金刚石钻进泥浆的性能要求 -全讯官网

（一）金刚石钻进对泥浆性能的要求与特点

　　1.低固相与低比重

　　这是金刚石钻进用泥浆应掌握的主要之点。只有钻进过程中维持低固相（主要是指低纯土含量），才有可能当泥浆在狭小的环状间隙循环流动时，减少钻具回转阻力，开上高转速，同时减少泵压损失。

　　 金刚石钻进要求低固相的目的与石油钻有不同之处，它主要是为了减少回转阻力，使钻具能开上高转速。同时，金刚石岩心钻进的岩粉颗粒直径比石油钻全面钻进的岩屑要小德多，岩粉量也少得多。因此，就不必按不分散低固相泥浆所要求的固相含量中岩屑与膨润土的比例控制在2:1左右的指标来控制固相，而可以尽可能降低粘土用量，使粘土用量控制在4%（重量比）以下，即泥浆比重1.03以下。钻进漏失层时，为了防漏和减少漏失，可以加入发泡剂，进一步使泥浆比重降低至0.98以下，并同时能开上高转速。

　　2.泥浆的流变性

　　 主要是指泥浆粘度，切力和剪切稀释作用等问题。

　　 在正常情况下金刚石钻进用泥浆的粘度要求不高，表现为相对漏斗粘度（ф5）为17~18秒，或塑性粘度为3~5厘泊即可。而在漏失层钻进时，泥浆粘度要升高，但不要用增加粘土用量的方法来提高泥浆粘度，而是要用高效增粘剂（瓜尔胶・・・等）来提高低固相泥浆的粘度，这样才不会使钻具回转阻力增加。

　　 为了提高低固相泥浆的悬浮和携带岩粉的能力，还需保持一定的泥浆切力。

　　 剪切稀释作用，在石油钻用泥浆中已得到重视。它是指在高的剪切速度（流速梯度，dv/dx）下（如泥浆从牙轮钻头水眼排出时，特别是高压喷射钻井时），泥浆的表现粘度（视粘度）低如清水（即变稀作用），这时可以获得高的钻速及冷却钻头的效果；而在较低剪切速率下（如石油钻环状空间较大，上返泥浆速率较低时），同一泥浆的表现粘度变大，这是有利于提高悬浮和携带岩屑的能力。

　　 石油钻通常以泥浆的动切力（又叫屈服值，单位为磅/100尺2,以rd表示）与塑性粘度（单位为区泊，以ƞp表示）的比值达到rd/ƞp=0.75~1左右时，表示泥浆的剪切稀释作用最好（如动切力的单位取毫克/厘米2时，比值应乘以4.9的数）。

　　 金刚石钻进时，钻孔内进行冲洗的工作情况与石油钻有不同之处。虽泥浆从钻头水槽水口排出时的剪切速率达到1~2万秒-1（这比石油钻喷射钻井时低约10倍，但不算太小，而其水马力却低得多，相差1千至几千倍），而不能利用冲洗液流来破碎岩石，只是达到良好冷却钻头的作用。但是金刚石钻进时由于环状间隙小上返速度高，泥浆在环状空间上返时的剪切速率比石油钻高多（差几十倍），属紊流态。它虽对排粉无坏的影响，但对孔壁岩石的冲刷破坏作用较明显。这样，由于剪切稀释作用所得到得钻进、排粉・・・等效果就不能和石油钻一样了。但是，具有明显剪切稀释作用的泥浆，却有明显剪切稀释作用的泥浆，却有利于钻头冷却，有利于减轻小口径金刚石钻进时的漏失・・・。使泥浆通过漏失通道时流速变慢，视粘度增大，有利于堵漏。因此，小口径金刚石钻进用泥浆，同样要考虑剪切稀释作用这一特性。

