鉆井液處理劑受CO2 及鹽膏污染機(jī)理研究★

李茂森，徐晨陽(yáng)，范 勁*，鄭存川

（1.中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，四川 成都 610051；2.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610500）

開(kāi)采過(guò)程中，由于地層條件的復(fù)雜導(dǎo)致鉆井液體系經(jīng)常會(huì)不同程度地受到鹽膏、CO2等多種介質(zhì)污染，污染介質(zhì)侵入鉆井液體系內(nèi)會(huì)導(dǎo)致鉆井液流變性能和濾失性能變差,無(wú)法滿(mǎn)足開(kāi)采要求，延長(zhǎng)鉆井周期、增大鉆井成本[1]。

面對(duì)鉆井液受鹽膏污染，許多學(xué)者展開(kāi)了研究[2-8]，但多數(shù)學(xué)者采用體系替換的方法，如舒義勇等采取更換鉆井液體系的方法，在ZQ2 井高壓鹽膏層采用水基鉆井液相關(guān)技術(shù)有效地解決當(dāng)?shù)貑?wèn)題[2]；李志勇等發(fā)明了一套鹽膏層強(qiáng)抑制高密度鉆井液體系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)技術(shù)措施，將鹽膏層鉆井成功率提高至95%以上[3]；王磊磊等針對(duì)伊拉克區(qū)塊的地層高鹽的特點(diǎn)，研發(fā)出BH-WEI 和BH-KSM兩套抗鹽膏污染能力強(qiáng)的鉆井液體系并成功應(yīng)用，創(chuàng)下了多項(xiàng)紀(jì)錄[4]。面對(duì)鉆井液受CO2污染等問(wèn)題，不同學(xué)者針對(duì)不同的方向展開(kāi)研究[9-13]，吳俊等從污染來(lái)源等方面總結(jié)了相關(guān)維護(hù)方法，在新疆塔河TP263 井中通過(guò)額外加入處理劑來(lái)解決污染問(wèn)題[9]；陳馥、艾加偉等根據(jù)污染機(jī)理提出了處理建議并在XX46-X1 等受CO2污染井進(jìn)行維護(hù)處理，滿(mǎn)足了工程需要[10-11]；楊勇等分析CO2污染鉆井液的影響因素及受CO2污染鉆井液的特點(diǎn)，提出若鉆井液被嚴(yán)重污染時(shí)可使用CaCl2進(jìn)行處理[12]。

通過(guò)調(diào)研文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在鉆井液體系受鹽膏及CO2污染時(shí)，絕大多數(shù)學(xué)者都是針對(duì)鉆井液體系進(jìn)行優(yōu)化[2，5]，很少有人單獨(dú)對(duì)“基漿+處理劑”體系展開(kāi)研究，因此為解決鉆井液抗污染性能差的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)“基漿+處理劑”體系的黏土水化程度、處理劑水動(dòng)力學(xué)半徑變化及處理劑在黏土上的吸附情況進(jìn)行分析，得到鉆井液處理劑受CO2及鹽膏污染機(jī)理，

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

膨潤(rùn)土；RSTF、JD-6、LS-2、KPAM；配漿水，取自鉆井現(xiàn)場(chǎng)；NaCl、CaCl2、Na2CO3、NaOH、KCl，成都市科隆化學(xué)品有限公司。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

高速攪拌器、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、中壓失水儀、高溫高壓濾失儀、滾子加熱爐，青島恒泰達(dá)有限責(zé)任公司；高速離心機(jī)，湖南凱達(dá)科學(xué)儀器有限公司；激光散射系統(tǒng)，美國(guó)美國(guó)布魯克海文儀器公司；紫外可見(jiàn)漫反射分光光度計(jì)，美國(guó)鉑金埃爾默儀器有限責(zé)任公司。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)配方

