CN109233763A - 一种用于微型桩成孔的钻井液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于微型桩成孔的钻井液，按重量份计，所述钻井液包括0.07～1份物质A和100份物质B，其中，按重量份计，所述物质A包括100份水、1～3份絮凝剂和0.1～0.3份pH调节剂，所述物质B包括100份水、4～10份膨润土、0.01～1.0份降滤失剂和0.5～3份润滑剂。本发明还提供一种用于微型桩成孔的钻井液的制备方法，步骤如下：称取水、絮凝剂、pH调节剂搅拌混合，静置，得到物质A；称取水、膨润土、降滤失剂、防塌剂、润滑剂、堵漏剂和加重剂混合，得到物质B；将物质A加入到物质B中，即得到钻井液。发明提供的钻井液基本性能优良，30min滤失量10～24mL、漏斗黏度19.34～32.41s；同时具有强抑制性。

Description

一种用于微型桩成孔的钻井液及其制备方法
技术领域
本发明涉及钻井液领域，具体涉及一种用于微型桩成孔的钻井液及其制备方法。
背景技术
微型桩是桩径100～300mm，长细比大于30，采用钻孔、强配筋和压力注浆施工的灌注桩，主要用于抢险加固工程。微型桩成孔常采用空气潜孔锤或水基钻井液护壁钻进，空气潜孔锤钻进由于动力介质和循环介质采用压缩空气，对孔壁支挡平衡作用差，护壁十分不利，另外钻头在岩石上冲击振动，更容易使孔壁或岩心产生振动破碎，而当地下水、河水、泉水等水资源充沛时，可以采用水基钻井液钻进，但在易于水敏、剥落掉块的黏土地层，如何控制钻井液性能，实现安全、高效、优质钻井是当下的研究热点与难点。
中国专利201810123946.5公布了一种抑制黏土表面水化的水基钻井液及其制备，该钻井液含有水、膨润土、插层抑制剂、增粘剂、流型调节剂、降滤失剂、润滑剂和加重剂，有效的控制了黏土的表面水化程度，但该发明侧重于石油钻井领域，不能完全用于工程钻井领域；另外，该专利所用润滑剂为石墨粉和/或白油，环保性较差。
Lam,Carlos and Jefferis(Lam C,Jefferis S A.Physical Properties ofPolymer Support Fluids in Use and Their Measurement Techniques.GeotechnicalTesting Journal,2015,38(4):20140032)研究了伦敦南华克区大口径(直径0.9～1.5m)钻孔灌注桩施工时使用的水基聚合物钻井液，该钻井液由阴离子型聚丙烯酰胺(水解度40％、分子量为20×106g/mol)，pH调节剂(KOH)组成，主要在坚硬的砂质黏土中使用，通过使用地面循环系统及控制钻井液的剪切稀释性，该钻井液使用效果良好。该研究侧重钻井液固相含量及粘度的控制，对固控设备及现场技术人员的操作提出较高要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于微型桩成孔的钻井液，该钻井液的原材料的配方考虑了微型桩施工时施工场地有限、钻孔直径小(100～300mm)、钻遇地层多含黏土矿物且存在漏失的情况，能够有效防止卡钻、地层水敏、剥落、漏失，该钻井液维护时无需使用固控设备，极大提高了钻进效率；本发明还提供了一种工艺简单的用于微型桩成孔的钻井液的制备方法。
本发明提供一种用于微型桩成孔的钻井液，按重量份计，所述钻井液包括0.07～1份物质A和100份物质B，其中，按重量份计，所述物质A包括100份水、1～3份絮凝剂和0.1～0.3份pH调节剂，所述物质B包括100份水、4～10份膨润土、0.01～1.0份降滤失剂和0.5～3份润滑剂。
