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第 36 卷 第 1 期 2014 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China） Abstracts To solve the problems with drill pipe sticking caused by high-expansion and collapse tuff, the drilling fluid has been developed in early stage research, and the anti-caving mechanism of the saturated saltwater drilling fluid is discussed in this paper. Here, by discussing the functions of the soluble starch, NaCl, NaOH, tuff extracting solution and the wall film components, the anti-water and anti-caving function of the drilling fluid is studied. By designing incremental solvent anti-sloughing experiments and comparing the dissolution ion state, the anti-dissolving function is studied too. Researches show that, the soluble starch of the ula flocculates along the crack when it loses water, and the flocculation may block the channels along which the solution go into the tuff, and, soluble starch provides the basis for NaCl crystallization; the adding of NaOH contributes to the NaCl crystallization and NaOH can prevent the salt solution; saturated NaCl can block the solution of the salt in tuff and NaCl crystallization can block the channels; the tuff extracting solution plays an important role in preventing dissolution of the salt solution, and in helping the crystal ation. After the well tuff absorbs water, under the common action of NaCl and other components, the hybrid film which contained NaCl crystallization is ed on the well wall. All the flocculation, crystallization and film prevent water infiltration into the tuff. The quantitative and qualitative analysis shows that the leaching of soluble matters plays an important part in tuff breakdown and collapse. The quantitative analysis of the leached material shows that, the drilling fluid not only prevents collapse and obstructs water obstructing physically, but also it pre- vents dissolution and collapse chemically. Key words saturated saltwater drilling fluid; tuff; anti-caving mechanism 基金项目云南省教育厅基金“基于垮塌机理的澜沧凝灰岩钻井液研究” （编号2013Y312） 。 作者简介郑明雄， 1974 年生。1998 年毕业于西南石油大学石油工程专业， 主要从事地质及钻井工程方向的研究， 博士， 副教授。E-mail zhmxggg。 石油钻采工艺 2014 年 1 月（第 36 卷） 第 1 期52 凝灰岩的分布十分广泛， 多为高膨胀软岩， 在石 油和有色金属勘探中均有遇到。如李培林等介绍了 针对芳深 9-2 井的凝灰岩易垮塌地层的钻井［1］， 王 鹏等认为凝灰岩是一种新型烃源［2］。澜沧凝灰岩为 遇水快速分解垮塌型沉凝灰岩， 极易卡钻。前期研 究中［3］， 在饱和盐水配方基础上做了成分适应性研 究， 并使用了可溶淀粉和凝灰岩浸提液进行防塌性 能改进， 并去除防结晶添加剂， 获得了能有效防止澜 沧凝灰岩分解垮塌的钻井液配方就地取材的凝灰 岩浸提液 过饱和 NaClNaOH 可溶淀粉， 将常压 下水中 2 min 迅速完全泥沙化的垮塌速度降低到了 10 d 仍然保持稳定。在此基础上， 笔者继续研究该 配方钻井液对高膨胀凝灰岩的防塌机理。 1 钻井液防塌机理研究现状 研究钻井液的防塌机理对于合理设计钻井液体 系具有重要意义。蓝强［4］等通过电位、 粒径分布、 红 外稳定性、 压力吸附及吸附量等的测定研究了硅酸 盐钻井液的防塌机理， 认为较高的膜效率是防塌的 原因；秦永和［5］利用电位粒度仪、 红外分散稳定仪、 活度仪及 SHM 等研究了硅酸盐和改性多元醇防塌 剂的防塌机理， 认为胶体和成膜是防塌的主要原因； 魏新勇［6］等对硅酸盐的防塌机理进行了讨论， 认为 pH 值是影响防塌能力的主要因素， 这从一个方面反 映了 pH 值的重要性， 但结论在应用对象上不能一概 而论；张红红［7］等从膜稳定性等方面研究了聚合物 钻井液的防塌机理；郑力会［8］等研究了仿磺化沥青 的胶束离子的封堵防塌作用等。 可见， 对防塌机理的讨论多有关于硅酸盐成膜 的讨论， 成膜无疑是防塌的重要因素， 对本文研究 有一定参考价值， 但钻井液的防塌机理不仅仅是 成膜封堵作用。对于非成膜防塌成分， 也有其作用 机理。 饱和盐水钻井液的应用起于 19 世纪 40 年代 初， 对其防塌机理的系统研究不多， 一般认为是防盐 侵。但对于饱和盐水中的淀粉类的研究非常广泛， 王中华［9］总结了一段时间内的钻井液中淀粉类聚 合物研究与应用；刘祥［10］等以马铃薯淀粉和氯乙 酸为主要原料制备了交联羧甲基复合变性淀粉， 并讨论了其在饱和盐水钻井液和 4 盐水钻井液中 的增黏、 降滤失性能指标；陈馥［11］等以可溶性玉 米淀粉、 AMPS、 DMDAAC、 AM 四元共聚， 制得一 种两性离子改性淀粉钻井液降滤失剂， 对淡水基浆、 盐水基浆、 人工海水基浆均具有较好的降滤失性能。 Sifferman［12］等研制并实验了由水、 淀粉和润滑油生 产含有悬浮润滑油滴的水淀粉混合物， 以之来改善 水基钻井液的润滑性和滤失性；Simonides［13］等讨 论了淀粉交联、 羧甲基化处理， 认为淀粉在降滤失和 改善流体流变性中起主要作用。 