新型钻井液体系在水利钻探中的应用讨论.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023新型钻井液体系在水利钻探中的应用讨论寸猛，和志明，宫荣，王寰（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）摘要：针对水利工程钻探中以膨润土或聚合物等大分子为主剂的传统钻井液配方在实际工程应用中存在堵塞井筒空隙而影响后续水文地质实验、配方复杂难降解、内管壁结泥皮严重等诸多技术难题进行思考，借鉴石油钻探领域成果，首次提出以黏弹性表面活性剂为主剂配制无固相钻井液用于水利工程钻探钻井液中，并对其作用机理以及该钻井液体系的润滑性、流变性、可降解性以及润湿性进行研究，结果表明该钻井液体系具低摩阻、低伤害、高黏弹等特性，适合应用于水利工程地质钻探中。关键词：水利工程；水文地质；工程钻探；钻井液；黏弹性表面活性剂中图分类号：TV49文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.063收稿日期：2023-01-10作者简介：寸猛（1997），男，陕西宝鸡人，助理工程师，主要从事水利工程钻探技术研究工作通信作者：和志明（1972），男，甘肃定西人，高级工程师，主要从事水利工程钻探技术研究和管理工作E-mail：水利钻探通过在不同深度钻孔中获取的岩心样进行必要的物理试验以及水文综合测试，以此来准确判断水利工程地基的渗透性及稳定性。钻井液是钻探工程中安全、快速、优质钻进的前提和保障。目前市场应用较为广泛的钻井液配方是以钠膨润土、植物胶、聚丙烯酰胺（PHP）为主剂的钻井液配方，例如李胜1提出的低固相冲洗液的配方：膨润土2%8%，SM植物胶0.5%1%，纯碱为土粉和SM植物胶总重量的5%6%；西南交通大学陶志平课题组提出的改性植物胶冲洗液体系的组成包括植物胶胶粉、堵漏剂、增粘剂、PS（交联剂）、PHP和烧碱，其最佳配比为11.30.70.40.270.12。这类钻井液体系均以固体颗粒或大分子为主，虽具有良好的护壁增黏性能，但在使用过程中往往需要添加很多化学药剂，与此同时，大分子以及其包裹的固体颗粒容易吸附堵塞孔隙在内管结泥皮、对地层造成伤害等问题限制了其使用。以小分子黏弹性表面活性剂（VES）为主剂的无固相钻井液体系逐渐引起众多学者的关注，黏弹性表面活性剂除满足钻井液性能要求外，具有分子量小、易分解、环境友好、制作工艺简单、配伍性好等优点，可满足环境法规以及现场施工要求。此类钻井液体系在石油钻探领域应用较为广泛，但一直未能引入水利钻探行业。1水利钻探中钻井液选择设计存在的问题（1）随着钻井深度加大，钻遇地层复杂，对钻井液的流变性、润滑性、抑制性等综合性能要求更高，可参照经验较少。（2）绳索取芯技术应用较为广泛，但该钻进方法环空间隙较小，使得提下钻时抽吸压力和激动压力很大（特别是黏度较高时），频繁起下钻容易造成井壁坍塌，合理确定钻井液的黏度十分困难。（3）水利钻探行业钻井液配方大多选用钠膨润土、植物胶、大分子聚合物配制钻井液，这些固体颗粒或大分子液体会堵塞井筒岩石空隙、伤害储层，影响后续原位性渗透试验，且后续洗井容易造成井内垮塌。如果使用清水钻进，又增加了钻具与井筒的摩擦和钻机功率的损耗，容易引发钻杆断裂等井内事故。尤其是遇漏失地层时，孔内岩屑难以有效及时排出，造成重复破碎，增加钻具与孔壁摩擦阻力，不仅生产效率低下，而且容易发生卡钻、埋钻、钻杆折断等事故。（4）目前使用的植物胶分子所具有的纤维素骨架以及多糖结构在水中溶解之后，大分子链与支链全部舒展，这种钻井液体系在保护岩心的同时也会在钻杆和内管形成一定黏性强度的胶结层，聚合物大分子在溶解后也会形成具有一定强度的网络结构，这些胶结层和网络结构会包裹岩屑等固体颗粒在钻杆高转速离心惯性力作用下被抛向钻杆内壁，致使钻杆内壁形成一层胶结强度较大的泥皮，严重阻碍内管的投放和提出，从而直接影响钻进效率。