深井钻井液碳酸根和碳酸氢根污染的处理

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	刘佑云

深井钻井液碳酸根和碳酸氢根污染的处理

刘佑云^1,2

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

收稿日期：2011-04-06

作者简介：刘佑云：男，1981年10月生，毕业于江汉石油学院化学工程与工艺专业，现为中国石油大学(华东)石油工程学院在职硕士研究生，胜利石油管理局石油工程管理处工程师。地址：(257001)山东省东营市济南路258号胜利石油管理局石油工程管理处。电话：0546-8710173; E-mail：liuyouyun.slyt@sinopec.com.

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pH值和使用CaO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。

关键词：碳酸根碳酸氢根钻井液污染硅酸盐井眼稳定

Treatment of drilling fluid contamination by carbonate and bicarbonate in deep drilling

Liu Youyun^1,2

1. College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum, Dongying 257001, Shandong, China;
2. Shengli Petroleum Administration, Dongying 257001, Shandong, China

Abstract: The performance features of drilling fluid contaminated by carbonate and bicarbonate in deep well drilling were described and the treatment method to different contamination level was proposed. In view of easy collapse shale at the lower part of the Mesozoic strata, mudstone and coal-bearing strata lines, simply increasing the pH value and using CaO can't satisfy the need of down hole, the application of silicate treatment was proposed. The laboratory experiments and field applications have proved that the use of silicate can not only deal with pollution of carbonate and bicarbonate, but also play an effective role in preventing collapse, which ensure that drilling fluid has a good ability of rheology behavior and anti-collapse.

Key words: carbonate bicarbonate drilling fluid contamination silicate hole stability

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^[1-3]。

1 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CO₂气体的地层时，会有大量CO₂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Na₂CO₃和NaHCO₃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Na₂CO₃和NaHCO₃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 pH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Ca²⁺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HCO₃^-、CO₃^2-、Ca²⁺、Mg²⁺等离子含量。受滤液分析步骤的影响，Ca²⁺、Mg²⁺离子都是在强碱性环境下测得的数据，此时一部分Ca²⁺、Mg²⁺与OH^-发生反应产生沉淀；钻井液在高温情况下，滤液中的HCO₃^-和CO₃^2-进一步分解。所以，室内分析测得碳酸根、碳酸氢根和Ca²⁺、Mg²⁺含量只是一个参考值，不能真正反映钻井液中碳酸根和碳酸氢根和Ca²⁺、Mg²⁺含量。通常可以通过提高pH值进行维护性处理，HCO₃^-和CO₃^2―离子随pH值的变化而转化。当pH值小于9时滤液中以HCO₃^-为主，CO₃^2-含量较低；而当pH值在9~11.3时，滤液中HCO₃^-和CO₃^2―共存；当pH值大于11.3时，滤液中的HCO₃^-在强碱性环境下逐步转化为CO₃^2―，而HCO₃^-含量较低，能够同滤液中存在的Ca²⁺、Mg²⁺离子结合，形成碳酸盐沉淀，降低滤液中的HCO₃^-和CO₃^2-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pH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HCO₃^-、CO₃^2-和Ca²⁺、Mg²⁺离子。(由于钻井液中富含处理剂，使钻井液中的HCO₃^-、CO₃^2-离子与Ca²⁺、Mg²⁺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Ca²⁺，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HCO₃^-、CO₃^2-、Ca²⁺、Mg²⁺含量，然后计算出钻井液中能够中和HCO₃^-和CO₃^2-所需Ca²⁺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CaO)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pH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(40 m³)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pH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，pH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pH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CaO·SiO₃和少量Al₂O₃·MgO)水泥中的CaO组分向钻井液中提供一定数量的Ca²⁺。

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pH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Ca²⁺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 和参1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CO₃^2-和HCO₃^-含量逐步升高，随着井深增加，钻井液温度升高，钻井液受到CO₃^2-和HCO₃^-的严重污染，粘切上升，钻井液流动性差，钻井液失水量增加且难以控制，泥饼虚厚，静止后呈块状。通过使用石灰和水泥进行处理，钻井液性能得到了明显改善(参见表 1)，保证了井下安全。

