摘要
依据河南许昌地热井水敏性地层钻探工程，在分析水敏性地层的成分、水化机理及钻进泥浆性能需求的基础上，确定水敏性地层钻进需要滤失量小、密度低、流变性好、抑制性强的泥浆。依据文献资料及生产实践经验，初步选出配制泥浆的材料和浓度，采用室内试验测定泥浆性能和正交试验极差分析法优选泥浆材料浓度，优化出泥浆最终的配比，经生产实践验证调整，最终确定了适应项目生产需求的泥浆配方。经实际生产检验，满足水敏性地层钻探需求，效果良好。
由各种粘土或粘土经后生作用形成的泥岩、页岩等组成的岩层称为水敏性地层，较为典型的水敏性地层有粘土层、泥岩层、软页岩层、粘土胶结硬页岩层
水敏性地层钻探常出现泥浆增稠、钻速急速下降、钻头泥包不进尺和偏磨损坏、孔壁缩径及掉块剥落、钻孔埋钻、钻具折断等不利情况，这些情况与泥浆性能紧密相关。
解决水敏性地层钻探泥浆性能问题，对提高钻探质量和效率意义重大。
“河南省通许凸起许昌—鄢陵岩溶热储地热资源调查评价地热钻探井”为河南省自然资源厅2019年度省财政地质勘查类招投标项目。地热井位于许昌市五女店镇苗店村西村边，于2020年4月30日开钻， 10月4日终孔。
钻孔从上至下揭露地层情况见
前期泥浆配方为（1
泥浆性能指标见
在施工过程中，井深300 m以浅，钻进施工进展顺利，井深超过300 m后，施工出现了一系列问题。钻探施工异常情况见
由
由
取该井岩样进行岩矿鉴定，鉴定结果见
由
富含高岭石、伊利石的地层，吸水后粘土颗粒进入泥浆，加大泥浆表观粘度和滤失量，作为有害颗粒，较易沉淀于井底，导致钻速急剧降低。井壁吸水后不稳定，易剥落掉块。
富含蒙脱石的地层吸水后粘土水化分散进入泥浆体系，加大泥浆稠度和粘度，增大了钻头糊钻、偏磨、泥包及钻具“粘钻”风险；井壁易出现缩径和流散。
基于水敏性地层成分的特点，其对钻进泥浆性能需求如
水敏性地层钻进需要滤失量小、密度低、流变性好、抑制性强的泥浆。
由水敏性地层的成分、水化机理及钻进泥浆性能需
采用窒内试验与正交实验极差选择法相结合进行优化，确定最适宜本项目水敏性地层钻探施工的泥浆配方。
无机处理剂：常用的有烧碱（NaOH）和纯碱（Na2CO3）。Na2CO3提高pH值的能力较弱，清除钙、镁离子的效果比NaOH强；生产安全性相对较高。故无机处理剂选用Na2CO3。
有机处理剂：常用的泥浆降失水剂有钠羧甲基纤维素（Na-CMC）、腐殖酸钾（KHm）、聚丙烯腈胺盐（NH4HPAN）等。
KHm是良好的降失水剂、稀释剂和防塌剂。
Na-CMC与粘土颗粒吸附在一起，能使粘土颗粒的水化膜厚度增厚，提高泥浆的切力，增高泥浆的粘度。低粘CMC和中粘CMC一般降失水性能明显，做降失水剂，而高粘CMC增粘效果显著，做增粘
NH4HPAN中的NH
泥浆中岩屑等固体颗粒危害较大，水解聚丙烯酰胺（HPAM/PHP）吸附基团可将岩屑等有害固体颗粒吸附絮凝沉淀，控制泥浆固体含量。其长分子链吸附于孔壁上，也起到降低地层吸水水化膨胀、稳定孔壁防塌作
基浆配方为（1
基浆中按质量比例分别加入KHm、Na-CMC（中粘）、NH4HPAN（分子量235万~376万、水解度60%~70%）、PHP（分子量300万~500万、水解度30%），在室内试验测定泥浆性能的基础上，用正交实验极差选择法对泥浆组方进行优化。
正交试验设计采用4因素3水平正交表。依据文献资料及生产实践经验，列出4种泥浆处理剂的水平值。泥浆处理剂正交试验因素及水平值设定详见
泥浆正交试验测定的粘度、滤失量、泥皮厚度数据见
根据
