水下降，粘度、切力增大。

B.  防塌剂

主要有：腐殖酸钾、沥青粉、磺化沥青粉、磺化酚醛树脂、煤碱液。其中沥青粉具有两重性，可以用于水基钻井液中，能增加泥饼的润滑性，有防粘卡效应，能堵塞泥饼孔隙和调节泥饼中固相颗粒之间的粘结力，有降滤失量和防塌作用。

C.  降滤失剂

降失水剂有：钠羧甲基纤维素（Na—CMC）、聚丙烯腈；

D.  絮凝剂：

我们使用的聚合物类为：聚丙烯酰胺（PAM）；聚合物有絮凝、防塌、剪切三大作用。

F.  润滑剂：

在水平定向钻进中使用的为极压润滑剂、硬脂酸酯、磺化沥青等。由于润滑剂分子的亲水基吸附在金属或粘土的表面上，形成一层坚固的化学膜，使接触面之间的摩擦发生在亲油基之间，它提高了泥浆的润滑性，从而降低了摩擦力，减少钻具与泥浆的摩擦，可防止粘附性卡钻。

 ③水

泥浆中的水，我们选择淡水pH值控制在7-8。

(3) 泥浆配方

①泥浆配方研究方案的选择

根据地层特点，结构、钻进措施等具体条件，泥浆配方研究方案分为：

A．按地层的特点、结构及土壤分类进行泥浆的配方研究；

根据我们现行水平定向钻进的实际情况，结合我国的地表土壤分布状况,按地层的特点、结构及土壤分类。选择具有普遍性、广泛适用于各类地区及施工需求的泥浆配方进行研究。土壤的类型可分为：

a.粘土型；b.砂土型；c.灰土型；d.风化页岩型；e.砾石型；f.淤泥型；

以上六种土壤是我国地表（距大地表面30m深以上）分布比较普遍和广泛的，是我们在施工中接触最多，需要首先解决的泥浆配方；

②粘土层的泥浆性能要求及组成

A．粘土层的地质特点：粗土、地质结构松散，砂、冲积砂土层、种植土、回填土等、粉砂土及淤泥。细土地质构造较硬，吸水较强，其中黄色泥岩、褐色泥岩最具有代表性。

B．其主要特点：成孔性好，可钻性好，钻具在土中旋转推进、造斜和出土都能比较好的成孔，不易坍塌，是最适宜穿越的地层。

c． 粘土层浆性能要求：

密度         粘度      切力      PH 值    失水（中压）   泥 饼

1.05-1.07   35-40″  0-2/2-6    8.5-9      4-7ml    1.0-1.2

d.  泥浆的组成：

膨润土 + 纯碱 + 降失水剂 + 润滑剂

泥浆的配合比（Kg/m3）：

1：0.04 : 0.06 : 0.06

在一般的条件下，采用上面的配合比；施工中要根据现场的实际情况进行适当的调整。

③砂层和细砂、卵石、砾石（少量的）地层的泥浆性能要求及组成

A．砂层的地质构造特点：少量的粘土或粉质土夹杂大量的黄砂，其中还含有一定量的卵石、少量的砾石。

B. 其主要特点：成孔性一般，易塌、易漏失、吸水能力强。导向孔和回扩孔时极易坍塌，泥浆含砂量高造成机具对岩屑的重复破碎，机具和设备磨损较重。

c. 砂层泥浆性能的要求：

密度    粘度     失 水（中压）      PH 值    泥饼     切 力

1.05   50-65″    4-5ml           8.5-9    1.5     2-4/4-8

K≥11（提高K值有利于防漏、防塌，提高K值在定向钻的现场最直接的方法就是加膨润土、或加高分子聚合物（如万用王或者万能王等）；

n≤0.55（降低n值有利于携带岩屑、洗孔）；

t0动切力≥15 （屈服值 ，达因/厘米2）

d.泥浆的组成：

膨润土（高含量）+ 防塌剂 （聚合物、浓度适宜）+润滑剂

e.泥浆的配合比（Kg/m3）：

1：0.05 ：0.06

在一般的条件下，可采用上面的配合比；施工中要根据现场的实际情况进行适当的调整。

④砂层和细砂、卵石、砾石（少量的）地层的泥浆性能要求及组成

A．地质构造特点：完全的黄砂、含水量较大的流砂，其中包括卵石、砾石，此种地层一般比较少。

B．其主要特点：成孔性极差、易坍塌、易漏浆，易造成大区段的井壁坍塌包裹或掩埋钻具或机具，钻进速度慢，钻具、机具磨损严重，泥浆含砂量大，钻具、机具重复破碎情况严重。

c．卵石层、砾石层泥浆性能的要求：

密度        粘度     失 水（中压）  PH 值    泥饼    切 力

1.05-1.10   60-70″  4-5ml        8.5-9   1.5-2.0  2-6/6-10

K≥15        n =0.57-0.66       t0 =20

d．泥浆的组成：

膨润土（高含量）+ 防塌剂（聚合物）+ 降失水剂 + 润滑剂

e. 泥浆的配合比（Kg/m3）：

     1：0.03：0.04：0.03

在一般的条件下，可采用上面的配合比；施工中要根据现场的实际情况进行适当的调整。

注：以上三组配方获国家发明专利；

 4.实例

       以“西气东输”工程我们穿越的六条河流为例，说明自行研制的泥浆所产生的经济效益，下面的举例计算是穿越时孔洞所必需的数量，未考虑损失量和循环用量，一般考虑损失量和循环用量的总和为2.2-2.5。

5.结束语

       我们研制的水平定向钻进用的泥浆，通过在施工中的应用是成功的，达到了水平定向钻进工艺设计的要求，完全满足水平定向钻进在各种地质条件的成孔技术，已达到国内先进水平，获国家发明专利；其费用非常低廉，经济效益显著，可节约大量的投资，降低施工成本；它也可以做为产品，对外销售创收达到以收抵支的良性循环；随着科学技术的进步，水平定向钻进用泥浆也会不断地向前发展。因此要不断的跟踪先进技术及时地补充水平定向钻进用泥浆配方，使水平定向钻进泥浆配方始终保持其先进性。