王 猛

（中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽(yáng)618000）

隨著世界油氣資源勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)入中后期、勘探及鉆井技術(shù)不斷進(jìn)步，對(duì)高密度、高溫、高壓條件下鉆井液體系的研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用也更為深入。抗高溫高密度KCl聚磺水基鉆井液體系是一種抗高溫性能好、抑制性能強(qiáng)、穩(wěn)定性能好、適用于不同密度、復(fù)雜地層鉆進(jìn)的優(yōu)良的鉆井液體系。目前該水基鉆井液體系技術(shù)發(fā)展較為成熟，該體系已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外不同地層鉆進(jìn)施工。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的不同水基鉆井液體系均會(huì)在使用過(guò)程中由于溫度壓力的升高、鹽侵、鈣侵、固相含量增加或者是處理劑失效等一系列的原因，導(dǎo)致鉆井液的pH值逐漸降低。而產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要包括以下幾點(diǎn)：①離子交換作用，濾液中的Na+、K+與粘土礦物晶層間的H+發(fā)生了離子交換，置換出了大量的H+，從而致使鉆井液的pH值降低[1]；②高溫鈍化作用，泥漿中的粘土顆粒因鉆井高溫作用后，致使粘土的表面活性降低，從而消耗OH-，引起泥漿的pH值下降[2]；③金屬離子沉淀，鉆井水中的Mg2+、Ca2+及鉆井液材料中的金屬離子雜質(zhì)，它們會(huì)與濾液中存在的OH-發(fā)生反應(yīng)，生成沉淀，從而消耗部分OH-，導(dǎo)致鉆井液pH值的降低。鉆井液體系pH值的降低，直接影響了鉆井液處理劑在鉆井液中的應(yīng)用效果，影響鉆井液各方面性能[3]?？垢邷馗呙芏菿Cl聚磺體系屬于鹽水體系，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中pH值降低作用較為明顯，對(duì)鉆井液體系各方面性能影響較大，為了清楚地認(rèn)識(shí)pH值對(duì)抗高溫高密度KCl聚磺體系的影響程度，給抗高溫高密度KCl聚磺鉆井液體系現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)提供正確指導(dǎo)，本文從KCl加量、溫度、老化時(shí)間、密度、表面活性劑等方面深入研究了pH值對(duì)該體系的影響。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)配方

本文采用在伊朗南部地層應(yīng)用效果良好的抗高溫高密度KCl體系配方，研究pH值對(duì)該體系性能的影響。抗高溫高密度KCl聚磺體系配方：3%坂土粉+0.2%Na2CO3+0.4%PAC（L）+4%SMP-Ⅱ +4%SPNH+0.2%FA-367+0.3%GBH+3%JHC+3%KCl+Barite+NaOH。采用重晶石將該體系加重至不同密度，采用燒堿調(diào)節(jié)pH值。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)儀器：六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、高溫滾子爐、攪拌器、精密pH酸度計(jì)、API失水儀、HTHP失水儀等。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)上述配方將該抗高溫高密度聚磺KCl體系采用高濃度NaOH溶液將該鉆井液體系的pH值調(diào)整至不同范圍，在不同老化時(shí)間、不同KCl加量加入條件下研究體系pH的變化；同時(shí)研究了pH值變化后對(duì)體系流變性和失水性的影響。

2 高溫下抗高溫高密度KCl聚磺體系pH值變化

為了直觀了解高溫條件下抗高溫高密度KCl聚磺鉆井液體系pH值的變化趨勢(shì)，室內(nèi)將該抗高溫高密度KCl配方采用重晶石加重至1.70g/cm3，加入不同量的NaOH調(diào)節(jié)該鉆井液體系pH值從9～12，測(cè)定其經(jīng)過(guò)150℃條件老化后pH值隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)，該體系老化后pH值的變化趨勢(shì)見(jiàn)表1。

表1 老化前后抗高溫KCl聚磺體系的pH值

從表1可以看出在150℃，不同時(shí)間的老化條件下，該KCl聚磺體系的pH值都隨老化時(shí)間的增長(zhǎng)隨之呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。這是由于在高溫條件下，造漿土中的碳酸鹽礦物和HCO3-、CaCO3轉(zhuǎn)換為重碳酸鹽Ca(HCO3)2，而OH-再與重碳酸鹽發(fā)生反應(yīng)，造成鉆井液中堿的消耗，從而造成KCl鉆井液體系中pH值的下降，同時(shí)隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，鉆井液中處理劑的降解作用產(chǎn)生的副產(chǎn)物與OH-反應(yīng)，以及K+與粘土層間H+發(fā)生的離子交換，從而進(jìn)一步的加劇了KCl鉆井液體系中pH值的降低。