进一步地，所述物质B还包括0.05～0.3份防塌剂。
进一步地，所述物质B还包括1～5份堵漏剂和1～5份加重剂。
进一步地，所述物质A的pH值为9～10，所述絮凝剂为水解聚丙烯酰胺，所述pH调节剂为NaOH或KOH。
进一步地，所述膨润土为钠基和/或钙基膨润土，所述降滤失剂为羧甲基淀粉、接枝淀粉共聚物和低粘羧甲基纤维素钠中的任一种，所述润滑剂为水基润滑剂，所述润滑剂由植物油渣或地沟油制成。
进一步地，所述防塌剂为聚丙烯酸钾和/或水解聚丙烯腈钾盐。
进一步地，所述加重剂为重晶石粉和/或石灰石粉，所述堵漏剂为随钻堵漏剂，所述堵漏剂包括水泥、粉煤灰和/或煤渣、惰性材料，所述水泥、粉煤灰和/或煤渣、惰性材料的质量比为1:0.5:1，所述惰性材料为核桃壳、云母、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维和聚氨酯纤维中的一种或几种。
本发明还提供一种用于微型桩成孔的钻井液的制备方法，包括以下步骤：
S1，称取水、絮凝剂、pH调节剂搅拌混合，静置，得到物质A；
S2，称取水、膨润土、降滤失剂和润滑剂混合，得到物质B；
S3，将物质A加入到物质B中，即得到钻井液。
进一步地，步骤S2中，制备物质B的过程中还加入防塌剂。
进一步地，步骤S2中，制备物质B的过程中还加入堵漏剂和加重剂。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明提供的钻井液基本性能优良，30min滤失量10～24mL、漏斗黏度19.34～32.41s；同时具有强抑制性，浸泡取自三峡库岸某边坡粉质黏土样品，0.5～8h膨胀率低于1％；
2、本发明提供的钻井液采用的润滑剂为植物油渣或地沟油等制成的水基润滑剂，其环保性优良；另外，0.5～3份该润滑剂可降低钻井液摩阻力系数68.25～85.76％，大于中国石油天然气集团公司企业标准Q/CNPC 88～2003《钻井液用液体润滑剂技术要求》要求的≧65％，极大提高了微型桩施工效率；
3、本发明提供的钻井液使用的堵漏剂，由具有固化能力的水泥、具有滤失能力的粉煤灰和/或煤渣、具有“架桥”、“填塞”、“悬浮拉筋”作用的惰性材料组成，其使用方便，易于形成滤饼，滤饼强度高；
4、本发明提供的钻井液所使用的原材料为工程钻探常用材料，其来源广、成本低廉；上述材料复配后，可有效解决卡钻、地层水敏、剥落、漏失等复杂情况；
5、本发明的钻井液在使用过程中考虑了微型桩施工大部分地层承压能力低、易水化、崩解的因素，提出在钻井液使用过程中，使用随钻堵漏的方法，将堵漏剂按照一定配比与清水、水泥配合使用，封堵效果良好，可实现快速钻进。
附图说明
图1是本发明实施例5制备用于微型桩成孔的钻井液的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
本发明的实施例提供了一种用于微型桩成孔的钻井液，按重量份计，包括0.07～1份物质A和100份物质B，其中，按重量份计，物质A包括100份水、1～3份絮凝剂和0.1～0.3份pH调节剂，物质B包括100份水、4～10份膨润土、0.01～1.0份降滤失剂、0.05～0.3份防塌剂、0.5～3份润滑剂、1～5份堵漏剂和1～5份加重剂。
上述原料中，物质A的pH值为9～10，絮凝剂为水解聚丙烯酰胺，其分子量为800～1200万，水解度为30～50％，购自河北燕兴化工有限公司，型号为PAM，pH调节剂为NaOH或KOH。
膨润土为钠基和/或钙基膨润土，均购自山东潍坊顺发膨润土有限公司，使用钙基膨润土时需要加入3～5重量份的纯碱将钙基膨润土转化为钠基膨润土。
