钻孔冲洗与护壁堵漏之泥浆性能及其测试方法

　　一、钻孔冲洗液的作用
　　1、清洗孔底，携带岩粉
　　2、冷却钻头，润滑钻具
　　3、护壁堵漏
　　4、特殊作用 ： 传递动力；破碎岩石；输送岩心等。
　　二、钻探对冲洗液的要求
　　1、性能稳定
　　2、符合地层要求
　　3、不污染环境
　　4、经济合理、配制简单
　　三、冲洗液的类型
　　有清水、泥浆、饱和盐溶液、乳化液、高压空气等类型。目前采用最广泛的是泥浆作为冲洗液。
　　泥浆 是粘土颗粒均匀而稳定地分散在液体(水或油)中形成的分散体系。
　　（一）按适用条件，可以把泥浆分为：
　　1.用于沙层、砾卵石层、破碎带等机械性分散等地层的泥浆，称松散层泥浆；
　　2.用于土层、泥岩、页岩等水敏性地层的抑制性泥浆，称水敏抑制性泥浆；
　　3.用于岩盐、钾盐、天然碱等水溶性地层的泥浆，称水溶抑制性泥浆；
　　4.用于较为稳定、漏失较小的硬岩钻进的泥浆，称硬岩钻进泥浆；
　　5.用于异常低压或异常高压地层的低比重泥浆或加重泥浆；
　　6.用于超深孔、地热井等高温条件下的抗高温泥浆。
　　（二）配制泥浆用的基本液体是水或油。若粘土在水中分散形成的泥浆即以水为连续相的泥浆称为水基泥浆；若粘土在油中分散形成的泥浆即以油为连续相的泥浆称为油基泥浆；若粘土在油水混合液中分散形成的泥浆称为乳化泥浆。
　　（三）粘土
　　粘土是配置泥浆的主要材料。
　　按粘土在泥浆中的分散程度，可将水基泥浆划分为细分散淡水泥浆、粗分散抑制性泥浆和不分散低固相泥浆。
　　细分散淡水泥浆是靠粘土在水中高度分散得到，是泥浆的早期类型。
　　粗分散抑制性泥浆是在细分散泥浆的基础上，加入无机聚结剂，使粘土颗粒适度变粗，同时加入有机护胶处理剂而形成。它对孔壁岩土的分散有抑制作用，自身抗侵能力强而且性能稳定、流动性好钻进效率高，在钻探工程中得到广泛的应用。
　　不分散低固相泥浆是较新型的泥浆体系。低固相是指泥浆体系中的固相含量（造浆粘土和钻碴等所有固相）按体积计不超过4%，由此使得机械钻速提高，尤其是在硬岩钻进中效果更为明显。
　　粘土矿物分为4个族类，它们均属于含水铝硅酸盐，并有一定量的金属氧化物。 　 （1）高岭石族 代表性矿物为高岭石，其他矿物包括埃洛石、地开石、珍珠陶土等，含高岭石矿物为主的粘土称为高岭土。　 （2）蒙脱石族 代表性矿物为蒙脱石，其他矿物包括绿脱石、拜来石、皂石等，含蒙脱石矿物为主的粘土称为膨润土或蒙脱土。　 （3）水云母族 代表性矿物为伊利石（伊利水云母），其他矿物包括绢云母、水白云母等，含伊利石矿物为主的粘土称为伊利土或水云母土。　 （4）海泡石族 代表性矿物为海泡石，其他矿物包括凹凸棒石、坡缕缟石等，相应的黏土分别称为海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡缕缟石粘土。
　　造浆粘土的评价方法之一是按照造浆性能要求确定粘土的造浆率。所谓造浆率是指：配得表观粘度为15×10-3Pa·s的泥浆时，每吨粘土造浆的立方数，计量单位为m3/t。它直接表示泥浆造浆效率的高低。优质粘土的造浆率大于16m3/t。
　　一、相对密度 （比重）
　　相对密度是指泥浆的重量与同体积水的重量之比。泥浆相对密度的大小主要取决于泥浆中固相的含量，而泥浆中固相的重量则是造浆粘土重量和钻屑重量之和。
　　泥浆的固相含量指泥浆中固体颗粒占的重量或体积百分数。泥浆中的固相包括有用固相和无用固相，前者如黏土、重晶石等，后者为钻屑。泥浆中的固相，按固相比重来划分，可分为重固相（重晶石比重为4.5，赤铁矿为6.0，方铅矿为6.9等）和轻固相（黏土比重一般为2.3～2.6，岩屑比重一般在2.2～2.8之间）。
　　测量泥浆比重的仪器目前用得最多的是比重秤，其结构如图所示。
　　泥浆比重秤1-杯盖；2-泥浆杯；3-水平泡；4-主刃口；5-主刀垫；6-支架； 7-游码；8-杠杆；9-金属颗粒
　　二、粘度
　　粘度 是指泥浆流动特性或可泵性的度量。用苏式漏斗粘度计测量的粘度称为苏式漏斗粘度。
　　在钻孔施工中，应根据不同地层选择不同的泥浆粘度，正常钻进时泥浆粘度为18—22秒，在保证携带和悬浮岩粉的前提下，尽量降低粘度。
　　粘度的测定：
　　三、含砂量
　　含砂量是指泥浆中大于74um不易分散的固体颗粒含有量的体积百分数。正常情况下含砂量不应大于4%，小口径金刚石钻进最好小于1% 。
　　含砂量测定：