將表1實(shí)驗(yàn)16h、32h及48h實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不同時(shí)間老化后的ΔpH值作圖如圖1所示。從圖1得出，各樣品在老化16h后pH值下降明顯，老化32h和48h后的pH均有不同程度的降低，但是老化32h及48h后的ΔpH較老化16h的pH值降低較小，這表明該鉆井液體系pH值的降低主要發(fā)生在高溫老化的16h及32h中，而隨著高溫老化時(shí)間的增長(zhǎng)，pH值降低趨勢(shì)逐漸變慢；同時(shí)，對(duì)比高pH值樣品及低pH值樣品可以發(fā)現(xiàn)，樣品的初始pH值越高，前16h內(nèi)的pH值降幅越大，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，ΔpH值也逐漸減小。

3 不同KCl加量在高溫下對(duì)體系pH值的影響

抗高溫高密度KCl聚磺鉆井液體系的KCl加量將直接影響該鉆井液體系各方面的性能，同時(shí)KCl的加入由于鉀離子的進(jìn)入也會(huì)對(duì)體系的pH值產(chǎn)生非常大的影響，故研究體系中KCl的加量對(duì)抗高溫高密度KCl聚磺鉆井液體系pH值的影響具有非常重要的意義。將抗高溫高密度KCl聚磺鉆井液體系采用重晶石加重至1.70g/cm3，調(diào)整鉆井液體系pH值至13，調(diào)整該體系KCl含量，測(cè)定鉆井液體系中KCl加量對(duì)體系不同老化時(shí)間后的pH值影響，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2及圖2。

圖1 不同老化時(shí)間下的ΔpH值變化

圖2 不同KCl加量對(duì)體系pH值影響

分析表2數(shù)據(jù)及圖2的pH值隨老化時(shí)間下降趨勢(shì)得出，鉆井液體系中KCl加量越大，老化后鉆井液體系的pH值的降幅越大，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，pH值的降低逐漸減緩，對(duì)比不同老化時(shí)間的pH值數(shù)據(jù)分析得出，前16h老化時(shí)間中鉆井液體系的pH值降幅最大。因此可以得出，該抗高溫高密度KCl聚磺鉆井液體系中KCl的加量對(duì)鉆井液pH值影響較大，KCl加量越大，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)體系的pH值影響越明顯。分析認(rèn)為，導(dǎo)致這一現(xiàn)象主要的原因是KCl加入鉆井液中后溶解，電離出鉀離子，由于游離狀態(tài)的鉀離子正好能夠嵌入粘土晶層，鉀離子進(jìn)入粘土晶層后，交換出晶層間的氫離子，從而導(dǎo)致鉆井液體系中OH-的消耗，從而引起體系pH值的降低，因此外在表現(xiàn)為KCl加量越多，pH值降幅越大；同時(shí)加入鉆井液中的的KCl中可能含有的部分雜質(zhì)金屬離子也是導(dǎo)致pH值降低的一個(gè)原因；另外在老化過(guò)程中，水分子滲入礦物晶層內(nèi)表面能力增強(qiáng)，增加了OH-進(jìn)入礦物晶層內(nèi)表面的幾率，增大了改變粘土內(nèi)表面交換陽(yáng)離子的種類(lèi)和比例，增強(qiáng)了粘土的高溫分散作用，消耗了OH-離子，導(dǎo)致pH值降低；由OH-離子及K+離子從粘土表面交換出來(lái)的高價(jià)陽(yáng)離子（Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe2+等）在高溫下對(duì)粘土的水化分散作用產(chǎn)生抑制性，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)被交換出的陽(yáng)離子的增多，粘土水化分散逐步減弱，在高溫下的pH值降低隨之逐步放緩；Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe2+等被交換出的高價(jià)離子會(huì)和OH-離子發(fā)生的鈍化反應(yīng)，改變粘土晶格表面結(jié)構(gòu)，降低粘土晶格表面活性，也是在高溫狀態(tài)下KCl鉆井液體系pH降低的重要原因。

表2 不同KCl加量下體系老化后pH值變化（老化溫度150℃）

4 pH值對(duì)抗高溫高密度KCl聚磺體系流變性的影響

采用NaOH堿液調(diào)整KCl加量為3%的KCl聚磺體系配方 pH 分別為 9.06、9.53、10.07、10.52、11.08、11.56、12.01，在150℃高溫下老化16h，測(cè)定不同pH條件下該鉆井液體系的流變性能如表3所示。

表3 不同pH值對(duì)KCl聚磺體系流變性影響（150℃,16h）

增加老化時(shí)間，進(jìn)一步確定在高溫狀態(tài)下不同pH值對(duì)該體系流變性能的影響，繼續(xù)將上述樣品于150℃老化至32h，測(cè)定老化后的流變性如表4所示。