　　 表1是黑山膨润土配成的金刚石钻进用泥浆的一些配方，用美制范式旋转粘度计（35sa型）进行初步测定所得数据，作为分析问题考虑。

　　 从表1可见，除1号（原浆）及3号（原浆加入切削油）样品具有较好的剪切稀释作用外，其余样品的剪切稀释作用均较差，有待进一步研究。

　　3.泥浆失水与泥皮

　　 小口径金刚石钻进用泥浆，要求失水小和形成致密且具良好的润滑性质的泥皮。

　　 使用低固相乳化泥浆或润滑泥浆洗孔时，油珠和表面活性剂直接参与泥皮的组成，有助于改善泥皮粘滞性，减少钻具回转阻力，提高钻具转速。

　　4.泥浆的润滑性

　　 对泥浆润滑性能的认识，目前还不很清楚，测定泥浆润滑性的方法也不完善。

　　 石油钻是采用极压润滑试验仪来测定泥浆润滑性的好坏。我们采用自制测乳状液摩擦阻力（或以摩擦系数表示）的装置（将岩样压在告诉回转的钢轴上测定块状岩样滑动阻力的方法）来测定不同泥浆的摩擦系数。其结果如表4所列。它是以石英岩块为试样，测定干摩擦系数，水、乳状液、php水溶液和几种配方的黑山膨润土泥浆的摩擦系数数据。

　　 由表2可见，单纯php水溶液或php泥浆是不能明显降低摩擦系数的。未处理的黑山膨润土基浆的摩擦系数比水的摩擦系数还大。而往此基浆中加入0.5%的切削油或皂化油后，摩擦系数即大大地降下来了（见11号配方），再添加100ppm水解聚丙烯酰胺效果则更好（见16号配方）。再用进口美制的极压润滑试验测得的结果，其变化规律与表4基本相同。

　　 用不同润滑材料加入黑山膨润土泥浆中，所得润滑效果也是不相同的。我院过去试验用油酸、皂化油、太古油、c-125（聚氧乙烯蓖麻油）、op-10（聚氧乙烯辛基苯酚醚）、cmc（钠羧甲基纤维素）、铁铬盐等添加物加入黑山膨润土泥浆中，发现加入0.5-1%的油酸时，摩擦系数最小，皂化油和太古油次之，其余添加物的润滑效果不好。

　　对非膨润土泥浆测定润滑效果所得结果与膨润土泥浆有相似之处，但比膨润土泥浆要差。

　　 除上述泥浆性能指标外，泥浆的ph 值也有很大影响，待进一步研究。

　　（二）金刚石钻进用泥浆类型

　　 这个问题本应以后讨论，因到现在为止，国内已有用于金刚石钻进的泥浆类型较少且没有大范围的实践。根据金刚石钻进的特点和今后可能采用的设想，提出下列泥浆类型作为讨论研究的参考：

　　膨润土低固相乳化或润滑泥浆

　　 所用膨润土如属钙膨润土，则需按离子交换计算出用适量纯碱或磷酸钠盐改型为钠膨润土。这样才能保证有高的分散度，做到泥浆中固相含量较低（比重达1.03以下）。要往泥浆中加入合适的乳化油或无油润滑剂，使泥浆润滑性好，泥皮粘滞性低。当加入乳化油时叫“乳化泥浆”，加入无油润滑剂时叫“润滑泥浆”。必要时可加入高效增粘剂，以提高泥浆粘度，以适于漏失和无胶结的易塌地层的需要。如果基浆（粘土、纯碱和水组成）的失水量较低，就不必另加入降失水剂了。在岩粉较少而非造浆性破碎地层中使用时，可不必加入絮凝剂。这种泥浆在有膨润土地区已开始采用。

　　2.非膨润土低固相乳化或润滑泥浆

　　 在缺乏膨润土地区可考虑采用优质（造浆率较高的）非膨润土作为低固相泥浆材料。往此泥浆中加入碱（纯碱或烧碱由试验来确定）和na-cmc等以增加分散度和降低泥浆是水量至10~12毫升/30分左右。地表配浆时泥浆比重可达1.05左右。加入乳化油或无油润滑剂以增加泥浆的粘度。我国许多现场采用过这种泥浆，它适于岩粉较少时小口径金刚石钻进中使用。由于摩擦阻力可能较大，它只能用于浅孔。