表 1 和参1井井深2500 m处钻井液处理前后性能变化情况

4.2 HD1-16井

HD1-16井是一口5 500 m的长裸眼水平井，裸眼长度达5 000 m。白垩系、侏罗系、三叠系、石炭系地层中的泥岩易吸水膨胀、剥落掉块、垮塌严重。由于钻进过程中所使用处理剂和生产水均含有CO₃^2-和HCO₃^-，当钻穿侏罗系、三叠系后，钻井液受到碳酸根和碳酸氢根轻度污染，钻井液粘切上升，失水增加，流动性变差。钻进至石炭系中段以后，钻井液受到碳酸根和碳酸氢根严重污染，并共存有Ca²⁺、Mg²⁺离子，影响正常钻井施工，起钻挂卡，下钻开泵困难，井口返出掉块增多并伴有大量5 mm×80 mm×100 mm的虚假泥饼，使用多种稀释剂进行反复处理，其效果不好，粘切居高不下，失水增加，性能不稳定。根据现场实际情况，通过使用石灰和水泥进行处理，钻井液性能得到了改善(参见表 2)，井口返出掉块明显减少直至消失，保证了井下安全。

表 2 HD1-16井井深4900 m处钻井液处理前后性能变化情况

4.3 河坝1井

河坝1井是中国石化南方海相川东地区的一口重点探井，由于在钻进过程中所使用处理剂影响和钻遇高压气层后，气层中的部分CO₂气体侵入钻井液中，受钻井液温度和pH值的影响，钻井液受到CO₃^2-和HCO₃^-的严重污染，HCO₃^-含量高达31 560 mg/L，CO₃^2-含量高达11 720 mg/L。因该井使用的钻井液密度在2.15 g/cm³以上，钻井液的固相含量高达35%左右，所以做好小型实验，特别是高温固化实验尤为重要，避免因石灰或水泥加量不准确而造成的井下复杂。通过使用石灰和水泥进行处理，对比其效果，使用水泥进行处理后效果更好，钻井液性能得到了明显改善(参见表 3)，性能更稳定，保证了井下安全。

表 3 河坝1井井深4860 m处钻井液处理前后性能变化情况

5 结论

(1) 当深井钻井液性能不稳定时，应正确判断找出原因，及时对钻井液滤液进行碱度分析，判断滤液中是否有碳酸根和碳酸氢根的存在，掌握碳酸根和碳酸氢根对钻井液的污染程度，根据测得的数据，计算出钻井液中所需Ca²⁺数量，相应的石灰或水泥加量，并做好小型实验，特别是高温固化实验。

(2) 根据地质岩性情况，选用正确的处理剂，避免因钻井液性能变化较大，使该井段井壁造成不稳定和垮塌，给易垮塌的泥岩，膏泥岩和含煤线井段造成了井下复杂。

(3) 深井钻井液受到碳酸根和碳酸氢根污染后，使用适量的水泥作处理剂，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，能够在井壁表面形成一层坚固的保护层，有效地封堵岩层孔隙和微裂缝，阻止钻井液滤液进一步侵入地层，有利于井壁的稳定，并能起到保护油气层的作用。

参考文献

[1]	鄢捷年. 钻井液工艺学[M]. 山东: 石油大学出版社, 2000, 8.
[2]	孙长健, 彭国, 张仁德, 等. 碳酸根和碳酸氢根离子对钻井液的污染及处理[J]. 精细石油化工进展, 2009, 10(9): 28-30. DOI:10.3969/j.issn.1009-8348.2009.09.008
[3]	谢建宇, 王旭, 张滨, 等. AA/AMPS/DMDAAC共聚物钻井液降粘剂性能评价[J]. 石油与天然气化工, 2009, 38(5): 434-436, 443. DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2009.05.018