由表3和表4得出，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，泥漿體系的粘度有明顯增稠的趨勢(shì)，在pH值的影響下，粘度的波動(dòng)幅度區(qū)別也較大，在pH值小于或等于10.0時(shí)，泥漿的粘度變化較大，在pH大于10.0時(shí)，體系的粘度波動(dòng)幅度較小。由于KCl加入鉆井液中后溶解，電離出鉀離子，游離狀態(tài)的鉀離子嵌入粘土晶層后，交換出晶層間的氫離子，在高溫老化作用條件下，這一作用加劇了這個(gè)反應(yīng)的發(fā)生，K+離子從粘土表面交換出來(lái)的高價(jià)陽(yáng)離子（Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe2+等）加劇了pH值的降低，在剛剛開(kāi)始老化時(shí)隨著老化時(shí)間增長(zhǎng)，越來(lái)越多的水分子滲入礦物晶層表面，導(dǎo)致了粘土表面水化作用的發(fā)生，隨著老化作用時(shí)間的增長(zhǎng)，OH-離子及K+離子從粘土表面交換出來(lái)的高價(jià)陽(yáng)離子（Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe2+等）在高溫下對(duì)粘土的水化分散作用產(chǎn)生的抑制性越來(lái)越強(qiáng)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)被交換出的陽(yáng)離子的增多，粘土水化分散逐步減弱，在高溫下的pH值降低隨之逐步放緩。以上結(jié)論表明，pH值對(duì)抗高溫KCl聚磺體系的流變性能有較大影響，在KCl鉆井液體系的維護(hù)過(guò)程中應(yīng)保持以高pH值10～12之間，以確保該體系中有足夠的OH-，從而保持體系的性能穩(wěn)定性。

表4 不同pH值對(duì)KCl聚磺體系流變性影響（150℃,32h）

5 pH值對(duì)抗高溫高密度KCl聚磺體系失水性能的影響

采用NaOH堿液調(diào)整KCl聚磺體系配方pH值，將不同pH值的KCl鉆井液在150℃高溫下分別老化16h和32h，測(cè)定不同pH條件下鉆井液體系的API失水及高溫高壓失水，見(jiàn)表5。

表5 不同pH值對(duì)KCl聚磺體系失水量影響（150℃,16h）

表5上述實(shí)驗(yàn)表明，在不同的pH條件下，抗高溫KCl聚磺體系的失水量略有變化，pH值為9.5時(shí)失水略有上漲，API失水在pH值為10.0以上時(shí)保持較為良好。高溫高壓失水在pH值為10.50時(shí)為8.4mL，而在10.00時(shí)上漲至8.8mL，可見(jiàn)pH對(duì)KCl聚磺體系失水略有影響。

由表6得出，隨著在高溫下老化時(shí)間的增長(zhǎng)，保持pH值為10及10以上時(shí)，體系的失水量變化較小，pH值為9.5及9時(shí)，泥漿的失水量呈現(xiàn)明顯上漲的趨勢(shì)。

根據(jù)表5及表6的鉆井液API失水及高溫高壓失水的變化趨勢(shì)，同時(shí)參考表1的老化后的pH值變化情況，分析認(rèn)為這是由于在高溫下，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，KCl鉆井液體系pH值呈下降趨勢(shì)，逐步改變體系中粘土顆粒分散程度，形成一定的絮凝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致泥餅厚度增加，泥餅質(zhì)量變差，失水量增大。而K+離子從粘土表面交換出來(lái)的高價(jià)陽(yáng)離子（Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe2+等）在高溫下對(duì)粘土的水化分散作用產(chǎn)生抑制性，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)被交換出的陽(yáng)離子的增多，粘土水化分散逐步減弱也是導(dǎo)致失水量略增的重要原因。

表6 不同pH值對(duì)KCl聚磺體系失水量影響（150℃,32h）

6 結(jié)論

（1）KCl鉆井液體系經(jīng)過(guò)高溫老化處理后，pH值會(huì)發(fā)生較為明顯降低，并隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而pH值持續(xù)下降，KCl含量越高，體系pH值降低越明顯。經(jīng)過(guò)高溫老化的KCl聚磺體系pH值降低的主要原因是陽(yáng)離子交換作用，同時(shí)交換出的陽(yáng)離子產(chǎn)生沉淀也是體系pH值降低的重要原因。

（2）pH值的高低對(duì)KCl體系高溫老化后的流變性和失水性有較大的影響，體系pH值越高老化后降低越明顯，在KCl鉆井液體系的維護(hù)過(guò)程中應(yīng)保持以高pH值10～12之間，以確保該體系中有足夠的OH-，從而保持體系的性能穩(wěn)定性。