除淀粉应用外， 有必要进一步研究淀粉的作用， 同时研究为什么要选择 NaCl， NaCl 的作用还有哪 些， 以及钻井液中其他成分的作用及成分间的相互 作用等。由于研究表明易分解垮塌地层含黏土， 本 文暂未考虑加入膨润土等黏土成分。 2 研究思路及实验方法 本文主要通过化学实验的方法来研究饱和盐 水钻井液的防塌机理。通过化学反应现象进行 定性的研究， 继而通过物质检测进行定量研究。通 过设计一系列的化学实验， 比较凝灰岩在不同溶质 条件下的稳定性、 溶出物质， 以及溶液表面结晶状 态等。 笔者对高膨胀凝灰岩的膨胀垮塌机理进行全面 系统的研究研究了凝灰岩的化学反应特征、 膨胀 垮塌的微观结构原因、 膨胀垮塌的物质因素、 防塌钻 井液及机理等， 这些研究相互支持， 其余研究是防塌 机理的重要支撑。本文从两个方面来研究和阐述盐 水钻井液的防塌机理一是从单独成分讨论， 从可 溶淀粉的作用、 NaCl 的作用及岩石微观表面研究、 NaOH 的作用， 研究其物理阻隔水作用；二是精心 设计了按钻井液配方增量溶质实验， 从凝灰岩在增 量实验中的可溶成分的离子浓度变化， 定量地研究 钻井液的阻止溶解的作用， 并通过对凝灰岩中可溶 物质的定量分析和准确定位， 为钻井液体系的正确 选择提供理论基础。 3 实验结果及讨论 3.1 可溶淀粉的作用 对遇水快速垮塌型凝灰岩来说， 淀粉是防塌的 主要成分之一。虽然淀粉的作用比较确定， 但由于 其在本文钻井液中的重要性， 这里仍进行简单描述 和讨论。 单纯的可溶淀粉溶液不具有防塌功能， 需和 NaOH 结合， 凝灰岩在单纯可溶淀粉溶液中迅速分 解为细泥沙。如图 1， 将干凝灰岩置入 NaOH 可溶 淀粉混合溶液中， 10 min内， 产生明显的条状絮凝 （不 同淀粉及 NaOH 加量均有） ， 凝灰岩较稳定。多数凝 灰岩块样在饱和 NaCl 水溶液 NaOH 混合溶液中的 稳定时间不超过 1 d， 加入可溶淀粉后的凝灰岩的稳 定性有相当大的提高， 大部分样品（包括湿润凝灰 53郑明雄等饱和盐水钻井液对高膨胀凝灰岩的防塌机理分析 岩块） 的稳定时间达到 3 d 以上。 图 1 可溶淀粉絮凝 图 1 中条状絮凝的位置均与干凝灰岩的较大 裂缝有关， 凝灰岩的表面也有一层淀粉絮凝膜。絮 凝膜首先与凝灰岩中的微裂缝和微孔隙有关。由 微观结构及物质分析可知， 凝灰岩中普遍存在的高 吸水性层片状高岭石是凝灰岩膨胀垮塌的主要矿物 质因素［14］， 凝灰岩表面吸水而使淀粉絮凝成膜。目 前， 成膜堵水钻井液技术应用较普遍［15］。淀粉还对 NaCl 结晶提供结晶基础， 在 3.4 中讨论。 3.2 NaCl 的作用 这里从饱和 NaCl 溶液的结晶阻水作用和阻碍 凝灰岩中盐的溶出两方面来讨论。 3.2.1 NaCl 结晶分析 使用配方溶液对凝灰岩浸 泡 10 h 后， 对凝灰岩的表面进行扫描电镜观察， 可 见凝灰岩的表面覆盖有一层 NaCl 结晶。如图 2， 部 分表面的 NaCl 结晶易于识别， 为立方体规则结晶突 出；如图 3， 凝灰岩表面产生不规则叶状、 冰晶状结 晶， 经电子探针检测该结晶主要成分为 Na、 Cl、 O， 分 析认为是在淀粉絮凝基础上 NaCl 附着生长结晶（后 文 3.4 有结晶分析） ；如图 4， 在凝灰岩表面的突出 结晶以外， 可见冰状透明结晶层完全覆盖凝灰岩表 层， 经电子探针检测（表 1） ， 该结晶主要成分为 C、 O、 Na、 Cl， 其中 C 及 O 元素占较大比例， 应为淀粉和 NaCl 结晶混合膜， 从图 4 裂口可见， 裂口整齐锐利， 说明混合膜为淀粉膜上进行的 NaCl 结晶， 最表面以 NaCl 结晶为主。 