受CO2污染的鉀聚磺鉆井液體系維護工藝研究*

范 勁，徐晨陽，李俊才，鄭存川

(1 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司，四川 成都 610051；2 西南石油大學化學化工學院，四川 成都 610500)

四川盆地擁有較多的碳酸鹽巖地層，施工現(xiàn)場遇到CO2污染時鉆井液變得異常粘稠，司鉆過程中阻力較大，不僅會磨損鉆具，還不能有效的鉆透地層[1-2]。對此很難拿出解決辦法，使得鉆探工作不得不停止，因此導致工期延誤，極大程度上的影響鉆井工作的順利進行，增加大了鉆井安全事故的發(fā)生概率。

近年來許多專家學者對受CO2污染鉆井液的污染維護技術展開了深入研究并且已經(jīng)取得了不少的成果[8-13]，但很多都未針對污染機理進行系統(tǒng)地維護。因此，本文通過調(diào)研水基鉆井液CO2污染相關機理，根據(jù)污染機理提出針對性的維護工藝，從而將受污染的鉆井液性能調(diào)整至合理范圍，為后續(xù)安全鉆進提供保障。

1 實 驗

1.1 原料及儀器

1.1.1 實驗藥品

CaO、KOH，成都市科隆化學品有限公司；高分子有機胺處理劑、未污染的井漿、受污染的井漿，取自鉆井現(xiàn)場；螯合鈣1、螯合鈣2，實驗室自制。

1.1.2 儀器與設備

GJS-B12K型高速攪拌器、GGS42-A2型高溫高壓濾失儀、ZNS-2型中壓濾失儀、GRL-BX3型滾子加熱爐、HTD-D6S型六速旋轉(zhuǎn)粘度計，青島恒泰達機電設備有限公司；Quanta 450型環(huán)境掃描電子顯微鏡，美國FEI公司；RFS71型pH計，上海極力化工產(chǎn)品銷售中心；ZEN3690型納米粒度Zeta電位分析儀，英國馬爾文公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 鉆井液維護方法

在受污染的井漿內(nèi)加入不同濃度的處理劑進行維護，維護后老化16 h測試其流變、濾失性能，通過分析維護前后性能的變化情況判斷處理劑的維護效果。

1.2.2 鉆井液常規(guī)性能測試

鉆井液流變、濾失性能的測試方法參考GB/T 16783.1-2014《鉆井液現(xiàn)場測試 第1部分：水基鉆井液》。

1.2.3 鉆井液Zeta電位測試

使用Zeta電位儀對各階段中壓濾失的濾液進行分析，通過鉆井液Zeta電位的變化情況判斷對應處理劑的維護效果。

1.2.4 鉆井液HTHP濾餅微觀形貌測試

使用環(huán)境掃描電子顯微鏡對高溫高壓的濾餅進行觀測，通過濾餅致密性的變化情況判斷對應處理劑的維護效果。

2 結果與討論

2.1 CaO法

表1 不同CaO加量下體系性能數(shù)據(jù)表

2.2 吸收劑調(diào)節(jié)法

使用有機胺吸收劑進行維護是因為體系內(nèi)存在游離的CO2，有機胺加入體系后在升高pH的同時也會吸收游離的CO2生成碳酸氫銨類物質(zhì)，產(chǎn)物可作為有效的抑制劑提高鉆井液的抑制性能[1]。因此采取加入不同量的有機胺吸收劑進行維護，性能測試結果如表2所示。

表2 不同有機胺加量下體系性能數(shù)據(jù)表

2.3 pH調(diào)節(jié)法

表3 不同pH下體系性能數(shù)據(jù)表

2.4 螯合鈣處理法

因螯合鈣可與Ca2+交換形成更穩(wěn)定的螯合物，加入體系內(nèi)可溶于體系內(nèi)生成的產(chǎn)物將CaCO3螯合于其骨架上，因此可有效避免反應生成的CaCO3作為無用固相影響體系性能，因此實驗室內(nèi)通過改良Ca2+配體，合成了螯合鈣1及螯合鈣2進行維護。

