鹽水鉆井液pH值影響因素和緩沖方法研究

李軒， 黃維安， 賈江鴻， 王有偉， 李昀坪， 王婧雯

（1. 中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257017；3.大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，黑龍江大慶 163513）

0 引言

深井鉆井中鉆遇鹽膏層、鹽膏泥復(fù)合鹽層、高壓鹽水層等時(shí)極易發(fā)生井下復(fù)雜情況，現(xiàn)場(chǎng)常用鹽水鉆井液解決此類技術(shù)難題，鹽水鉆井液在鉆遇此類地層時(shí)，pH值極易快速降低，難以調(diào)節(jié)，合適的pH值不僅可改善鹽水鉆井液的性能，還可以減弱對(duì)鉆具的腐蝕[1-4]，降低井下復(fù)雜情況和事故的發(fā)生[2-6]。在現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的使用過程中，鉆井液pH值降低的原因有以下幾種。①離子交換吸附。由于鹽水鉆井液中Na+濃度高，因此Na+的吸附能力遠(yuǎn)大于其他陽離子，濾液中的Na+與黏土礦物晶層間的H+發(fā)生離子交換，置換出大量的H+，導(dǎo)致鉆井液pH值下降[5]。②高溫鈍化作用。在鉆井高溫作用之后，高溫促進(jìn)了黏土水化和分散，鉆井液中黏土顆粒的表面活性降低，發(fā)生黏土反應(yīng)，消耗了OH-，從而致使鉆井液pH值下降。③有機(jī)處理劑的高溫裂解。有機(jī)處理劑中的某些物質(zhì)在高溫作用下極易發(fā)生氧化、裂解等反應(yīng)，分解出CO2、H2S等酸性物質(zhì)，從而導(dǎo)致鉆井液的pH值降低。此外，鉆井液中的CaCl2、MgCl2及CaSO4等雜質(zhì)消耗濾液中的OH-，反應(yīng)生成沉淀，造成鉆井液的pH值降低；鉆井液在地面循環(huán)和被攪拌過程中，容易使空氣中的CO2混入其中，反應(yīng)生成碳酸鹽和碳酸氫鹽，從而消耗部分OH-導(dǎo)致鉆井液的pH值降低。在現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的使用過程中，鉆井液pH值升高的原因有以下幾種。①將堿性處理劑加至鉆井液中，如：NaOH、KOH、純堿、硅酸鹽等導(dǎo)致鉆井液的pH值升高。②添加的處理劑當(dāng)中含有過量的堿性物質(zhì)，可能導(dǎo)致鉆井液的pH值升高[7]。

筆者通過實(shí)驗(yàn)考察了鹽水鉆井液常用處理劑對(duì)其pH值的影響，并探究了pH值對(duì)鹽水鉆井液體系性能的影響，進(jìn)而通過體系構(gòu)建，提出鹽水鉆井液pH值調(diào)控的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

電子天平（精度為0.000 2 g）、高速攪拌機(jī)、PHS-25型pH計(jì)、高溫滾子爐等。NaOH、NaCl、Na2CO3、K2CO3、CaCl2、甲酸鈉、甲酸鉀、乙酸鉀、乙酸鈉、草酸鈉、檸檬酸鉀、乳酸鈉、草酸鉀、醇醚羧酸鹽AEC、十二烷基苯磺酸鈉SDBS、鄰苯二甲酸單脂肪醇脂鈉、松香酸鈉、聚乙烯醇、辛基苯基聚氧乙烯醚LTX 、OP-10、Tween-80、聚乙二醇、烷基多苷WJG、PAC-LV、PMHA-Ⅱ、SP-1、SD-108、SMP-3、SMC、SPNH、FT-1、Span-80等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

配制飽和鹽水膨潤(rùn)土基漿，分別加入鹽類（無機(jī)鹽、有機(jī)鹽）、表面活性劑（陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑以及2者復(fù)配）、有機(jī)胺等處理劑，將初始pH值調(diào)至10左右，測(cè)定基漿體系老化前后pH值的變化、流變及濾失性能，考察不同藥品對(duì)飽和鹽水基漿pH值調(diào)節(jié)和穩(wěn)定作用。采用同樣手段考察礦化度、聚合物類處理劑、磺化處理劑等對(duì)鹽水鉆井液體系pH值的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過體系構(gòu)建，提出一種鹽水鉆井液pH值調(diào)控方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿對(duì)飽和鹽水基漿pH值調(diào)控

