多功能劑抗復合離子污染機理研究及應用

付帆，朱啟星，陶士先，李曉東，熊正強

(1.北京探礦工程研究所，北京 100083；2.山東省第八地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東日照 276800)

0 引言

在新疆、青海地區(qū)鉆探過程中，由于施工條件限制，無法運輸足夠的淡水，只能采用地表鹵水配制沖洗液；或者是在海邊施工時，當?shù)氐乃V化度較高；而在海上施工時，只能采用海水配制沖洗液。在這些情況下很難配制出膠體穩(wěn)定性好的沖洗液，更不要說根據(jù)地層情況配制出符合性能要求的沖洗液。為了解決這一難題，北京探礦工程研究所鉆井化學技術研發(fā)中心研制了一種多功能劑，目前已經(jīng)成功應用于新疆、山東海域、南黃海海域鉆探施工中。本文對該種多功能劑的抗復合離子污染性能進行評價，并進行相關機理分析。

1 抗復合離子污染性能評價

對多功能劑抗復合離子污染性能的評價是通過測試多功能劑直接與復合鹽水配制的沖洗液性能情況判定的。首先，分別對多功能劑抗鈣、鎂、鉀離子性能進行了評價，在此基礎上進一步評價了其對配制的復合鹽水、天然鹵水、天然海水的抗污染能力。

1.1 抗鈣、鎂、鉀離子性能評價

1.1.1 抗鈣離子性能評價

為了研究多功能劑抗鈣離子污染能力，這里采用氯化鈣和硫酸鈣分別配制成不同濃度的水溶液，再將4%～6%的多功能劑加入其中，配制成沖洗液，通過測試沖洗液性能，評價多功能劑抗鈣離子污染能力，評價結果見表1。

表1 不同濃度氯化鈣和硫酸鈣水溶液配制的沖洗液性能

在30℃時，氯化鈣的溶解度是100.0 g/100 mL，當氯化鈣濃度為100 g/100 mL時，溶液處于飽和狀態(tài)。從表1測試結果可以發(fā)現(xiàn)，當氯化鈣濃度低于50 g/100 mL時，溶液中僅加入4%多功能劑配制的沖洗液即具有良好的性能；隨著氯化鈣濃度的增加，只需加大多功能劑加量至5%～6%即可使沖洗液性能維持在理想范圍內(nèi)。在30 ℃時，硫酸鈣的溶解度是0.264 g/100 mL，硫酸鈣加量為0.3 g/100 mL時，溶液處于飽和狀態(tài)。從表1中測得沖洗液性能可以看出，硫酸鈣濃度對沖洗液性能沒有明顯影響，表明多功能劑抗硫酸鈣污染可以至飽和狀態(tài)。

1.1.2 抗鎂離子性能評價

與上述方法一樣，將氯化鎂和硫酸鎂配制成一定濃度的水溶液，與一定量的多功能劑配制成沖洗液，測試沖洗液性能，結果見表2。

表2 不同濃度氯化鎂和硫酸鎂水溶液配制的沖洗液性能

在30℃時，氯化鎂的溶解度是55.8 g/100 mL，所以當六水氯化鎂濃度為300 g/100 mL時，氯化鎂溶液處于飽和狀態(tài)。從表2測試結果可以看出，當六水氯化鎂濃度低于250 g/100 mL時，溶液中僅加入4%多功能劑配制的沖洗液性能即可保持在一個較好的范圍內(nèi)；高于此濃度時，則需增大加量，依據(jù)情況加入5%抗復合離子污染多功能劑即可配制出各方面性能滿足要求的沖洗液。硫酸鎂在30 ℃時的溶解度是38.9 g/100 mL，所以硫酸鎂加量為40 g/100 mL時，溶液處于飽和狀態(tài)。從表2測試結果可以看出，硫酸鎂濃度的增加對沖洗液性能幾乎沒有影響，表明多功能劑抗硫酸鎂污染可以至飽和狀態(tài)。

1.1.3 抗鉀離子性能評價

將氯化鉀配制成一定濃度的水溶液，將4%多功能劑加入其中制備成沖洗液，通過評價沖洗液的性能，研究多功能劑抗鉀離子污染能力，測試結果見表3。

氯化鉀的溶解度在30 ℃時是37.2 g/100 mL，所以氯化鉀加量為40 g/100 mL時，氯化鉀溶液處于飽和狀態(tài)。從表4測試結果可以看出，氯化鉀濃度的增加對沖洗液性能影響不大，說明功能劑可以抗氯化鉀污染可至飽和狀態(tài)。

表3 不同濃度氯化鉀水溶液配制的沖洗液性能

1.2 抗復合鹽水性能評價

1.2.1 抗室內(nèi)配制復合鹽水性能評價

本研究中采用的復合鹽水配方為：1000 mL蒸餾水+45 g氯化鈉+13 g六水氯化鎂+5 g氯化鈣。不同加量的多功能劑在復合鹽水中的性能見表4。

表4 不同加量的多功能劑在復合鹽水中的性能

從表4測試結果可以看出，隨著多功能劑加量增加，沖洗液黏度和相對膨脹降低率提高，濾失量降低，當多功能劑加量為3%～4%時，其性能就可以滿足一般地質(zhì)鉆探的要求。

1.2.2 抗海水和鹵水性能評價

從山東萊州附近海域采集到天然海水，pH6.5，密度為1.03 g/cm3，具有較高的礦化度(見表5)。從新疆地區(qū)采集到當?shù)靥烊畸u水，pH6，總含鹽量為5.7%(見表5)。用采集到的海水和鹵水配制的4%多功能劑沖洗液性能見表6。

表5 海水和鹵水水樣水質(zhì)分析結果(離子濃度)