如圖1所示，兩者的最佳溶解條件為pH=11，并且因為改進了水化螯合基團，螯合鈣2的水溶性要優(yōu)于螯合鈣1。因此，在維護前需要將螯合鈣處理劑在pH為11的條件下將其溶解，然后加入到鉆井液體系內(nèi)，才能得到最佳維護效果。

圖1 螯合鈣溶解度隨pH變化圖

實驗采取加入不同量的螯合鈣進行維護，螯合鈣1及螯合鈣2維護性能的測試結果如表4所示。

表4 不同螯合鈣加量下體系性能數(shù)據(jù)表

隨著螯合鈣1不斷增加，粘切逐漸降低但是始終趨于平穩(wěn)，切力逐漸恢復至未污染時的狀態(tài)，當加量為3%時濾失量僅為13.7 mL，滿足現(xiàn)場施工要求。并且隨著螯合鈣1加量不斷增大，體系黏度逐漸增大，這是因為螯合鈣1的水化基團較差，與水結合能力較差，因此導致部分螯合物質(zhì)析出，造成污染。

2.5 最佳維護工藝下的維護工藝分析

對2.1～2.4部分的實驗結果進行分析，對比流變性能、濾失性能的維護情況發(fā)現(xiàn)螯合鈣2維護法為最佳的維護方法，因此對螯合鈣2維護工藝進行維護工藝分析。

2.5.1 Zeta電位測試結果分析

Zeta電位的絕對值與膠體分散的穩(wěn)定性相關，Zeta電位越高，分子間的排斥力越大，更傾向于分散。同理，Zeta電位越低，分子就更容易聚結。對所測Zeta電位進行數(shù)據(jù)處理如表5所示。

表5 Zeta電位數(shù)據(jù)處理

2.5.2 維護前后鉆井液濾餅微觀形貌分析

取維護效果最好的螯合鈣2的濾餅進行觀測，通過分析污染前后鉆井液高溫高壓的濾餅的微觀形貌，掃描電鏡圖如圖5所示。

由圖2可以看出，未污染的鉆井液高溫高壓濾餅比較緊實，濾餅表面沒有較為明顯的裂縫，很少發(fā)現(xiàn)有單獨的塊狀結構。受CO2污染后，濾餅表面明顯變得粗糙，且出現(xiàn)了較多的孔隙結構，有許多細小的分散顆粒。向其中加入螯合鈣2進行維護后發(fā)現(xiàn)孔隙變少，漏失通道減少，從而達到降低濾失的效果。

圖2 污染前后掃描電鏡圖

3 結 論

通過對CO2污染的鉆井液體系展開一系列維護工藝研究，得到以下結論：

(1)針對CO2的污染機理采用CaO法、有機胺吸收劑調(diào)節(jié)法以及pH調(diào)節(jié)法對鉆井液性能進行維護，維護效果雖然無法滿足現(xiàn)場要求(FLHTHP為15 mL)，但能夠?qū)σ盐廴俱@井液的性能形成改善。同時，在維護時需要精確把握處理劑的加量，合適的加量會對體系形成維護，過量的則會對體系造成新的污染。

(2)通過對比發(fā)現(xiàn)CaO法維護后體系粘切變化幅度小，濾失量最為接近現(xiàn)場需求。因此室內(nèi)通過優(yōu)化Ca2+配體合成了螯合鈣1和螯合鈣2，實驗發(fā)現(xiàn)兩者維護后均能使性能達到現(xiàn)場需求，但螯合鈣2相較螯合鈣1溶解度較好，加入體系內(nèi)對體系粘切影響較小，在鉆井液中加量僅為2%時便可使濾失量降至9.6 mL，彌補了傳統(tǒng)方法的不足，能夠更好地滿足現(xiàn)場的鉆進需求。