鹽水鉆井液pH值影響因素和緩沖方法研究

李軒， 黃維安， 賈江鴻， 王有偉， 李昀坪， 王婧雯

（1. 中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島 266580；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257017；3.大慶油田有限責任公司第五采油廠，黑龍江大慶 163513）

0 引言

深井鉆井中鉆遇鹽膏層、鹽膏泥復合鹽層、高壓鹽水層等時極易發生井下復雜情況，現場常用鹽水鉆井液解決此類技術難題，鹽水鉆井液在鉆遇此類地層時，pH值極易快速降低，難以調節，合適的pH值不僅可改善鹽水鉆井液的性能，還可以減弱對鉆具的腐蝕[1-4]，降低井下復雜情況和事故的發生[2-6]。在現場鉆井液的使用過程中，鉆井液pH值降低的原因有以下幾種。①離子交換吸附。由于鹽水鉆井液中Na+濃度高，因此Na+的吸附能力遠大于其他陽離子，濾液中的Na+與黏土礦物晶層間的H+發生離子交換，置換出大量的H+，導致鉆井液pH值下降[5]。②高溫鈍化作用。在鉆井高溫作用之后，高溫促進了黏土水化和分散，鉆井液中黏土顆粒的表面活性降低，發生黏土反應，消耗了OH-，從而致使鉆井液pH值下降。③有機處理劑的高溫裂解。有機處理劑中的某些物質在高溫作用下極易發生氧化、裂解等反應，分解出CO2、H2S等酸性物質，從而導致鉆井液的pH值降低。此外，鉆井液中的CaCl2、MgCl2及CaSO4等雜質消耗濾液中的OH-，反應生成沉淀，造成鉆井液的pH值降低；鉆井液在地面循環和被攪拌過程中，容易使空氣中的CO2混入其中，反應生成碳酸鹽和碳酸氫鹽，從而消耗部分OH-導致鉆井液的pH值降低。在現場鉆井液的使用過程中，鉆井液pH值升高的原因有以下幾種。①將堿性處理劑加至鉆井液中，如：NaOH、KOH、純堿、硅酸鹽等導致鉆井液的pH值升高。②添加的處理劑當中含有過量的堿性物質，可能導致鉆井液的pH值升高[7]。

筆者通過實驗考察了鹽水鉆井液常用處理劑對其pH值的影響，并探究了pH值對鹽水鉆井液體系性能的影響，進而通過體系構建，提出鹽水鉆井液pH值調控的方法。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與藥品

電子天平（精度為0.000 2 g）、高速攪拌機、PHS-25型pH計、高溫滾子爐等。NaOH、NaCl、Na2CO3、K2CO3、CaCl2、甲酸鈉、甲酸鉀、乙酸鉀、乙酸鈉、草酸鈉、檸檬酸鉀、乳酸鈉、草酸鉀、醇醚羧酸鹽AEC、十二烷基苯磺酸鈉SDBS、鄰苯二甲酸單脂肪醇脂鈉、松香酸鈉、聚乙烯醇、辛基苯基聚氧乙烯醚LTX 、OP-10、Tween-80、聚乙二醇、烷基多苷WJG、PAC-LV、PMHA-Ⅱ、SP-1、SD-108、SMP-3、SMC、SPNH、FT-1、Span-80等。

1.2 實驗方法

配制飽和鹽水膨潤土基漿，分別加入鹽類（無機鹽、有機鹽）、表面活性劑（陰離子表面活性劑、非離子表面活性劑以及2者復配）、有機胺等處理劑，將初始pH值調至10左右，測定基漿體系老化前后pH值的變化、流變及濾失性能，考察不同藥品對飽和鹽水基漿pH值調節和穩定作用。采用同樣手段考察礦化度、聚合物類處理劑、磺化處理劑等對鹽水鉆井液體系pH值的影響規律。在此基礎上，通過體系構建，提出一種鹽水鉆井液pH值調控方法。

2 結果與討論

2.1 堿對飽和鹽水基漿pH值調控

在飽和鹽水鉆井液中加入NaOH、KOH、Na2CO3、K2CO3，將鉆井液老化前pH值均調至10，測試老化前后pH變化情況，結果見圖1。由圖1可知，加入強堿弱酸鹽Na2CO3、K2CO3的飽和鹽水基漿。老化前后pH下降幅度明顯低于加入強堿NaOH、KOH的飽和鹽水基漿；Na2CO3、K2CO3對飽和鹽水基漿pH調節作用較好，但是2者加量較大時易產生CO32-、HCO3-污染[8]，可與強堿相互復配使用。

