钻井泥浆的分类与造浆粘土

一、钻井泥浆的分类

 

      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，简称松散层泥浆；②用于土层、泥岩、页岩等水敏性地层的抑制性泥浆，简称水敏抑制性泥浆；③用于岩盐、钾盐、天然碱等水溶性地层的泥浆，简称水溶抑制性泥浆；④用于较为稳定、漏失较小的硬岩钻进的泥浆，简称硬岩钻进泥浆；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用于超深井、地热井等高温条件下的抗高温泥浆。

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。大部分钻井场合下，使用成本较低，配制方便的水基泥浆。油基泥浆在一些特定情况下使用，它又分为油包水乳化泥浆和油基泥浆两种类型，前者油水比在50～80和50～20之间，后者含水量不超过5%。

从粘土在泥浆中的分散程度来看，又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。泥浆中的含盐量小于1%，含钙量小于120PPM，不含抑制性高聚物。其组成除粘土、碳酸钠和水外，为了满足钻井需要，往往还加有降失水剂和防絮凝剂（稀释剂）。依所加处理剂的不同，可有铁铬盐泥浆、木质素磺酸盐泥浆和腐植酸泥浆等。虽然这类泥浆在稳定性、流动性和对地层抑制性方面存在明显缺陷，但在一些以提高泥浆粘性为主的钻井场合还经常使用。

      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。它对井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，在钻井工程中得到广泛的应用。这类泥浆的含盐或含钙量较高，具体又分为钙处理泥浆（含钙量大于120MG/L，如石灰泥浆、石膏泥浆、氯化钙泥浆），盐水泥浆（含盐量大于1%，如盐水泥浆、海水泥浆、饱和盐水泥浆）和钾基泥浆（KCl含量大于1%）。

      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；所谓不分散，有3层含义：①粘土颗粒因高聚物存在而变得较粗；②对进入泥浆体系的岩屑起絮凝作用，不使其分散，利于除碴净化泥浆；③对井壁不起分散作用而起抑制保护作用。目前，这种泥浆已成为我国钻井部门使用的主要泥浆类型。

      国内外也有直接用泥浆的主要处理剂成分、关键特性或特殊用途等来命名分类的，如：腐植酸类泥浆、聚合物泥浆、木质素磺酸盐泥浆、抑制性泥浆、充气泡沫泥浆、非水基泥浆、饱和盐水泥浆、混油润滑泥浆、地热井和深井泥浆、石油天然气完井泥浆、小口径金刚石钻进泥浆、基桩钻孔循环泥浆、地下墙槽壁稳定泥浆等。

 

二、土的组成

 

      土主要由粘土矿物组成，另外还可能含有非粘土矿物和其他杂质。

      土中的非粘土矿物主要有长石、石英、方解石、方英石、蛋白石、黄铁矿、沸石等。这些非粘土矿物的含量不一，它们是泥浆中含砂量的主要来源，对泥浆性能起负面影响，因此，这些物质的含量越少越好。

      土中的杂质主要是有机物和可溶性盐。有机物为植物的茎、根、叶及其他腐植质等。可溶性盐为钙、镁、钠、钾的碳酸盐，硫酸盐，氯化物和硝酸盐等。这些物质明显影响泥浆的纯度和性能。

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。典型粘土矿物的化学组成含量如表4-1所示。

     （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，相应的粘土分别称为海泡石粘土、凹凸棒粘土和坡缕缟石粘土。

 

三、粘土矿物的构造特点分析

 

     

       为了更直观地比较4种粘土矿物的特点，特列表如下：

       综合表中的结果，蒙脱石是最好的泥浆配制材料；海泡石族在常温等一般条件下造浆性能比蒙脱石差，但在耐高温、抗盐侵方面具有较好的稳定性；高岭石与伊利石的造浆性能差。

 