降滤失剂为羧甲基淀粉、接枝淀粉共聚物和低粘羧甲基纤维素钠中的任一种，优选低粘羧甲基纤维素钠，低粘羧甲基纤维素钠购自河北燕兴化工有限公司，型号为LV-CMC；羧甲基淀粉购自河北燕兴化工有限公司，型号为CMS；接枝淀粉共聚物购自上海誉宇新材料科技有限公司，其为柠檬过江藤(Lippia Citriodora)叶细胞培养物提取物。
防塌剂为聚丙烯酸钾和/或水解聚丙烯腈钾盐，为了能够很好地抑制黏土矿物表面水化、崩解的问题，防塌剂优选聚丙烯酸钾，聚丙烯酸钾购自郑州市名远化工原料公司，型号为K-PAM；水解聚丙烯腈钾盐购自河北燕兴化工有限公司，型号为K-HPAN。
润滑剂为由植物油渣或地沟油等制成的水基润滑剂，其为经过特殊乳化工艺加工成的水溶性的纳米级乳化液滴，不仅具有较好的润滑效果，而且不会起泡，不引起粘度和滤失量的变化。优选地，润滑剂选择植物油渣制成的水基润滑剂，购自灵寿县冀鑫石油助剂有限公司；地沟油制成的水基润滑剂购自武汉艾瑞生物柴油公司。
堵漏剂为随钻堵漏剂，包含水泥、粉煤灰和/或煤渣、惰性材料，按质量比1:0.5:1配置，惰性材料为20～300目核桃壳、40～400目云母、2～6mm聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维和聚氨酯纤维中的一种或多种，为了更好的提高随钻堵漏效果，优选地，堵漏剂由水泥、粉煤灰、核桃壳、云母、聚丙烯纤维配置，水泥购自湖南宝隆科技发展有限公司，型号为P.O32.5；粉煤灰按照GB/T 50146～2014，选择III级粉煤灰，购自灵寿县君扬矿产品加工厂；核桃壳、云母、聚丙烯酰胺购自灵寿县亿鑫矿产品加工厂，型号分别为20～300目、40～400目、2～6mm；煤渣购自灵寿县亿鑫矿产品加工厂。
水泥具有固化能力，粉煤灰和/或煤渣具有滤失能力，惰性材料具有“架桥”、“填塞”、“悬浮拉筋”作用，这三者结合制得堵漏剂，使用方便、易于形成滤饼，滤饼强度高；堵漏剂的组合考虑了惰性材料的级配和浓度，提高了堵漏的科学性，减少了材料浪费。
加重剂为重晶石粉和/或石灰石粉，优选地，加重剂为重晶石粉，购自灵寿县天将矿业有限公司；石灰石粉购自灵寿县振方矿产加工厂。
本发明的实施例还提供了一种用于微型桩成孔的钻井液的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1，按重量份计，称取1～3份絮凝剂和0.1～0.3份pH调节剂加入100份水中搅拌混合，使絮凝剂在水中充分分散，调节pH至9～10，静置24h-48h，得到物质A；
步骤S2，按重量份计，称取100份水、4～10份膨润土、0.01～1.0份降滤失剂、0.05～0.3份防塌剂、0.5～3份润滑剂、1～5份堵漏剂和1～5份加重剂混合，在25℃下以搅拌速率为1000转/分钟搅拌30min，得到物质B；
步骤S3，按重量份计，在25℃下、搅拌速率为600转/分时，称取0.07～1份物质A加入到100份物质B中，搅拌30min，即得到钻井液。
下面结合实施例对本发明提供的用于微型桩成孔的钻井液及其制备方法进行详细说明。
实施例1：
1.1按重量份计，取100份自来水、1.5份阴离子型聚丙烯酰胺和0.1份NaOH在25℃环境下以搅拌速率为600转/分钟搅拌30min后静置24h，得PHP-1浆；
1.2按重量份计，取100份自来水、8份山东潍坊钠基膨润土、0.01份LV-CMC、0.5份植物油渣制成的水基润滑剂，在25℃下以搅拌速率为1000转/分钟搅拌30min；
1.3按重量份计，在25℃下、搅拌速率为600转/分时，取PHP-1浆0.07份加入到100份步骤1.2所得混合液中，搅拌30min后，即得钻井液，记为1#钻井液。
