深井钻井液碳酸根和碳酸氢根污染的处理.pdf

1 O4 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGl NEERlNG OF Ol L ＆ GAS 深井钻 井液碳酸根和碳酸氢根污染的处理 刘 佑 云 1 ． 中国石油大学 华东 石油工程学院 2 ． 胜利石油管理局石油工程管理处 摘 要 阐述 了在 深 井钻探 过 程 中遇 到碳 酸根 和碳 酸 氢根 离子 污 染后 钻 井液 的性 能 特征 ， 提 出了针对不同程度污染的处理方法。针对中生界下部易跨塌泥岩、 膏泥岩和含煤线地层 单纯靠提 高 p H 值 和使 用 C a O 进行 处理 已不能满足 井下的 需要 ， 提 出了使 用硅 酸盐 的处 理 方法 。通过 室 内 实验 和几 口井的现场 应用 ， 使 用硅 酸 盐进行调 整 处理 ， 在 处理 碳 酸根 和碳 酸氢根 污 染的 同 时 ， 能 够 及 时有 效地起 到 防塌作 用 ， 保 证钻 井液 具有 良好 的流 变性和 防塌 能力 。 关 健词 碳 酸根碳酸 氢根钻 井液 污染硅 酸 盐 井眼稳 定 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 2 5 随着钻 探领 域 的扩 大 、 井 深 的增加 ， 在很 多 区块 的钻井 过程 中会 遇到碳 酸根 和碳 酸氢根 离 子对钻井 液造成 的污染 ， 致使钻井液 的粘切上升、 滤失量 变 大 ， 且 性能 难 以控制 。在 污染 的初 期 ， 常常误 认 为是 因钻 进 时间长 而造成 的钻 井液 老化 和处理 剂质量 问 题 引起 的抗温抗 污染 能力 差造成 的钻 井液 性能 不稳 定 。如果 没有做 出准 确 的判断 而按 照一般 的处理 方 法加 入 降粘剂 和 降滤 失剂 ， 根本 无 法 达 到处 理 的 目 的 ， 而且 耽误 了调 整 的 时机 ， 使 钻 井 液 的 污染 加 重 ， 造成钻井液性能的急剧恶化 ， 甚至会造成井下 的复 杂I 。 l碳 酸根和碳酸 氢根离子 的来源 钻 井液 中碳酸 根和碳 酸氢 根离 子主要 来 自以下 3个 方面 ， 有时候 这 3种 因素单 独存在 或共存 。 ① 在 深井 钻 探 过 程 中， 当钻 遇 含 有 CO 气 体 的地层 时 ， 会有 大量 C O 气 体侵 入钻井 液 中 。 ② 当钻 遇 含 有 较 多碳 酸 根 和碳 酸 氢 根 地下 水 层 时 ， 部 分地 层水 侵入钻 井液 中。 ③ 使用 的处理 剂含 有 N a 。 C 。和 Na HC O。 成 分 。深井钻井周期长 ， 使用的钻井液处理剂量大， 处 理剂中含有 的 Na 。 C O。和 Na HC O。 通 过不 断的累 积达 到从量 变到 质变 的反应 。 2碳酸根和碳酸氢根污染后钻井液的性能特征 深井钻井液受到碳酸根和碳酸氢根离子污染后 往往具备以下特征 ① 粘切上升且居高不下 ， 钻井 液流 动性差 ； ② 钻井 液 滤失 量 上 升 且难 以控 制 ， 泥 饼 虚厚 ， 静 止后 呈块 状 ， 处 理 调 整 钻井 液 时 ， 使 用 多 种稀释剂和降失水剂进行反复处理 ， 其效果不明显； ③ p H 值 下降 ； ④ 钻井液 在 流动 过程 中含 大量 小 气 泡并 且不 宜消 除 ， 使 用 六 速 粘度 计 所 测 定数 据 不 准 确 ； ⑤ 钻井 施工 过 程 中 起钻 有 挂 卡 现 象 ， 下 钻 到 底 开 泵 困难 ， 开 泵循 环并 且 返 出 大量 虚 泥 饼 并伴 有 井 壁掉 块 ； ⑥ 有 时还 同时存 在 C a 。 离子 。 3处理 方法 钻 井 液受 到 碳酸 根 和碳 酸 氢根 污 染后 ， 原 则 上 主要根 据钻井 液 中碳酸 根和碳 酸氢 根 的污染程 度和 井 下地 质岩性 情况 等来 处理 。 3 ． 1轻度污染的处理 当钻 井液 受 到碳 酸 根 和碳 酸 氢根 轻 度 污染 时 ， 通过滤液分析测得 HC O,、 c oI 、 C a 、 Mg 。 