汶川科鉆WFSD－4孔鉆井液CO2污染及其處理

管強盛，陳禮儀，張林生，張統(tǒng)得，吳金生，張 揚

(1．成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059;2．中石化重慶鉆井液公司，重慶404100;3．中國地質科學院探礦工藝研究所，四川成都611734)

0 引言

在汶川科鉆WFSD－4孔一開和二開鉆進過程中，多次鉆遇含CO2氣體的地層。由于過去在地質鉆探中較少遇見含CO2氣體的地層，對CO2污染鉆井液的現象及機理缺少認識和研究，所以在前期的處理過程中一直找不到根本的解決辦法，鉆井液的粘度和切力高低起伏很大，鉆井液性能很難控制，給正常鉆進造成了一定的影響。通過閱讀大量文獻以及在大量室內實驗的基礎上，展開了對CO2污染鉆井液及其相應處理措施的研究。研究發(fā)現，在當大量的CO2氣體進入鉆井液時，隨著鉆井液中CO32－和HCO3－濃度增加，會造成鉆井液粘度切力升高、濾失量增大和pH值降低，嚴重破壞鉆井液性能。另外，CO32－和HCO3－對鉆井液性能影響略有不同，隨著HCO3－濃度增加，動切力呈上升趨勢;而隨著CO32－濃度增加，動切力則先減后增。當CO32－和HCO3－這2種離子污染鉆井液后，鉆井液的性能很難通過加入處理劑的方法加以調整，只能通過化學的方法將它們清除。

1 WFSD－4孔地層及施工概況

1．1 地層概況

2008年5月12日的汶川地震(Ms8.0)使龍門山斷裂帶中映秀－北川斷裂(中央斷裂)和安縣－灌縣斷裂(前山斷裂)同時破裂，分別形成0～270和0～80 km長的地表破裂帶，并且前者破裂帶(映秀－北川)具有逆沖伴隨右旋走滑運動性質，南段以逆沖運動為主，北段以走滑運動為主;后者破裂帶(安縣－灌縣)為純逆沖運動性質。為了解汶川地震發(fā)生機理、為什么會形成兩條不同運動性質的破裂帶以及斷裂行為和機制，汶川地震科學鉆探項目沿具有大同震位移量的不同斷裂帶上盤地方設置5口群鉆，其中WFSD－1孔和WFSD－2孔布置在映秀－北川斷裂帶南段具有0～6 m同震垂直位移量的都江堰市虹口鄉(xiāng)八角廟村，目前已完鉆;WFSD－3P孔和WFSD－3孔布置在安縣－灌縣斷裂帶具有0～4 m最大同震垂直位移量的綿竹市九龍鎮(zhèn)清泉村，目前已完鉆。WFSD－4選擇在映秀－北川斷裂帶北段具有強烈走滑作用的地方(不同于南段運動性質)，經多次考察、論證，最終選擇在平武縣南壩鎮(zhèn)地區(qū)。

具體地層情況:0～1100 m寒武系地層，變砂巖、凝灰質砂巖夾板巖和硅質巖，1100 m左右可能存在厚度＜1 m的斷層泥;1100～1600 m寒武系地層，變砂巖、板巖夾硅質巖、灰?guī)r，1600 m左右可能存在厚度＜1 m的斷層泥;1600～2365 m震旦系地層，薄層變砂巖、千枚巖、含礫變砂巖，2365 m左右可能存在0～1 m厚的斷層泥，破碎極其強烈;2365～2730 m寒武系地層，變砂巖、板巖夾硅質巖、灰?guī)r，2730 m左右可能存在厚度＜1 m的斷層泥;2730～3350 m震旦系地層，硅質白云巖、千枚巖、薄層變砂巖，該段較為破碎，3100 m左右可能存在厚度＜1 m的斷層泥。

1．2 鉆孔結構及鉆井液

(2)WFSD－4孔一開(0～500 m)和二開初期(500～1131 m)鉆進過程中主要采用CMC高含膨潤土鉆井液體系，該體系優(yōu)點是結構簡單、配置方便且成本低，但是抑制能力差，抗離子污染能力不足，鉆井液易受污染，性能波動大，給鉆井液的正常維護和正常鉆進帶來了不小的影響。

2 WFSD－4孔鉆井液受CO2污染的現象

WFSD－4孔遭受CO2污染后表現出了以下特征:

(1)鉆井液呈暗灰色，污染嚴重時呈暗黑色膠油狀，鉆井液中含大量氣泡且不易消除;

(2)鉆井液粘度和切力居高不下，性能極不穩(wěn)定，用處理劑處理不起作用，測定鉆井液流變性時粘度計指針不回零，影響測量數據的準確性;

(3)鉆井液流動性變差，掛壁現象嚴重，會在鉆桿上特別是接頭處形成厚厚的類似于泥皮的物質;

(4)鉆井液濾失量難以控制，忽高忽低，雖然用大量降濾失劑可以控制濾失量在5 mL/30 min以內，但泥餅質量差，泥餅虛厚;

(5)鉆井液pH值難以控制;

