钻井液常见污染问题及处理方法探讨

【理论研究与应用技术】钻井液常见污染问题及处理方法探讨杨莉1，　姚建华2，　罗平亚1（1．西南石油大学石油工程学院，成都；2．四川石油管理局川西钻探公司，成都）杨莉等.钻井液常见污染问题及处理方法探讨[J].钻井液与完井液，2012，29（2）：47-50.摘要　性能良好的钻井液是钻井施工成功的基本条件之一，但钻井过程中钻井液易被H2S、石膏、盐水和CO2等污染而变质失效，严重影响钻井施工安全，增大施工成本。为此，剖析了H2S、石膏、盐水和CO2等4种污染源污染钻井液的根本原因，应用基础化学理论，从提高钻井液自身抗污染能力和对已污染钻井液的处理2个方面提出了经济、有效的处理方法。结果表明，这4种物质污染钻井液的根本原因是其降低了钻井液的pH值和破坏了胶体形态；Zn2（OH）2CO3可有效除去侵入钻井液的H2S，Na2CO3和NaOH配合使用可解决石膏和钙性盐水污染问题，CaO能恢复被CO2污染的钻井液的性能，这些处理办法的成本都较低，但需要严格控制药剂的加量，药剂过量或不足都无法达到预期效果。关键词　钻井液；酸气污染；盐污染；化学处理中图分类号：TE254.2　　　　文献标识码：A　　　　文章编号：1001-5620（2012）02-0047-04在不同地质区块的钻井过程中，地层中的酸性流体和盐膏等时常会侵入钻井液，导致钻井液性能大幅变化，不但严重影响井下、人身和设备安全，还会增大钻井液的处理成本[1-3]。因此，如何提高钻井液的抗污染能力，以及经济高效地处理已被污染的钻井液，对保证钻井施工安全顺利地进行和提高钻井的经济效益具有重要意义。针对钻井过程中H2S、CO2、CaSO4、盐水对钻井液的污染问题，剖析了其导致污染的根本原因，从提高钻井液自身抗污染能力和已污染钻井液的处理2个方面提出了钻井液污染防治措施。1　常见污染源及其危害1.1　H2S钻井液中的H2S主要来源于地层中的硫化氢侵入和钻井液处理剂高温分解或发生氧化还原反应，产生破坏钻井液性能、腐蚀钻具和危害人员健康等危害[4-5]。H2S水溶液呈酸性，将降低钻井液的pH值，进而导致钻井液失去胶体性质，严重影响钻井液性能。H2S将诱发钻具发生电化学腐蚀、氢脆和硫化物应力腐蚀。它在水溶液中容易电离生成H+、HS-、S2-等带电离子，H2S和HS-能阻止阴极产生的氢原子结合成氢分子，使氢原子吸附在钻具表面，并向钻具内部扩散。原子氢在钻具的微裂缝、空隙中形成氢分子，其体积膨胀，在钢材内部形成高压，使低强度钢材发生氢泡或者脱层，使高强度钢材韧性变差、变脆。而硫化物腐蚀应力开裂是由于阳极反应沿着晶粒边沿或其它微裂缝把金属变成了硫化物而产生的，在低于正常断裂应力的情况下就会发生破坏，从而造成钻具断裂事故。1.2　石膏钻井液在钻井过程中也经常被石膏污染，尤其是抗污染能力弱的聚合物钻井液。石膏侵入钻井液将降低其pH值，同时大量Ca2+将使钻井液处于过度絮凝状态，增大钻井液的黏度切力和滤失量。1.3　CO2钻井液中CO2的主要来源有：①钻井液配浆或第一作者简介：杨莉，实验师，主要从事油田工作液实验研究与管理工作。地址：成都市新都区新都大道8号；邮政编码610500；电话[phone]；E-mail：[e-mail]。48处理过程中加入了过量的CO32-；②空气中的CO2在固控过程中溶解进入钻井液；③木质素磺酸盐等有机物在高温下降解生成CO2；④地层中的CO2随地层流体侵入钻井液[6]。CO2可溶于水和油，在钻井过程中CO2侵入将增大钻井液中HCO3-浓度，加剧泥岩的水化膨胀，使钻井液的黏度切力上升。此外，CO2的水溶液呈酸性，它将加剧钻具、管线等设备的腐蚀程度。1.4　盐水地层中常见的盐水包括钙性盐水和钠性盐水，盐水的侵入将降低钻井液的pH值，造成处理剂失效、钻井液丧失胶体性质，而大量钙离子往往使钻井液处于过度絮凝状态。2　污染钻井液的处理方法对于以上几种常见的钻井液污染，如果不对污染状况进行分析，简单地采用稀释剂和大量胶液进行处理，不但处理效果不理想，还会大大增加处理成本。