。 等离 子含量 。受 滤液 分 析 步骤 的影 响 ， C a 、 Mg 离 子 都 是 在 强 碱 性 环 境 下 测 得 的 数 据 ， 此 时 一 部 分 C a 、 Mg 。 。 与 OH 发 生 反 应 产 生 沉 淀 ； 钻 井 液 在 高温情况下 ， 滤液 中的 HC 和 c 进一 步分 解 。所 以 ， 室 内分 析测 得碳 酸根 、 碳 酸氢 根 和 C a 。 _、 Mg 。 含量只是一个参考值 ， 不能真正反 映钻井液中 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 1 卷 第 l 期 深井 钻井 液碳 酸根 和碳 酸 氢根 污染的 处理 碳 酸 根 和 碳 酸 氢 根 和 C a 、 Mg 一含 量 。通 常 可 以 通 过提 高 p H 值 进 行 维 护 性 处 理 ， HC O7 和 C 离子随 p H值的变化而转化 。当 p H值小于 9时滤 液 中以 HC 为主 ， C ； 含量 较 低 ； 而 当 p H 值在 9 ～l 1 ． 3时 ， 滤液中 Hc l{和 c o 一共存 ； 当 p H值 大 于 1 1 ． 3时 ， 滤 液 中 的 HC y在 强 碱 性 环境 下 逐 步 转化 为 CO j ， 而 HC O7 含 量 较 低 ， 能 够 同 滤 液 中存在 的 C a 抖、 Mg 离子结合 ， 形成碳酸盐沉淀 ， 降 低滤 液 中的 HC 和 c oi 含量 ， 减轻 对 钻井 液 的化 学 污染 。 3 ． 2严重 污染 的处 理 当钻井 液 受 到 碳 酸根 和碳 酸 氢根 严 重 污 染 时 ， 不 论 是使 用 多种稀 释 剂和 降失 水剂 进行 大 幅度地 反 复处理 ， 还是调整 p H值 ， 都不能有效控制钻井液的 性 能。特殊情况下 ， 滤液中还共存有 HC 、 c ； 和 C a 、 Mg 一离子。 由于钻井 液 中富含处理剂 ， 使 钻 井液 中的 HC l、 、 C j 离 子 与 C a 、 Mg 。 一离 子 不 能有 效地 结合 在 这种情 况 下 ， 处理 钻井 液 中的 碳 酸 根和碳 酸氢根 污 染 的方 法 ， 主要 是 向钻 井 液 中 提供一定数量 的 C a ， 如石灰 、 氯化钙 、 石膏等在碱 性 环境 下形 成 碳酸 盐 沉 淀 ， 清 除碳 酸 根 和 碳 酸 氢 根 离 子 。 可 以 通 过 滤 液 碱 度 分 析 测 得 HC l{ 、 C 、 C a 抖 、 Mg 含量 ， 然后计 算 出钻井 液 中能够 中和 HC O2和 C j 所 需 C a 离子 的含量 。 虽然能够使用的处理剂很多， 但 现场最好使 用 对 钻井 液性 能 影 响 较 小 的 石 灰 主 要 成 分 C a 进 行 调 整处 理 ， 在现 场调 整处 理过 程 中 ， 根 据测 得 的数 据计算 出相应的加量， 考虑受到钻井液 p H 值、 固相 含量和井下温度的影 响， 首先做好小型实验获取数 据 。对钻井 液 调 整 处 理 前 ， 取 一 罐 钻 井 液 4 0 m。 再做大型实验 ， 然后按照循环周加入 ， 保证钻井液性 能基 本稳 定 和井下 安全 。 3 ． 3复杂地层高密度钻井液污染后的处理 当钻进至 山前构造或 中生界下部易垮塌 的泥 岩 、 膏泥岩和含煤线地层时 ， 地层应力一般偏 高， 都 是使用的高密度钻井液体系， 钻井液的固相 含量偏 高 。钻井液受到碳酸根和碳酸氢根严重污染时 ， 常 规 单纯 地提 高 p H 值 和使 用 石 灰 进 行 处 理 ， 虽 然 能 够 清除钻 井液 中的部 分 碳 酸 根 和碳 酸 氢 根 离子 ， 改 变钻 井液 的流 变 性 ， 但 钻 井 液 的性 能变 化 较 大 ， p H 值升高 ， 失水增大 ， 流型发生 了改变 ， 促使 了易垮塌 的泥岩 、 膏泥岩进一步吸水膨胀和含煤线井段在 高 p H值情况下能够形成煤碱液， 促使煤层进一步溶 解 ， 使该井 段 井壁 不 规则 ， 造成 不 稳 定 和垮 塌 ， 给易 垮塌 的泥 岩 、 膏泥岩 和 含煤线 井段 造成 了井下 复杂 。 