在飽和鹽水鉆井液中加入NaOH、KOH、Na2CO3、K2CO3，將鉆井液老化前pH值均調(diào)至10，測(cè)試?yán)匣昂髉H變化情況，結(jié)果見圖1。由圖1可知，加入強(qiáng)堿弱酸鹽Na2CO3、K2CO3的飽和鹽水基漿。老化前后pH下降幅度明顯低于加入強(qiáng)堿NaOH、KOH的飽和鹽水基漿；Na2CO3、K2CO3對(duì)飽和鹽水基漿pH調(diào)節(jié)作用較好，但是2者加量較大時(shí)易產(chǎn)生CO32-、HCO3-污染[8]，可與強(qiáng)堿相互復(fù)配使用。

圖1 0.5%堿和碳酸鹽對(duì)飽和鹽水基漿pH值影響

2.2 有機(jī)鹽對(duì)飽和鹽水基漿pH值調(diào)控

分別考察了幾種有機(jī)鹽對(duì)飽和鹽水基漿pH值的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知，向飽和鹽水基漿中分別加入不同有機(jī)鹽后，乙酸鈉、乙酸鉀的基漿比加入甲酸鉀、甲酸鈉的基漿老化后pH值下降幅度要低，對(duì)飽和鹽水基漿pH值緩沖作用更好；加入草酸鈉、草酸鉀、檸檬酸鈉的基漿pH值下降過高，對(duì)飽和鹽水基漿pH值緩沖作用較差。

圖2 3%有機(jī)鹽對(duì)飽和鹽水基漿pH值的影響

2.3 表面活性劑對(duì)飽和鹽水基漿pH值調(diào)控

2.3.1 單一表面活性劑

分別考察了不同陰離子表面活性劑對(duì)飽和鹽水基漿pH值的調(diào)控規(guī)律，結(jié)果見圖3。加入非離子表面活性劑的飽和鹽水基漿老化前后pH值的變化見圖4。

圖3 0.5%陰離子表面活性劑對(duì)飽和鹽水基漿pH值影響

圖4 0.5%非離子表面活性劑對(duì)飽和鹽水基漿pH值影響

由圖3可知，加入AEC和SDBS均有緩沖作用，其中加入SDBS的飽和鹽水基漿老化后pH值下降幅度最小，緩沖作用最好。由圖4可知，加入LTX、OP-10、聚乙二醇、WJG的飽和鹽水基漿老化前后pH值下降較小，具有一定的pH值緩沖作用，其中WJG的pH值變化僅為0.78，緩沖作用最好。

2.3.2 表面活性劑復(fù)配優(yōu)化

表面活性劑復(fù)配后因協(xié)同效應(yīng)使得作用效果強(qiáng)于相同條件下單一表面活性劑，同時(shí)復(fù)配使用也可減少用量和擴(kuò)展使用范圍，因此通過實(shí)驗(yàn)考察了陰離子表面活性和非離子表面活性劑復(fù)配對(duì)飽和鹽水基漿pH值的緩沖作用，結(jié)果見圖5～圖9。

圖5 LTX+SDBS復(fù)配對(duì)飽和鹽水基漿pH值的影響

圖7 聚乙二醇+SDBS復(fù)配對(duì)飽和鹽水基漿pH值影響

由圖5可知，當(dāng)LTX和SDBS以不同比例復(fù)配使用時(shí)，3種體系的緩沖效果相近。由圖6可知，加入0.3%OP-10+0.1%SDBS和加入0.1%OP-10+0.3%SDBS時(shí)，能起到緩沖作用。由圖7可知，聚乙二醇+SDBS復(fù)配3種比例緩沖效果相近，其中加入0.2%聚乙二醇+0.2%SDBS效果稍好。