对实施例1制备的1#钻井液进行实验测试，1#钻井液的pH值为9，密度为1.05，1#钻井液的滤失量数据如表1所示，漏斗粘度如表2所示，摩阻力降低系数如表3所示,膨胀率如表4所示。
实施例2：
2.1按重量份计，取100份自来水、3份阴离子型聚丙烯酰胺和0.3份NaOH在25℃下以搅拌速率为600转/分钟搅拌30min后静置24h，得到PHP-2浆；
2.2按重量份计，取100份自来水、10山东潍坊钙基膨润土、1.0份CMS和3份植物油渣制成的水基润滑剂、4.0份NaCO3在25℃下以搅拌速速率为1000转/分钟搅拌30min；
2.3按重量份计，在25℃下、搅拌速率为600转/分时，取PHP-2浆0.1份加入到100份步骤2.2所得混合液中，搅拌30min后，即得钻井液，记为2#钻井液。
对实施例2制备的2#钻井液进行实验测试，2#钻井液的pH值为10，密度为1.06。2#钻井液的滤失量数据如表1所示，漏斗粘度如表2所示，摩阻力降低系数如表3所示,膨胀率如表4所示。
实施例3：
3.1按照与本实施例1中步骤1.1相同的方法制备PHP-1浆；
3.2按重量份计，取100份自来水、8份山东潍坊钠基膨润土、0.03份LV-CMC、1.0份植物油渣制成的水基润滑剂和0.05份聚丙烯酸钾在25℃环境下以搅拌速速率为1000转/分钟搅拌30min；
3.3按重量份计，取0.07份PHP-1浆加入到100份步骤3.2所得混合液中，即得钻井液，记为3#钻井液。
对实施例3制备的3#钻井液进行实验测试，3#钻井液的pH值为10，密度为1.06，3#钻井液的滤失量数据如表1所示，漏斗粘度如表2所示，摩阻力降低系数如表3所示,膨胀率如表4所示。
实施例4：
4.1按照与本实施例1中步骤1.1相同的方法制备PHP-1浆；
4.2按重量份计，称取100份自来水、8份山东潍坊钠基膨润土、0.05份降滤失剂、0.5份植物油渣制成的水基润滑剂、0.05份聚丙烯酸钾、5份重晶石粉和2份堵漏剂在25℃环境下以搅拌速速率为1000转/分钟搅拌30min；其中堵漏剂由水泥、粉煤灰、惰性材料按照质量比为1:0.5:1配置，惰性材料为核桃壳和云母的混合物，核桃壳和云母的混合物中，核桃壳与云母按质量比1:1配置，核桃壳的粒径为40～100目，100目与其它目数质量比为3:1，云母的粒径为60～200目，200目与其它目数质量比为3:1；
4.3按重量份计，取0.07份PHP-1浆加入到100份步骤4.2制得的混合液中，即得钻井液，记为4#钻井液。
对实施例4所得4#钻井液进行了实验测试，4#钻井液的pH值为10，密度为1.12。4#钻井液的滤失量数据如表1所示，漏斗粘度如表2所示，摩阻力降低系数如表3所示，膨胀率如表4所示。
实施例5：
参考图1，图1为实施例5制备用于微型桩成孔的钻井液的方法的流程示意图。
5.1按照与本实施例2步骤2.1相同的方法制备PHP-2浆；
5.2按重量份计，取100份自来水、8份山东潍坊钠基膨润土、0.08份降滤失剂、2份植物油渣制成的水基润滑剂、0.2份聚丙烯酸钾、5份重晶石粉和3份堵漏剂在25℃环境下以搅拌速速率为1000转/分钟搅拌30min；其中堵漏剂由水泥、粉煤灰、惰性材料按照质量比为1:0.5:1配置，其中，惰性材料为核桃壳、云母和聚丙烯纤维的混合物，核桃壳的粒径为60～200目，200目与其它目数质量比为3:1，云母的粒径为80～300目，300目与其它目数质量比为3:1，聚丙烯纤维的粒径为2～6mm，核桃壳、云母、聚丙烯纤维按质量比2:1.5:0.2配置(考虑惰性材料的粒径级配和浓度配比)；