依据各指标下试验结果，确定各因素的最优水平组合为：漏斗粘度（%）：B1A3D1C1；滤失量（%）：B3A1C3D2；泥皮厚度（mm）：B3C3A3D1。
由于漏斗粘度、滤失量、泥皮厚度3个指标确认的最优水平组合结果并不一致，我们再根据KHm、Na-CMC、NH4HPAN、PHP 4个因素影响的3个指标的主次顺序，结合水敏性地层对泥浆性能具体需求，确定出最优结果。
B（Na-CMC）是主要因素指标，对滤失量、泥皮厚度的影响大小排第一位，取B3；对漏斗粘度的影响也排第一位，取B1。取值B3与取值B1相比，漏斗粘度升高了18.33%，对泥浆性能不利；滤失量减少了27%，泥皮厚度减少了33%，对泥浆性能有利。水敏性地层的泥浆设计，滤失量是关键，故我们取B3。
A（KHm）也是主要因素，对漏斗粘度、滤失量的影响排第二位，对泥皮厚度的影响排第三位。优先考虑第二位的影响。考虑漏斗粘度的影响取A3，滤失量的影响取A1，对比A3与A1的试验值，漏斗粘度减少8%，滤失量减少23.33%，泥皮厚度减少4%。综合考虑，A3更优。
C（NH4HPAN）对漏斗粘度的影响排在第四位，是次要因素，对滤失量的影响排在第三位，为C3，对泥皮厚度的影响排在第二位，也是C3。所以我们取C3。
D（PHP）对漏斗粘度的影响排在第三位，为D1，对滤失量的影响排第四位，为D2，次要因素；对泥皮厚度的影响排第四位，为D1，也为次要因素。经过统计
最佳护壁堵漏材料组合为A3B3C3D2。还原各组分添加量为： KHm 3%，Na-CMC（聚合度200~600、取代度80%~85%的中粘）0.4%， NH4HPAN（聚合度235~376、取代度60~70%）1.5%， PHP（分子量300万~500万时，水解度30%左右）100 mg/L。
最终确定泥浆配方为（1
该配方不在正交试验组合配方之内。按该比例配制泥浆，室内测试该新配方泥浆性能指标见
地热井从500 m井深起始，采用新配方泥浆钻进。比对500 m井深前后泥浆的性能、井内状况、钻探效率等情况如下：
（1）新配方泥浆的密度降低了4.6%，漏斗粘度降低了46.7%，降低了循环液液柱的静压强和泵压压强；新配方泥浆增加了泥皮的致密性，大幅降低了泥浆内有害固体含量，泥浆滤失量大大降低。
（2）使用新配方泥浆后，钻进顺利，纯钻进时间增多，井内事故未再发生，钻进辅助时间大幅降低，钻速提升明显。
（3）井孔状况得到极大改善，未再出现缩径、粘钻、卡钻等险情。
（4）牙轮钻头未再出现偏磨、泥包等不正常状况。
新泥浆使用前后钻探情况、生产效率、泥浆漏失量情况对比见
实践证明，我们选取的泥浆材料是合适的，正交试验极差分析法确定的配方比例是准确的，新配方泥浆完全适应本项目水敏性地层钻探施工需求，效果良好。
（1）水敏性地层钻探，对泥浆性能有特殊需求。泥浆性能不适宜时，循环液会出现粘度增高、滤失量增大、有害固体含量过多，钻孔缩径、孔壁坍塌，钻速低下、钻头偏磨及泥包、钻杆“粘钻”等不正常情况。
（2）本项目水敏性地层的主要成分以高岭石、伊利石、蒙脱石为主，厚度较大，地层吸水后坍塌掉块、水化流散情况较为严重。配制泥浆从降低泥浆滤失量、抑制粘土水化分散剥落掉块趋势、加强孔壁稳固性等需求出发，配制滤失量小、密度低、抑制性强、流变性好的泥浆。
（3）钻探施工效果不理想时，应及时调整泥浆配方。针对本项目地层条件，推荐泥浆配方为（1
（4）正交试验极差分析法应用于泥浆处理剂浓度的确定，具有室内配制试验次数减少、确定浓度准确的优势，是一种简便、经济、科学、快速和准确的方法。
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