根据上述4类污染的根本原因，从基础化学理论出发，提出了经济可行的处理方法。2.1　H2S污染处理1）提高钻井液抗H2S污染能力。硫处理剂的高温降解或2种处理剂间发生反应都可能产生H2S，如新疆塔西南某井钻至5000多米时，振动筛出口探头显示H2S含量为8～10mg/L，而该地层为非含硫地层。经分析，H2S是由钻井液处理剂PSC和SPNH发生氧化还原反应或高温降解产生的。一方面，处理剂中的磺甲基—CH2SO3-发生高温降解；另一方面，PSC中的Cr3+和自身或其它处理剂中的—SO3-发生氧化还原反应，产生H2S。现场实验证实，用PSC和SPNH在集气瓶中混合，加热后震荡，将H2S监测仪放置于瓶口，探头显示H2S含量约8mg/L。因此，钻井液处理剂应具有较好的抗温性能，且尽量避免氧化型处理剂和还原型处理剂同时使用。2）已被H2S污染的钻井液处理。在提高钻井液pH值的前提下，加入Zn2（OH）2CO3，可除去侵入钻井液中的H2S，恢复钻井液性质，减缓钻具腐蚀，防止发生人员中毒事故。其化学反应式如下。Zn2（OH）2CO3+2H2S→2ZnS↓+2H2O实际处理过程中，H2S的浓度一般较低，且是逐渐侵入的，需准确把握Zn2（OH）2CO3的加量。加入量过少或加入次数不足，难以有效除去侵入钻井液中的H2S；但如果Zn2（OH）2CO3过量，钻井液中的OH-浓度增大，黏度切力将急剧上升。此时宜采用生石灰处理，其化学反应如下。Zn2（OH）2CO3+CaO+H2O→CaCO3↓+Zn（OH）2↓2.2　石膏污染处理1）被石膏污染的钻井液处理方法。石膏污染的主要原因是pH值降低和过量Ca2+导致钻井液絮凝，可同时加入NaOH和Na2CO3溶液进行处理。烧碱溶液使钻井液的pH值升高，拆散因Ca2＋形成的较大、较强的黏土絮凝结构，使钻井液处于适度的絮凝状态，并保持黏土颗粒大小适度，不至于因聚结而合并得过大。Na2CO3溶液可清除过量Ca2+，根据所选择的钻井液体系使Ca2+的含量保持在适宜范围。反应式如下。CaSO4+Na2CO3→Na2SO4+CaCO3↓Ca2＋+2OH-ИCa（OH）2↓NaOH和Na2CO3溶液按一定比例配合使用，既可清除过量的Ca2+，又可使钻井液的pH值保持在需要的范围内，最终恢复钻井液的性能。对于被石膏污染后的钻井液，经NaOH和Na2CO3溶液处理后的钻井液性能如表1所示。表1　石膏污染前后及处理后钻井液性能对比实验条件FV/sFL/mLYP/PaGel/（Pa/Pa）pH污染前523.4112.5/9.510.0污染后986.6158.0/45.08.0处理后563.6123.0/12.010.0石膏是逐渐溶解侵入钻井液的，烧碱溶液加量过少或添加次数不足都不能除去过量的Ca2+。如果加入Na2CO3过量，钻井液中的CO32-浓度将增大，黏度切力将急剧上升，此时用生石灰处理，具体反应式如下。Na2CO3+CaO+H2O→CaCO3↓+2NaOH2）提高钻井液抗石膏污染能力。钻过石膏层时应尽可能使用抗污染能力较强的聚磺钻井液。在进入石膏层前对井浆进行预处理，及时转化为聚磺钙处理体系，同离子效应使可逆反应向右进行，降低了石膏的溶解度，减小了石膏对钻井液的破坏作杨莉等：钻井液常见污染问题及处理方法探讨49用。同时添加足量的护胶剂，提高钻井液的抗石膏污染能力。2.3　CO2污染处理1）被CO2污染的钻井液处理。CO2污染钻井液的主要原因是CO32-和HCO3-的存在导致钻井液黏度切力上升。向钻井液中添加CaO，不仅可以清除HCO3-，还可以抑制泥岩的水化膨胀，减缓设备腐蚀，降低处理成本，化学反应式如下。CaO+H2O→Ca（OH）2CO2+H2O→H2CO3Ca（OH）2+H2CO3→CaCO3↓+2H2O例如，新疆北部某井，采用φ215.9mm钻头和聚合物钻井液，钻至1500～2200m井段时发生CO2污染，钻井液的黏度切力急剧上升。