（5）随着化学工程工艺技术在钻井过程中的应用，钻井液的添加剂也越来越多，钻井液外排过程中，环境的可接受性也成为一个值得关注的问题。随着钻孔复杂程度的逐渐增加，钻井液的设计也需要根据现场出现的问题展开研发，这对于降低成本、减少事故、提高生产效率及顺利施工都具有很重要的意义。近些年来研发的新型黏弹性表面活性剂因其特殊的性能，在护胶、减振、紊流减阻等方面具有很好的应用3。2黏弹性表面活性剂钻井液的作用机理黏弹性表面活性剂在分子结构上同时含有亲水性基团和疏水性基团。亲水基团延伸到水相中，而疏水基团倾向于逃离水相，这促进了表面活性剂分子在水相表面聚集。当表面活性剂分子浓度继续增大，超过临界胶束浓度时，额外的表面活性剂分子必须进入水相内部，这使得分子在水相内部发生聚集，疏水基团向内，亲水基团向外，与水相保持最小的接触面。随着分子浓度的增大，胶束间交叠缠绕，胶束会逐渐向蠕虫状、囊泡状及双层状过渡，在这些胶束结构中，仅有一定条件下形成的蠕虫状胶束及其缔合形成的高黏三维网络结构才能赋予流体良好的黏弹性质，这类流体在剪切力的作用下会发生解离，引起黏度大幅下降，当剪切力消失时结构又自动恢复。其中胶束的形成除了依赖于表面活性剂分子自身的结构外，无机盐离子会改变周围的带电环境，对胶束舒展性的影响非常显著。现场配液过程中，一般会加入固定比例的无机盐促进其胶束增长，以满足携带岩屑所需的黏度要求。当钻探作业完成后，加入烃类分子作为破胶剂打破表面活性剂分子原有自组装平衡，胶束形态发生改变，从蠕虫状形态转变成球状形态，导致流体的黏弹性呈级数下降，实现黏弹性流体的破胶，破胶液流动性好，返排阻力小，极易返排，且留在地层孔隙中的残渣量几乎为零，井筒空隙渗透率伤害率极低。在此过程中，黏弹性表面活性剂增黏降黏的可逆性以及分子结构不会破坏的特性，决定了这种钻井液可以重复利用4。目前阳离子型黏弹性表面活性剂因其价格低、易制作、配伍较好等优点，所以研究和使用最为广泛。Rose等5以十八烯二羟乙基甲基氯化铵和溴化钙为主剂设计了一种钻井液体系，有效降低了钻井能耗，提高了钻速。另外，该类钻井液体系可以通过加入烃类破胶剂，迅速降低体系黏度，分离烃类物质和岩屑后溶液可实现循环利用。中国石油大学蒋官澄课题组以十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）为主剂构建出表面活性剂胶束钻井液配方DIF-a1.5%CTAB+2.0%水杨酸钠+1.2%复合降黏剂LA0.5%黄胞胶XC，研究表明该类钻井液体系产生的流动摩阻小、降滤失性能较好，且钻完井后利于返排，储层渗透率保留率可 123人 民 黄 河2023年S1以达到91.41%，能大大降低外部流体对储层空隙造成的影响 6。目前以表面活性剂为主剂的无固相钻井液体系配方大多需要添加无机盐离子增加其黏弹性，后续添加破胶剂使其流体破胶返排。3水利钻探用表面活性剂的应用优势黏弹性表面活性剂钻井液体系利用其独有的黏弹性、流变性、小分子等特性，可采用不同的无机盐与其复配达到控制体系黏度和破胶时间，从而实现绿色快速钻进，且利用小分子配液实现对井筒的有效保护，显著提高了钻井后地层的渗透率恢复能力，对后续地质渗透性评价试验无影响，同时小分子不会发生结泥皮现象，有效解决了起下套管难度大的问题，也可保证对其周围环境伤害较低。3.1润滑性能研究金刚石钻进在坚硬岩层中有较高的机械钻速，在水利钻探中广泛使用，但随钻井深度增加，井斜角不断增大，钻具和井壁之间的摩擦也会越来越大，很大程度上限制了金刚石钻进过程中转速的提高，使得金刚石快速钻进的优越性难以发挥。