钻井液受碳酸根／碳酸氢根污染的探讨.pdf

第 2 7卷 第 6期 2 0 1 0 年l 1 月 钻井液与完井液 DRI LLI NG FLUI D COM PLET1 0N FLUI D 、 ，0 1 ． 27 No． 6 No v e ．2 O J O 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 0 1 00 6 ． 0 0 4 2 0 4 钻井液受碳酸根／ 碳酸氢根污染的探讨 周光正， 王伟忠， 穆剑雷， 曹孜英 ， 尹丽， 张刚， 杨鹏梅 渤海钻探泥浆技术服务分公司，天津 摘要分析 了碳酸根／ 碳酸氢根污染钻井液的影响因素，提出了其判断及处理方法，即现场观察、综合性能 及滤液分析、小型实验及处理 3个环节缺一不可，指出判断钻井液是否受污染与滤液中碳酸根 ／ 碳酸氢根的浓度并 没有固定关系，差异较大，与钻井液类型、固相含量、井温等有关，提出了处理碳酸根／ 碳酸氢根污染的注意要点。 关键词碳 酸根 离子 ； 碳酸氢根离子 ； 钻 井液污染 ； 处理 中图分类号T E 2 5 4 文献标识码A 碳酸根 ／ 碳酸氢根污染钻井液是现场施_T中的 一 种复杂情况。由于实际遇到的情况差异较大 ，导 致在碳酸根 ／ 碳酸氢根污染钻井液的处理过程 中容 易 出现判断困难 、处理无效，甚至发生新 的复杂等 情况，因此在现场处理中准确地判断钻井液受到碳 酸根 ／ 碳酸氢根的污染很重要 。 1 碳酸根的来源及其污染现象 钻井液中 C O 、HC O 一 的来 源主要有 以下几 个方面 ①在新钻井眼中， 含有 C O， 的地层流体 气 或水 进入钻井液 ，这种情况在钻进灰岩 、砂岩和 泥岩地层时均有可能发生 ； ②处理受石膏污染的钻 井液或钻水泥塞时纯碱加量过大 ； ③在钻井液流动 或者对其搅拌过程 中，空气 中的 C O， 混入钻井液并 积累 ； ④有机钻井液处理剂在高温条件下的热解 ， 部分处理剂含有的碳酸盐溶解或分解 ； ⑤钻井液用 水中含有高浓度的碳酸根离子。 在施工中，当出现以下现象时，表明水基钻井 液有可能受到了C O 3 2 - ／ H C O 一 的污染 ①钻井液的 颜色变深，发灰 、发黑 ； ②钻井液的黏度和切力升 高 、流动性变差 、触变性增强 ，并且加入降黏剂后 的处理效果不明显 ； ③钻井液的滤失量增大、泥饼 虚厚 ，且加降滤失剂处理不见效 ； ④槽面和罐中有 泡沫，且消泡困难 ； ⑤ p H值难以稳定，容易下降。 2 性能正常时的C O 3 2 - ／ H C 0 3 - 含量分析 钻井液 中存在 c o3 2 - ／ HC O 一 被认 为是水源 、地 层流体进人 、处理剂溶解或热解共 同作用的结果。 同一处理剂的质量相近 ，因此同一阶段使用的某种 或某几种处理剂对不同井浆带来 的碳酸根的影响应 是相似的，因而由处理剂造成的碳酸根污染容易判 断。排除处理剂的因素之后 ，对钻井液用水进行分 析 ，其数据不但可以为选择水源提供参考 ，也可以 为分析来源于地层 的 C O 3 2 - ／ HC O 一 的影响提供依据。 2 ． 1 钻井液用水中的碳酸根， 碳酸氢根含量 表 1 是 8口井生产用水和钻井液滤液 中碳酸根 ／ 碳 酸氢根含量情况。从表 1 可知 钻井液所用淡 水 的总矿化度均小 于 3 0 0 0 mg ／ L； 全部钻井液用水 均存 在 H C O 一 ，一 般在 3 0 0 mg ／ L以 内 ；总矿化 度 较低的碳酸氢钠水型的水 ，其 HC O 一 含量较高 ，水 源 的 C O 2 。 含量较低 ，大部分 为零 ，同时水 中均含 有少量的 C a 。对 比滤 液与水源 中 HC O 一 和 C O 卜 的含量情况可以看出，它们之间不存在明显的叠加 关系 ，因此可以认为，一般情况下钻井液用水对滤 液中的碳酸根 ／ 碳酸氢根值影响不大 【 l 】 。 2 ． 2 滤液中的碳酸根， 碳酸氢根含量 表 1 中的数据均为钻井液性能正常时的滤液分 第一作者简介 周光正，工程师，1 9 8 3 年毕业于重庆石油学校油田化学专业，现在从事钻井液现场技术工作。