圖1 0.5%堿和碳酸鹽對飽和鹽水基漿pH值影響

2.2 有機鹽對飽和鹽水基漿pH值調控

分別考察了幾種有機鹽對飽和鹽水基漿pH值的影響，結果見圖2。由圖2可知，向飽和鹽水基漿中分別加入不同有機鹽后，乙酸鈉、乙酸鉀的基漿比加入甲酸鉀、甲酸鈉的基漿老化后pH值下降幅度要低，對飽和鹽水基漿pH值緩沖作用更好；加入草酸鈉、草酸鉀、檸檬酸鈉的基漿pH值下降過高，對飽和鹽水基漿pH值緩沖作用較差。

圖2 3%有機鹽對飽和鹽水基漿pH值的影響

2.3 表面活性劑對飽和鹽水基漿pH值調控

2.3.1 單一表面活性劑

分別考察了不同陰離子表面活性劑對飽和鹽水基漿pH值的調控規律，結果見圖3。加入非離子表面活性劑的飽和鹽水基漿老化前后pH值的變化見圖4。

圖3 0.5%陰離子表面活性劑對飽和鹽水基漿pH值影響

圖4 0.5%非離子表面活性劑對飽和鹽水基漿pH值影響

由圖3可知，加入AEC和SDBS均有緩沖作用，其中加入SDBS的飽和鹽水基漿老化后pH值下降幅度最小，緩沖作用最好。由圖4可知，加入LTX、OP-10、聚乙二醇、WJG的飽和鹽水基漿老化前后pH值下降較小，具有一定的pH值緩沖作用，其中WJG的pH值變化僅為0.78，緩沖作用最好。

2.3.2 表面活性劑復配優化

表面活性劑復配后因協同效應使得作用效果強于相同條件下單一表面活性劑，同時復配使用也可減少用量和擴展使用范圍，因此通過實驗考察了陰離子表面活性和非離子表面活性劑復配對飽和鹽水基漿pH值的緩沖作用，結果見圖5～圖9。

圖5 LTX+SDBS復配對飽和鹽水基漿pH值的影響

圖7 聚乙二醇+SDBS復配對飽和鹽水基漿pH值影響

由圖5可知，當LTX和SDBS以不同比例復配使用時，3種體系的緩沖效果相近。由圖6可知，加入0.3%OP-10+0.1%SDBS和加入0.1%OP-10+0.3%SDBS時，能起到緩沖作用。由圖7可知，聚乙二醇+SDBS復配3種比例緩沖效果相近，其中加入0.2%聚乙二醇+0.2%SDBS效果稍好。

圖8 WJG+SDBS復配對飽和鹽水基漿pH值影響

圖9 WJG+LTX復配對飽和鹽水基漿pH值影響

由圖8可知，WJG+SDBS復配，3種比例均有一定的pH值緩沖效果，其中加入0.3%WJG+0.1%SDBS效果最好。由圖9可知，WJG+LTX復配，當復配體系中WJG含量較多時緩沖效果較好，當LTX含量較高時效果不理想。表面活性劑復配可以在保證緩沖效果的前提下減少其用量，降低經濟成本。且多種表面活性劑復配，使得各組分在鉆井液體系中使用時更加穩定，保證在不同體系中的應用效果。

2.4 有機胺對飽和鹽水基漿pH值緩沖作用

考察了不同類型的有機胺對飽和鹽水基漿pH值的影響，結果見圖10。由圖10可知，向飽和鹽水基漿中加入5種胺類后，均具有一定程度的緩沖作用，其中乙醇胺效果最為顯著。隨著非離子型有機胺加量增加，膨潤土基漿pH值先快速增加后變化平緩。由圖10還可知，有機胺對飽和鹽水基漿pH值具有很好的緩沖作用。主要是因為有機胺是一種弱堿性物質，胺基氮原子上的電荷密度高，極易接受質子而呈正電性，在水溶液中可與水發生可逆的質子化解離反應，有機胺在黏土上吸附消耗的進行會使反應不斷向有羥基產生的方向進行，引起體系pH值的升高[8-9]。其水解式如下。

圖10 0.5%有機胺對飽和鹽水基漿pH值影響

2.5 鹽水鉆井液pH值影響因素及緩沖方法

2.5.1 礦化度對膨潤土基漿pH值的影響

1）NaCl對膨潤土基漿pH值的影響。配制4%膨潤土基漿，充分預水化24 h，考察NaCl加量對膨潤土基漿pH值的影響，老化條件為150 ℃、16 h，結果見圖11。

圖11 NaCl加量對膨潤土基漿的pH影響

由圖11可知，基漿老化前的pH值隨著NaCl加量的表現為下降，老化后的pH值隨著NaCl加量先快速降低，變化趨勢逐漸平緩，出現拐點的NaCl加量是10%；大量加入NaCl使Na+濃度大幅度上升，導致復配基漿pH值降低，老化后pH值在NaCl加量10%以后變化平緩。