目前在钻进过程中，若使用清水钻进，钻杆与井壁岩石的摩擦系数在0.4以上，摩擦系数的增大加之孔底岩石的不均质以及泵压波动等多种因素，加剧了整个钻具系统的振动，从而缩短金刚石钻头寿命，降低钻进效率，严重时甚至出现井内事故而被迫停钻，造成重大生产损失。当黏弹性表面活性剂分子进入环空时，黏弹性表面活性剂会与井壁岩石和钻杆接触，通过范德华力与其发生物理吸附并形成吸附膜，其吸附力表现出较弱、易脱附、无选择性、吸附速度快、多层吸附等特点，从而使原来井壁岩石与钻杆之间的直接摩擦或隔水分子膜的摩擦变为VES分子疏水端之间的摩擦。另外，蠕虫状胶束赋予流体良好的黏弹性，当其在环空中流动时也大大降低了它们之间的摩擦系数。低摩阻赋予钻头高转速，利用黏弹性表面活性剂配制钻井液，在深孔中具有很好的应用前景。表面活性剂自身结构对润滑性的性能也存在较大影响。有研究发现，疏水链越短则润滑性越差，例如丁基黄药的疏水链上碳原子个数为4，其摩擦系数为11，相比于疏水碳链上具有8个碳原子的丁基铵黑药的摩擦系数89要大。另外，后续研究发现，碳原子数在C18C22范围内润滑性较好7。3.2流变性能研究目前针对黏弹性表面活性剂流体性能的评价方法主要有流体黏性、流体黏弹性以及剪切稀释性。表面活性剂分子的胶束形态遵循组装参数理论，该理论主要是描述表面活性剂在水溶液中自聚时形成结构和大小不同的组装体。表面活性剂组装参数（p）定义为p=V/a0L，如图1所示，其中V为表面活性剂疏水区域的体积，L为表面活性剂疏水链的长度，a0为表面活性剂亲水头基面积。这种聚集体的变化大多数是由添加无机盐/有机盐引起的。当p1/3时，聚集体为球状结构，当1/3p1/2时，聚集体为蠕虫状结构，当1/2p1时，聚集体形成网络结构，当组装参数继续增大到约等于1时，表面活性剂的聚集体可能变成浑浊相的双层结构，甚至发生相分离。因此，在选择分子结构时要考虑其耐盐性，在水源选择时要考虑其配伍性。黏弹性行为主要是该分子可形成具有蠕虫状形态的胶束，蠕虫状胶束的相互缔合发育成的网络结构赋予流体很好的黏弹性用来包裹岩屑。这些网络结构会在高速剪切下分解形成单个胶束，但这种胶束分解的过程是可逆的，当剪切作用停止时，胶束形态又自动恢复，流体重新具有黏度。这就使得黏弹性表面活性剂钻井液体系具有较小的触变性，若触变性太大，形成的网络结构强度太大易造成开泵困难，容易导致压力激动，对易漏失地层可能憋漏。与常规的钻井液体系相比，黏弹性表面活性剂溶液在高剪切速率下胶束相互缔合形成的三维网络结构破坏，黏度降低至极小值，这样使得悬浮在钻井液中的固相颗粒易于沉降析出，这是其他钻井液体系无法达到的。同时，黏度降低可最大限度地减小井口至喷嘴的能耗，有利于钻速的提高。当流体在环空中处于低剪切速率时，三维网络结构重新形成，黏度恢复，在此条件下可保证钻井液体系具有良好的悬浮携屑能力。相比之下，黏弹性表面活性剂钻井液在同种功率设备下具有更强的泵入能力，可进一步提高井眼净化能力。3.3小分子、低伤害性能研究目前水利钻探使用的低固相或者无固相钻井液都是由大分子植物胶或聚合物构成的，这些大分子对井筒岩石空隙势必造成堵塞且后期不易清洗，将会大大影响后续渗透性原位测试数据的准确性。这些大分子聚合物等化学药剂的存在，如聚丙烯酰胺分子量大多在1 000万以上，不易降解，且残留的丙烯酰胺单体具有毒性，会对地层环境造成较大影响。除此之外，这些大分子包裹着岩屑等固体颗粒在套管内、外部形成一定强度的泥皮，在后期起内管时施工难度很大。黏弹性表面活性剂的分子量比聚合物类钻井液和植物胶类钻井液小几个数量级，在地层中不会封堵孔壁空隙，在后续洗井作业过程中加入破胶剂，可以清除干净井筒内残留物质，不会对孔壁的渗透性造成影响，可以很好地应用于水利取芯钻探和渗透性钻孔试验。同时，小分子黏弹性表面活性剂的分子量大多在1 000左右，无毒性、易降解，通常在有氧条件下可被微生物分解为CO2和H2O，对地层环境无影响。