圖8 WJG+SDBS復(fù)配對(duì)飽和鹽水基漿pH值影響

圖9 WJG+LTX復(fù)配對(duì)飽和鹽水基漿pH值影響

由圖8可知，WJG+SDBS復(fù)配，3種比例均有一定的pH值緩沖效果，其中加入0.3%WJG+0.1%SDBS效果最好。由圖9可知，WJG+LTX復(fù)配，當(dāng)復(fù)配體系中WJG含量較多時(shí)緩沖效果較好，當(dāng)LTX含量較高時(shí)效果不理想。表面活性劑復(fù)配可以在保證緩沖效果的前提下減少其用量，降低經(jīng)濟(jì)成本。且多種表面活性劑復(fù)配，使得各組分在鉆井液體系中使用時(shí)更加穩(wěn)定，保證在不同體系中的應(yīng)用效果。

2.4 有機(jī)胺對(duì)飽和鹽水基漿pH值緩沖作用

考察了不同類型的有機(jī)胺對(duì)飽和鹽水基漿pH值的影響，結(jié)果見圖10。由圖10可知，向飽和鹽水基漿中加入5種胺類后，均具有一定程度的緩沖作用，其中乙醇胺效果最為顯著。隨著非離子型有機(jī)胺加量增加，膨潤(rùn)土基漿pH值先快速增加后變化平緩。由圖10還可知，有機(jī)胺對(duì)飽和鹽水基漿pH值具有很好的緩沖作用。主要是因?yàn)橛袡C(jī)胺是一種弱堿性物質(zhì)，胺基氮原子上的電荷密度高，極易接受質(zhì)子而呈正電性，在水溶液中可與水發(fā)生可逆的質(zhì)子化解離反應(yīng)，有機(jī)胺在黏土上吸附消耗的進(jìn)行會(huì)使反應(yīng)不斷向有羥基產(chǎn)生的方向進(jìn)行，引起體系pH值的升高[8-9]。其水解式如下。

圖10 0.5%有機(jī)胺對(duì)飽和鹽水基漿pH值影響

2.5 鹽水鉆井液pH值影響因素及緩沖方法

2.5.1 礦化度對(duì)膨潤(rùn)土基漿pH值的影響

1）NaCl對(duì)膨潤(rùn)土基漿pH值的影響。配制4%膨潤(rùn)土基漿，充分預(yù)水化24 h，考察NaCl加量對(duì)膨潤(rùn)土基漿pH值的影響，老化條件為150 ℃、16 h，結(jié)果見圖11。

圖11 NaCl加量對(duì)膨潤(rùn)土基漿的pH影響

由圖11可知，基漿老化前的pH值隨著NaCl加量的表現(xiàn)為下降，老化后的pH值隨著NaCl加量先快速降低，變化趨勢(shì)逐漸平緩，出現(xiàn)拐點(diǎn)的NaCl加量是10%；大量加入NaCl使Na+濃度大幅度上升，導(dǎo)致復(fù)配基漿pH值降低，老化后pH值在NaCl加量10%以后變化平緩。

2）CaCl2對(duì)膨潤(rùn)土基漿pH值的影響。配制4%的膨潤(rùn)土基漿，充分預(yù)水化24 h，考察CaCl2加量對(duì)膨潤(rùn)土基漿pH值的影響，老化條件為150 ℃、16 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖12。

圖12 CaCl2加量對(duì)復(fù)配基漿的流變性影響

由圖12可知，老化前后的pH值隨著CaCl2加量的增加先快速下降后緩慢下降，出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)CaCl2加量是0.50%。對(duì)pH值而言，當(dāng)CaCl2加量小于0.50%時(shí)，Ca2+可以消耗基漿中的OH-和CO32-，導(dǎo)致體系pH值快速下降，當(dāng)CaCl2加量大于0.50%時(shí)，體系內(nèi)仍然存在少量OH-，使其保持堿性環(huán)境，同時(shí)pH值下降緩慢。

2.5.2 常用處理劑對(duì)鹽水鉆井液pH值的影響

1）聚合物類處理劑。在鹽水基漿中加入不同聚合物處理劑，并使用NaOH調(diào)節(jié)體系的pH值，使幾種體系老化前（150 ℃、16 h）pH保持在同一水平，在記錄反應(yīng)前后體系pH的變化外，同時(shí)考察將體系pH值調(diào)節(jié)至相同時(shí)的耗堿量，結(jié)果見圖13。由結(jié)果可知，聚合物類處理劑對(duì)飽和鹽水基漿pH值影響較大，其中PMHA-Ⅱ老化前后pH值變化較小，多元共聚物SD-108老化前后pH值變化較大，并且調(diào)節(jié)至相同pH值所需的堿量較多。

