CN108559460A

CN108559460A - 用于松散破碎层和水敏性地层的非开挖定向钻井液配方

Info

Publication number: CN108559460A
Application number: CN201810211039.6A
Authority: CN
Inventors: 周玲; 陈强; 董利民
Original assignee: SHANGHAI ZHICHENG URBAN PIPE NETWORK ENGINEERING TECHNOLOGY Co Ltd; Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: SHANGHAI ZHICHENG URBAN PIPE NETWORK ENGINEERING TECHNOLOGY Co Ltd; Shanghai University of Engineering Science
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2018-09-21

Abstract

本发明涉及一种非开挖钻孔敷设的长水平孔段的钻井液配方，适用于松散破碎层和水敏性地层。一种用于松散破碎层和水敏性地层的非开挖定向钻井液配方，包括：0.5～3%的碱度调节剂，0.5～3%的有机土，0～3%的降粘剂或者增粘剂，0～5%的降滤失剂，水相为50～95%的氯化钙水溶液；其中，百分比是按添加剂重量占钻井液体积的百分比计算。本发明的钻井液配方对于松散破碎层，能增加井壁颗粒之间的胶结力，使孔壁的稳定性增强；应对水敏性地层，能降低成孔液的失水量以及增强孔壁岩土的抗水敏性、抑制分散。本发明的钻井液配方能满足松散破碎层和水敏性地层的非开挖钻进对钻井液的要求。

Description

用于松散破碎层和水敏性地层的非开挖定向钻井液配方

技术领域

本发明涉及一种非开挖钻进的钻井液（或泥浆），尤其涉及一种非开挖钻孔敷设的长水平孔段的钻井液配方，适用于松散破碎层和水敏性地层。

背景技术

水平定向钻穿越敷管施工，是一项常用的地下管线施工技术。随着地下管网的大规模建设，现被广泛应用于城市地下管网和各类长输管线建设。

水基钻井液是由膨润土、水（或盐水）、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多相分散体系。从流体介质角度看水基钻井液，其就是以水为连续流体介质的钻井液。在岩土钻探和水平定向穿越敷管工程施工中，钻井液是钻进的工具，是定向穿越施工的血液，钻井液工艺是关系到工程成败的主要因素。钻井液的主要功能包括悬浮、排除钻渣、保护孔壁、堵漏、平衡地层压力、冷却钻头、润滑钻具、软化岩土和导向水射流等。在不同地层钻进时常会出现孔壁坍塌、孔壁遇水膨胀和缩径、漏失地层、抱钻卡等问题，以致造成严重的工程事故。所以统一的泥浆配方并不能解决实际问题，必需根据不同地层的具体特点，采用针对性的泥浆配方和用量进行施工。

通过对施工区域的土层情况进行三维量化建模，得到土层的各项性能参数，包括：土性名称，土体重度，土的天然含水量，土体内摩擦角，土体孔隙比，塑性指数等。根据实际施工的地层记录资料，将各地层特性进行分类和统计，并存储到数据库内。常见的六种地层包括：松散破碎层、水敏性地层、水溶性地层、高压蠕变层、低压漏失层、坚硬岩石，对于不同的地层，长输管线非开挖钻进对钻井液的要求也不同，实际施工中松散破碎层和水敏性地层较多，采用针对性的泥浆配方和用量进行施工是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于松散破碎层和水敏性地层的非开挖定向钻井液配方，该钻井液配方能满足松散破碎层和水敏性地层的非开挖钻进对钻井液的要求。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于松散破碎层和水敏性地层的非开挖定向钻井液配方，包括：

0.5～3%的碱度调节剂，

0.5～3%的有机土，

0～3%的降粘剂或者增粘剂，

0～5%的降滤失剂，

水相为50～95%的氯化钙水溶液；

其中，百分比是按添加剂重量占钻井液体积的百分比计算。

所述碱度调节剂为氧化钙、氧化镁、氢氧化钠、氢氧化镁中的一种或复配使用。

所述有机土和增粘剂为有机膨润土、有机蒙脱石、聚酰胺树脂、脂肪酸皂中的一种或复配使用。

所述降粘剂为聚醚类化合物。

所述降滤失剂为磺化沥青、改性磺化沥青、天然沥青、腐殖酸酰胺、褐煤树脂、乳化沥青中的一种或复配使用。

本发明用于松散破碎层和水敏性地层的非开挖定向钻井液配方能满足松散破碎层和水敏性地层的非开挖钻进对钻井液的要求。

常见的六种地层类型为：松散破碎层、水敏性地层、水溶性地层、高压蠕变层、低压漏失层、坚硬岩石层。实际施工中松散破碎层和水敏性地层较多，应对松散破碎层，解决问题的关键是增加井壁颗粒之间的胶结力，使孔壁的稳定性增强。应对水敏性地层，尽量减少成孔液对地层的渗水，也就是降低成孔液的失水量以及增强孔壁岩土的抗水敏性、抑制分散是最为关键的问题。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种用于松散破碎层和水敏性地层的非开挖定向钻井液配方，是在高速搅拌的情况下，依次加入碱度调节剂、有机土、降粘剂或者增粘剂、降滤失剂等，搅拌均匀后加入水相，使体系充分乳化后制成钻井液（或泥浆）。该泥浆具有高的动塑比、低的塑性粘度、抑制性强等特点，在低温和高温下都具有较好的稳定性。

