CN104893696B - 一种随钻防塌防漏钻孔冲洗液及其现场制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种随钻防塌防漏钻孔冲洗液及其现场制备方法，属于地质岩心钻探技术领域。为解决强破碎和连续性漏失地层条件下钻孔冲洗液护壁效果差的问题，本发明提供的随钻防塌防漏钻孔冲洗液包括以下组份：每立方米水中加入膨润土30～50kg；纯碱2～4kg；增粘剂2～5kg；降失水剂20～50kg；流型调节剂5～15kg；桥堵剂30～80kg；封堵剂20～50kg；抑制剂10～30kg；发泡剂1～3L。该随钻防塌防漏钻孔冲洗液具有防塌效果好、堵漏速度快、堵漏强度高、适应裂隙宽度范围广等特点，可广泛应用于水敏性及松散破碎性地层、低压漏失层和对裂隙孔洞极其发育地层的钻进。

Description

一种随钻防塌防漏钻孔冲洗液及其现场制备方法
技术领域
本发明涉及地质岩心钻探技术领域，具体涉及一种随钻防塌防漏的钻孔冲洗液及其现场制备方法。
背景技术
钻孔冲洗液俗称为钻探工程中的“血液”，其重要性不言而喻。其中冲洗液在钻进过程中的一个重要功能即是维持孔壁稳定，但由于地质岩心钻探对象通常为重要的成矿带，地质构造较为复杂，易出现地层破碎、裂隙发育、异常地层压力等不利因素。因此，在钻进中时常发生因冲洗液性能难以满足要求而导致孔壁失稳，进而引发卡钻、埋钻等恶劣事故，造成大量人力、物力和财力的浪费；同时，局部异常低压、裂隙发育的地层也容易因冲洗液密度过高而发生漏失现象，造成冲洗液材料的快速消耗，甚至因发生全漏失而失去保护孔壁的功能。
近年来，在冲洗液护壁和防漏堵漏技术上已经有了较大发展，但在强破碎和连续性漏失地层条件下的护壁技术却始终难以突破。例如在四川省若尔盖铀矿田的整装勘查区内进行钻探施工时，钻遇地层主要为炭质板岩和灰岩，炭质板岩极其破碎，而灰岩溶蚀孔洞和纵向裂隙发育，两种地层交替出现。因此，在钻探施工时，为了保证炭质板岩层的孔壁稳定，需要配制强防塌钻孔冲洗液，而一旦钻遇灰岩，由于地层裂隙发育、冲洗液密度较高，常规冲洗液即刻漏失，难以发挥对上部炭质板岩层的防塌能力，因此，在该类地层条件下进行钻探事故频发、钻探效率低下、冲洗液和堵漏成本较高。
因此，针对该类地层，需要研究一种钻孔冲洗液既能有效防止孔壁坍塌，同时还能有效防止或减缓冲洗液的漏失情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种随钻防塌防漏钻孔冲洗液及其现场制备方法，以解决在上述破碎地层和裂隙发育地层交替出现的恶劣地质条件下钻探施工难题。
本发明采用的技术方案是：一种随钻防塌防漏钻孔冲洗液，其特征在于，包括以下组份：每立方米水中加入膨润土30～50kg；纯碱2～4kg；增粘剂2～5kg；降失水剂20～50kg；流型调节剂5～15kg；桥堵剂30～80kg；封堵剂20～50kg；抑制剂10～30kg；发泡剂1～3L；所述的流型调节剂为水解聚丙烯腈钾盐、两性离子聚合物稀释剂XY-27和低粘聚阴离子纤维素按质量比5:8:5组成；所述的桥堵剂为DTR、SRFL-101、QP-1和GDJ-Ⅳ按质量比1:3:2:3组成。