在此 情 况 下 ， 处理 钻 井 液 中 的碳 酸根 和 碳酸 氢 根污 染 ， 可使用 适量 的水 泥 作 处 理剂 ， 主 要成 分 为 C a S i O 和少 量 Al O Mg O 水泥 中的 C a 组 分 向钻井液中提供一定数量的 C a 。 在 现 场处 理 过 程 中 ， 根 据测 得 的数 据 计算 出相 应 的加 量 ， 考 虑受 到钻 井液 p H 值 、 固相 含量 和井 下 温度的影响， 首先认真做好小型实验 ， 特别是高温 固 化 实验 尤为 重要 ， 防止 因 水 泥加 量 不 当而造 成 的 井 下 复 杂 。水 泥 中 的硅 酸 根 和 C a 。 。 与 钻井 液 中碳 酸 根 和碳 酸氢 根离 子 以及地层 中的金属 离子 在碱性 环 境 下形 成不 溶性碳 酸盐 和硅 酸 盐沉 淀 ， 镶 嵌 于 易 垮 塌地层的孔隙和微裂缝 中， 部分高价金属离子随钻 井 液滤 液侵 入地 层形 成 硅 酸 盐 凝胶 和胶 状 物 ， 在 高 温 高压 的情 况下产 生 固化 ， 在 井 壁 表 面形 成 一 层 坚 固的保 护层 ， 有效 地封 堵孔 隙和 微裂缝 ， 阻止 钻井 液 滤 液进 一步 侵入 地层 ， 有利 于井 壁稳定 ， 并能 起到 保 护 油气层 的作 用 。 4现场应用情况 4 ． 1和参 l井 和参 1井是胜利油田在新疆和田风险探 区的一 口山前构造上的重点参数井 ， 由于地层渗漏严重 ， 钻 进过程 中大量补充预水化膨润土浆， 使钻井液 中纯 碱 的含量 增加 ， 同时受 生产水 型 的影 响 ， 使钻 井液 中 表 和参 l 羚井深 2 5 0 O m 处钻井液处理前后性能变化情况 况 P ⋯ V Y P 井浆8 7 3 7 2 9 1 2 ／ 3 0 8 1 0 l 1 4 7 } 4 6 8 0 0 很 版 s ⋯ j 泥 s⋯s ， ⋯ 2 l 6 0 3 7 6 1 2 7 很好 注 井 浆O ． 8 水泥， 钻井 液样品经1 6 h 、 1 2 0 C 高温滚动实验． 性能 稳定， 无老化现象。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 8 石油与天然气化工 CHEMl CAL ENGINEERI NG OF OI L ＆ GAS [ 2 ]庄磊 ， 陈国庆 ， 孙志友 ， 等． 大型油罐火灾 的热 辐射危害特性[ J ] ． 安全与环境学报 ， 2 0 0 8 ， 4 1 1 0 1 1 4 ． [ 3 ]孙东亮 ， 杜峰 ， 蒋军成． 密闭汽油 罐泄漏池 火灾风险评估 中的参 数研究性分析[ J ] ． 石油与天然气化工 ， 2 0 0 9 ， 3 8 5 4 4 8 4 5 2 ． [ 4 ]胡二邦． 环境风险评价实用技术和方法[ M] ． 中国环境科学 出版 社 ． [ 5 ]马普利 ， 郭小芳． 中国石油甘肃销售公 司白银油库扩容工程环境 影响报告表[ R] ． 西北矿冶研究院 ， 2 0 1 0年 7月． [ 6 3张莹， 刘峰 ， 杨光辉 ， 等． 大型油罐火灾爆炸危 害性研 究[ J ] ． 管道 技术与设备． 2 0 0 7 4 1 9 2 O ， 3 0 作 者 简 介 郭小 芳 女， 1 9 8 1 年生， 硕士， 工程师。主要从事环境影响评 价 、 清洁生产审核 与污 染治理 等方 面的研 究。Ema i l g u o 0 9 4 3 1 2 6 ． c o rn 。 收稿日期 2 0 1 1 1 1 2 5 ； 收修改稿 2 0 1 1 1 2 0 9 ； 编辑 钟 国利 上接 第 1 O 3页 金 属 用于处 理该 油 田污水 中的悬 浮物较 为适合 。 