基漿預(yù)水化：400 g 配漿水+12 g 膨潤(rùn)土+0.72 g Na2CO3。

鉆井液配方：膨潤(rùn)土漿+NaOH+KPAM+LS-2+RSTF+JD-6+KCl+加重劑。

鉆井液老化：160 ℃下熱滾16 h。

模擬污染量：Cl-為100000mg/L；CO32-為5000mg/L；Ca2+為1 000 mg/L。（其中，鹽膏污染采取NaCl、CaCl2模擬，CO2污染采取Na2CO3模擬）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 “基漿+處理劑”體系抗污染能力實(shí)驗(yàn)研究

首先配制“基漿+處理劑”體系，水化完成后進(jìn)行污染并高速攪拌40 min，測(cè)試污染及老化前后該體系流變、濾失性能。流變、濾失性能的測(cè)試方法參考GB/T 16783.1—2014《鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試 第1 部分：水基鉆井液》[14]。

1.2.2 處理劑水動(dòng)力學(xué)半徑實(shí)驗(yàn)研究

首先將處理劑按配方中加量并溶解，高速攪拌20 min 充分溶解后進(jìn)行污染并繼續(xù)高速攪拌20 min，污染后制備樣品通過(guò)激光散射系統(tǒng)（DLS）測(cè)試處理劑的水動(dòng)力學(xué)半徑。

1.2.3 處理劑在黏土上的吸附影響研究

首先按照要求配制“基漿+處理劑”體系，水化完成后進(jìn)行污染并高速攪拌40 min，然后使用紫外分光光度計(jì)對(duì)污染前后體系中壓濾失的濾液進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 “基漿+處理劑”體系抗污染性能實(shí)驗(yàn)研究

本實(shí)驗(yàn)采取模擬污染進(jìn)行研究，通過(guò)分析“基漿+處理劑”體系污染及老化前后流變、濾失性能的變化情況，以研究CO2及鹽膏的影響。

2.1.1 “基漿+處理劑”未受污染性能研究

由表1 可知，“基漿+處理劑”體系未被污染時(shí)，3 種降濾失劑的降濾失能力為RSTF＞LS-2＞JD-6，降濾失劑JD-6 的抗溫性能較差，老化后濾餅虛厚導(dǎo)致失水較高。

2.1.2 “基漿+KPAM”體系抗污染性能研究

由表2 可知，“基漿+KPAM”體系面對(duì)污染時(shí)的抗污染能力均較差，受NaCl、NaCl+Na2CO3以及NaCl+CaCl2污染后抗溫、濾失性能變差導(dǎo)致濾餅虛厚、蓬松，失水增加。

表2 “基漿+KPAM”體系抗污染性能測(cè)試結(jié)果

2.1.3 “基漿+JD-6”體系抗污染性能研究

由表3 可知，“基漿+JD-6”體系中，NaCl 的污染對(duì)體系老化前的性能影響較大，會(huì)導(dǎo)致濾餅上產(chǎn)生針眼以至于污染前后濾失失控；Na2CO3污染過(guò)后動(dòng)切力變化太大，產(chǎn)生的濾餅虛厚導(dǎo)致濾失過(guò)大。

表3 “基漿+JD-6”體系抗污染性能測(cè)試結(jié)果

2.1.4 “基漿+LS-2” 體系抗污染性能研究

由表4 可知，“基漿+LS-2”體系面對(duì)污染時(shí)，體系受NaCl 污染后抗溫性能的變差，導(dǎo)致老化后降濾失劑降濾失性變差，泥餅虛厚，濾失失控。

