張恒，回海軍

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司新疆分公司，新疆 庫爾勒 841000；2.巴州英才人力資源服務(wù)有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

1 碳酸根、碳酸氫根的來源

鉆井液中的CO32-、HCO3-主要源自以下7個(gè)方面[1-2]：(1) 地層CO2侵污，灰?guī)r地層或目的地層受侵污概率較高；(2) 地層水中含有CO32-、HCO3-；(3) 在處理鉆井液受膏層巖屑污染或水泥污染時(shí)純堿過量；(4)鉆井液中的有機(jī)類處理劑經(jīng)高溫?zé)峤馍蒀O2；(5)鉆井液中部分處理劑含有的碳酸鹽溶解或分解；(6)鉆井液用水多為井場水，礦化度偏高，多為碳酸根離子；(7)鉆井液地面罐循環(huán)過程中混入空氣。肖探1井CO32-、HCO3-污染主要源于第一種情況。該井是位于新疆維吾爾族自治區(qū)塔里木盆地北部坳陷區(qū)古城-肖塘臺緣帶肖塘南斜坡的一口風(fēng)險(xiǎn)探井，設(shè)計(jì)井深7690 m，實(shí)際完鉆井深7600 m，井底最高溫度接近210 ℃，鉆井液最高密度2.20 g/cm3，鉆井過程中CO2氣測值最高達(dá)到100%，鉆井液濾液中HCO3-含量超過40000 mg/L。鄰井資料顯示，受CO2污染的鉆井液黏切上漲迅猛，觸變性增強(qiáng)，循環(huán)過程中一度失去流動(dòng)性，且添加稀釋降黏劑作用不大，高架槽面和泥漿罐面產(chǎn)生大量泡沫，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)程。

2 碳酸根、碳酸氫根污染原理

(1)壓縮擴(kuò)散雙電層，影響膠粒穩(wěn)定性。黏土顆粒中的晶格取代決定了其表面帶負(fù)電，所吸附的陽離子遇水后解離擴(kuò)散，形成了陽離子吸附層和擴(kuò)散層。當(dāng)CO32-、HCO3-侵入時(shí)，會(huì)大量消耗擴(kuò)散層的陽離子數(shù)目，進(jìn)而壓縮擴(kuò)散層，降低電動(dòng)電位；當(dāng)擴(kuò)散層厚度降至零時(shí)，雙電層厚度即為吸附溶劑化層厚度，此時(shí)電動(dòng)電位降至零，膠粒穩(wěn)定性差，容易聚結(jié)失去動(dòng)力穩(wěn)定性，進(jìn)而造成流變性惡化，失水大漲?，F(xiàn)場常遇到受CO32-、HCO3-污染后的鉆井液呈現(xiàn)豆腐塊狀，這主要是黏土水化膜變薄，繼而出現(xiàn)溶劑化水被黏土空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)束縛所導(dǎo)致的現(xiàn)象[3-4]。

(2)消耗氫氧根，降低pH值。當(dāng)CO2氣體侵入到鉆井液體系中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量HCO3-，繼而消耗體系中的OH-，導(dǎo)致體系pH值迅速降低，從而使那些在較高pH值環(huán)境中才能夠發(fā)揮作用的處理劑的功效大大降低，造成流變和降濾失性能的惡化，進(jìn)而影響正常鉆井施工。

(3)大量起泡，影響流變。當(dāng)侵入到鉆井液中的CO2氣體達(dá)到溶解飽和后，未溶解的CO2氣體會(huì)被高黏度的鉆井液包裹，形成細(xì)分散微泡，進(jìn)一步惡化鉆井液性能，表現(xiàn)為切力大幅度升高，初切、終切值接近，嚴(yán)重時(shí)會(huì)失去流動(dòng)性，高密度鉆井液尤為突出[5]。

(4)競爭吸附，影響功效。未溶解的CO2氣體除以微泡形式存在外，還可以在黏土顆粒表面進(jìn)行吸附，且黏土顆粒比表面積越大，對CO2的吸附量也越大。具有表面活性的處理劑一般通過吸附作用吸附在黏土顆粒表面以增強(qiáng)穩(wěn)定性并提供相應(yīng)功效，而CO2的侵入會(huì)造成黏土顆粒表面發(fā)生競爭吸附現(xiàn)象，部分吸附位點(diǎn)會(huì)被CO2所占據(jù)，進(jìn)而造成處理劑的吸附量下降，導(dǎo)致處理劑降效[6]。

