HT2井三開(kāi)水基鉆井液CO32-和HCO3-污染處理工藝

祝學(xué)飛，孫俊，徐思旭，劉皓楓，査凌飛

（川慶鉆探工程有限公司新疆分公司，新疆庫(kù)爾勒841000）

1 現(xiàn)場(chǎng)鉆井液污染現(xiàn)象與危害

圖1 HT2井三開(kāi)水基鉆井液污染與濾失泥餅蜂窩狀圖片

2 2840～5785 m井段鉆井液流變性與濾液分析

深井高溫鉆井液經(jīng)常受到鉆井液材料與地層陰離子的污染，現(xiàn)場(chǎng)往往會(huì)錯(cuò)誤的判斷為抗溫能力不足導(dǎo)致的性能突變，應(yīng)根據(jù)流變性與濾液離子分析做出準(zhǔn)確判斷?，F(xiàn)場(chǎng)按照GB/T 16783.1—2014（1）對(duì)HT2井三開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)水基鉆井液進(jìn)行性能測(cè)試與濾液離子分析[8]，見(jiàn)表1。

表1 和田2井三開(kāi)水基鉆井液性能與濾液離子分析

3 污染處理

鉆井液被污染后，根據(jù)流變性、濾液離子變化節(jié)點(diǎn)、維護(hù)處理方法、地層溫度變化分3段進(jìn)行描述。

3.1 第一段4258～4759 m

本段地層溫度相對(duì)偏低，處于污染初期，采用常規(guī)處理方式，在室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在井漿中引入0.1%～0.2%生石灰，實(shí)質(zhì)是通過(guò)生石灰提供Ca2+與CO32-反應(yīng)生成CaCO3沉淀將CO32-除去；但HCO3-本身不能直接被除掉，需在堿性條件下轉(zhuǎn)換成CO2-，其反應(yīng)方程式為+OH-3→+H2O。維護(hù)處理注意事項(xiàng)如下。①膨潤(rùn)土含量不能過(guò)高，否則引入生石灰后絮凝造成黏度、切力急劇上升。②生石灰加量應(yīng)為CO32-含量與HCO3-轉(zhuǎn)換成 CO32-含量二者的總和。③加入順序，第一循環(huán)周加入所需堿液提高pH值，對(duì)HCO-3進(jìn)行轉(zhuǎn)換[9]，第二循環(huán)周再引入生石灰進(jìn)行中和反應(yīng)。④生石灰引入后生成的Ca（OH）2會(huì)使濾液pH值升高，此時(shí)應(yīng)避免濾液pH值較高造成誤導(dǎo)而不再引入燒堿，若不加燒堿繼續(xù)加入生石灰，流變性漏斗黏度等會(huì)出現(xiàn)不降反升現(xiàn)象。處理過(guò)程中，生石灰可加入膠液中再均勻補(bǔ)充，避免性能波動(dòng)，同時(shí)也對(duì)易產(chǎn)生污染源的磺化材料進(jìn)行預(yù)處理。

因碳酸鹽地層承壓能力普遍偏低，污染發(fā)生后，在4740～4759 m井段將鉆井液密度提至上限1.45 g/cm3，利用液柱壓力減緩地層陰離子的滲入進(jìn)而控制污染源，鉆井液被污染后產(chǎn)生的氣泡較多，現(xiàn)場(chǎng)使用了6種消泡劑效果均不理想。

3.2 第二段4759～5434 m

通過(guò)前期的處理，膨潤(rùn)土含量已降至合理的范圍，隨著井深與溫度的增加，因?yàn)樯傻腃a（OH）2由于溶解度和溶度積的原因不能將二者除盡，生石灰的引入已不能滿足流變性的控制，通過(guò)引入0.1%～0.2%氯化鈣、2%～5%有機(jī)鹽Weigh2、0.5%～1%多功能型納米乳液[10-13]TYRF-1等3種處理劑進(jìn)行復(fù)配處理。