表4 “基漿+LS-2”體系抗污染性能測(cè)試結(jié)果

2.1.5 “基漿+RSTF”體系抗污染性能研究

由表5 可知，“基漿+RSTF”體系被污染后體系較為穩(wěn)定，濾失在可控范圍內(nèi)。

表5 “基漿+RSTF”體系抗污染性能測(cè)試結(jié)果

2.2 CO2 及鹽膏對(duì)處理劑的水動(dòng)力學(xué)半徑影響實(shí)驗(yàn)研究

由圖1 可知，KPAM為聚丙烯酸鉀，抗污染性能最差，這是因?yàn)橛龅轿廴緯r(shí)其分子鏈?zhǔn)艿讲煌潭鹊挠绊憣?dǎo)致其卷曲，性能大幅降低；JD-6 為改性酚醛樹(shù)脂，性能較差，這是因?yàn)槲廴窘橘|(zhì)的加入壓縮了樹(shù)脂分子的雙電層，降低了樹(shù)脂分子之間產(chǎn)生的斥力，導(dǎo)致分子聚集顆粒變大，直觀表現(xiàn)為水動(dòng)力學(xué)半徑變大，降濾失效果降低；LS-2 抗污染性能稍差，在污染離子的加入后中雙電層會(huì)被壓縮，分子鏈之間斥力變?nèi)酰瑥氖鎻堊優(yōu)轵榭s，導(dǎo)致水動(dòng)力學(xué)半徑增大，降濾失效果變差；RSTF 抗污染性能較好，這是因?yàn)槠浔旧碛筛乘?、丙磺酰胺改性而?lái)，分子鏈上分布的磺酸基擁有較好的抗溫抗鹽性能，使其在面對(duì)單一污染和復(fù)合污染時(shí)所受影響較小，因此水動(dòng)力學(xué)半徑變化較小。

圖1 處理劑水動(dòng)力學(xué)半徑受污前染后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

2.3 CO2 及鹽膏對(duì)處理劑在黏土上的吸附影響研究

由圖2 可知，在“基漿+JD-6”中污染后與清水相比吸光度變化幅度較大，這是因?yàn)槲廴竞箅x子壓縮樹(shù)脂分子的雙電層，分子間斥力變差導(dǎo)致其聚并、顆粒變大，與黏土之間引力變差，與黏土結(jié)合量迅速降低，體現(xiàn)為處理劑有效濃度降低，未結(jié)合的JD-6 無(wú)法發(fā)揮作用，從而影響了該體系的濾失及抗溫性能；在“基漿+RSTF”中加入對(duì)應(yīng)的污染介質(zhì)發(fā)現(xiàn)與清水相比吸光度變化較小，這是因?yàn)镽STF 分子鏈上分布的磺酸基相較污染離子在與黏土結(jié)合時(shí)擁有較好的吸附性，極大地降低了污染介質(zhì)對(duì)處理劑有效濃度的影響，進(jìn)而驗(yàn)證了在測(cè)試濾失性能時(shí)“基漿+RSTF”體系擁有較為優(yōu)異的抗污染性能的結(jié)果。

圖2 CO2 及鹽膏對(duì)處理劑在黏土上的吸附影響數(shù)據(jù)圖

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)以上研究的總結(jié)，得到以下結(jié)論：

1）通過(guò)對(duì)流變?yōu)V失性能進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“基漿+處理劑”體系在面對(duì)CO2及鹽膏污染時(shí)，“基漿+KPAM”體系、“基漿+JD-6”體系及“基漿+LS-2”體系污染較為嚴(yán)重，“基漿+RSTF”體系則較為穩(wěn)定；

2）通過(guò)對(duì)“基漿+處理劑”體系的處理劑水動(dòng)力學(xué)半徑變化及處理劑在黏土上的吸附情況進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)CO2及鹽膏污染的機(jī)理是污染介質(zhì)的加入是壓縮了處理劑的擴(kuò)散雙電層，進(jìn)而顯著地降低了處理劑在黏土上的吸附能力，使得處理劑有效濃度降低，導(dǎo)致體系性能變差。

3）通過(guò)對(duì)處理劑水動(dòng)力學(xué)半徑研究，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“基漿+KPAM”體系、“基漿+JD-6”體系及“基漿+LS-2”體系抗污染性能差的原因是在于其中的處理劑耐鹽性能較差，而“基漿+RSTF”體系抗污染性能強(qiáng)是因?yàn)槠渲械奶幚韯└乘岜酋０饭簿畚铮≧STF）優(yōu)異的抗鹽性能，保證分子在面對(duì)污染時(shí)能夠很好地保持原性能。