一种松散胶结地层施工时的优化泥浆配方选择方案，具体优化泥浆方案如下：

在松散胶结地层施工时，颗粒之间缺乏胶结，钻进时孔壁之间很容易坍塌，成孔难度很大，这类地层称为机械分散地层。

对这类地层，解决问题的关键是增加井壁颗粒之间的胶结力。粘性较大的浆液适当渗入井壁地层中，可以明显增加砂、砾之间的胶结力，使孔壁的稳定性增强。提高浆液粘度，主要是通过使用高分散度泥浆（细分散泥浆）、增加泥浆中的粘土含量、加入有机或无机增粘剂以及采用高粘化合物钻进粉等措施来实现。

由以下配方制得一种非开挖钻进的水基钻井液。其中，百分比是按添加剂占钻井液体积的百分比计算；流变性测试温度为50℃。

实施例1，Na-CMC（钠羧甲基纤维素）泥浆

这是一类主要用来调节钻井液性能的处理剂，一般就是用在降滤失和增粘方面。Na-CMC可进一步提粘和降失水。

配方为：优质造浆粘土150～200g+水1000ml+纯碱5～10g+Na-CMC 6g左右。

其中：

优质造浆粘土150～200g+水1000ml造有一定粘度的浆；

纯碱5～10g ：0.5～１%的碱度调节剂；

Na-CMC 6g： 0.６%左右的增粘剂；

水相为50～95%的氯化钙水溶液．

其中，百分比是按添加剂（重量）占钻井液体积的百分比计算。

实施例2，木质素磺酸盐泥浆

木质素磺酸盐取材于亚硫酸纸浆废液，一般与煤碱剂配合使用，以在提粘的基础上解决防絮凝和降失水。

配方为：1m³泥浆用80～200kg粘土+30～40kg亚硫酸纸浆废液+10～20kg煤碱剂+5～10kgNaOH+5～10kg消泡剂+900～940L水。

其中：

1m³泥浆用80～200kg 粘土，造高粘度浆；

30～40kg亚硫酸纸浆废液+10～20kg煤碱剂：类似于增粘剂，在提粘的基础上解决防絮凝和降失水；

5～10kg消泡剂：相当于1～２%的降滤失剂；

5～10kgNaOH ：0.5～１%的碱度调节剂；

900～940L水：水相为50～95%的氯化钙水溶液；

实施例3，XC-PAM复合泥浆

该泥浆配方为：6%土粉+0.02%XC+0.02%PAM

其中：

6%土粉：相当于有机土；

0.02%XC：提供良好的动切力，提高动塑比。XC，简称XC生物聚合物，其水溶胶具有很强的剪切稀释特性，粘度与切力也比较高，是一种很好的增粘剂、流型改进剂。

0.02%PAM：是一种水溶性线型高分子物质，能提高泥浆质量。PAM：聚丙烯酰胺，具有高分子化合物的水溶性以及其主链上活泼的酰基。

该泥浆提粘效果较好，详细参数如表1所示。

表1 泥浆配方详细参数

表1说明：

Ф600：钻井液在六速旋转粘度计600r/min转速下的读数，格。

Ф300：钻井液在六速旋转粘度计300r/min转速下的读数，格。

Ф200：钻井液在六速旋转粘度计200r/min转速下的读数，格。

Ф100：钻井液在六速旋转粘度计100r/min转速下的读数，格。

Ф6：钻井液在六速旋转粘度计6r/min转速下的读数，格。

Ф3：钻井液在六速旋转粘度计3r/min转速下的读数，格。

n：流性指数

公式：n= 3.322×lg(∮600÷∮300)

式中：n —— 流性指数，无因次。

∮600 —— 600转读数。

∮300 —— 300转读数。

：动切力（或称屈服值），Pa；

：塑形粘度，mPa.s；

FL：API滤失量，ml；

MF：微泡沫发泡剂，s。

一种水敏地层施工时的优化泥浆配方选择方案，具体优化泥浆方案如下：

在粘土、泥页岩中钻进，突出问题之一是孔壁遇水膨胀、缩径，甚至流散、垮孔。其原因是粘土、泥页岩中存在大量的粘土矿物，尤其是蒙脱石粘土矿物的存在，使孔壁粘土接触到孔液中的水分时，发生粘土的吸水、膨胀、分散。这样的地层称为水敏性地层。