地址 天 津市滨海新区渤海钻探泥浆技术服务公司； 邮政编码 3 0 0 2 8 0 ；电话 0 2 2 2 5 9 3 9 2 8 4 ； E ma i l z h o u g u a n g z h e n g c n p c ． t o m． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 6期 周光正等钻井液受碳酸根／ 碳酸氢根 污染的探讨 4 3 析结果，可以看出 ①在使用体系、取样井深、钻 井液用水矿化度均不同的条件下 ，滤液 中均含有不 同浓度 的 C O 卜、C a ； ② 全部 滤液均存 在 HC O 和 C O 卜，浓度悬殊 较大 ，并且在碳 酸根 ／ 碳 酸氢 根总量达到 6 0 0 0 mg ／ L以上时 ，钻井液性能正常 ， 无受污染后特有的黏度 、切力高、滤失量大且难控 制、流动性差 、颜色深等特征 ； ③虽然使用的钻井 液均属淡水类型 ， 但不同体系的总矿化度差异较大， 因此生产用水对滤液 中 H C O V C O 卜浓度和总矿化 度 的影响较小 ； ④多数钻井液滤液中含有浓度不等 的 C a 2 离子 ， 但其浓度不高 ， 一般不超过 2 0 0 mg ／ L。 表 1 8口井生产用水和滤液 中碳酸根 ／ 碳酸氢根含量情 况 井 体井深 ／c a ／ H C O _ ／ C O3 2 ／总矿化度／样品 号系 m mg ／ L mg ／ L mg ／ L mg ／ L 来源 3 0 3 9 8 8 ． 1 8 2 2 8 8 ． 2 5 6 7 5 ． 1 1 5 1 0 3 ． 6 9 滤液 歧 硅基 3 3 4 5 2 0 0 ．4 0 4 5 7 6 ． 5 0 7 5 0 ． 2 5 滤液 0 I 2 ． 0 2 7 0 ． 1 7 1 5 ． 0 0 9 4 4 ． 7 4 生产水 滨深 硅基 2 8 7 1 0 1 3 0 l 5 6 l 4 2 0 4 4 4 8 6 0 7 3 滤液 1 9 X 1～40 ．0 8 4 8 8 ． 1 6 0 1 4 5 0 ． 1 5 生产水 官抑制 2 0 3 5 1 6 0 ． 3 2 5 8 9 8 ． 1 9 2 2 8 0 ． 9 8 2 1 9 0 3 ． 3 9 滤液 8 4 K性8 4 ．1 6 2 2 8 ． 8 2 0 2 1 5 2 ． 8 3生产水 港聚合 1 6 0 0 4 0 ． 0 8 1 3 8 3 ． 3 2 2 5 6 0 ． 6 3 8 6 7 4 ． 3 2 滤液 5 4 7 K 物 l 4 ．5 8 6 1 ． 0 2 1 2 0 ． 0 2 9 5 2 ． 8 3 生产水 一 般认为 ，当钻井液中 C O3 2 V HC O 一 的浓度为 1 2 0 0～3 0 0 0 mg ／ L时 ， 即判断钻井液受到污染 [2 -4 ] 。 而表 1 说明 一些非钙基淡水钻井液在 H C O3 - ／ C O 卜 的浓度较高时性 能仍正常 ，因此认 为 H C O 3 - ／ C O 卜 的含量越高 ，钻井液越易受到污染 ，但在影响因素 复杂的现场条件下，钻井液是否受到 H C O3 ／ C O 卜 的污染不能完全依据其浓度判断。 2 ． 3 滤液中C O3 2 - ／ HCO 3 - 的处理实验 取钻井液性能正常而 H C O 3 - ／ C O 浓度较高的 2口井浆滤液 ，进行加饱和石灰水实验。 1 向钻 井 液 中加入过 量 纯碱 导致 高浓 度 的 HC O 3 ／ C O 卜 。滨 8 4 X1 井钻至井深 3 8 7 6 m完钻后 ， 打水泥塞进行侧钻施工 ，并在钻水泥塞过程 中加入 了过量的纯碱。侧钻至井深 2 8 1 0 1 T l 后取样分析 ， 并进行加饱 和石灰水清除碳 酸根 ／ 碳酸氢根实验 ， 结果如表 2所示 。实验结果表 明，在 1 mL滤液 中 加入 4 0 mL饱和石灰水后 ，滤液 中出现 OH ，由此 可以证 明碳酸根／ 碳酸氢根污染可以消除，但此时滤 液中的 C O 含量仍较高 ，这是因为实验用 的稀硫 酸为强酸 ， 它使生成 的碳酸钙又分解生成了碳酸根。 