本发明提供的流型调节剂含量为水解聚丙烯腈钾盐K-HPAN、两性离子聚合物稀释剂XY-27和低粘聚阴离子纤维素LV-PAC按质量比5:8:5组成。
本发明提供的桥堵剂是由DTR、SRFL-101、QP-1和GDJ-Ⅳ按质量比1:3:2:3组成。其中，DTR、SRFL-101、QP-1由成都探矿技术研究开发公司生产并销售；GDJ-Ⅳ由西南石大金牛石油科技有限公司生产并销售。DTR是将渗滤材料、结构材料、填充材料、胶结材料等按比例复合而成的堵漏剂，本发明利用其高失水作用和聚凝作用，形成强度很高的堵塞物，从而堵住漏失通道，本发明中将其与其它堵漏材料复配后，可增强其堵漏能力；SRFL-101是将多种骨架颗粒与填充粒子及天然纤维，按比例复合而成的防漏堵漏材料，对≤1mm孔隙、裂缝漏失，堵漏效果好，与本发明的其他桥堵剂相配合，能增大堵漏尺寸，具有广谱、快速堵漏效果，堵塞稳定性好；QP-1为纤维状网络填充材料，在堵塞过程中起网络，堵塞后起拉筋作用，限制颗粒、片状材料的位移，增加堵塞强度，同时附加填充作用；GDJ-Ⅳ是由多种天然及改性纤维、刚性离子、聚合物及部分无机盐经加工而成的褐色状产品，GDJ-Ⅳ随钻加入后，不会被振动筛除，对孔隙及微裂缝地层具有良好的堵漏，防漏作用。通过对以上各类堵漏材料按照一定比例进行复配，可充分发挥各堵剂的防漏堵漏效果，实现对易漏地层的快速封堵，降低冲洗液的瞬时漏失量。
作为优选，所述的增粘剂是由HV-CMC和XC按照1:1.5质量比例组成的混合物，其中HV-CMC为高粘羧甲基纤维素钠，广泛用于地质钻探和石油钻探中，它不仅能大大提高冲洗液的粘度，同时还能有效降低钻孔冲洗液的失水量；XC为黄原胶，它是由黄原菌类作用于碳水化合物而生成的高分子链状多糖聚合物，很少的加量即可产生较高的粘度。
作为优选，所述的降失水剂为褐煤树脂(SPNH)、磺化褐煤(SMC)或磺化酚醛树脂(SMP-2)中的至少一种组成；主要用于降低钻孔冲洗液体系的失水量。
作为优选，所述的封堵剂为阳离子乳化沥青或改性沥青中的至少一种组成。为达到更好的效果，可以选择四川新创能石油工程技术有限公司销售的阳离子乳化沥青(SEB)，它是由多种表面活性剂、阳离子页岩抑制剂和沥青按比例加工而成。其微米级的带正电的沥青微粒极易吸附在带负电的岩石颗粒上，参与泥饼的形成，提高泥饼质量，其微粒及阳离子页岩抑制剂可以进入孔壁微裂缝中，产生粘附及相互聚集，大大提高软弱破碎岩层的胶结防塌能力。此外，沥青类处理剂还能与本发明所述的桥堵剂共同作用，提高对裂隙地层的堵漏强度。
作为优选，所述的抑制剂为氯化钾(KCL)，通过其提供的钾离子达到抑制强水敏性地层的水化膨胀。
作为优选，所述的发泡剂为ADF-3，由地质矿产廊坊聚力岩土工程科技开发公司生产并销售。ADF-3发泡剂为复配型阴离子和非离子表面活性剂。
本发明的另一个目的是提供一种随钻防塌防漏钻孔冲洗液的现场制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①基浆配制：按照配方比例向水中加入膨润土和纯碱，搅拌均匀后即得基浆；
②按照配方比例向基浆中依次加入增粘剂、降失水剂、流型调节剂、桥堵剂、封堵剂和抑制剂，每加入一剂在搅拌均匀后再加入下一剂，加入完成后得混合物A；
③向混合物A中按照配方比例加入发泡剂，并搅拌均匀，得混合物B；