图 2 凝灰岩表面的规则 NaCl 晶体 SEM 图 3 配方溶液处理后凝灰岩表面的不规则叶状晶体 SEM 图 4 配方溶液处理后凝灰岩表面的晶体膜覆盖 SEM 表 1 电子探针物质及含量 元素质量百分数 /原子数百分含量 / C35.3048.52 O33.3634.42 Na09.9707.16 Si00.2800.16 Cl19.6409.15 Ca01.4500.60 实验室研究测试有效果放大情况， 主要因为扫 描电镜观察室是真空环境， 溶液中的水分必然大量 挥发， 结晶状态被放大。在非真空的液体环境中， NaCl 有可能在井壁和裂缝中结晶吗实际应用中， 出现图 2、 图 3 及图 4 这样干燥坚实的结晶的可能性 不大， 但从一些实验现象中可以明显看到液体中的 NaCl 结晶。图 5 为 NaCl 沿凝灰岩裂缝结晶现象 （溶 液为饱和 NaClNaOH 溶液， pH 值 12） ， 并由后文的 淀粉作用进一步分析得出淀粉有助于结晶， 由此可 以进一步认为钻井时， 由于凝灰岩强烈吸水而可 能在井壁发生一定的 NaCl 结晶现象， 在近井壁凝灰 岩裂缝中 NaCl 结晶可能性较大， 由井壁局部失水导 致形成以淀粉和 NaCl 为主的含结晶物的胶状黏稠 液体可在井壁成膜［16］， 显然， 这种含 NaCl 结晶的混 合膜对水进入凝灰岩的阻碍作用将远大于单纯的淀 粉絮凝及淀粉膜对水的阻碍作用， 混合膜稳定持 久性更强。 石油钻采工艺 2014 年 1 月（第 36 卷） 第 1 期54 图 5 NaCl 沿凝灰岩裂缝结晶 3.2.2 饱和 NaCl 对盐溶出阻碍 对于饱和 NaCl 对 盐溶出阻碍， 先由实验现象可进行定性分析和推测， 再结合定量分析证实， 定量的溶出离子分析见后文。 将凝灰岩置于稀盐酸中， 反应十分强烈， 溶液呈 淡绿色；在凝灰岩纯水分解浸提液中加入 NaOH， 液体由无色变为墨绿色。可知凝灰岩中含有 Fe2， 淡绿色为 FeCl2溶液， 墨绿色为 Fe（OH）2胶体。在 图 6 中， 从右到左依次为2 样， 饱和 NaCl 水溶 液；3 样， 饱和 NaCl 水溶液 NaOH；4 样， 饱和 NaCl 水溶液 NaOH 可溶淀粉；5 样， 凝灰岩浸提 液 饱和 NaClNaOH可溶淀粉溶液；图 7 及图 8 为放置一段时间后的状态。在中间 2 个烧杯的饱和 NaCl 水溶液 淀粉 NaOH 液体及饱和 NaCl 水溶 液 NaOH 中置入凝灰岩块， 较长时间内无墨绿色出 现， 在这两种溶液中凝灰岩较稳定且 Fe2一段时间 内难于溶出， 而水中凝灰岩迅速分解且 Fe2溶出明 显较快（图 6 左 1， 凝灰岩浸提液为基液含 Fe2） 。 图 6 颜色及亚铁盐溶出对比 图 6 的对比实验可得出初步结论饱和盐水对 凝灰岩中的一些盐溶出起阻碍作用， 结论在物质因 素定量分析中得到证实。由饱和 NaCl 等溶液中凝 灰岩的稳定性远高于水中的稳定性， 亦可知盐溶出 对凝灰岩分解垮塌具有重要作用。 3.3 NaOH 的作用 在上述实验中， NaOH 起到了指示剂作用， 可由 其观察 Fe2溶出。一般认为， NaOH 的作用有双电 层作用、 保持碱性、 防钙侵等， 饱和盐水钻井液由于 大量钠离子置换出了黏土颗粒中部分 H， 使 OH–减 少， pH 值降低， 所以使用的烧碱比较多。这里讨论 其他作用。 前期实验表明［3］， 单一的淀粉溶液及单一的 NaOH 溶液均不能防塌（NaOH 中分解物呈带层片 的絮状） ， 但淀粉 NaOH 溶液中凝灰岩较稳定， 这是 由于碱性环境中淀粉更易絮凝， 堵塞加强。 对比凝灰岩在单纯的饱和 NaCl 溶液（图 7a， 简称 2 样， 与后文表 3 中一致， 水为 1 样）及饱和 NaClNaOH 溶液（3 样， 图 7b） 中实验现象， 置入 3 d 后， 明显可见 3 烧杯上先有 NaCl 沿烧杯壁结晶， 而 2 无结晶， 可见 NaOH 有助于 NaCl 结晶。 