滨 8 4 X1 井 井浆滤液的碳酸根离子含量较高，但其 来源 于加 纯碱过量 ，钻井液 性能未表现 出 C O 卜、 HC O 污染特性 ，因此不能用加石灰的方法处理。 表 2 滨 8 4 X1井滤液 1 mE 碳 酸根处理 实验 一一 加入不同体积 n 饱和石灰水后的各离子浓度／ mg ／ L 禺 于～ 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 Ca 8 0 2 40 ． 48 2 40．48 C0 3 0 8 0 ． 5 0 4 8 0 0 ． 8 0 6 3 7 0 ． 2 9 6 8 8 1 ． 1 5 8 l 3 6 ． 0 0 7 4 8 1 ． 2 5 HC0 3 3 1 9 ． 4 9 2 6 8 4 ． 8 8 3 2 8 ． 5 7 4 8 8 ． 1 6 4 0 6 ． 8 0 0H 20 0． O 3 注 用浓度为 0 ． 0 5 N的硫酸滴定测定不同离子的含量。 2 KC 1 聚合物钻井液中的高浓度 C O 3 2 - ／ HC O 一 。 滨深 2 4 井用 K C 1 聚合物钻井液钻至井深 4 8 8 0 1 1 1 时， 取钻井液滤液测定 C O 3 2 ／ HC O 一 的含量 ，进行加饱 和石灰水处理实验 ，此时钻井液性 能正常，未 出现 污染迹 象且不需要加石灰处理 ，实验结果见表 3 。 由表 3可知，在 1 mL滤液里加人 5 mL饱和石灰水 后 ，滤 液 中出现 O H 一 ，说 明 C O 卜、HC O 一 在理论 上可以用石灰来消除 。 表 3 滨 深 2 4井井深 4 8 8 0 m处钻 井滤液 1 mE 处理实验 加入不同量饱和石灰水后的各离子浓度 ／ mg ／ L l ； 5 』 ． ～一 0mL 5mL 1 0mL 1 5mL 由表 2 、表 3可 以看出 这 2口井井浆滤液 中 的C O ， 一 和 H C O 含量接近，但完全消除碳酸根 影响的饱和石灰水需要量却分别为 5 mL和 4 0 mL 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钻 井 液 与 完 井 液 2 0 1 0年 1 1月 由此说明 ，判断和处理碳酸根对钻井液的污染 时， 做 小型实验是重要且必要 的。同时也表明 尽 管 C 0 3 2 - ／ H C O 的含量 高，但如果在不需要处理 的时 候加入石灰处理 ，将适得其反，也就是说 ，不是在 钻井液碳酸根含量高的所有情况下都可以加石灰处 理 ，必须具体情况具体分析。 3碳 酸 根 污染 的处 理 技 术 3 ． 1 常用处理方法 如果证实钻井液流变性和滤失量控制 困难是 由 地层流体 中碳酸根的污染所引起 的， 可采用加石灰 、 石膏 、氯化钙等的方法提供 c a ； 或者直接使用含 C a 的钙基钻井液。如果使用石膏提供 C a ，必须 同时加入烧碱提高钻井液 的 p H值，使 H C O 转变 成 C O 卜，但 这只是一种 选择 ，加 C a C 1 提供 c a 时也要如此。这种方法由于存在操作 问题 ，现场应 用不多。 在现场处理 中，一般采用加熟石灰 C a O 的方 法，利用其与水反应生成的 C a OH ， 提供 C a ，在 碱性条件下与钻井液滤液中的 C O 生成 C a C O 沉 淀，该处理方法简单 ，且十分有效 [ 2 - 5 1 。 需要注意的是 ，如果判断不准确 ，加人石灰会 使淡水基钻井液发生絮凝 ，引起钻井液黏度和滤失 量的上升 ，导致钻井液性能恶化。 3 ． 2 处理 实例 1 实例 1 用含 C a 的解卡液处理。板深 5 1 井抑制性钻井液被 C 0 3 2 - ／ H C O 污染后 ，黏度 和切 力升高，维护处理困难 ，但当时没有引起注意。在 发生事故后， 用 3 0 m 含石灰的解卡液浸泡， 替浆时， 混浆段没有 现钻井液受解卡液 中 c d 影 响的现 象 ，即没有出现钻井液的黏度和切力急剧升高 、需 要排放的现象。