金剛石鉆進泥漿的性能要求

（一）金剛石鉆進對泥漿性能的要求與特點

　　1.低固相與低比重

　　這是金剛石鉆進用泥漿應掌握的主要之點。只有鉆進過程中維持低固相（主要是指低純土含量），才有可能當泥漿在狹小的環狀間隙循環流動時，減少鉆具回轉阻力，開上高轉速，同時減少泵壓損失。

　　 金剛石鉆進要求低固相的目的與石油鉆有不同之處，它主要是為了減少回轉阻力，使鉆具能開上高轉速。同時，金剛石巖心鉆進的巖粉顆粒直徑比石油鉆全面鉆進的巖屑要小德多，巖粉量也少得多。因此，就不必按不分散低固相泥漿所要求的固相含量中巖屑與膨潤土的比例控制在2:1左右的指標來控制固相，而可以盡可能降低粘土用量，使粘土用量控制在4%（重量比）以下，即泥漿比重1.03以下。鉆進漏失層時，為了防漏和減少漏失，可以加入發泡劑，進一步使泥漿比重降低至0.98以下，并同時能開上高轉速。

　　2.泥漿的流變性

　　 主要是指泥漿粘度，切力和剪切稀釋作用等問題。

　　 在正常情況下金剛石鉆進用泥漿的粘度要求不高，表現為相對漏斗粘度（Ф5）為17~18秒，或塑性粘度為3~5厘泊即可。而在漏失層鉆進時，泥漿粘度要升高，但不要用增加粘土用量的方法來提高泥漿粘度，而是要用高效增粘劑（瓜爾膠???等）來提高低固相泥漿的粘度，這樣才不會使鉆具回轉阻力增加。

　　 為了提高低固相泥漿的懸浮和攜帶巖粉的能力，還需保持一定的泥漿切力。

　　 剪切稀釋作用，在石油鉆用泥漿中已得到重視。它是指在高的剪切速度（流速梯度，dv/dx）下（如泥漿從牙輪鉆頭水眼排出時，特別是高壓噴射鉆井時），泥漿的表現粘度（視粘度）低如清水（即變稀作用），這時可以獲得高的鉆速及冷卻鉆頭的效果；而在較低剪切速率下（如石油鉆環狀空間較大，上返泥漿速率較低時），同一泥漿的表現粘度變大，這是有利于提高懸浮和攜帶巖屑的能力。

　　 石油鉆通常以泥漿的動切力（又叫屈服值，單位為磅/100尺2,以rd表示）與塑性粘度（單位為區泊，以?p表示）的比值達到rd/?p=0.75~1左右時，表示泥漿的剪切稀釋作用最好（如動切力的單位取毫克/厘米2時，比值應乘以4.9的數）。

　　 金剛石鉆進時，鉆孔內進行沖洗的工作情況與石油鉆有不同之處。雖泥漿從鉆頭水槽水口排出時的剪切速率達到1~2萬秒-1（這比石油鉆噴射鉆井時低約10倍，但不算太小，而其水馬力卻低得多，相差1千至幾千倍），而不能利用沖洗液流來破碎巖石，只是達到良好冷卻鉆頭的作用。但是金剛石鉆進時由于環狀間隙小上返速度高，泥漿在環狀空間上返時的剪切速率比石油鉆高多（差幾十倍），屬紊流態。它雖對排粉無壞的影響，但對孔壁巖石的沖刷破壞作用較明顯。這樣，由于剪切稀釋作用所得到得鉆進、排粉???等效果就不能和石油鉆一樣了。但是，具有明顯剪切稀釋作用的泥漿，卻有明顯剪切稀釋作用的泥漿，卻有利于鉆頭冷卻，有利于減輕小口徑金剛石鉆進時的漏失???。使泥漿通過漏失通道時流速變慢，視粘度增大，有利于堵漏。因此，小口徑金剛石鉆進用泥漿，同樣要考慮剪切稀釋作用這一特性。