使用了在钻井液过渡槽内撒石灰的方法，使被污染的钻井液黏度切力迅速降低，各项性能基本恢复至污染前水平，如表2所示。表2　CO2污染前后及处理后性能对比实验条件FV/sGel/Pa/PaYP/PaFLAPI/mLpH污染前410.5/3.03.05.49污染后682.0/31.09.54.88处理后450.5/4.54.05.69在实际处理过程中，CO2同样是逐渐溶解侵入的，CaO加量过少或加入次数不足，都不能除去过量的钙离子。但若CaO加量过大，钻井液中的Ca2+浓度增大，黏度切力急剧上升。此时钻井液处于过度絮凝状态，采用适量的纯碱处理效果较好。2）提高钻井液抗CO2污染能力。Ca2+可除去侵入的CO2，因而保持钻井液中存在适量的Ca2+，同时添加足量的护胶剂，可提高钻井液抗CO2污染的能力。但受钻井设计的影响，某些井只能使用聚合物钻井液，这就需要经常测钻井液碱度，并计算出钻井液中CO32-、HCO3-的含量，根据2者含量的变化适量添加生石灰。2.4　盐水污染处理钻井液被盐水污染时，可添加NaOH来提高钻井液的pH值，同时补充足够的护胶剂来维持钻井液的胶体性质。如果污染物是含钙性盐水，则要考虑先用纯碱除钙，以避免钻井液处于过度絮凝状态。四川北部某井，采用φ311.15mm钻头和聚磺钻井液，钻进至井深4683～4704m时遇钙性盐水侵。根据邻井资料显示，该井下部存在十几米的高压盐水层，以CaCl2为主，Cl-含量为60～70g/L。在进入盐水层前，有针对性地对现场钻井液进行盐水污染实验，并加入适量的纯碱除钙，实验方案及结果如表3和表4所示。由此可知，添加Na2CO3处理后，钻井液性能基本得到恢复。表3　钻井液遇盐水侵及其处理实验方案编号污染条件处理剂配方①5%盐水（浓度为12%）盐水，66.85g/LCl-，CaCl2∶NaCl=3∶1②①+5%胶液（浓度为18%）胶液，HTX∶SMP-2∶RST∶NaOH=40∶5∶5∶4③②+1.5%SMP-2④①+8%胶液+2%SMP-2+22%重晶石胶液浓度为10%，HTX∶RST∶NaOH=3∶3∶2⑤④+0.4%Na2CO3⑥①+0.4%Na2CO3+8%胶液+2%SMP-2+22%重晶石胶液浓度为12.5%，HTX∶RST∶NaOH=5∶2∶3注：SMP-2为溶液。表4　钻井液遇盐水侵及其处理实验结果序号FV/sGel/Pa/PaYP/PaFLAPI/mLpH原浆685.0/20152.011①基本失去流动性②线流13.0/100255.010③988.5/75182.410④898.5/64162.810⑤745.5/34131.210⑥582.5/14101.210注：钻至盐水层时已经过石膏层，因而井浆性能为钻过石膏层后的性能。如果起下钻后出现大量涌入的盐水，应及时排放，以降低处理难度和成本。如果盐水是在钻进过程中逐渐溶解侵入的，处理剂加量过少或加入次数不足，则难以有效地除去盐水中的过量钙离子和较低pH值。但过量添加Na2CO3会增大钻井液中CO32-的浓度，钻井液黏度切力则随之急剧增大，50宜添加适量的石灰水进行处理。3　结论1.H2S、石膏、盐水和CO2等污染钻井液的根本原因是它们打破了钻井液的酸碱平衡，破坏了其胶体状态，宜首先添加NaOH溶液，使钻井液维持碱性环境，再作进一步处理。2.H2S的来源包括地层流体中的H2S入侵和处理剂在高温下降解或发生化学反应等。钻井液处理剂应具有较好的抗温性能，且避免氧化性处理剂和还原性处理剂同时使用。对于已被H2S污染的钻井液，先加入碱液提高pH值，再采用Zn2（OH）2CO3除去H2S。3.石膏和盐水污染的主要原因是钻井液pH值下降和Ca2＋过量，NaOH和Na2CO3溶液按一定比例配合使用，既可清除过量的Ca2+，又可使钻井液的pH值保持在需要的范围内，处理效果较好。钻过石膏层或盐水层时，应尽可能使用抗污染能力较强的聚磺钻井液。4.CO2污染的主要原因是HC