3.4抑制性能研究在常规的水利钻探中运用的钻井液通常会在井壁上形成致密的滤饼来分隔钻井液和井筒孔喉以达到护壁的目的。黏弹性表面活性剂一般与无机盐复配构成无固相钻井液体系。由于该流体中没有固相颗粒，因此不能形成固相滤饼，会产生一定量的滤失，但同时黏弹性表面活性剂易于与岩屑等黏土微粒通过平面氢键、端面静电等吸附方式附着在颗粒表面形成强结构膜，该结构膜具有很好的可压缩性和封堵作用。在此过程中既增大了黏土的Zeta电位，又提高了黏土胶体聚结的稳定性。黏弹性表面活性剂钻井液体系在配制过程中需要添加氯化钾等无机盐类促进蠕虫状胶束的形成，同时使该体系内矿化度较高，从而使得这种体系抗盐侵能力较强，有效抑制泥页岩的水化，同样保证了其井壁稳定。3.5润湿性能研究润湿性是岩石表面的重要特征之一，岩石表面的润湿性由其化学组成和微观几何决定。润湿性控制钻井液流体在岩石空隙介质中的分布以及流动，对岩石渗透性有较大影响。由于钻遇地层复杂、钻井周期加长，因此游离水分子会不断向井壁深处扩散，致使井壁不稳定。同时，地层大多带负电，使得阳离子表面活性剂钻井液与岩石表面发生静电作用，很容易将亲水岩石转换为亲油岩石，防止液体反复浸湿岩石，在此过程中，笔者认为可以很大程度上保证井壁的稳定性，大大降低岩石的水化和分散程度，尽可能保证了岩芯取芯的完整程度。因此，在选择表面活性剂钻井液体系过程中，应充分考虑钻井液体系在p=V/a0Lp1/31/3p1/21/2p1p1p1图1VES自组装参数值与胶束形态的关系（下转第136页）124人 民 黄 河2023年S1输石料，挖掘机配合进行夯坑补料。补料结束后，用推土机推平至预定标高后进行第二遍点夯。第二遍点夯结束后，用挖机或推土机推平。满夯结束后平整场地，用振动压路机进行场地面层的整体压实。为确保夯锤达到单位夯能量，夯击时夯锤必须提升到设计高度。落锤须平衡，夯击地面不平时用沙土将夯坑填平再进行下一次夯击，当夯坑或施工场地积水时，采取明沟排水，晾干夯击土后再进行夯击，每次夯点夯击中心距偏差不得大于 10cm。点夯夯击成坑后必须立即推平夯坑，发生提锤困难时用碎石或砂卵石等回填夯坑，继续夯击直至最后二击的平均夯沉量符合设计要求。重复以上步骤，参数指标达到设计要求时即完成该夯点的夯击，以此类推，按顺序交替作业夯击，完成回填土夯击作业。待夯击结束后，用粉质土或碎石将夯坑填平，并复核回填土顶面高程，而后用夯锤能量的1/4进行满夯，将场地表面松土拍实夯紧，并测量夯后场地高程。夯击过程中，做好现场原始施工记录，内容包括：原始地面标高、施夯日期、夯锤质量、夯击数、每击夯沉量、夯后地面标高等1。作业前，施工人员检查夯点位置，夯击完成后，施工人员再次复查该点位是否与设计要求一致。为了防止落锤时夯机倾覆，在每次夯机移动准备夯击前检查夯机水平垂直度，确保满足施工要求。5质量控制要点地基强夯处理要求土石方回填时土方与石方分层回填，根据设计施工要求，填料强度应满足规范要求，填料为粉质土，土方回填至设计标高后再满铺65 cm厚的碎石。施工质量控制：夯点测量定位允许偏差50 mm，满夯后场地整平，平整度允许偏差100 mm。施工中质量检测要求见表1。6强夯验收要点强夯处理后进行地基竣工验收，承载力检验相对应的检测方法：地基静载荷试验（板面积2 m2）、圆锥形（重型、超重型）动力触探试验、现场密实度（灌砂法、灌水法）检测、多道瞬态瑞雷波检测。采用单墩静载荷试验进行承载力检验完成后，再采用动力触探等查明置换墩着底情况及密度随深度的变化情况。质量检验项目包括：地基土承载力检验、地基土均匀性检验、地基土压缩模量检验、地基土有效加固深度检验。N120动力触探测试：检测点数量为300 m2至少1个检测点，检测深度为穿过检测层底进入下部地层不少于0.5 m，检测点的具体位置由监理单位、业主现场代表、地勘单位及设计单位现场代表共同在现场随机选取确定。