图 7 有、 无 NaOH 的饱和盐水中结晶比较 从颜色来看明显不同， 没有 NaOH 的 2 样中有 Fe2析出并被氧化为 Fe3， 而有 NaOH 的 3 样中却 未见变色（如变色应为墨绿） ， 可以定性说明 NaOH 对凝灰岩中的铁离子析出有一定阻碍作用， 可由此 推测以饱和 NaCl 溶液为基础时加入 NaOH 对某些 其他离子的溶出也有阻碍作用。结合后文增量实验 中对溶液离子浓度的定量对比分析可知， 饱和 NaCl 溶液中加入 NaOH 对凝灰岩中物质溶出有进一步的 阻碍作用。 3.4 结晶比较和结晶分析 图 7 表明加入 NaOH 后饱和 NaCl 溶液更易结 晶。接下来再对比纯水（图 8a， 4 样） 和凝灰岩浸提 液（图 8b， 5 样） 作基液， 含饱和 NaClNaOH淀粉 及凝灰岩浸泡时的结晶情况， 均为放置 3 d。 图 8 水和凝灰岩浸提液作基液的结晶比较 55郑明雄等饱和盐水钻井液对高膨胀凝灰岩的防塌机理分析 图 7、 图 8 是一个溶质递增序列， 对应于后文表 3 中的 25 样。对比 4 和 5 可知， 5 样中结晶 明显较 4 厚， 分析认为凝灰岩浸提液中含多种离子 和微颗粒， 为 NaCl 结晶提供了更多的晶核， 故 5 更 易结晶。对比 25 实验样品， 不难发现无淀粉样 品的结晶均易沿烧杯壁进行结晶（2 久置后亦先沿 杯壁结晶） ， 而图 8 的 4、 5 样却易于溶液表面结晶 （烧杯壁有残液时除外， 有残液时均易沿杯壁结晶） 。 为对比需要， 烧杯中均有多余的未溶解的过量 NaCl 固体。这是一个非常有意义的现象， 它说明了淀粉 对结晶的影响。 在 4、 5 样中结晶发生于溶液表面， 说明溶液 中本身存在晶核， 不需要烧杯壁上首先析出的微小 晶体作为晶核， 5 中可以解释为凝灰岩浸提液（沉 淀液） 中含有较多微小颗粒， 但是 4 中并无现存的 岩石微小颗粒提供晶核， 故只有一种可能， 就是淀粉 的絮凝可以为 NaCl 结晶提供结晶和晶体生长的基 础。从日常生活中知道淀粉在液体表面易絮凝， 故 由 4、 5 实验中的结晶产生于液体表面， 可知 NaCl 可沿淀粉絮凝物结晶并生长。由淀粉絮凝还发生在 凝灰岩裂缝和表面可推知， 淀粉可使得 NaCl 在凝灰 岩裂缝和表面发生结晶， 结合图 5 及扫描电镜观察 结果， 可认为凝灰岩裂缝和表面由于凝灰岩强烈吸 水而存在 NaCl 结晶， 这种结晶同淀粉膜一起对井壁 阻水防塌有一定作用。 3.5 钻井液对可溶物溶出的阻碍 在凝灰岩的分解垮塌过程中， 由饱和盐水中凝 灰岩稳定性较水中极大提高可知， 可溶物溶出对凝 灰岩分解垮塌起重要作用。故需确定到底是何种物 质起作用， 钻井液是否能阻碍该物质的溶出等问题。 通过对可溶物质及溶出状态的对比分析， 可以研究 钻井液的阻溶能力。由于凝灰岩在 5 min 内基本完 成分解， 故首先检测 5 min 内的离子溶出状态， 结果 见表 2。 表 2 5 min 内水浸泡凝灰岩的溶液离子浓度 mg/L 编号溶液NaKCa2Mg2Zn2Al3Fe2Mn2 1 凝灰岩浸水 5 min 溶液 10.1317.21237.45100.601.290.022.72 表 2 实验， 水没出凝灰岩少许。由表 2 可知 凝灰岩近于已完全分解的 5 min 快速水分解溶液 中（pH 值 7.8） ， 离子浓度较大的为 K、 Na、 Ca2和 Mg2， 与其余离子有数量级差距， 说明这些离子的盐 溶出较快， Na、 K、 Ca2和 Mg2对凝灰岩遇水垮塌 可能有一定影响。 为测试钻井液成分对可溶物溶出的阻碍， 设计 了按钻井液防塌配方成分进行增加溶质种类的溶出 对比实验， 增量溶液物质下浸泡凝灰岩相同时间 的溶液离子对比结果见表 3 （岩石质量及液体体积 相同） ， 凝灰岩在表 3 的 25＃序列中的稳定性依次 增加。 