　　 表1是黑山膨潤土配成的金剛石鉆進用泥漿的一些配方，用美制范式旋轉粘度計（35SA型）進行初步測定所得數據，作為分析問題考慮。

　　 從表1可見，除1號（原漿）及3號（原漿加入切削油）樣品具有較好的剪切稀釋作用外，其余樣品的剪切稀釋作用均較差，有待進一步研究。

　　3.泥漿失水與泥皮

　　 小口徑金剛石鉆進用泥漿，要求失水小和形成致密且具良好的潤滑性質的泥皮。

　　 使用低固相乳化泥漿或潤滑泥漿洗孔時，油珠和表面活性劑直接參與泥皮的組成，有助于改善泥皮粘滯性，減少鉆具回轉阻力，提高鉆具轉速。

　　4.泥漿的潤滑性

　　 對泥漿潤滑性能的認識，目前還不很清楚，測定泥漿潤滑性的方法也不完善。

　　 石油鉆是采用極壓潤滑試驗儀來測定泥漿潤滑性的好壞。我們采用自制測乳狀液摩擦阻力（或以摩擦系數表示）的裝置（將巖樣壓在告訴回轉的鋼軸上測定塊狀巖樣滑動阻力的方法）來測定不同泥漿的摩擦系數。其結果如表4所列。它是以石英巖塊為試樣，測定干摩擦系數，水、乳狀液、PHP水溶液和幾種配方的黑山膨潤土泥漿的摩擦系數數據。

　　 由表2可見，單純PHP水溶液或PHP泥漿是不能明顯降低摩擦系數的。未處理的黑山膨潤土基漿的摩擦系數比水的摩擦系數還大。而往此基漿中加入0.5%的切削油或皂化油后，摩擦系數即大大地降下來了（見11號配方），再添加100PPM水解聚丙烯酰胺效果則更好（見16號配方）。再用進口美制的極壓潤滑試驗測得的結果，其變化規律與表4基本相同。

　　 用不同潤滑材料加入黑山膨潤土泥漿中，所得潤滑效果也是不相同的。我院過去試驗用油酸、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（鈉羧甲基纖維素）、鐵鉻鹽等添加物加入黑山膨潤土泥漿中，發現加入0.5-1%的油酸時，摩擦系數最小，皂化油和太古油次之，其余添加物的潤滑效果不好。

　　對非膨潤土泥漿測定潤滑效果所得結果與膨潤土泥漿有相似之處，但比膨潤土泥漿要差。

　　 除上述泥漿性能指標外，泥漿的PH 值也有很大影響，待進一步研究。

　　（二）金剛石鉆進用泥漿類型

　　 這個問題本應以后討論，因到現在為止，國內已有用于金剛石鉆進的泥漿類型較少且沒有大范圍的實踐。根據金剛石鉆進的特點和今后可能采用的設想，提出下列泥漿類型作為討論研究的參考：

　　膨潤土低固相乳化或潤滑泥漿

　　 所用膨潤土如屬鈣膨潤土，則需按離子交換計算出用適量純堿或磷酸鈉鹽改型為鈉膨潤土。這樣才能保證有高的分散度，做到泥漿中固相含量較低（比重達1.03以下）。要往泥漿中加入合適的乳化油或無油潤滑劑，使泥漿潤滑性好，泥皮粘滯性低。當加入乳化油時叫“乳化泥漿”，加入無油潤滑劑時叫“潤滑泥漿”。必要時可加入高效增粘劑，以提高泥漿粘度，以適于漏失和無膠結的易塌地層的需要。如果基漿（粘土、純堿和水組成）的失水量較低，就不必另加入降失水劑了。在巖粉較少而非造漿性破碎地層中使用時，可不必加入絮凝劑。這種泥漿在有膨潤土地區已開始采用。

　　2.非膨潤土低固相乳化或潤滑泥漿

　　 在缺乏膨潤土地區可考慮采用優質（造漿率較高的）非膨潤土作為低固相泥漿材料。往此泥漿中加入堿（純堿或燒堿由試驗來確定）和Na-CMC等以增加分散度和降低泥漿是水量至10~12毫升/30分左右。地表配漿時泥漿比重可達1.05左右。加入乳化油或無油潤滑劑以增加泥漿的粘度。我國許多現場采用過這種泥漿，它適于巖粉較少時小口徑金剛石鉆進中使用。由于摩擦阻力可能較大，它只能用于淺孔。