把解卡液全部混人井浆后循环，钻 井液的黏度和切力迅速降低 ，流动性大为改善 。 2 实例 2 加石灰处理。尤参 1 井使用聚合物 钻井液钻至井深 l 5 0 0 m左右 的变质岩地层时 ，因 地层间断 出水和有 C O， 气 体溢 出，产生钻井 液受 C 0 3 2 - ／ H C O 一 污染的现象，表现为流动性差、黏度 和切力高，取样后立即在循环罐测量黏度为2 9 S ， 取样至值班室测量后 ，漏斗黏度为 6 0 S ，中压滤失 量为 l 2 mL 。加入大量的铵盐 、 腐植酸钾进行处理 ， 钻井液的黏度 、切力和滤失量仍然无法控制 ，钻至 井深 3 7 0 0 m处测 得钻井液中 HC O 和 C O 一 的总 量超过 8 0 3 2 mg ／ L ，发现是 污染问题。进行小型实 验后 ，将 1 ． 5 t 石灰配水加入钻井液 ，循环返出浆的 黏度、 切力迅速下降， 流动性获得很大程度地改善， 中压滤失量降低到 8 mL， 效果明显。值得注意的是 ， 尤参 1 井加石灰处理污染取得成效后 ，测得 HC O 一 和 C O 总量反 而增加到 1 0 0 0 0 mg ／ L以上。因此 可 以得出 C O3 2 - ／ HC O 一 含量 高是判 断钻井液是否 受到污染 的重要依据 ，但不能只看其浓度的高低而 忽视钻井液的实际现状。 3实例 3 排 放污染 浆。L G7 ． 9井 中完井深 为 5 0 9 1 m，钻 进 中，综 合 录 井显 示 C O， 含量 为 0 ． 0 1 2 ％～0 ． 3 2 ％，中完电测前全脱测得 C O， 含量为 0 ． 1 2 ％，中完 电测期 间井 筒静止 5 2 ． 5 h ，其 后下钻 到底开泵循环 ，油气上窜速度为 1 1 ． 6 6 m ／ h ，全脱测 得 C O， 含量 为 3 ． 2 1 4 ％。循环时 ，上部钻井 液返出 正常，在井底段钻井液 迟到时间为 8 5 mi n返出 时，钻井液颜色变深 ，黏度和切力急剧增加 ，过振 动筛前、后流动时，呈块状并有裂缝 ，初步判断为 受到了碳酸根污染 。分析 出现上述现象的原因为 钻至井深 4 7 7 5 m 以后进入油气层 ，C O ， 含量增加 ， 正常钻进时 C O， 随着钻井液 的循环而排出 ； 但由于 电测期问静止时问过长 ， C O， 进入底部井段并浓集， 导致 C 0 3 2 - ／ H C O ～ 含量增加而污染井底钻井液。因 现场未储备石灰 ，排放 2 0余 m 受污染浆 ，并加高 碱性胶液循环后钻井液性能恢复正常。 3 ． 3 使用抗污染能力强的钻井液 当钻遇地层 流体 中含碳 酸根持 续污染钻井液 时 ，不断补充石灰进行处理十分困难 ，此时最好使 用抗污染能力强的钻井液 。滨深 2 4井四开采用硅基 钻井液实施欠平衡控压钻井 ，钻至井深 4 8 7 0 m时， 钻井 液的黏度 和切力上 升，钻 井液滤液 中 HC O 和 C O 的浓 度 分 别 为 3 2 4 6 ． 2 6和 2 4 2 4 ． 4 me d L， 污染前 、后钻井液性能见表 4 。由表 4可知，碳酸 根污染后的硅基钻井液的黏度 、 切力 ，特别是终切 、 和 等低剪 切速率下读值均较高 ，呈 现出污染 特征。在现场采取 了置换部分井浆 、加水 ，用石灰 、 N a O H、F C L S处理等措施 ，处理后钻井液的初期性 能较稳定 ，但是随着循环时间的延长，钻井液的黏 度和切力继续上升 。分析其原因认为硅基钻井液抗 污染能力较差 ，在欠平衡施工的情况下 ，地层 中的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷 第 6期 周光正等 钻井液受碳酸根／ 碳酸氢根污染的探讨 4 5 C O， 气体不断进入井 内，导致碳酸根反复污染钻井 液。 因此 ， 将井浆转换为 B H KS M钻井液 ， 配方如下。 1 ． 2％ BZ． BBJ 5％ BZ J LS． I 4％ BZ Y FT3％ BZ YRH 3 ． 