　　现场采用1004型含砂量杯。它是用水将泥浆稀释后，利用泥浆中的砂粒自重沉降的方法来测定泥浆含砂量。 50泥浆+450水，静置1分钟， ﹥ 74um 砂粒沉淀；静置3分钟， ﹥ 25um 砂粒沉淀。记录两个时点刻度。刻度值乘以2即得含砂量值。
　　泥浆的比重和固相含量对钻孔施工有重要意义和影响 ： 1. 地层压力的控制　 钻孔中防止漏失，涌水和维持孔壁的稳定，重要的一点是要维持钻孔-地层间的物理力平衡。而孔内静液柱压力的大小决定于孔内液柱的单位重量或比重以及垂直深度。
　　2、对钻速的影响　 近年来进行的泥浆比重、固相含量对钻速影响的研究得出如下的结论：　 （1）随着泥浆比重的增加，钻速下降，特别是泥浆比重大于1.06～1.08时，钻速下降尤为明显。　 （2）泥浆的比重相同，固相含量愈高则钻速愈低。由此泥浆比重相同时，加重泥浆的钻速要比普通泥浆高，因为加重泥浆的固相含量低。　 （3）泥浆的比重和固相含量相同，但固相的分散度不同，则固相颗粒分散得愈细的泥浆钻速愈低。由此，不分散体系的泥浆其钻速要比分散体系的泥浆高。甚至有些研究者得出小于1μm的颗粒对钻速的影响比大于1μm颗粒的影响大12倍。因此，为提高钻进效率，不仅应降低泥浆的比重和固相含量，而且应降低固相的分散度，即应采用不分散低固相泥浆。
　　3. 含砂量的影响　 泥浆中的无用固相（主要为岩屑）含量会给钻进造成很大的危害。
　　无用固相含量高，泥浆的流变特性变坏，流态变差。不仅使孔内净化不好而引起下钻阻卡，而且可能引起抽吸，压力激动等，造成漏失或井塌。
　　泥浆中无用固相含量高，泥饼质量变坏（泥饼疏松，韧性低），泥饼厚。这样，不仅失水量大，引起孔壁水化崩塌，而且易引起泥皮脱落造成孔内事故。
　　泥浆无用固相含量高，对管材、钻头、水泵缸套、活塞拉杆磨损大，使用寿命短。　 因此，在保证地层压力平衡的前提下，应尽量降低泥浆比重和固相含量，特别是无用固相的含量。
　　四、 失水量和泥皮厚度
　　失水量 在一定压差下，规定时间内泥浆的液相渗入地层的数。
　　泥皮厚度 泥浆的液相向地层渗透过程中，在岩层表面渗滤后的因相堆积的厚度。
　　失水性对钻探工作的影响　 许多情况下，泥浆的失水对钻孔的危害较大：　 (1)当地层为泥页岩、黄土、粘土时，失水过大会引起井壁吸水膨胀、缩径、剥落、坍塌；　 (2)对于破碎带、裂隙发育的地层，渗入的自由水洗涤了破碎物接触面之间的粘结，减小了摩擦阻力，破碎物易滑入孔内，造成孔壁坍塌、卡钻等事故； 　 (3)在溶解性地层中的失水越多，孔壁地层被溶解的程度就越高；(4)厚泥皮会加大对钻具的吸附，使钻杆回转阻力增加；　 (5)厚泥皮使环空过流面积减小，循环阻力和压力激动增大；　 (6)厚泥皮使测井数据的准确性降低；　 (7)失水量越多，对地层的侵染越严重；　 (8)失水量越多，对地层的伤害越严重，影响油、气、水的渗透率，降低井的产量。　 泥浆的失水性对钻井的有利影响是：初失水可以湿润岩土，使其强度降低，有利于钻头对其破碎，提高钻进速度。
　　五、静切力和触变性
　　泥浆停止流动即静止，便有或多或少的结构逐渐形成，直至趋于稳定。把泥浆静置时的结构力称为泥浆的凝胶强度，用静切力表示。当外加一定的切力使泥浆流动时，结构拆散，流动性增长。这就是泥浆的触变性。
　　凝胶强度的大小和增长的快慢，对悬浮钻碴和开泵时的循环阻力有直接影响。为使停泵后井内钻碴悬浮而不下沉，希望泥浆有快速强凝的触变性；但这又会导致重新开泵时的循环阻力过大。因此，应该使泥浆具有快速中等强度的触变性。
　　六、胶体率 　泥浆的胶体率是泥浆中粘土水化分散程度及其悬浮状态稳定性的简易且有效的衡量。将100ml泥浆倒入有刻度的量筒中，静置24h，观察泥浆析出水分的情况。如上部析水5ml，则表明泥浆胶体率为95%。一般要求泥浆的胶体率在96%以上。
　　七、pH值　 泥浆的pH值（酸碱度）对泥浆的性能有很大影响。粘土颗粒带负电，它必须在碱性条件下才能维持稳定，多数有机处理剂必须在一定的PH值下才能发挥好的效用。不同配方的泥浆具有自身的PH值，一般应控制在8～11之间。泥浆在使用过程中，若发现PH值相对于原设计值发生了变化，则应及时加以调节。提高PH值，可以加入NaOH、Na2CO3或Ca（OH）2等；降低pH值，可加入稀释的HCl或酸式盐。
　　泥浆pH值的简单测量，是用pH试纸；较精密的测量可用pH电位计（酸度计）。一般是对泥浆滤液进行测量，有时也可直接对泥浆进行测量。