5.3按重量份计，取0.08份PHP-2浆加入到100份步骤5.2所得混合液中，即得钻井液，记为5#钻井液。
对实施例5所得5#钻井液进行实验测试，5#钻井液的pH值为10，密度为1.25。5#钻井液的滤失量数据如表1所示，漏斗粘度如表2所示，摩阻力降低系数如表3所示，膨胀率如表4所示。
表1为本发明实施例1-实施例5制得的钻井液的滤失量数据列表，表2为本发明实施例1-实施例5制得的钻井液的漏斗粘度数据列表。
表1实施例1-实施例5制得的钻井液的滤失量数据
实施例 滤失量/mL
实施例1 24
实施例2 19
实施例3 16
实施例4 15
实施例5 10
表2实施例1-实施例5制得的钻井液的漏斗粘度数据
实施例 漏斗粘度/s
实施例1 19.34
实施例2 22.05
实施例3 25.76
实施例4 27.62
实施例5 32.41
由表1滤失量测试结果及表2漏斗粘度测试结果可知：本发明提供的用于微型桩成孔的钻井液，其滤失量在10～24mL之间，漏斗粘度在19.34～32.41s之间。实施例1、实施例2制得的1#钻井液和2#钻井液可用于微型桩成孔时钻遇不具有或具有轻微水敏性地层；实施例3制得的3#钻井液可用于具有一定水敏性和/或存在一定微小漏失的地层；实施例4和实施例5制得的4#钻井液、5#钻井液可用于水敏、掉块地层和/或存在漏失的地层。
表3为本发明实施例1-实施例5制得的钻井液的摩阻系数降低率列表。
表3实施例1-实施例5制得的钻井液的摩阻系数降低率
实施例 摩阻系数降低率
实施例1 68.25％
实施例2 85.76％
实施例3 73.34％
实施例4 68.86％
实施例5 79.83％
由表3的摩阻系数降低率测试结果可知：本发明提供的用于微型桩成孔的钻井液，其摩阻系数降低率在68.25％～85.76％间，远高于《钻井液用液体润滑剂技术要求》中规定的摩阻系数降低率≥65％的性能要求，能极大提高微型桩的施工效率。
表4为本发明实施例1-实施例5制得的钻井液的膨胀率列表。
表4实施例1-实施例5制得的钻井液的膨胀率
表4所示测试样品取自三峡库岸某边坡粉质黏土样品，由表4膨胀率测试结果可知：实施例1～5制得的钻井液的膨胀率在3.0h后基本趋于稳定；实施例3～5制得的膨胀率在0.5h后基本趋于稳定，可见本发明制备的钻井液具有较强的抑制性。
实施例6：
6.1按重量份计，取100份自来水、2.5份阴离子型聚丙烯酰胺和0.25份NaOH在25℃环境下以搅拌速率为600转/分钟搅拌30min后静置24h，得PHP-3浆；
6.2按重量份计，取100份自来水、5.5份山东潍坊钠基膨润土、0.03份CMS、2.8份植物油渣制成的水基润滑剂、0.25份聚丙烯酸钾、4.5份重晶石粉和4.0份堵漏剂在25℃环境下以搅拌速速率为1000转/分钟搅拌30min；其中堵漏剂由水泥、粉煤灰、惰性材料按照质量比为1:0.5:1配置，其中，惰性材料为核桃壳、云母和聚丙烯纤维的混合物，核桃壳的粒径为60～200目，200目与其它目数质量比为3:1，云母的粒径为80～300目，300目与其它目数质量比为3:1，聚丙烯纤维的粒径为2～6mm，核桃壳、云母、聚丙烯纤维按质量比2:1.5:0.2配置(考虑惰性材料的粒径级配和浓度配比)；
6.3按重量份计，取0.08份PHP-3浆加入到100份步骤6.2所得混合液中，即得钻井液，记为6#钻井液。
对实施例6所得6#钻井液进行实验测试，6#钻井液的pH值为10，密度为1.25。
实施例7：
7.1按重量份计，取100份自来水、2.0份阴离子型聚丙烯酰胺和0.15份NaOH在25℃环境下以搅拌速率为600转/分钟搅拌30min后静置24h，得PHP-4浆；