(6)膨潤土與固相含量均在正常值范圍，但觸變性強，靜止后呈“豆腐塊”狀。

現場鉆井液污染后效果見圖1。

圖1 被CO2污染的鉆井液

3 CO2對鉆井液性能影響的作用機理

石油行業(yè)的很多研究顯示，當CO2浸入鉆井液后，首先通過化學反應消耗掉鉆井液中的Ca2+、OH－等離子，未溶解的部分再形成大量微泡分散于鉆井液體系中，引起鉆井液粘切大幅度上升。同時由于OH－的消耗，鉆井液的pH值大幅降低，造成稀釋劑及其他處理劑不能正常發(fā)揮作用，由此進一步引起粘切失控、濾失量增大、處理劑處理無效等現象，尤其對固相含量高的高密度水基鉆井液的影響更大，鉆井液會很快失去流動性。

(1)地層中大量的 CO2進入鉆井液時，使CO32－含量增加，造成粘土等低密度固相物質分散度提高，形成細分散，使鉆井液粘度、切力上升。

(2)鉆井液受CO2污染后，由于大量HCO3－的存在，pH值迅速降低，導致那些需要在堿性環(huán)境中才能發(fā)揮有效作用的處理劑功效下降甚至完全失效，鉆井液表現出不接受降粘劑處理，使鉆井液粘度、切力難以控制。

(3)大量未溶解的CO2氣體被鉆井液包裹，形成細分散微泡，導致鉆井液切力升高，初切、終切值幾乎接近，流變性惡化，尤其是高密度鉆井液表現更為突出。低密度鉆井液受到CO2污染時，通常表現為鉆井液大量起泡，造成鉆井液密度降低，使鉆井液靜液柱壓力下降，影響正常鉆進。隨著CO2污染量的增大，鉆井液粘度、切力和濾失量略有增加，pH值降低。高密度鉆井液受到CO2污染則不會有明顯的起泡現象，失水變化不大，但是粘度、切力變化明顯，初、終切數值接近甚至相等，泥餅質量變差，當出現嚴重CO2氣侵時，未溶解的CO2氣體完全分散進入鉆井液，形成高度細分散微泡，造成鉆井液流變性發(fā)生明顯變化，尤其是固相含量很高的超高密度鉆井液甚至可能會在較短的時間內失去流動性。

4 CO2污染的預防及處理辦法

4．1 污染的預防

(1)根據實際需要隨時調整鉆井液密度，目的是平衡地層流體壓力，盡可能減少CO2進入鉆井液的可能，以降低對鉆井液造成污染的風險并降低地面處理的工作量。

(2)鉆遇可能含CO2的氣層前，將鉆井液轉換成有較強的抑制性和抗酸性氣體污染能力的粗分散鉆井液體系，例如鈣處理鉆井液或鉀石灰聚磺鉆井液體系。

(3)保持鉆井液中始終有過量的石灰，因為CaO在生成CaCO的同時不斷地消耗 CO2－和33HCO3－，由此可預防CO2侵入所帶來的鉆井液性能惡化。過量的石灰作為儲備鈣存在于鉆井液中，形成Ca(OH)2微溶物，它能緩慢釋放Ca2+，對體系的pH值等相關性能有較好的緩沖調節(jié)作用。

(4)始終保持pH值大于11。在這種堿性環(huán)境下，CaO能夠迅速而有效地溶解于鉆井液中并釋放Ca2+。否則的話，即便存在過量的石灰，也會因溶解速度不夠而不能起到很好的作用。

4．2 污染后的處理

CO32－可用鈣處理的方法使其生成CaCO3沉淀將其除去，而HCO3－不能直接除去，必須先使它與OH－反應轉換生成CO32－后才可能除去。Ca2+可通過石灰、石膏或氯化鈣提供。

用石灰處理的反應式:

用石膏或氯化鈣處理的反應式:

5 WFSD－4孔鉆井液CO2污染的處理

5．1 鉆井液CO2污染造成的鉆井液性能變化情況

在對CO2污染鉆井液的作用機理進行分析和借鑒石油方面的應用經驗的基礎上，針對WFSD－4孔一開采用的CMC高含膨潤土鉆井液體系抗污染能力差的缺點，在二開前期鉆進過程中逐漸將其轉換為抗污染防塌能力強的鉀石灰鉆井液體系。鉀石灰聚磺鉆井液體系，具體配方:4%NV－1+0.1%K－PAM+0.2%NH4－HPAN+3%FT－342+3%～5%KCl+0.4%CaO+3.5%～5%SMP－1+0.6%CMC+2%SMC+2%SPNH+3%QS－1。

正常情況下保持循環(huán)鉆井液中Ca2+濃度為300～400 ppm。

鉆進至1470 m左右開始，錄井監(jiān)測數據顯示鉆井液中CO2含量逐漸升高，從正常值0.09%上升到0.39%，最高達到0.6%，取循環(huán)井漿測酸根離子濃度(HCO3－2000 ppm、CO32－4200 ppm)，結果表明鉆井液已遭受CO2污染。在CO2入侵的過程中，隨著CO2含量的增加，鉆井液粘度切力呈先降低后升高的趨勢，失水逐步升高，鉆井液性能變化見表1。