静载荷试验：检测点数量为顶层1 500 m2一个静载荷试验点，每层强夯完成面不少于3个点；非顶层部分3 000 m2一个静载荷试验点，每层强夯完成面不少于3个点。静载荷试验检测点的具体位置由监理单位、业主现场代表、地勘单位及设计单位现场代表共同在现场随机选取确定。地面瞬态瑞雷波测试：地基土有效加固深度检验、地基土均匀性及压实度检验可采用超重型动力触探、多道瞬态瑞雷波以及室内土工试验综合确定，布置形式可采用“井”字形、“十”字形或“X”字形。点位布置由监理单位、业主现场代表、地勘单位及设计单位现场代表共同在现场选取确定。强夯施工的竣工验收检测在施工结束后间隔714 d进行,强夯置换施工的竣工验收检测在施工结束后间隔1428 d进行，地基竣工验收的检验位置选在夯后整平面以下0.50.8 m，检测内容根据相关规范执行。7结语全面阐述了强夯法在粉质土中的实践和运用，该文将强夯作业作为施工过程中的一个控制要点，通过制定科学的施工方案，解决了强夯作业过程中的重难点问题，为强夯作业在该类土质中的实施提供了新思路和方法。伴随着打夯机最后一锤的落下，纳泥区回填土强夯作业顺利完成，为广东揭阳纳泥区地上部分其他项目的全面开展打下了良好基础。参考文献：1 楼杰.抛石强夯地基加固研究 D.武汉：武汉理工大学，2009：9-20.【责任编辑吕艳梅】表1强夯质量检测标准检查项目夯锤落距/mm锤重/kg夯击遍数及顺序夯点间距/mm夯击范围（超出基础宽度）夯击击数允许偏差或允许值300100按设计要求500按设计要求按设计要求检测方法钢尺量，钢索设标志称重计量法钢尺量钢尺量计量法（上接第124页）固液界面的吸附能力及其对岩石润湿性的影响程度。4结语针对不同的实际情况，应采取不同的钻井液配方，但目前水利钻探行业钻井液配方大多以经验法配制，其科学理论依据较少。同时，从事该液体体系研究的专业人员较少，这些都导致了钻探过程中取心质量、钻进效率具有一定差别。黏弹性表面活性剂钻井液体系具有较好的润滑性、流变性等优点，本文通过分析水利钻探过程中存在的问题，提出将黏弹性表面活性剂用于水利工程钻探，使其能够更好地发挥减振、护胶、紊流减阻作用。在水利钻井液用黏弹性表面活性剂的研究应用层面，应加强以下几个方面的工作：开发高效、经济的钻井液体系，特别是可以利用高矿化度水直接配制的钻井液体系，解决现场用水问题；研究含量在0.1%以下的具有良好流变性的黏弹性表面活性剂以及与之配套的施工工艺；加强表面活性剂在钻井液中应用机理研究，以提高钻井液用表面活性剂的整体水平；高度重视提升人才队伍技术水平，解决钻探过程中存在的技术难题，以满足水利钻探技术不断发展的需要。参考文献：1 李胜.SM植物胶在钻探施工中的应用 J .新疆有色金属，2009（3）：2.2 孙昆鹏.新型植物胶开发与改性处理剂应用研究 D.成都：西南交通大学，2014：1-61.3 何建平，王伟，龙海涛.绳索取心钻进中钻杆内泥皮成因分析与预防 J.资源信息与工程，2018，33（1）：108-109，111.4 李钦，陈馥.黏弹性表面活性剂及其在油田中的应用 J.日用化学工业，2004，34（3）：173-175.5ROSE G D，TEOT A S.Viscoelastic surfactants rheology controlwithoutpolymersorparticulates C/lStructureandFlowinSurfactant Solutions，Washington，DC：ACS Symp Ser，578，1994：352-369.6 贺垠博.分子自组装在钻井液技术中的应用研究 D.北京：中国石油大学（北京），2019：1-115.7 张强.表面活性剂胶束钻井液体系研究 D.青岛：中国石油大学（华东），2014：1-65.【责任编辑许立新】136