表 3 增量溶质下浸泡凝灰岩 3 d 的溶液离子浓度 mg/L 编号溶液KCa2Mg2Zn2Al3Fe2Mn2 2水饱和 NaCl 55.441 824.101 097.3095.245.56272.2056.83 3水饱和 NaClNaOH 84.371 297.60 124.140.24 0.03 4水饱和 NaClNaOH淀粉92.021 165.80 55.62 1.602.79 0.33 51饱和 NaClNaOH淀粉72.88 614.20 167.62 10.015.29 88.12 5.53 5 – 15 减 1 离子浓度55.67 376.75 67.02 8.725.27 88.12 2.81 由表 3 可知（1）按钻井液防塌配方增量序列， 多数离子溶出呈较明显的下降趋势（Na由于饱和 NaCl 为基础不具可比性） ， 对应凝灰岩在液体中的稳 定性呈相反的上升趋势， 说明这些配方成分有明显 的防止可溶物溶出的功能；（2）按增量序列， Ca2和 Mg2浓度呈明显的下降趋势， 说明 Ca2和 Mg2可 能为功能离子， K的溶出受溶液成分影响不大， 说明 K随凝灰岩分解溶出较快， 也可能为功能离子；（3） 对比 2 和 3， 加有 NaOH 的溶液中， 各离子浓度均 大幅度降低， 说明 NaOH 对物质溶出具有阻碍作用 或对食盐结晶堵塞有较大的帮助。表 3 中， 由于浸 入的凝灰岩为块状， 所以虽凝灰岩的质量和实验溶 液体积相同， 但由于凝灰岩的成分具有不均一性， 故 部分离子浓度有一定差别， 但可确定趋势。 由上可知， 在凝灰岩垮塌过程中， Na、 K、 Ca2 及 Mg2的溶出与垮塌可能有较大联系， 需确认。使 用这 4 种离子的饱和溶液来进行凝灰岩浸泡验证， 结果表明Ca2及 Mg2饱和溶液无明显的防塌作 用， Na、 K饱和溶液防塌作用明显。实际上， 由凝灰 岩的化学反应研究可知［3］， 除 Na、 K外表 1 中其余 离子的饱和溶液均无明显效果， K系列中的 KNO3、 K2SO4等多种钾盐的防塌效果较弱， 应使用 Cl–和 Br–为阴离子。 由凝灰岩在饱和 NaCl 溶液中稳定性较在水中 石油钻采工艺 2014 年 1 月（第 36 卷） 第 1 期56 的稳定性显著提高， 及凝灰岩在钻井液配方溶液中 可保持 10 d 以上稳定性的现象， 结合表 3 的离子浓 度变化可见， 虽凝灰岩不是典型的盐溶岩石， 但离子 溶出对凝灰岩垮塌具有重要作用， 阻止凝灰岩离子 溶出可起到防塌作用。 4 结论 （1） 钻井液配方中， 碱性环境中可溶淀粉絮凝具 有强烈的堵塞作用；NaOH 具有一定的阻碍凝灰岩 中可溶物溶出的作用， 并可形成 Fe（OH）2等胶体； 凝灰岩浸提液可增加钻井液中凝灰岩可溶出成分的 离子浓度以降低井壁凝灰岩物质溶出速度。 （2） 钻井液中的可溶淀粉沿凝灰岩裂缝及表面絮 凝， 井壁由淀粉絮凝物、 NaCl 结晶及胶体形成的混 合膜覆盖， 极大地阻碍了水浸入凝灰岩层， 钻井液的 隔水能力是防塌的重要原因。 （3） 饱和盐水 NaOH 对凝灰岩中的可溶物溶出 有初步的阻碍作用， 絮凝结晶及膜覆盖后溶出被进 一步阻止， 钻井液具有较强的阻溶能力亦是防塌的 重要原因。 参考文献 ［1］ 李培林， 陈先贵， 安淑芳， 等.芳深9-2井钻井液技术 ［J］ . 钻井液与完井液， 2008， 25 （4） 74-76. ［2］ 王鹏， 潘建国， 魏东涛， 等 . 新型烃源岩沉凝灰岩 ［J］. 西安石油大学学报自然科学版， 2011， 26 （4） 19-22. ［3］ 郑明雄， 李峰， 曹广祝 . 澜沧铅矿水敏凝灰岩的性质与 防塌钻井液研制［J］. 昆明理工大学学报， 2013， 38 （1） 32-36. ［4］ 蓝强， 邱正松， 王毅 . 硅酸盐钻井液防塌机理研究［J］. 石油学报， 2007， 28 （5） 133-138. ［5］ 秦永和 . 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