表6 海水和鹵水配制的抗復合離子污染多功能劑沖洗液性能

由表6測試結果可以看出，多功能劑在海水和鹵水中具有良好的造漿和降濾失性能，可以抗多種復合離子污染。

綜合上述結果，多功能劑對鈣、鎂、鉀離子均具備很好的抗污染能力，其中對硫酸鈣、硫酸鎂、氯化鉀的抗污染能力可達到飽和狀態(tài)。對含有多種離子的復合鹽水、天然海水和鹵水的抗污染能力同樣很好。對于一般地層，僅采用多功能劑直接配制出沖洗液就可以滿足鉆探需求，解決了在沒有淡水的情況下，無法配制出膠體穩(wěn)定性好、性能滿足鉆探需求的沖洗液的問題。

2 抗復合離子污染機理分析

為了研究抗復合離子污染機理，對多功能劑進行了紅外光譜儀分析(見圖1)，得到其分子結構，進一步確認層間存在的離子和化學鍵類型。

圖1 多功能劑紅外光譜圖

根據(jù)圖1中的吸收峰位置可以獲得多功能劑存在的各對應基團[1](見表7)。3350 cm-1處為自由羥基O-H的伸縮振動，在2945 cm-1處出現(xiàn)C-H伸縮和彎曲振動峰，1647 cm-1為甲基-COO-伸縮振動，在1121 cm-1和1647 cm-1處存在-SO3振動峰。根據(jù)紅外光譜圖分析可知，多功能劑中存在-COOH和-SO3Na強水化基團，其中-SO3Na基團遇水變?yōu)?SO3H，-SO3H中有兩個S-O配價鍵，增強了S-OH基吸引電子的能力，使-OH中的氫易于離解，呈強酸，伴隨著離解，自由能降低較多，離解生成的-SO3-較穩(wěn)定。-SO3-對正離子的吸引力較弱，帶有正電荷的離子不易進入-SO3-的水化層，不易發(fā)生去水化作用。上述這種現(xiàn)象的宏觀表現(xiàn)就是具有很好的抗復合離子污染能力[2-3]。

表7 多功能劑紅外光譜基團對應表

3 多功能劑抗復合離子污染應用案例

3.1 新疆若羌縣坡北地區(qū)的應用[4]

新疆若羌坡北銅鎳礦區(qū)施工過程中采用的配漿用水取自附近鹽湖的鹵水，含鹽量為5.7%，密度為1.05 g/cm3。采用鹵水與普通膨潤土攪拌配制的泥漿膠體率低，水和土易分層，攜帶效果差，濾失量大。在此期間也曾經(jīng)采用淡水配制泥漿，但是淡水運輸距離遠、運量小、成本高，且泥漿性能也未達到預期效果。最終采用多功能劑直接與鹵水配制的沖洗液解決了膠體率低、不能有效懸浮攜帶和清除巖粉、達不到穩(wěn)定孔壁的作用等問題。

3.2 山東萊州海上鉆探的應用[5]

施工鉆孔距離海岸約1.5 km，設計孔深為1700 m，全孔繩索取心。開始采用無固相沖洗液，但不能解決松散破碎孔段巖屑攜帶問題。最后采用3.5%～4% MBM直接與海水配制的沖洗液解決了上述問題，不僅展現(xiàn)出了良好的護壁和攜砂效果，并且配制簡單，維護方便，獲得了施工方的好評。

3.3 南黃海海上鉆探的應用[6]

南黃海大陸架科學鉆探工程CSDP-02孔是我國專門為海洋大陸架研究實施的第一口科學鉆探深孔。該井位于我國南黃海海域中部隆起西南部，距離最近海岸線約100 km，孔位處海水深度22～25 m。該孔施工中采用海水配漿，使用一般的泥漿處理劑就會存在因抗電解質(zhì)污染能力差而難以發(fā)揮其應有的作用，因而導致沖洗液膠體不穩(wěn)定、護壁效

果和巖粉攜帶能力差等問題。施工方最終全孔采用海水與多功能劑配漿，在遇到砂泥質(zhì)沉積物及泥砂互層、強水敏性地層等地層時加入其他泥漿材料，加強泥漿抑制性能，最終順利完成全孔鉆探工作。

4 結論

(1)通過對不同濃度鈣、鎂、鉀水溶液，配制復合鹽水、海水和鹵水與多功能劑配制的沖洗液進行評價可知，多功能劑具有很好的抗復合離子污染能力。對于一般的地層，直接采用多功能劑配制出沖洗液就可以滿足鉆探需求。

(2)通過紅外光譜分析多功能劑基團可知，多功能劑中存在-SO3-基團，對其抗復合離子性能起到了關鍵作用。

(3)在新疆若羌、山東萊州海域、南黃海海域等區(qū)域鉆探過程中，直接采用鹵水和海水配制的多功能劑沖洗液，很好地解決了膠體穩(wěn)定性差、不能有效懸浮攜帶和清除巖粉等問題，并且配制簡單，維護方便，獲得使用單位的一致好評。

參考文獻：

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[3] 王平全, 周世良.鉆井液處理劑及其作用原理[M].石油工業(yè)出版社, 2003.

[4] 賈宏福,羅剛,付兆友,等. MBM-GTQ鹽水沖洗液體系的研究與應用[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程),2015,42(12):23-27.

[5] 付帆, 陶士先, 李曉東,等. MBM鹽水沖洗液的研究與應用[C]//全國探礦工程. 2015.

[6] 董海燕,單文軍,宋世杰,等.南黃海大陸架科學鉆探CSDP-02井鉆探施工技術[J]. 地質(zhì)與勘探,2017,53(02):334-341.