圖13 聚合物類處理劑對(duì)飽和鹽水基漿pH值的影響

2）磺化處理劑?？疾觳煌腔幚韯?duì)飽和鹽水鉆井液體系pH值的影響，老化條件為：150 ℃、16 h。記錄反應(yīng)前后體系pH的變化外，同樣考察將體系pH調(diào)節(jié)至相同時(shí)的耗堿量，結(jié)果見圖14。

圖14 磺化處理劑對(duì)飽和鹽水基漿pH值的影響

由圖14可知，SMC水溶液pH值一般為10，因此老化前后pH下降幅度、耗堿量較??；SMP-3初始pH較低，耗堿量較大，同時(shí)老化前后pH下降幅度最低，因此具有一定的pH值緩沖作用；SPNH、FT-1對(duì)飽和鹽水基漿pH值緩沖相對(duì)弱。

2.5.3 鹽水鉆井液體系pH值調(diào)控方法

采用“0.3%WJG + 0.1%SDBS”復(fù)配表面活性劑體系調(diào)節(jié)鹽水鉆井液pH值，老化條件150 ℃、16 h，考察4種鹽水鉆井液體系添加復(fù)配表面活性劑體系前后各項(xiàng)性能及pH值的變化，結(jié)果見表1。

表1 不同鹽水鉆井液體系pH值調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出，復(fù)配表面活性劑0.3%WJG+0.1%SDBS對(duì)海水鉆井液、高密度飽和鹽水鉆井液、高密度有機(jī)鹽體系老化前后pH變化具有較好的緩沖作用；但復(fù)配表面活性劑對(duì)高密度高礦化度鉆井液老化前后的pH值緩沖作用不顯著。此外，還可以看出，復(fù)配表面活性劑體系對(duì)于鉆井液體系老化前后的流型性影響不大，添加表面活性劑體系后，老化后的中壓濾失性均有所降低，因此其對(duì)鉆井液體系的基本性能無不良影響，可以作為鉆井液體系的添加劑使用。

3 結(jié)論

1.強(qiáng)堿弱酸鹽Na2CO3、K2CO3，有機(jī)鹽甲酸鈉、甲酸鉀、乙酸鈉、乙酸鉀對(duì)飽和鹽水基漿pH值具有較好的調(diào)節(jié)作用。陰離子表面活性劑AEC、SDBS，非離子表面活性劑LTX、OP-10、聚乙二醇、WJG緩沖效果較好；有機(jī)胺中乙醇胺對(duì)飽和鹽水基漿pH值緩沖作用最為顯著。

2.強(qiáng)堿弱酸鹽主要機(jī)理是構(gòu)成緩沖體系對(duì)鉆井液pH值進(jìn)行緩沖調(diào)控。陰離子表面活性劑的加入可以抑制體系中離子交換，從而起到穩(wěn)定pH值的作用，且多種表面活性劑的復(fù)配，使得各組分活性增強(qiáng)，穩(wěn)定效果也較單一組分更好；有機(jī)胺作為一種弱堿性物質(zhì)，胺基氮原子上的電荷密度高，極易接受質(zhì)子而呈正電性，在水溶液中發(fā)生可逆的質(zhì)子化解離反應(yīng)，從而構(gòu)成緩沖溶液體系。

3.礦化度對(duì)膨潤(rùn)土淡水基漿老化前后pH值變化的影響較大，礦化度增大會(huì)導(dǎo)致pH的快速下降，但存在下降速率變化的拐點(diǎn)；聚合物類處理劑對(duì)飽和鹽水基漿pH值影響較大；磺化處理劑對(duì)體系pH值有一定的緩沖作用。

4.“0.3%WJG+0.1%SDBS”復(fù)配體系對(duì)海水鉆井液、高密度飽和鹽水鉆井液、高密度有機(jī)鹽體系老化前后pH變化具有較好的緩沖作用，添加與否對(duì)其改變較大，但對(duì)高密度高礦化度鉆井液pH緩沖調(diào)控作用不大。

參 考 文 獻(xiàn)

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