CaCl2屬?gòu)?qiáng)電解質(zhì)，溶解度高，與CaO相比能提供較多游離的Ca2+，將其配成水溶液均勻緩慢加入，以防止鉆井液過(guò)度絮凝形成果凍狀，造成泥漿泵上水困難。而Ca2+水解會(huì)引起pH值下降，加入時(shí)應(yīng)保持井漿有相對(duì)較高的pH值。有機(jī)鹽是堿金屬低碳有機(jī)酸鹽、銨鹽、季銨鹽及其復(fù)合物[14-15]，有良好的水溶性，且具有較低的活度與較強(qiáng)的抑制、抗污染能力，有機(jī)酸根離子具有較強(qiáng)的還原性，可除掉鉆井液中的溶解氧，減少陰離子形成幾率。TYRF-1是通過(guò)乳化分散工藝制成粒徑200 nm～40 μm的多波峰粒徑分布的乳狀液，含有大量具有兩親結(jié)構(gòu)的表面活性劑、白油等，在金屬、巖石、膠體顆粒表面吸附改變膠體顆粒界面性質(zhì)，促使各種原因產(chǎn)生的氣泡能有效分離，達(dá)到消泡的目的。氯化鈣、有機(jī)鹽、TYRF-1三者復(fù)配實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表見(jiàn)表2。

表2 氯化鈣、有機(jī)鹽、TYRF-1復(fù)配實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

在實(shí)際維護(hù)處理過(guò)程中，根據(jù)室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)調(diào)整3種處理劑加量，根據(jù)表1濾液離子濃度判斷HCO3-得到了有效控制，濾液 OH-在一定范圍。

3.3 第三段5434～5785 m

鉆至井深5400 m后隨著井底溫度的增加，在5400～5450 m井段，井漿流變性持續(xù)上漲趨勢(shì)明顯，日常維護(hù)處理不能得到有效控制，尤其切力上升明顯。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析井漿趨于高溫稠化，停止引入生石灰、氯化鈣[16-19]。通過(guò)提高膠液中SMP-3、SPNH、SMC這3種磺化材料濃度（單項(xiàng)含量由2%增加到5%），提高體系的抗溫抗污染能力。以高濃度磺化膠液、高濃度磺化堿液交替維護(hù)處理，通過(guò)堿液的稀釋作用控制鉆井液的流變性。在井深5500 m 鉆井液性能發(fā)生突變，φ6、φ3讀值由 11、10升高到22、20，切力由6/20 Pa/Pa提高到11/28 Pa/Pa，后期通過(guò)高濃度磺化堿液進(jìn)行維護(hù)處理。井深5500 m處高濃度磺化膠液與高濃度磺化堿液實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)表見(jiàn)表3。在實(shí)際維護(hù)處理過(guò)程中，采用5#與6#交替進(jìn)行維護(hù)處理，較好地控制了鉆井液的流變性。

表3 井深5500 m處高濃度磺化膠液與高濃度磺化堿液實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

3.4 維護(hù)處理思路與效果

前期處理以化學(xué)中和反應(yīng)為基礎(chǔ)，利用Ca2+對(duì)陰離子進(jìn)行反應(yīng)，利用有機(jī)鹽的抑制抗污染能力，同時(shí)通過(guò)納米乳液納米膜對(duì)污染產(chǎn)生的氣泡的界面性質(zhì)的改變使其主動(dòng)消泡破滅，三者結(jié)合對(duì)污染進(jìn)行有效處理；后期深井高溫段通過(guò)高濃度磺化膠液或磺化堿液調(diào)整流變性為前提，同時(shí)用優(yōu)質(zhì)鉆井液進(jìn)行部分井漿置換。井深5400 m以前，能將井漿中的HCO3-轉(zhuǎn)化或中和完畢，并能保持井漿中OH-的含量，使其儲(chǔ)備堿度增加；井深5400 m以后，能將陰離子控制在較低范圍，整個(gè)長(zhǎng)周期污染期間流變性控制相對(duì)輕松，泥漿泵、加重泵上水正常，井下掉塊能及時(shí)有效帶出，保證了井下安全，未出現(xiàn)工程復(fù)雜。