　　3.聚丙烯酰胺低固相乳化或潤滑泥漿

　　 在巖粉較多的松軟或造漿地層鉆進時，可考慮采用水解聚丙烯酰胺低固相泥漿（巖心鉆一般用水解度較大的PHP）。對非膨潤土來說只能做到適度絮凝，并配合除砂除泥，以維持鉆進過程中的低固相（泥漿比重1.05左右）。加入堿和Na-CMC等以降低失水量，加入少量稀釋劑（如鐵鉻鹽等）或高效增粘劑以調節泥漿粘度適應不同地層的需要。加入乳化油或無油潤滑劑以增加泥漿以及泥皮的潤滑性。這種泥漿在國內小口徑金剛石鉆進中已有應用。

　　4.不分散低固相乳化或潤滑泥漿

　　 在鉆進巖粉較多的松軟或泥漿地層中使用膨潤土低固相泥漿時，可加入具選擇性絮凝的絮凝劑（國外品種較多，我國用30%水解度的PHP，其選擇性絮凝未完全解決）進行處理，以達到絮凝泥漿進來的粘土及巖粉而保留部分膨潤土于泥漿中的目的。這樣可以維持鉆進過

　　 程中的長期低固相。如嫌泥漿失水過大，可加入具非分散性的降失水劑（如水解聚丙烯晴-腈綸下腳料的水解物，聚丙烯酸鈉，低分子量水解聚丙烯酰胺???等），而不要加入任何分散劑。可加入合適的乳化油或無油潤滑劑以增加泥漿的潤滑性。

　　5.低固相泡沫乳化或潤滑泥漿

　　在上述泥漿的基礎上加入一定量的發泡劑，使泥漿比重進一步降低至0.95以下。這種泥漿可以解決部分漏失問題。發泡劑有脂肪醇硫酸鈉（加入量0.05%不等）、亞硫酸紙漿液濃縮物（加入量0.5~1%）???等。這種泥漿已在鞍本地區深孔中應用，效果良好。

　　6.低固相鈣處理乳化泥漿

　　 鈣處理可控制地層造漿，防止易水化膨脹地層的孔壁坍塌。由于采用的是一般粘土造漿，固相還不是太低，開高轉速有一定困難。

　　說明：1.基漿配方為：沒升泥漿中加入黑山膨潤土40克，純堿1.6克；

　　2.PHP（水解聚丙烯酰胺）分子量150萬，理論水解度60~80%，濃度1%；

　　3.現場泥漿是循環幾天以后取的泥漿樣品，原配方相當于14號配方。

　　7.低固相堵漏乳化潤滑泥漿

　　 為了進一步解決泥漿鉆進時的漏失問題，應學習國外石油鉆經驗，往泥漿中加入各種惰性堵漏材料于泥漿中，以增加泥漿的堵漏能力。但是，對金剛石鉆進來說，由于流過通道（特別是雙管接頭等處）的間隙小，所以堵漏材料過粗或過多時均不合適。因此，它的使用受到一定限制。

　　8.無固相沖洗液

　　 無固相指的是無粘土相，即不加入粘土的沖洗液，而巖粉固相仍然存在。在金剛石鉆進中，可以考慮采用水玻璃――高水解度的聚丙烯酰胺水溶液，生物聚合物多電解質沖洗液???等。這類沖洗液仍可起到和泥漿護壁一樣的作用（有失水和粘度???）。由于無固相，可能更有利于開高轉速。

　　9.其他泥漿

　　 如必要時需采用低固相高比重（加入重晶石粉）的乳化或潤滑泥漿，具抗鹽、鈣的低固相泥漿，深孔或熱水孔用的抗高溫泥漿???等。

　　 以上各種類型可在不同情況下進行選擇和配制應用（或相互合并在一起應用），以達到護壁和潤滑等目的。

　　 注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。