由于污 水 中的 固体 悬浮物 不 断地在 多孔烧 结金 属 表 面形成 滤饼 ， 因此使 得过 滤效 果会进 一步 提高 ， 但 是 经过长 期使 用后 ， 多孔 烧 结 金 属 的过 滤 效 率会 下降 ， 因此需 要 清 洗再 生 。滤 饼 可 以 在原 位 有 效 地 清洗 和反 冲洗 ， 一 般采 用气 压水 脉冲 ， 也 就是 在未作 为过滤表面处 ， 进行气体反吹， 这也是烧结多孑 L 金属 自动 排污过 滤器 最有 效 的清洗方 法 。 3结 论 本 文针 对 江汉 油 田污水 中的 固体 悬 浮物 成 分 ， 包括粒径等进行了测试分析 ， 采用多孔烧结金属作 为过 滤材 料 ， 测试 了该 污水 在 通 过 多孔 烧 结 金 属后 的变化 ， 并 对过滤 后 的烧 结金 属表 面进行 了观 察 ， 发 现该 污水 在通过 多孔烧 结金 属后 ， 产生 了大量 的“ 滤 饼” ， 显示过滤效果 良好 ， 为油 田污水中固体悬浮物 的处 理提 供 了实 验 依 据 ， 同 时 给具 备 相似 性 质 的 油 田污水 的处理 提供 了方法 。 参 考 文 献 [ 1 ]顾 临， 邱世庭 ， 赵扬． 烧结金属 多孔滤材技术综述[ J ] ， 流体机械 ， 2 0 0 2， 3 0 2 3 0 3 5 ． [ 2 ]Ke n n e t h I ． Ru b o ， L o u i s e S t a n g e ， B i l l y Hu a n g ． 应用烧结金属过 滤介质的过滤技术进展 [ J ]， 产、 世用纺织 品 泽 ， 2 0 0 5 9 2 3 ，q 作 者 简 介 蒲 美 玲 女 ， 1 9 8 0年牛 ， 汉 族。2 0 0 3年毕业 于中 I 彳 油 大学 ， 获工学学十学位 ， 现为中国石化汀汉 油 田分公 司采 油工艺研究 院 I 程师， 研究 方 『 为 二 f 业 水 处理 及 油 田规 划。E ma i l d o u h a o l 2 1 2 l 6 3 ． c o m 。 刘旭辉 男， 1 9 7 8 年生， 汉族， 博士， 讲师。2 0 1 0 年毕、J 于上海 大学机电与 自动化工程学院 ， 获工学 博士学位 ， 分别两次赴德 国和 香 港城 市大学进行 访问研究 ， 现为上海 应用技术学 院机械 1 程学 院教 帅 ， 研究力向 机械设 计和T业水处理设备 的外发 。 收稿 H期 2 0 l I 一0 4 2 9 ； 收修改稿 2 0 i i 一0 7 1 3 ； 编 辑 钟 国利 上 接 第 1 0 6页 参 考 文 献 [ 1 ]鄢捷 年． 钻井液 L岂学[ M] ． 山东 n由大学 出版社． 2 0 0 0 ． 8 ． [ 2 ]孙长健 ， 彭 圈， 张仁德 ， 等． 碳酸根和碳 酸氢根离子对钻井液 的污 染及处理r J _】 ． 精细石 油化丁进展 ， 2 0 0 9 ， 1 0 9 2 8 8 0 ． [ 3 ]谢建宇 ， 王旭 ， 张滨 ， 等． AA／ AMP S ／ r MD AAC共聚物钻井 液降 粘剂性 能评价[ J ] ． 石油与天然气 化 _ r， 2 0 0 9 ， 3 8 5 4 3 4 4 3 6 ， 11 3 作 者 简 介 刘佑云 男， 1 9 8 1 年 1 0 月生， 毕业于江汉 油学院化学__r j T艺 专业 ， 现为中圈石油大学 华东 石油T程学院在职硕士研究牛 ， 胜利石油管理J 口 j 石油lT程管 理处T程师 。地址 2 5 7 0 0 1 山东 省东 营市济 南路 2 5 8号胜利 油管理 局 油 l 程 管理处 。电活 0 5 4 6 8 71 0 1 7 3；E ma i l l i u y o u y u n ． s l y t s i n o p e c ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 1 o 4 o 6 ； 编 辑 钟 国 利 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m