4 復(fù)雜處理

4.1 處理劑析出、瀝青敷篩

因本開(kāi)次巖性為灰?guī)r，地層本身不造漿，鉆井液長(zhǎng)周期污染，生石灰、氯化鈣、有機(jī)鹽等絮凝抑制劑的引入，致使后期出現(xiàn)處理劑析出與瀝青敷篩現(xiàn)象，也是此種鉆井液最為突出的表現(xiàn)。鉆進(jìn)至5400～5550 m井段，振動(dòng)篩篩面出現(xiàn)處理劑嚴(yán)重析出現(xiàn)象，篩面厚度約2 cm左右，緊接著瀝青顆粒析出堵篩孔致跑漿現(xiàn)象。分析原因?yàn)榫疂{中活性土含量不夠，顆粒級(jí)配不合理，處理劑無(wú)吸附點(diǎn)而析出。后緩慢均勻向井漿補(bǔ)充1.5%的強(qiáng)護(hù)膠膨潤(rùn)土漿，控制膨潤(rùn)土含量在20～25 g/L范圍，處理劑析出、瀝青敷篩逐漸好轉(zhuǎn)至消失。

4.2 低溫增稠

在5685～5778 m井段發(fā)現(xiàn)井漿取樣，室內(nèi)放置 30 min 左右失去流動(dòng)性，井深 5685 m、5778 m起鉆井筒內(nèi)井漿靜止24 h左右，下鉆過(guò)程中出現(xiàn)返出鉆井液呈果凍狀，失去流動(dòng)性，過(guò)渡槽需通過(guò)人力與工具輔助才能流動(dòng)，經(jīng)緩慢開(kāi)泵一循環(huán)周，待溫度上升后方能建立循環(huán)，3～5循環(huán)周后恢復(fù)正常。原因分析為長(zhǎng)周期污染低溫狀態(tài)下靜切力較高，形成新的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)而失去流動(dòng)性，循環(huán)溫度上升后便可恢復(fù)正常。后期每次起鉆至井口1000 m左右墊入未受污染的優(yōu)質(zhì)新鮮鉆井液進(jìn)行置換，避免電測(cè)與下套管長(zhǎng)時(shí)間靜止產(chǎn)生復(fù)雜。

5 處理污染注意事項(xiàng)

1）生石灰、氯化鈣、有機(jī)鹽Weigh2等處理劑引入前，應(yīng)控制膨潤(rùn)土含量在合適范圍內(nèi)，避免絮凝造成黏度、切力過(guò)高，引起流變性復(fù)雜；長(zhǎng)周期陰離子污染的鉆井液，深井高溫井段應(yīng)引入具有抗溫抗鹽且具有強(qiáng)吸附性基團(tuán)的處理劑；同時(shí)提高井漿抑制性，延長(zhǎng)抗污染周期，通過(guò)有機(jī)鹽、K+、Ca2+等離子的協(xié)同抑制作用或其他有機(jī)鹽來(lái)提高鉆井液水化抑制能力。

2）長(zhǎng)周期污染的鉆井液，因流變性難以控制，在井底段增稠造成鉆具黏附井壁，形成黏卡或卡鉆現(xiàn)象，深井高溫段調(diào)整流變性應(yīng)以較低φ6、φ3讀值調(diào)整為基礎(chǔ)，同時(shí)輔以極壓潤(rùn)滑劑或納米類(lèi)潤(rùn)滑劑改變井壁親水性質(zhì)。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1.CO32-與HCO3-陰離子污染井段4258～4759 m通過(guò)常規(guī)引入生石灰，4759～5434 m段通過(guò)引入氯化鈣、有機(jī)鹽、納米乳液，5434～5785 m段通過(guò)高濃度磺化膠液、堿液進(jìn)行交替維護(hù)調(diào)整，較好地控制了流變性，保證了工程安全鉆井，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期地質(zhì)目標(biāo)。

2.深井段陰離子污染后期產(chǎn)生的低溫增稠現(xiàn)象，而又需要長(zhǎng)周期高黏度、切力進(jìn)行帶砂作業(yè)的井次，可利用高濃度磺化堿液進(jìn)行稀釋?zhuān){(diào)整鉆井液流變性，可避免使用稀釋劑稀釋致使鉆井液黏度、切力過(guò)低。

3.對(duì)于易產(chǎn)生陰離子污染的井段，一是應(yīng)以預(yù)防為主提高自身抗污染能力，二是從污染源頭著手通過(guò)物理手段控制污染源，長(zhǎng)周期污染的井次中，后期采用補(bǔ)充優(yōu)質(zhì)新鮮血液的方式對(duì)污染井漿進(jìn)行置換處理。