5 ％GF D 3 ％BZ． HXC． Ⅱ 2 ％BZ YBJ 7 ％KCl 在井深 4 9 2 3 m处取样测得 HC O 一和 C O 卜含 量 分别 为 4 1 8 8和 3 4 1 6 mg ／ L，说 明地层 中又 有 C O ， 进入 ，但此 时 B H． KS M 钻井 液性 能稳定 ，如 表 5所示 ，并顺利钻达井深 4 9 7 1 m完钻。由此可 见 ，滤液 中 H C O - ／ C O 一 浓度相 近时，不 同的钻井 液受影响的程度不同 ； B H KS M 钻井液抗 C O 污 染能力强 ，是因为地层中的 C O， 在钻井液中转变为 H C O V C O 后，体系中离子的吸附、扩散、交换 作用对 电位 、分散度产生影响 ，使钻井液的黏度 、 切力和滤失量发生较大变化 ； 对高矿化度 、强抑制 性的 B H KS M 钻井液来说，C O 卜的影响较淡水基 钻井液小得多 ，表现 出高 HC O 3 - ／ C O 卜浓度下钻井 液的性能稳定 。 表 4 滨深 2 4井硅基钻井液受污染前、后性能 畏f p f F y }F L f G e l ／P V f Y P { MB T ／ m c m s mL pn Pa ／ Pa mPa．s Pa{ o 6 仍 g ／ L 注 为硅基钻井液受污染后性能。 表 5 滨深 2 4井 B H KS M钻井液性能 注 井深 4 8 7 4 、4 9 8 7 m处钻井液高温 1 8 0 高压 滤失量分别为 1 5 、1 4mL 。 4 判断 与处理碳酸根 污染的建议 钻井液的流变性特别是黏度和切力 ，受 固相含 量、膨润土含量、 井下温度等多种因素的影响，当 现场出现钻井液的黏度和切力升高 、滤失量增大且 处理困难时 ，首先要考虑以上因素 ，再判断是否发 生了 C O3 2 - ／ HC O 一 污染 ，并应注意以下几个方面。 1 由 于各 种 原 因 导 致 钻 井 液 中必 然 存 在 HCO 7 C0 卜 ，但 H C O3 - ／ C O 一 具体在什么浓度下会 污染钻井液 ，与体系类型、钻井液的组成 、钻井液 所处 的环境条件等有关 ，不能一概而论 ，更不能认 为只要其达到某个浓度钻井液就会受到污染 。 2 由于采用加硫酸的方式测 C O 3 2 - ／ H C O 含量 ， 因此即使完全消除了其对钻井液的污染 ，测量 出来 的 C 0 3 2 - ／ HC O 含量却不一定低 。 3在发现钻井液流变性能变差 、滤失量变大 且处理 困难时，需要进行综合的常规性能和滤液分 析实验 ，只有在判断准确的情况下 ，加石灰才能取 得 良好 的效果 ，否则将会适得其 反 ，导 致人为 的 c a 2 污染 问题。处理时必须做小型实验 ，然后才能 用石灰处理。而且要尽可能寻找新石灰，最好用块 状熟石灰配成石灰水 ，可在 2个 以上循环周 内逐步 加入 ； 应注意碳酸根不能清除得太快 ，避免钻井液 的黏度和切力短时间内大幅度下降 ，造成井壁冲刷 失稳和出现携砂问题 。 4 理论上可以通过提高钻井液 p H值 大于 1 1 来辅助清除碳酸根 ，但应尽量避免单加烧碱来提高 钻井液 的 p H值。一般是在加入石灰水后，采取配 胶液或者加 F C L S时加人烧碱的方法 ，使处理后钻 井液的 p H值达到 9 ～ 1 0即可 。 5当发现钻井液受地层 中碳 酸盐流体污染后 ， 可以查看地质录井钻进及下钻到底循环第一周返出 的 C O ， 记 录，了解 钻井液 出现 问题 前后 C O ， 含量 的变化情况。间接作为判断地层是否出气的参考。 6当钻遇大段含 C O， 地层时，可以采取在加 重时，间断少量加人石灰的方法 ，以保持钻井液滤 液中有一定浓度的游离 C a ，防止 C O ， 转化为碳酸 根后污染钻井液。 最好使用抗污染能力强的钻井液 。 参 考 文 献 [ 1 】 李文林 ，田富林 ． 解决 HC O 一 污染钻井液的方法 [ J ] ． 钻 井液 与完井液 ，1 9 9 7 ，1 4 3 4 5 ． 4 6 ． 【 2 ] 黄宏军 ． 超深井钻井液完井液 H C O3 -- 和 C O3 2 - 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