电导率对钻井液抑制及环保性能影响分析

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电导率对钻井液抑制及环保性能影响分析

郭钢¹ , 张洁² , 鲍方³ , 杨程程²

1. 中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院;
2. 西安石油大学;
3. 承德石油高等专科学校

收稿日期：2011-04-02

作者简介：郭钢:男，1986年生，硕士，毕业于西安石油大学化学工艺专业，主要从事油气田化学领域的科研与应用工作。地址：(715800)陕西省靖边县中国石油长庆油田分公司油气工艺研究院，电话：15829293383。E-mail：guogang_liu@163.com.

摘要：为确定电导率对钻井液抑制环保性能的影响，通过电泳实验、钻井液滤液矿化度的测定实验、钻井液滤液化学需氧量COD值测定实验，评价了电导率与钻井液抑制性、矿化度、COD的相互关系。结果表明：钻井液电导率的变化可以表征钻井液中黏土颗粒表面ξ电位的变化、钻井液滤液矿化度的变化和钻井液滤液化学需氧量COD值的变化。该研究结果为评价钻井液性能提供了一种简单、快捷、准确的分析手段。

关键词：电导率 ξ电位等效氯离子浓度矿化度 COD

Impact Analysis of Conductivity on Inhibition of Drilling Fluid and the Environ- mental Performance

Guo Gang¹ , Zhang Jie² , Bao Fang³ , et al

1. Oil and Gas Technology Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi’an 710018,Shaanxi,China;
2. Xi’an Shiyou University,Xi’an 710065,Shaanxi,China;
3. Chengde Petroleum College,Chengde 067000,Hebei,China

Abstract: To determine the impact of conductivity on drilling fluid properties, the relationship among the conductivity, drilling fluid inhibition, salinity and COD value was evaluated through the electrophoresis experiment, drilling fluid filtrate salinity measurement experiment and the drilling fluid filtrate COD detection experiment. The results show that the change of drilling fluid conductivity can characterize the change of clay particles surface ξ potential of drilling fluid, drilling fluid filtrate salinity and COD value of drilling fluid filtrate.This research conclusion provides a simple, fast and accurate analysis way for drilling fluid properties evaluation.

Key words: conductivity ξ potential concentration of equivalent chloride ions salinity COD

钻井液性能很多，逐一评价耗时耗力，如果能够利用简便的方法在测出钻井液某一个参数的同时，也能表征钻井液的其它性能，就会取得事半功倍的效果。越来越多简便的物理、化学手段被用来测定钻井液性能(如激光粒度法测定钻井液页岩抑制性等)。对钻井液性能中电化学性能的测试因其稳定性好，方法简单有效，在钻井液性能评价过程中越来越多使用，尤其是通过测量钻井液电化学性能中黏土颗粒表面ξ电位可用于表征钻井液抑制性强弱^[1]。电导率可以直接表示导体的导电能力，并且测定方法简单准确。如果能找到电导率与钻井液性能的相互关系，就能为钻井液性能的分析提供一个快捷、方便、准确的新方法。

1 实验材料及仪器

1.1 主要材料

膨润土；Na₂CO₃；KCl；SJ；聚丙烯酸钾；聚丙烯腈铵盐；JT-888；PAM-Ⅱ(20%～30%)；聚乙二醇(1000)；正电胶；MgCl₂；CaCl₂；优级重铬酸钾；邻菲啰啉；硫酸亚铁；硫酸亚铁铵；硫酸汞(结晶)；浓硫酸(密度1.84)；硫酸银。

1.2 实验主要仪器

电泳实验装置；分析天平；蒸发皿，直径90 mm的玻璃蒸发皿；烘箱；水浴；YHCA-100标准COD消解器(带磨口三角烧瓶)。

2 实验内容

2.1 电导率对钻井液中黏土颗粒表面ξ电位的影响

在含土4%的预水化膨润土基浆中分别添加各种抑制剂后，在室温下，对已配置的不同浓度(浓度按比例增大)不同类型抑制性钻井液进行电泳实验，见公式(1)。

(1)

式中：ξ为电动电位，mV；η为液相黏度，Pa；v为黏土颗粒的电泳速度，cm/s；ε为液相的介电常数；E为外加电位梯度，V/cm；300为由静电单位换成实用单位时的常数^[2]。在其他常数不变，液相黏度变化不大的情况下，ξ与v成正比关系。绘制电泳速度-电导率图。

图 1 各种抑制性钻井液基浆电导率与抑制剂加量关系曲线

2.2 矿化度对电导率的影响

2.2.1 计算钻井液等效氯离子浓度

用钻井液温度和钻井液电导率计算钻井液等效氯根浓度的通用数学模型计算钻井液等效氯离子浓度，见公式(2)～(5)。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:P_c为等效Cl^-浓度, mg/L；C_m为T_s温度下的钻井液电导率, μS/cm；C_m24为24 ℃下的钻井液电导率, μS/cm；C_mf24为24 ℃下的钻井液滤液电导率, μS/cm^[3]；a, b为电导率线性待测系数；x为矿化度指数。