表4-2  4种粘土矿物的性能比较表

矿物名称 化学成分

晶胞结

构类型

晶层排列

晶胞间引力

晶胞间

 距离

阳离子交

换容量

比重 造浆性能

高岭石 1：1

OH层与层

相对

有氢键

引力强

7.2 3-5 2.58-2.67 不易分散

蒙脱石 2：1

O层与O层

相对

分子间力弱 9.6-21.4 80-150 2.35-2.74 易分散造浆率高

伊利石 2：1

OH层与O层相对层间有K+

引力较强 10.0 10-40 2.65-2.69 不易分散

海泡石 2：1

双链层

 结构

—— 12.9 20-30 —— 耐高温抗盐

 

四、造浆粘土的选用与质量评价

 

       粘土在工业和民用上有许多用途，如铸造中的造砂型、冶金中的团矿等都需要一定质量的粘土。钻井泥浆是粘土在水中的分散体系，从钻井工程的工艺要求出发，需要采用较为优质的膨润土造浆，即需要选用以含蒙脱石为主的钠膨润土为造浆材料。

国内外富含蒙脱石的大型优质膨润土矿有不少，如我国的新疆夏子街、山东高阳、辽宁黑山、浙江余杭，美国的怀俄明以及南澳大利亚等地都有高纯度的大型膨润土矿床。泥浆公司和粘土粉生产厂家从这些地方采取粘土矿原料，做适当的加工，形成造浆粘土的正规产品。

自然界中的粘土广泛存在。许多情况下，钻进现场及其附近就有或多或少含蒙脱石的粘土。如果钻井对泥浆性能要求不是很高，完全可以就地取土配制泥浆，并通过添加处理剂来改善泥浆性能。当然，一些蒙脱石含量很少或杂质很多的劣质土是不可取的，因为这些土难以造浆。

如果钻井通过的地层本身就富含造浆粘土，那么就可以利用“地层造浆”，即先用一定量的清水作为钻井液，清水在井内自动水化分散被钻头破碎下来的粘土形成泥浆，直接循环使用。

无论是就地取土、地层造浆还是购买正规粘土粉产品，都存在判别粘土是否适于造浆或检验粘土造浆质量的问题。对此，应该采用科学的鉴定和评价。

（一）造浆粘土的评价

 

       综合国内外对膨润土的研究成果，评价造浆膨润土优劣的测试项目包括：（1）蒙脱石含量；（2）胶质价和膨胀倍数；（3）阳离子交换容量、盐基总量和盐基分量；（4）可溶性盐含量；（5）造浆率；（6）流变特性和失水特性。

对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，

       以此评价泥浆的宏观性能。造浆率的具体测定规范是：在定量的蒸馏水中加入定量的膨润土粉，经搅拌后密封静止24小时，使之充分预水化，然后搅拌，用直读式旋转粘度计测600转时的读数，当读数为30即

       对应表观粘度15╳10-3Pa·s时，依加土量计算造浆率：

 

                                                                                (4-1)

          

 

       显然，一次性定量配出的被测泥浆不可能正好为ηA=15╳10-3Pa·s，因此应该预估水、土加量范围，配制2~3种不同水、土比的泥浆，分别测定它们的ηA值，然后用两点或三点连线法插值或顺延出造浆率值。

       测定造浆率之前，对被测粘土的加工处理应该按照统一要求进行，使粘土的细度、水分含量、含砂量等指标处于标准范围，以保证造浆率测定的准确性。

       应该指出，表观粘度虽然比较重要地反映了泥浆的性能，但是并不能唯一表明泥浆性能，更严格的造浆率指标还应该结合泥浆的失水量、屈服值、塑性粘度等指标来进行评价。国外造浆用商品膨润土的质量标准，主要是API标准即美国石油协会标准，此外，还有原来的OCMA（石油公司材料协会）标准、日本的JBAS标准和前苏联标准等（见表4-3）。我国目前采用国际上通用的API标准作为商品膨润土的质量标准。若将表观粘度与失水量、屈服值、塑性粘度、漏斗粘度等结合起来衡量，能更加符合钻井实际来准确地反映膨润土的本质特征。