3 肖探1井碳酸根、碳酸氫根污染處理及機(jī)理

3.1 肖探1井碳酸根、碳酸氫根污染情況

肖探1井在進(jìn)入目的層前根據(jù)開鉆要求調(diào)整了鉆井液性能，但在揭開儲(chǔ)層時(shí)，鉆井液性能突然惡化。錄井氣測顯示CO2氣測值為30%～60%，鉆井液中CO32-含量1200 mg/L，HCO3-含量上升至4880 mg/L，Ca2+由1200 mg/L降至100 mg/L，流變及濾失量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 前期鉆井液污染前后性能對比

由表1可知，井漿在CO2氣體污染前表現(xiàn)出良好的流變性和降濾失性能，且pH穩(wěn)定，200 ℃高溫老化后的性能變化均在可控范圍內(nèi)。經(jīng)CO2氣體污染后的井漿出現(xiàn)起泡現(xiàn)象，鉆井液密度由1.70 g/cm3下降至1.69 g/cm3；黏切顯著提升，提升率超過50%；濾失量大幅度上漲，上漲率超過400%；pH值下降較明顯。特別是在200 ℃高溫老化72 h后，受高溫影響，部分有機(jī)材料熱解產(chǎn)生CO2促使鉆井液密度繼續(xù)降低至1.68 g/cm3；同時(shí)在高溫持續(xù)作用下，黏土顆粒表面以及鉆井液處理劑分子中的親水基團(tuán)的水化能力會(huì)部分降低，高溫去水化作用導(dǎo)致水化膜變薄，黏土顆粒進(jìn)一步分散，形成了連續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，致使黏切漲幅超過100%；而CO2污染與高溫作用的雙重影響導(dǎo)致pH值進(jìn)一步下降至7.5，部分處理劑依托的堿性環(huán)境出現(xiàn)變化，處理劑功效下降，鉆井液濾失量進(jìn)一步上升。

3.2 污染后處理方法選擇與機(jī)理

(1)氧化鈣、氯化鈣處理法及機(jī)理分析。在污染初期，CO32-、HCO3-含量低。常規(guī)方法是用CaO，CaCl2進(jìn)行處理，其處理機(jī)理如下：首先，CaO與H2O反應(yīng)，生成石灰乳，即Ca(OH)2，會(huì)使鉆井液pH值提高。然后，Ca(OH)2再與CO32-、HCO3-反應(yīng)生成CaCO3沉淀，從而達(dá)到清除CO32-、HCO3-的效果。因此，選用CaO時(shí)應(yīng)盡量選用新鮮的塊狀生石灰，避免CaO長期與空氣中的水、CO2反應(yīng)生成熟石灰失去效果。使用CaCl2處理時(shí)，由于Ca2+消耗OH-，會(huì)導(dǎo)致pH值降低，必須與NaOH配合；最后，Ca(OH)2再與CO32-、HCO3-反應(yīng)生成CaCO3沉淀，從而達(dá)到清除CO32-、HCO3-的效果。上述方法涉及化學(xué)反應(yīng)式如下：

室內(nèi)采用CaCl2配合NaOH處理后效果較好，如表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，鉆井液密度從處理前的1.69 g/cm3恢復(fù)至1.70 g/cm3，說明井漿起泡是由于CO2造成，去除CO2后起泡現(xiàn)象消失，密度恢復(fù)正常；同時(shí)發(fā)現(xiàn)井漿黏切顯著下降，濾失量明顯降低，pH值也提高至9.0以上，說明CaCl2配合NaOH能夠解決CO32-、HCO3-污染初期帶來的井漿性能惡化問題。

表2 CaCl2配合NaOH處理鉆井液污染初期的效果

在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，由于CO2不斷侵入，造成鉆井液性能反復(fù)，傳統(tǒng)CaO、CaCl2處理效果不理想。隨著肖探1井井深不斷增加，CO2含量逐漸增高，錄井CO2氣測含量最高達(dá)到100%，鉆井液中CO32-、HCO3-含量急劇上升，最高HCO3-含量達(dá)到40000 mg/L以上。為平衡地層壓力，通過補(bǔ)充重晶石和補(bǔ)充重漿等措施將井漿密度提高至1.95 g/cm3，通過表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，此時(shí)CaO、CaCl2處理方法已不再適用。