2）CaCl2對膨潤土基漿pH值的影響。配制4%的膨潤土基漿，充分預水化24 h，考察CaCl2加量對膨潤土基漿pH值的影響，老化條件為150 ℃、16 h，實驗結果見圖12。

圖12 CaCl2加量對復配基漿的流變性影響

由圖12可知，老化前后的pH值隨著CaCl2加量的增加先快速下降后緩慢下降，出現拐點時CaCl2加量是0.50%。對pH值而言，當CaCl2加量小于0.50%時，Ca2+可以消耗基漿中的OH-和CO32-，導致體系pH值快速下降，當CaCl2加量大于0.50%時，體系內仍然存在少量OH-，使其保持堿性環境，同時pH值下降緩慢。

2.5.2 常用處理劑對鹽水鉆井液pH值的影響

1）聚合物類處理劑。在鹽水基漿中加入不同聚合物處理劑，并使用NaOH調節體系的pH值，使幾種體系老化前（150 ℃、16 h）pH保持在同一水平，在記錄反應前后體系pH的變化外，同時考察將體系pH值調節至相同時的耗堿量，結果見圖13。由結果可知，聚合物類處理劑對飽和鹽水基漿pH值影響較大，其中PMHA-Ⅱ老化前后pH值變化較小，多元共聚物SD-108老化前后pH值變化較大，并且調節至相同pH值所需的堿量較多。

圖13 聚合物類處理劑對飽和鹽水基漿pH值的影響

2）磺化處理劑。考察不同磺化處理劑對飽和鹽水鉆井液體系pH值的影響，老化條件為：150 ℃、16 h。記錄反應前后體系pH的變化外，同樣考察將體系pH調節至相同時的耗堿量，結果見圖14。

圖14 磺化處理劑對飽和鹽水基漿pH值的影響

由圖14可知，SMC水溶液pH值一般為10，因此老化前后pH下降幅度、耗堿量較小；SMP-3初始pH較低，耗堿量較大，同時老化前后pH下降幅度最低，因此具有一定的pH值緩沖作用；SPNH、FT-1對飽和鹽水基漿pH值緩沖相對弱。

2.5.3 鹽水鉆井液體系pH值調控方法

采用“0.3%WJG + 0.1%SDBS”復配表面活性劑體系調節鹽水鉆井液pH值，老化條件150 ℃、16 h，考察4種鹽水鉆井液體系添加復配表面活性劑體系前后各項性能及pH值的變化，結果見表1。

表1 不同鹽水鉆井液體系pH值調節實驗結果

由表1可以看出，復配表面活性劑0.3%WJG+0.1%SDBS對海水鉆井液、高密度飽和鹽水鉆井液、高密度有機鹽體系老化前后pH變化具有較好的緩沖作用；但復配表面活性劑對高密度高礦化度鉆井液老化前后的pH值緩沖作用不顯著。此外，還可以看出，復配表面活性劑體系對于鉆井液體系老化前后的流型性影響不大，添加表面活性劑體系后，老化后的中壓濾失性均有所降低，因此其對鉆井液體系的基本性能無不良影響，可以作為鉆井液體系的添加劑使用。

3 結論

1.強堿弱酸鹽Na2CO3、K2CO3，有機鹽甲酸鈉、甲酸鉀、乙酸鈉、乙酸鉀對飽和鹽水基漿pH值具有較好的調節作用。陰離子表面活性劑AEC、SDBS，非離子表面活性劑LTX、OP-10、聚乙二醇、WJG緩沖效果較好；有機胺中乙醇胺對飽和鹽水基漿pH值緩沖作用最為顯著。

2.強堿弱酸鹽主要機理是構成緩沖體系對鉆井液pH值進行緩沖調控。陰離子表面活性劑的加入可以抑制體系中離子交換，從而起到穩定pH值的作用，且多種表面活性劑的復配，使得各組分活性增強，穩定效果也較單一組分更好；有機胺作為一種弱堿性物質，胺基氮原子上的電荷密度高，極易接受質子而呈正電性，在水溶液中發生可逆的質子化解離反應，從而構成緩沖溶液體系。

3.礦化度對膨潤土淡水基漿老化前后pH值變化的影響較大，礦化度增大會導致pH的快速下降，但存在下降速率變化的拐點；聚合物類處理劑對飽和鹽水基漿pH值影響較大；磺化處理劑對體系pH值有一定的緩沖作用。

4.“0.3%WJG+0.1%SDBS”復配體系對海水鉆井液、高密度飽和鹽水鉆井液、高密度有機鹽體系老化前后pH變化具有較好的緩沖作用，添加與否對其改變較大，但對高密度高礦化度鉆井液pH緩沖調控作用不大。

參 考 文 獻

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