　　3.聚丙烯酰胺低固相乳化或润滑泥浆

　　 在岩粉较多的松软或造浆地层钻进时，可考虑采用水解聚丙烯酰胺低固相泥浆（岩心钻一般用水解度较大的php）。对非膨润土来说只能做到适度絮凝，并配合除砂除泥，以维持钻进过程中的低固相（泥浆比重1.05左右）。加入碱和na-cmc等以降低失水量，加入少量稀释剂（如铁铬盐等）或高效增粘剂以调节泥浆粘度适应不同地层的需要。加入乳化油或无油润滑剂以增加泥浆以及泥皮的润滑性。这种泥浆在国内小口径金刚石钻进中已有应用。

　　4.不分散低固相乳化或润滑泥浆

　　 在钻进岩粉较多的松软或泥浆地层中使用膨润土低固相泥浆时，可加入具选择性絮凝的絮凝剂（国外品种较多，我国用30%水解度的php，其选择性絮凝未完全解决）进行处理，以达到絮凝泥浆进来的粘土及岩粉而保留部分膨润土于泥浆中的目的。这样可以维持钻进过

　　 程中的长期低固相。如嫌泥浆失水过大，可加入具非分散性的降失水剂（如水解聚丙烯晴-腈纶下脚料的水解物，聚丙烯酸钠，低分子量水解聚丙烯酰胺・・・等），而不要加入任何分散剂。可加入合适的乳化油或无油润滑剂以增加泥浆的润滑性。

　　5.低固相泡沫乳化或润滑泥浆

　　在上述泥浆的基础上加入一定量的发泡剂，使泥浆比重进一步降低至0.95以下。这种泥浆可以解决部分漏失问题。发泡剂有脂肪醇硫酸钠（加入量0.05%不等）、亚硫酸纸浆液浓缩物（加入量0.5~1%）・・・等。这种泥浆已在鞍本地区深孔中应用，效果良好。

　　6.低固相钙处理乳化泥浆

　　 钙处理可控制地层造浆，防止易水化膨胀地层的孔壁坍塌。由于采用的是一般粘土造浆，固相还不是太低，开高转速有一定困难。

　　说明：1.基浆配方为：没升泥浆中加入黑山膨润土40克，纯碱1.6克；

　　2.php（水解聚丙烯酰胺）分子量150万，理论水解度60~80%，浓度1%；

　　3.现场泥浆是循环几天以后取的泥浆样品，原配方相当于14号配方。

　　7.低固相堵漏乳化润滑泥浆

　　 为了进一步解决泥浆钻进时的漏失问题，应学习国外石油钻经验，往泥浆中加入各种惰性堵漏材料于泥浆中，以增加泥浆的堵漏能力。但是，对金刚石钻进来说，由于流过通道（特别是双管接头等处）的间隙小，所以堵漏材料过粗或过多时均不合适。因此，它的使用受到一定限制。

　　8.无固相冲洗液

　　 无固相指的是无粘土相，即不加入粘土的冲洗液，而岩粉固相仍然存在。在金刚石钻进中，可以考虑采用水玻璃――高水解度的聚丙烯酰胺水溶液，生物聚合物多电解质冲洗液・・・等。这类冲洗液仍可起到和泥浆护壁一样的作用（有失水和粘度・・・）。由于无固相，可能更有利于开高转速。

　　9.其他泥浆

　　 如必要时需采用低固相高比重（加入重晶石粉）的乳化或润滑泥浆，具抗盐、钙的低固相泥浆，深孔或热水孔用的抗高温泥浆・・・等。

　　 以上各种类型可在不同情况下进行选择和配制应用（或相互合并在一起应用），以达到护壁和润滑等目的。

　　 注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。