④发泡：将混合物B进行充气发泡，直到混合物B的密度降低至设计密度，即得所述的随钻防塌防漏钻孔冲洗液。
为了达到更优的效果，在上述步骤②中，在加入增粘剂之前，需要将基浆静置16小时以上。
为了达到更好的发泡效果，在上述步骤④中所述的将混合物B进行发泡包括以下内容：将混合物B与空压机排出的压缩空气在泡沫发生器中进行强烈混合，使其充分发泡，当混合物B的密度降低至设计密度即停止发泡，即可得到所述的随钻防塌防漏钻孔冲洗液，即可进行钻进使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明提供的随钻防塌防漏钻孔冲洗液能适用于多种恶劣地层条件共存情况下的地质钻探工程施工。它既适用于水敏性及松散破碎性地层钻进，又能适用于低压漏失层的防漏，同时还能用于对裂隙孔洞极其发育地层进行随钻堵漏。因此，对于在该类复杂地层条件下施工可大大提高钻进效率、降低钻进成本。
(2)本发明中提供的随钻防塌防漏钻孔冲洗液中含有大量的微泡沫，能在裂隙发育地层钻进时进入其中形成滞留层，增大了冲洗液漏失阻力，再通过冲洗液中的桥堵剂迅速在裂隙中架桥堆积形成封堵层，最后再通过更小一级粒径的封堵剂进行填塞加固，提高对裂隙地层的堵漏强度，因此，本发明提供的钻孔冲洗液还具有堵漏速度快、堵漏强度高、适应裂隙宽度范围广的特点。
(3)由于在地质岩心钻探施工中通常对地层压力不明确，导致在钻遇低压漏失层时冲洗液密度设计没有合理的依据，本发明提供的随钻防塌防漏钻孔冲洗液及其现场制备方法中，可通过调整发泡剂的加量来实现密度的灵活可调，以降低漏失压力。
(4)本发明提供的随钻防塌防漏钻孔冲洗液，采用特殊的发泡剂，并与配方中的其他组份进行很好的配伍，制备而成的钻孔冲洗液具有较强的发泡能力，稳泡效果好、抗盐能力强，同时还具有较强的耐低温性(≤10℃)，尤其适用于严寒地区的钻探施工。
(5)本发明提供的随钻防塌防漏钻孔冲洗液，采用特殊的堵漏添加剂，同时配合流型调节剂，保证体系的沉降稳定性，同时冲洗液各项性能指标完全满足提钻取心、绳索取心等多种钻进工艺的施工。
(6)本发明提供的随钻防塌防漏钻孔冲洗液的现场制备方法中，利用空压机排出的压缩空气在泡沫发生器中进行发泡，与常规搅拌发泡或循环发泡等方式相比，制备而成的钻孔冲洗液中微泡沫更致密均匀，稳泡时间更长，同时也可通过调节空压机风量及发泡时间控制发泡程度，进而控制冲洗液密度，操作简便，易于现场施工人员掌握。
附图说明
图1为抑制性测试结果图；
图2为泡沫发生器的结构图；其中，1表示钻孔冲洗液入口；2表示压缩空气入口；3表示外管；4表示发泡管；5表示隔板；6表示挡板；7表示低密度钻孔冲洗液出口。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
下述实施例中所使用的材料、试剂等，均可从商业途径得到。其中，实施例1-3中的部分试剂购买来源如下：
增粘剂为高粘羧甲基纤维素钠和黄原胶按质量比1:1.5组成；其中，羧甲基纤维素钠和黄原胶购买于四川新创能石油工程技术有限公司。
降失水剂为褐煤树脂，购买于成都川锋化学工程有限责任公司。
