肖探1井高溫鉆井液碳酸根和碳酸氫根污染及處理

張恒，回海軍

(1.中海油田服務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個方面[1-2]：(1) 地層CO2侵污，灰巖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純堿過量；(4)鉆井液中的有機類處理劑經高溫熱解生成CO2；(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塔里木盆地北部坳陷區古城-肖塘臺緣帶肖塘南斜坡的一口風險探井，設計井深7690 m，實際完鉆井深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，循環過程中一度失去流動性，且添加稀釋降黏劑作用不大，高架槽面和泥漿罐面產生大量泡沫，嚴重影響了施工進程。

2 碳酸根、碳酸氫根污染原理

(1)壓縮擴散雙電層，影響膠粒穩定性。黏土顆粒中的晶格取代決定了其表面帶負電，所吸附的陽離子遇水后解離擴散，形成了陽離子吸附層和擴散層。當CO32-、HCO3-侵入時，會大量消耗擴散層的陽離子數目，進而壓縮擴散層，降低電動電位；當擴散層厚度降至零時，雙電層厚度即為吸附溶劑化層厚度，此時電動電位降至零，膠粒穩定性差，容易聚結失去動力穩定性，進而造成流變性惡化，失水大漲。現場常遇到受CO32-、HCO3-污染后的鉆井液呈現豆腐塊狀，這主要是黏土水化膜變薄，繼而出現溶劑化水被黏土空間網架結構束縛所導致的現象[3-4]。

(2)消耗氫氧根，降低pH值。當CO2氣體侵入到鉆井液體系中時，會產生大量HCO3-，繼而消耗體系中的OH-，導致體系pH值迅速降低，從而使那些在較高pH值環境中才能夠發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，進而影響正常鉆井施工。

(3)大量起泡，影響流變。當侵入到鉆井液中的CO2氣體達到溶解飽和后，未溶解的CO2氣體會被高黏度的鉆井液包裹，形成細分散微泡，進一步惡化鉆井液性能，表現為切力大幅度升高，初切、終切值接近，嚴重時會失去流動性，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穩定性并提供相應功效，而CO2的侵入會造成黏土顆粒表面發生競爭吸附現象，部分吸附位點會被CO2所占據，進而造成處理劑的吸附量下降，導致處理劑降效[6]。

3 肖探1井碳酸根、碳酸氫根污染處理及機理

3.1 肖探1井碳酸根、碳酸氫根污染情況

肖探1井在進入目的層前根據開鉆要求調整了鉆井液性能，但在揭開儲層時，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，流變及濾失量數據如表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氣體污染前表現出良好的流變性和降濾失性能，且pH穩定，200 ℃高溫老化后的性能變化均在可控范圍內。經CO2氣體污染后的井漿出現起泡現象，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，部分有機材料熱解產生CO2促使鉆井液密度繼續降低至1.68 g/cm3；同時在高溫持續作用下，黏土顆粒表面以及鉆井液處理劑分子中的親水基團的水化能力會部分降低，高溫去水化作用導致水化膜變薄，黏土顆粒進一步分散，形成了連續網架結構，致使黏切漲幅超過100%；而CO2污染與高溫作用的雙重影響導致pH值進一步下降至7.5，部分處理劑依托的堿性環境出現變化，處理劑功效下降，鉆井液濾失量進一步上升。

3.2 污染后處理方法選擇與機理

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

室內采用CaCl2配合NaOH處理后效果較好，如表2所示。可以發現，鉆井液密度從處理前的1.69 g/cm3恢復至1.70 g/cm3，說明井漿起泡是由于CO2造成，去除CO2后起泡現象消失，密度恢復正常；同時發現井漿黏切顯著下降，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

在實際鉆進過程中，由于CO2不斷侵入，造成鉆井液性能反復，傳統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氣測含量最高達到100%，鉆井液中CO32-、HCO3-含量急劇上升，最高HCO3-含量達到40000 mg/L以上。為平衡地層壓力，通過補充重晶石和補充重漿等措施將井漿密度提高至1.95 g/cm3，通過表3實驗數據來看，此時CaO、CaCl2處理方法已不再適用。

表3 CaO、CaCl2處理法處理鉆井液嚴重污染時的效果

由表3可知，CO32-、HCO3-嚴重污染情況下，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，反而會進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膠效果入手，引入一些抗污染能力較強的處理劑與鹽類抑制劑配合，提高鉆井液的抗污染能力。同時加強固控使用，降低鉆井液中的黏土含量，達到較好的處理效果。

(2)甲酸鉀與磺酸鹽共聚物協同處理法及機理分析。現場使用甲酸鹽HCOOK與磺酸鹽共聚物DSP-1配合，收到了預期效果，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。DSP-1含有磺酸基和羧基，而這兩種官能團在吸附性、親水性及穩定性方面要優于其他的官能團[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水化能力以及良好的耐溫耐鹽性能等優點，提高鉆井液耐高溫抗鹽、抗污染能力。同時復配甲酸鹽HCOOK，一方面引入K+提高鉆井液抑制性，以控制劣質固相的水化分散，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象。實驗結果如表4所示。

表4 HCOOK、DSP-1處理鉆井液嚴重污染時的效果

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復配使用，充分發揮各自的功效，可以發現體系流變性良好，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。繼續鉆進過程中，通過HCOOK與DSP-1調配膠液進行維護，直至完鉆，鉆井液性能穩定。

4 結語

(1)灰巖地層CO2含量高，是造成肖探1井CO32-、HCO3-污染的主要原因，繼而導致鉆井液中的劣質固相水化、分散，加劇空間網架結構復雜化；還會導致pH值下降，處理劑效果減弱；而過量CO2所導致的微氣泡也會引起鉆井液黏切上升，致使鉆井液流變性惡化；

(2)當CO32-、HCO3-含量較低時，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+拆散黏土空間網架結構從而降低黏度，此外還可以提高pH值保證處理劑功效；

(3)當CO32-、HCO3-含量較高時，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復配使用，通過強親水、強吸附、抗氧化等作用強化鉆井液自身的護膠效果、抑制性和耐溫性，從而提高鉆井液耐污染能力。