表1 鉆井液性能變化

由于現場采用的鉀石灰聚磺鉆井液體系自身含有一定量的Ca2+，且該體系具有較好的抗污染能力，所以當鉆井液遭受 CO2入侵，生成 CO32－和HCO3－時，鉆井液能夠中和掉一部分酸根離子，降低體系中的酸根離子濃度，所以鉆井液性能未發(fā)生大的變化。但隨著CO2持續(xù)侵入，體系中酸根離子濃度大量增加，體系自身的Ca2+濃度不足以平衡酸根離子濃度，造成鉆井液性能變壞，具體表現為粘度、切力升高，流動性變差。鉆井液的變化給鉆井工作帶來了影響，立管壓力增加很快，泥漿泵工作受到影響，因此必須及時采取措施進行處理。

5．2 處理前室內試驗

依據CO2污染鉆井液的作用機理和相應的處理意見，決定先采用石灰對鉆井液進行處理，同時補充適量護膠劑。取井內循環(huán)鉆井液進行室內驗證性實驗，向鉆井液中加入1%的石灰，同時加入2%的膠液，膠液配方為:3%SMC+0.15%SXP－2+0.1%SPNH+0.2%FT－342+0.3%SMP－2+0.2%JNA+0.1%NaOH。

經充分攪拌，結果表明:鉆井液流動性變好，無掛壁現象，鉆井液粘切下降，濾失量降低，泥餅質量變好(鉆井液性能為:密度1.20 g/cm3，漏斗粘度50 s，塑性粘度 20 mPa·s，動切力 11 Pa，初切/終切4.5/15 Pa，API濾失量 6.2 mL/30 min，泥皮厚度0.5 mm，pH值9.5)，說明用生石灰加膠液的方法處理鉆井液可行。

5．3 現場處理

首先向循環(huán)池中加入 XP－1消泡劑50 kg(0.5%)以消除鉆井液中大量的氣泡，再在室內試驗的基礎上，確定向循環(huán)泥漿中加入1%的石灰(約1200 kg)，同時為降低鉆井液的濾失量和改善泥餅質量，配以其他分散型降失水劑對泥漿進行處理，另外加堿提高鉆井液的pH值，以有利于除去酸根離子，具體配方如下:1%石灰+0.3%SMC+0.15%SXP－2+0.1%SPNH+0.3%SMP－2+0.1%NaOH+0.1%KOH+0.2%JN－A+0.2%FT－342。

在處理時，為保證鉆井液性能平穩(wěn)過渡，按鉆井液循環(huán)周期通過混料漏斗分3次向循環(huán)池中加入處理劑。向循環(huán)池中加入足量處理劑并經過充分循環(huán)后，鉆井液性能逐漸恢復正常，氣測CO2也逐漸降低至正常值，此次污染處理成功完成。處理后的鉆井液性能為:密度1.21 g/cm3，漏斗粘度45 s，塑性粘度22 mPa·s，動切力 13 Pa，初切/終切 4/15 Pa，API濾失量6.0 mL/30 min，泥皮厚度0.5 mm，pH值9.5。

6 結論與認識

(1)鉀石灰聚磺鉆井液體系作為石油鉆井行業(yè)目前普遍采用的一種鉆井液體系具有較強的抗CO2污染能力，該鉆井液體系性能穩(wěn)定，其中有足夠的儲備鈣，能預防地層中新進入的CO2氣體對鉆井液造成污染。在鉆井液遭遇低濃度CO2污染時，能夠自我平衡酸根離子濃度，維持鉆井液性能的穩(wěn)定，且在CO2污染較重時，也有處理的基礎，現場應用取得了良好的效果。

(2)需要盡可能保持較低的膨潤土含量，防止CO2污染后鉆井液形成高度細分散，這樣也可以提高鉆井液的抗污染能力。

(3)在處理CO2污染時應加入一定濃度的其他功能性處理劑，主要是降粘劑和降失水劑，調整鉆井液的流變性、造壁性，必要時加入表面活性劑、柴油和消泡劑，有利于鉆井液脫氣、消泡和密度的保持。

(4)在鉆井液遭受酸根離子污染時適當提高鉆井液的pH值，保證鉆井液處于堿性環(huán)境下，使部分處理劑繼續(xù)發(fā)揮作用，提高鉆井液的抗CO2污染能力。

(5)發(fā)現CO2氣侵時，要及早檢測酸根離子濃度，同時取循環(huán)鉆井液進行室內試驗，確定污染類型和處理方案。否則，當酸根離子嚴重污染鉆井液，造成鉆井液粘切急劇上升、流動性變差甚至呈滴流時，會給后期處理和正常鉆進帶來嚴重影響。

(6)在實際處理污染時，要根據鉆井液的循環(huán)情況，采用適當的方式、在適當的時間、適量的向循環(huán)系統(tǒng)中加入處理劑，切不可急急忙忙的對鉆井液進行突然性的大處理，造成鉆井液性能急劇變化，造成井內復雜情況，給正常鉆進帶來更嚴重的危害。

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