流型调节剂为水解聚丙烯腈钾盐、两性离子聚合物稀释剂XY-27和低粘聚阴离子纤维素按质量比5:8:5组成；其中，聚丙烯晴钾盐购买于四川新创能石油工程技术有限公司，XY-27购买于西安天正石油技术有限公司，低粘聚阴离子纤维素购买于山东一腾化工有限公司。
桥堵剂为DTR、SRFL-101、QP-1和GDJ-Ⅳ按质量比1:3:2:3组成；其中，DTR、SRFL-101、QP-1购买于成都探矿技术研究开发公司，GDJ-Ⅳ购买于西南石大金牛石油科技有限公司。
封堵剂为阳离子乳化沥青SEB，购买于四川新创能石油工程技术有限公司。
抑制剂为氯化钾，购买于四川新创能石油工程技术有限公司。
发泡剂为ADF-3，购买于地质矿产廊坊聚力岩土工程科技开发公司。
实施例1
室内试验：在1000ml清水中加入膨润土30g，纯碱2g，在11000r/min转速下搅拌10min后静置24h作为基浆待用；向基浆中依次加入增粘剂5g，降失水剂50g，流型调节剂15g，桥堵剂30g，封堵剂50g，抑制剂10g，发泡剂3mL，每加入一剂在搅拌均匀后再加入下一剂，最后搅拌均匀，即得所述的随钻防塌防漏钻孔冲洗液。
实施例2
室内试验：在1000ml清水中加入膨润土50g，纯碱4g，在11000r/min转速下搅拌10min后静置24h作为基浆待用；向基浆中依次加入增粘剂2g，降失水剂20g，流型调节剂5g，桥堵剂80g，封堵剂20g，抑制剂30g，发泡剂1mL，每加入一剂在搅拌均匀后再加入下一剂，最后搅拌均匀，即得所述的随钻防塌防漏钻孔冲洗液。
实施例3
室内试验：在1000ml清水中加入膨润土40g，纯碱3g，在11000r/min转速下搅拌10min后静置24h作为基浆待用；向基浆中依次加入增粘剂3g，降失水剂40g，流型调节剂10g，桥堵剂50g，封堵剂40g，抑制剂20g，发泡剂2mL，每加入一剂在搅拌均匀后再加入下一剂，最后搅拌均匀，即得所述的随钻防塌防漏钻孔冲洗液。
室内性能测试：主要对前述三个实施例所制备的防塌防漏钻孔冲洗液进行室内各项性能测试。其中，以下对比试验中提到的不分散低固相泥浆为地质钻探常用的泥浆体系，其配方为，按质量分数计：4％膨润土+0.2％纯碱+0.3％高粘羧甲基纤维素钠+75ppm水解聚丙烯酰胺。
①基本性能测试：主要包括冲洗液的密度、流变性、失水性等性能测试，冲洗液密度由青岛泰峰石油仪器公司生产的YM-4型液体密度计进行测试，测量范围为0.5～2.0g/cm3，测量精度为0.01g/cm3；冲洗液的流变性能(包括表观粘度、塑性粘度、动切力、静切力)由青岛泰峰石油仪器公司生产的ZNN-D6SP型数显旋转六速粘度计进行测试；冲洗液的失水量由青岛泰峰石油仪器公司生产的ZNS-1型中压失水仪进行测试，工作压力为0.69MPa±35kPa。具体试验结果见表1。
表1 基本性能测试结果
表1中ρ为防塌防漏冲洗液的密度，AV为表观粘度，PV为塑性粘度，YP为动切力，Gel10′/10″分别为10秒和10分钟的初切力和终切力，FL为API(美国石油协会)标准的中压失水量。
从以上试验结果来看，各实施例中的流变性能优良，失水量较低，完全满足地质岩心钻探中对冲洗液的性能要求；同时，各实施例的冲洗液密度均低于1g/cm3，对低压易漏地层具有良好的防漏效果。