表3 CaO、CaCl2處理法處理鉆井液嚴(yán)重污染時(shí)的效果

由表3可知，CO32-、HCO3-嚴(yán)重污染情況下，不管是添加CaO還是添加CaCl2配合NaOH，僅能改善起泡問題，密度有所提高，但均無法改善鉆井液性能，反而會(huì)進(jìn)一步惡化鉆井液流變性和濾失控制性能。因此只能從鉆井液本身的抑制性和護(hù)膠效果入手，引入一些抗污染能力較強(qiáng)的處理劑與鹽類抑制劑配合，提高鉆井液的抗污染能力。同時(shí)加強(qiáng)固控使用，降低鉆井液中的黏土含量，達(dá)到較好的處理效果。

(2)甲酸鉀與磺酸鹽共聚物協(xié)同處理法及機(jī)理分析?，F(xiàn)場使用甲酸鹽HCOOK與磺酸鹽共聚物DSP-1配合，收到了預(yù)期效果，鉆井液黏切降低，流變性好，濾失量小，抗溫性抗污染性均能滿足工程要求，順利完成肖探1井鉆井任務(wù)。DSP-1含有磺酸基和羧基，而這兩種官能團(tuán)在吸附性、親水性及穩(wěn)定性方面要優(yōu)于其他的官能團(tuán)[3]：吸附性：磺酸基＞羧基＞酰胺基＞羥基＞醚基；親水性：磺酸基＞羧基＞酰胺基＞羥基＞醚基；穩(wěn)定性：羧基＞磺酸基＞羥基＞醚基＞酰胺基。

因此，引入磺酸鹽聚合物DSP-1，通過利用磺酸基和羧基的強(qiáng)水化能力以及良好的耐溫耐鹽性能等優(yōu)點(diǎn)，提高鉆井液耐高溫抗鹽、抗污染能力。同時(shí)復(fù)配甲酸鹽HCOOK，一方面引入K+提高鉆井液抑制性，以控制劣質(zhì)固相的水化分散，控制黏切上漲；另一方面引入HCOO提高鉆井液抗氧化性能，以改善高溫下的氧化降解現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 HCOOK、DSP-1處理鉆井液嚴(yán)重污染時(shí)的效果

由表4可知，受污染的井漿在加入HCOOK后，老化前黏切略有下降，濾失量變化不大，200 ℃老化后黏切變化不大，濾失量明顯降低，雖然整體性能較空白井漿改善幅度較小，但抗溫性有所提高；在受污染的井漿中加入DSP-1后，對比空白井漿老化前后黏切明顯下降，濾失量也明顯降低，但200 ℃老化后濾失量較老化前濾失量漲幅較大；為此，將HCOOK與DSP-1復(fù)配使用，充分發(fā)揮各自的功效，可以發(fā)現(xiàn)體系流變性良好，觸變性明顯下降，老化前后的濾失量均較低，滿足正常鉆井需求。繼續(xù)鉆進(jìn)過程中，通過HCOOK與DSP-1調(diào)配膠液進(jìn)行維護(hù)，直至完鉆，鉆井液性能穩(wěn)定。

4 結(jié)語

(1)灰?guī)r地層CO2含量高，是造成肖探1井CO32-、HCO3-污染的主要原因，繼而導(dǎo)致鉆井液中的劣質(zhì)固相水化、分散，加劇空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜化；還會(huì)導(dǎo)致pH值下降，處理劑效果減弱；而過量CO2所導(dǎo)致的微氣泡也會(huì)引起鉆井液黏切上升，致使鉆井液流變性惡化；

(2)當(dāng)CO32-、HCO3-含量較低時(shí)，可采用CaO、CaCl2處理法消耗CO32-、HCO3-含量，一方面可從源頭解決起泡問題，另一方面通過Ca2+拆散黏土空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)從而降低黏度，此外還可以提高pH值保證處理劑功效；

(3)當(dāng)CO32-、HCO3-含量較高時(shí)，CaO、CaCl2處理效果不佳，特別針對高溫井，可采用甲酸鹽HCOOK與磺酸鹽聚合物DSP-1復(fù)配使用，通過強(qiáng)親水、強(qiáng)吸附、抗氧化等作用強(qiáng)化鉆井液自身的護(hù)膠效果、抑制性和耐溫性，從而提高鉆井液耐污染能力。