在实验中测量已配置钻井液的滤液电导率，从公式(5)计算钻井液等效Cl^-浓度。

2.2.2 测定不同电导率钻井液滤液矿化度

参照标准SL 79-1994《矿化度的测定(重量法)》，测定不同电导率钻井液滤液矿化度。绘制滤液矿化度-电导率图。

2.3 电导率对钻井液滤液化学需氧量COD值的影响

用重铬酸钾法测定不同电导率钻井液滤液化学需氧量COD值。绘制COD-电导率图。

3 实验结果

3.1 电导率对钻井液中黏土颗粒表面ξ电位的影响

钻井液中黏土颗粒表面ξ电位是钻井液电化学性能之一。由2.1所得不同浓度不同类型抑制性钻井液电导率与电泳速度关系曲线见图 2。由图 2可得：① 含有抑制剂聚合糖、JT-888、聚丙烯腈胺、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钾、正电胶的钻井液，随着聚合物抑制剂加量的增加，钻井液及其滤液电导率逐渐缓慢增加，含有聚乙二醇的钻井液电导率缓慢降低但变化不大，说明这些抑制剂属于弱电解质且具有较好的降滤失作用；随着加量增加，含有这些抑制剂的钻井液电泳速度变化不大即ξ电位变化不大。② 随着氯化钾加量的增加，钻井液电导率先增大后减小，符合强电介质特点，钻井液电泳速度变化不大即ξ电位变化不大。③ 钻井液与其滤液电导率变化趋势一致。

图 2 钻井液电导率与电泳速度关系曲线

由图 2可得，① 含有抑制剂聚丙烯腈胺、聚丙烯酸钾、聚合糖的钻井液平均电泳速度即ξ电位随着电导率增加变化不大；② 含有正电胶、聚乙二醇、JT-888的钻井液，随着电导率增大，平均电泳速度即ξ电位逐渐减小；③ 部分水解聚丙烯酰胺是阴离子聚合物，由于在水溶液中部分水解丙烯酰胺发生解离，产生羧酸根离子，使整个分子带负电荷。含有聚丙烯酰胺的钻井液平均电泳速度即ξ电位随着电导率增加而增加；④ 含有氯化钾的钻井液随着电导率增加，平均电泳速度即ξ电位先增大后减小。电导率表示钻井液的导电能力，它与带电离子的移动速度有关，带电离子移动速度越快，即带电离子间引力减弱，电导率越大。钻井液中黏土颗粒表面带负电，当正离子进入吸附层多，中和电量多，使正、反离子引力减弱，电导率增大，同时扩散层反离子数少，双电层厚度下降，ξ电位减小，如正电胶、聚乙二醇、JT-888等；当反离子进入吸附层一定量后，ξ电位随电导率变化不明显，如聚丙烯腈胺、聚丙烯酸钾、聚合糖等；若反离子进入吸附层多，正、反离子引力将增强，电导率减小，同时扩散层反离子数多，双电层厚度下降，ξ电位增大，如聚丙烯酰胺；当强电质离子进入吸附层，双电层厚度下降，ξ电位先增大，离子进入吸附层一定数量后，离子间相互斥力增大，双电层厚度增大，ξ电位又减小，如氯化钾。

电泳速度v与ξ呈正比关系，v越大，ξ值越大。可以根据添加剂种类，通过电导率与ξ电位关系，依据电导率判断钻井液抑制性强弱。

3.2 电导率对矿化度的影响

3.2.1 钻井液等效氯离子浓度

由2.2.1所得钻井液等效氯离子浓度见表 1。由表 1可得：等效氯离子浓度随电导率增大而增大，减小而减小。钻井液中氯离子含量的变化反映了钻井液矿化度的变化。

表 1 钻井液等效Cl^-浓度

3.2.2 不同电导率钻井液滤液矿化度

由2.2.2所得钻井液滤液矿化度与电导率关系曲线见图 3。由图 3可见，钻井液矿化度随电导率增大而大致呈上升趋势。

图 3 基浆滤液矿化度与滤液电导率关系

图 4 SJ处理浆滤液矿化度与滤液电导率关系

图 5 矿化度与钻并液电导率关系

矿化度是指滤液中含钙、铁、铝和锰等金属的碳酸盐、重碳酸盐、氯化物、硫酸盐、硝酸盐以及各种钠盐的总含量。上述盐类均是强电解质，在浓度较小时随浓度增大，滤液电解质增大。如图 4所示，在聚合物体系中加入无机盐后，矿化度仍然与电导率变化趋势一致。如图 5所示，随着电导率增大，钻井液矿化度逐渐增加，增加的幅度逐渐减小。因此，测定滤液电导率变化即可表征滤液矿化度的变化。

3.3 电导率对钻井液滤液化学需氧量COD值的影响

由2.3所得钻井液滤液化学需氧量COD值与电导率关系曲线见图 6。随添加剂用量的增加，钻井液基浆电导率先逐渐增大再减小，基浆COD亦先增大再减小，其拐点一致。由此可见，钻井液滤液COD值与滤液电导率变化一致。

图 6 滤液COD值与滤液电导率关系曲线

4 结论

(1) 根据添加剂种类，依据电导率变化可以确定钻井液抑制性强弱。

(2) 由于钻井液等效氯离子浓度与钻井液滤液电导率呈正相关，钻井液滤液电导率与钻井液滤液矿化度亦呈正相关。

(3) 钻井液滤液化学需氧量COD值与电导率变化一致。

参考文献

[1]	张洁,张黎.油田化学工艺[M].西安石油大学,2008.
[2]	李健鹰.泥浆胶体化学[M].石油大学出版社,1988,5:95-96.
[3]	陈中普, 高敬民, 黄汉军, 等. 钻井液等效氯根浓度的计算及应用[J]. 录井技术, 2002, 13(2): 29-30.