②稳泡性测试：该项测试主要用于评价低密度冲洗液中的泡沫稳定性，试验方法为：将实施例1、2、3中得到的随钻防塌防漏钻孔冲洗液，分别进行高速搅拌10min，取500ml移入带有刻度的量筒中，记录分离出250ml钻孔冲洗液时的时间即为半衰期，经过试验表明，实施例1-3得到的随钻防塌防漏钻孔冲洗液的半衰期分别为34h、42h和39h。
③抑制性测试：采用青岛泰峰石油仪器公司生产的HTP-4型高温高压膨胀仪进行测试。试验岩样选用若尔盖矿区典型炭质板岩，磨细过100目筛网后，取15g置于压模机内加压至14.2MPa(2000PSI)，并维持恒压15min制成。试验条件为常温常压。对实施例1-3得到的随钻防塌防漏钻孔冲洗液以及地质钻探常用的不分散低固相泥浆进行对比试验，了解岩样在不同介质情况下的膨胀情况。
得到的抑制性测试结果如图1所示，从图1中可以看出：实施例1-3得到的随钻防塌防漏钻孔冲洗液均具有较强的抑制效果，能有效抑制岩样的水化膨胀。
④模拟防漏堵漏测试：本项测试主要是对钻孔冲洗液的防漏及堵漏效果进行评价，试验仪器为青岛泰峰石油仪器公司生产的FA型无渗透测试仪和中国地质科学院探矿工艺所研制的DS-2型堵漏测试仪。
FA型无渗透测试仪模拟防漏堵漏试验是采用20～40目(相当于0.90mm～0.45mm)石英砂作为模拟地层微孔隙，模拟渗透压力为0.69MPa。观察30min内冲洗液的渗透量。试验结果见表2：
表2 FA型无渗透测试仪模拟防漏堵漏测试结果
从表2可以看出：实施例1-3得到的随钻防塌防漏钻孔冲洗液均具有较强的封堵微裂隙的能力，尤其对于裂隙发育的破碎性地层具有较强的封堵防塌效果。
DS-2型堵漏测试仪是采用Φ2mm的钢珠和宽为1mm的缝板分别模拟地层孔隙和裂隙，初始模拟渗透压力均为1MPa，并逐渐提高压力，评价其承压能力。实验结果见表3。
表3 DS-2型堵漏测试仪模拟防漏堵漏测试结果
从表3可以看出：实施例1-3得到的随钻防塌防漏钻孔冲洗液对小于1mm的孔隙及裂缝均具有较强的封堵作用，完全满足在该类地层钻进时的随钻防漏堵漏功能。
实施例4
一种防塌防漏钻孔冲洗液的现场制备方法。在若尔盖铀矿整装勘查区内ZK4-1钻孔的钻探施工中，上部地层主要为较破碎的炭质板岩，孔壁稳定性较差；而在197.31m以深为硅质灰岩，该类地层裂隙孔洞发育，钻进至225.81m时发生钻孔严重漏失，并在起钻过程中有卡钻现象，现场即采用前述实施例3中的配方按1:3000的比例扩大后，进行防塌防漏钻孔冲洗液的现场制备。
现场制备的配方为：3立方米的水中加入膨润土120kg，纯碱9kg，增粘剂9kg，降失水剂120kg，流型调节剂30kg，桥堵剂150kg，封堵剂120kg，抑制剂60kg，发泡剂6L。其具体的制备方法如下：
①基浆配制：按照配方比例向清水中加入膨润土和纯碱，搅拌均匀后静置16小时以上待用；
②按照配方比例向已配制好的基浆中依次加入增粘剂、降失水剂、流型调节剂、桥堵剂、封堵剂和抑制剂，每加入一剂应搅拌均匀后再加入下一剂；
③向配制好的冲洗液中按照配方比例加入发泡剂，并缓缓搅动，使其大致混合均匀；
④发泡：通过泥浆泵抽取已经配制好的冲洗液与开山牌螺杆空压机(型号LG-2.3/13)排出的压缩空气在如图2所示的泡沫发生器中强烈混合，直至降低至设计密度后停止发泡，即得低密度防塌防漏的钻孔冲洗液即可进行钻进使用。其中，泡沫发生器的结构如图2所示。