7.2按重量份计，取100份自来水、6份山东潍坊钠基膨润土、0.05份LV-CMC、0.9份植物油渣制成的水基润滑剂、0.15份聚丙烯酸钾、2.5份重晶石粉和1.5份堵漏剂在25℃环境下以搅拌速速率为1000转/分钟搅拌30min；其中堵漏剂由水泥、粉煤灰、惰性材料按照质量比为1:0.5:1配置，其中，惰性材料为核桃壳、云母和聚丙烯纤维的混合物，核桃壳的粒径为60～200目，200目与其它目数质量比为3:1，云母的粒径为80～300目，300目与其它目数质量比为3:1，聚丙烯纤维的粒径为2～6mm，核桃壳、云母、聚丙烯纤维按质量比2:1.5:0.2配置(考虑惰性材料的粒径级配和浓度配比)；
7.3按重量份计，取0.09份PHP-4浆加入到100份步骤7.2所得混合液中，即得钻井液，记为7#钻井液。
对实施例7所得7#钻井液进行实验测试，7#钻井液的pH值为9.5，密度为1.22。
本发明制备的钻井液适用于微型桩施工，能有效抑制黏土的表面水化和井壁掉块；本发明添加的堵漏剂为随钻堵漏剂，考虑了材料的级配和配比，可实现对微小裂缝的封堵。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于微型桩成孔的钻井液，其特征在于，按重量份计，所述钻井液包括0.07～1份物质A和100份物质B，其中，按重量份计，所述物质A包括100份水、1～3份絮凝剂和0.1～0.3份pH调节剂，所述物质B包括100份水、4～10份膨润土、0.01～1.0份降滤失剂和0.5～3份润滑剂。
2.如权利要求1所述的用于微型桩成孔的钻井液，其特征在于，所述物质B还包括0.05～0.3份防塌剂。
3.如权利要求2所述的用于微型桩成孔的钻井液，其特征在于，所述物质B还包括1～5份堵漏剂和1～5份加重剂。
4.如权利要求1所述的用于微型桩成孔的钻井液，其特征在于，所述物质A的pH值为9～10，所述絮凝剂为水解聚丙烯酰胺，所述pH调节剂为NaOH或KOH。
5.如权利要求1所述的用于微型桩成孔的钻井液，其特征在于，所述膨润土为钠基和/或钙基膨润土，所述降滤失剂为羧甲基淀粉、接枝淀粉共聚物和低粘羧甲基纤维素钠中的任一种，所述润滑剂为水基润滑剂，所述润滑剂由植物油渣或地沟油制成。
6.如权利要求2所述的用于微型桩成孔的钻井液，其特征在于，所述防塌剂为聚丙烯酸钾和/或水解聚丙烯腈钾盐。
7.如权利要求3所述的用于微型桩成孔的钻井液，其特征在于，所述加重剂为重晶石粉和/或石灰石粉，所述堵漏剂为随钻堵漏剂，所述堵漏剂包括水泥、粉煤灰和/或煤渣、惰性材料，所述水泥、粉煤灰和/或煤渣、惰性材料的质量比为1:0.5:1，所述惰性材料为核桃壳、云母、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维和聚氨酯纤维中的一种或几种。
8.一种用于微型桩成孔的钻井液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，称取水、絮凝剂、pH调节剂搅拌混合，静置，得到物质A；
S2，称取水、膨润土、降滤失剂和润滑剂混合，得到物质B；
S3，将物质A加入到物质B中，即得到钻井液。
9.如权利要求8所述的用于微型桩成孔的钻井液的制备方法，其特征在于，步骤S2中，制备物质B的过程中还加入防塌剂。
10.如权利要求9所述的用于微型桩成孔的钻井液的制备方法，其特征在于，步骤S2中，制备物质B的过程中还加入堵漏剂和加重剂。
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