对于水敏性地层，尽量减少成孔液对地层的渗水，也就是降低成孔液的失水量以及增强孔壁岩土的抗水敏性、抑制分散是最为关键的问题。

由以下配方制得一种非开挖钻进的水基钻井液。其中，百分比是按添加剂占钻井液体积的百分比计算，流变性测试温度为50℃。

钙处理泥浆，包括石膏-铁铬盐泥浆、氯化钙-褐煤泥浆。

实施例4，石膏-铁铬盐泥浆

石膏可提供较高的Ca²⁺和PH值较低，对孔壁起聚结作用；铁铬盐能抑制孔壁分散，因此泥浆的防塌性提高。石膏泥浆多用于钻进厚石膏层和易塌的水敏性泥岩和页岩。

配方为：石膏的加量为泥浆体积的1.14%～1.7%+铁铬盐加量为0.86%～1.7%+烧碱为0.28%～0.42%+还可加入0.14%～0.42%的CMC。

其中：

石膏的加量为泥浆体积的1.14%～1.7%：相当于有机土；

铁铬盐加量为0.86%～1.7%：相当于降粘剂，用作钻井泥浆稀释剂，改善泥浆的流动性；

烧碱为0.28%～0.42%：相当于碱度调节剂；

0.14%～0.42%的CMC：相当于降滤失剂。

羧甲基纤维素钠（CMC）是纤维素醚类中产量最大的、用途最广、使用最为方便的产品，俗称为"工业味精"。CMC的重要特性是形成高粘度的胶体、溶液、有粘着、增稠、流动、乳化分散、赋形、保水、保护胶体、薄膜成型、耐酸、耐盐、悬浊等特性，且生理无害，因此在石油、建筑等领域生产中得到广泛应用。

实施例5，氯化钙-褐煤泥浆

氯化钙和褐煤反应生成额腐植酸钙一方面使泥浆变得薄而致密、渗透性小，故成孔液的失水量小；另一方面可调节泥浆中Ca²⁺的浓度，从而有效的抑制地层造浆和泥页岩的水化膨胀，防止孔眼坍塌。

配方为：以加有0.3%～0.5%纯碱、比重为1.10～1.20的新浆一份，与煤碱剂（15：2～3：100～150）一份相混合，配成煤碱剂泥浆，然后加入0.5%～1.0%的氯化钙（配成溶液）经搅拌而成。

其中：

0.3%～0.5%纯碱：相当于碱度调节剂；

（15：2～3：100～150）煤碱剂泥浆：在提粘的基础上解决防絮凝和降失水；

0.5%～1.0%的氯化钙：相当于氯化钙水溶液。

钾基泥浆包括PAM-KCL泥浆、氢氧化钾-磺酸盐泥浆。

钾离子对泥、页岩具有很强的抑制作用。含钾离子的化合物很多，因而可配置多种类型的钾基泥浆。若同时引入其它稳定孔壁原理的处理剂，则解决处理水敏问题的效果更佳。

实施例6，PAM-KCL泥浆

用无机盐KCL为离子交换型抑制剂，用絮凝型聚合物处理泥浆，聚合物吸附在井壁上，以包膜原理阻止水的渗入而维持孔壁稳定，属非分散型钾基成孔液。

配方为：粘土加量为泥浆体积的3%～5%+纯碱加量为土重的4%+分子量为300×10⁴以上，水解度为30%的PAM加量为1.43～3.583kg/m³+KCL的加量为3%～15%之间。

其中：

粘土加量为泥浆体积的3%～5%：造高粘度浆；

纯碱加量为土重的4%：相当于碱度调节剂；

分子量为300×10⁴以上，水解度为30%的PAM加量为1.43～3.583kg/m³：是一种水溶性线型高分子物质，提高泥浆质量；PAM：聚丙烯酰胺。

KCL的加量为3%～15%：提供钾离子，抑制水敏性地层水化膨胀，防止水敏性地层坍塌。

实施例7，氢氧化钾-磺酸盐泥浆

用于施工蒙脱石含量高的地层。

配方为：KOH的钾含量必须使滤液中K⁺高于0.2%～0.3%+木质素磺酸盐含量必须保持在24.8～28.6kg/m3之间。

其中：

KOH的钾含量必须使滤液中K⁺高于0.2%～0.3%：KOH用于提供抑制地层分散所需的钾和控制PH值；是一种碱度调节剂。

木质素磺酸盐含量必须保持在24.8～8.6kg/m3：相当于降滤失剂，木质素磺酸盐以其较大分子量起降失水和稳定作用。

Claims

1.一种用于松散破碎层和水敏性地层的非开挖定向钻井液配方，其特征是：包括：

0.5～3%的碱度调节剂，

0.5～3%的有机土，

0～3%的降粘剂或者增粘剂，

0～5%的降滤失剂，

水相为50～95%的氯化钙水溶液；

其中，百分比是按添加剂重量占钻井液体积的百分比计算。

2.根据权利要求1所述的非开挖定向钻井液配方，其特征是：所述碱度调节剂为氧化钙、氧化镁、氢氧化钠、氢氧化镁中的一种或复配使用。

3.根据权利要求1所述的非开挖定向钻井液配方，其特征是：所述有机土和增粘剂为有机膨润土、有机蒙脱石、聚酰胺树脂、脂肪酸皂中的一种或复配使用。

4.根据权利要求1所述的非开挖定向钻井液配方，其特征是：所述降粘剂为聚醚类化合物。

5.根据权利要求1所述的非开挖定向钻井液配方，其特征是：所述降滤失剂为磺化沥青、改性磺化沥青、天然沥青、腐殖酸酰胺、褐煤树脂、乳化沥青中的一种或复配使用。