将制备好的防塌防漏钻孔冲洗液用于若尔盖铀矿整装勘查区的ZK4-1钻孔225.81m以深孔段，在实钻过程中，冲洗液密度始终控制在0.8～1.0g/cm3的范围内(具体性能控制范围见表4)。在钻进过程中由于钻孔冲洗液中含有大量微泡沫，会对泥浆泵的上水效率产生一定影响，因此，在钻进中应尽量将泥浆泵档数调高；在该钻孔冲洗液使用中应随时监测冲洗液的各性能指标，特别是密度控制，如果钻进过程中密度过高时，则应再将泥浆池内钻孔冲洗液通过泡沫发生器进行再次发泡以控制密度在设计范围内。
表4 ZK4-1钻孔防塌防漏钻孔冲洗液性能范围
表4中FV为防塌防漏冲洗液的马氏漏斗粘度计读数。
采用实施例3的配方，并通过实施例4提供的现场制备方法，得到防塌防漏钻孔冲洗液在下部钻探施工中大大减轻了漏失程度，并未发生任何因孔壁失稳而出现的孔内复杂情况，提高了该钻孔的施工效率并节约了综合钻探成本。

Claims (7)

1.一种随钻防塌防漏钻孔冲洗液，其特征在于，包括以下组份 ：每立方米水中加入膨润土 30 ～ 50kg ；纯碱 2 ～ 4kg ；增粘剂 2 ～ 5kg ；降失水剂 20 ～ 50kg ；流型调节剂 5 ～15kg ；桥堵剂 30 ～ 80kg ；封堵剂 20 ～ 50kg ；抑制剂 10 ～ 30kg ；发泡剂 1 ～ 3L ；所述的流型调节剂为水解聚丙烯腈钾盐、两性离子聚合物稀释剂 XY-27 和低粘聚阴离子纤维素按质量比 5:8:5 组成 ；所述的桥堵剂为 DTR、SRFL-101、QP-1 和GDJ- Ⅳ按质量比 1:3:2:3 组成；所述的增粘剂为高粘羧甲基纤维素钠和黄原胶按质量比1:1.5 组成；所述的封堵剂为阳离子乳化沥青或改性沥青中的至少一种组成。
2.根据权利要求 1 所述的随钻防塌防漏钻孔冲洗液，其特征在于，所述的降失水剂为褐煤树脂、磺化褐煤或磺化酚醛树脂中的至少一种组成。
3.根据权利要求 1 所述的随钻防塌防漏钻孔冲洗液，其特征在于，所述的抑制剂为氯化钾。
4.根据权利要求 1 所述的随钻防塌防漏钻孔冲洗液，其特征在于，所述的发泡剂为ADF-3。
5.根据权利要求 1-4 任一项所述的一种随钻防塌防漏钻孔冲洗液的现场制备方法，其特征在于，包括以下步骤 ：
①基浆配制 ：按照配方比例向水中加入膨润土和纯碱，搅拌均匀后即得基浆 ；
②按照配方比例向基浆中依次加入增粘剂、降失水剂、流型调节剂、桥堵剂、封堵剂和抑制剂，每加入一剂在搅拌均匀后再加入下一剂，加入完成后得混合物 A ；
③向混合物 A 中按照配方比例加入发泡剂，并搅拌均匀，得混合物 B ；
④发泡 ：将混合物 B 进行充气发泡，直到混合物 B 的密度降低至设计密度时停止发泡，即得所述的随钻防塌防漏钻孔冲洗液。
6.根据权利要求 5所述的一种随钻防塌防漏钻孔冲洗液的现场制备方法，其特征在于，在步骤②中，在加入增粘剂之前，需要将基浆静置 16 小时以上。
7.根据权利要求 5所述的一种随钻防塌防漏钻孔冲洗液的现场制备方法，其特征在于，步骤④所述的将混合物B进行发泡包括以下内容 ：将混合物B与空压机排出的压缩空气在泡沫发生器中进行混合。
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