抗鹽鈣水基鉆井液室內(nèi)研究

林俊宇

（四川華鋒鉆探工程有限責(zé)任公司，四川成都610091）

抗鹽鈣水基鉆井液室內(nèi)研究

林俊宇*

（四川華鋒鉆探工程有限責(zé)任公司，四川成都610091）

在分析了鉆井液抗鹽鈣侵作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出了一種適用于地質(zhì)鉆探現(xiàn)場(chǎng)施工的抗鹽鈣水基鉆井液體系，并對(duì)該鉆井液體系進(jìn)行了抗鹽抗鈣能力的室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)。結(jié)果表明，該鉆井液體系抗鹽抗鈣能力強(qiáng)，并且該鉆井液體系組成簡(jiǎn)單，便于配制、使用和維護(hù)。

鉆井液配方；抗鹽；抗鈣；室內(nèi)研究

在含鹽礦石地層鉆進(jìn)時(shí)，由于常規(guī)的細(xì)分散鉆井液體系抗污染能力差，給鉆井液的正常使用和維護(hù)帶來了很多問題，針對(duì)這一問題，以一般磺化鉆井液為基礎(chǔ)，復(fù)配其他處理劑，配置出了一種抗鹽鈣型水基鉆井液，在對(duì)其抗鹽抗鈣污染能力的評(píng)價(jià)試驗(yàn)中表現(xiàn)出了良好的性能。

1　抗鹽鈣鉆井液體系選擇

1.1鹽鈣侵的機(jī)理

（1）鈣侵的作用機(jī)理：一方面，由于Ca2+易與鈉蒙脫石中的Na+發(fā)生離子交換，使其轉(zhuǎn)化為鈣蒙脫石，而Ca2+的水化能力比Na+要弱的多，使體系分散度降低；另一方面，Ca2+本身是一種無機(jī)絮凝劑，會(huì)壓縮粘土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層，使水化膜變薄，ξ電位下降，從而引起粘土晶片面—面和端—面聚結(jié)，造成粘土顆粒分散度降低，致使鉆井液的粘度、切力和濾失量增大。

（2）鹽侵的作用機(jī)理：鉆井液中的粘土礦物由于晶格取代其顆粒表面帶有負(fù)電荷，吸附陽離子形成擴(kuò)散雙電層。隨著進(jìn)入鉆井液的Na+濃度不斷增大，必然會(huì)增大粘土顆粒擴(kuò)散雙電層中陽離子的數(shù)目，從而壓縮雙電層，使擴(kuò)散層厚度減小，顆粒表面的ξ電位下降。在這種情況下，粘土顆粒的靜電斥力減小，水化膜變薄，顆粒的分散度降低，顆粒間端—面和端—端連接的趨勢(shì)增強(qiáng)。當(dāng)Na+濃度增大到一定程度之后，壓縮雙電層的現(xiàn)象更為嚴(yán)重，粘土顆粒的水化膜變得更薄，致使粘土顆粒發(fā)生面—面聚結(jié)，分散度明顯降低。鉆井液的粘度和切力在分別達(dá)到其最大值后又轉(zhuǎn)為下降，濾失量則不斷上升。

1.2抗鹽鈣體系選擇

抗鹽鈣處理劑的優(yōu)選。從鹽鈣侵的作用機(jī)理可以看出，Ca2+和Na+對(duì)鉆井液造成影響的一個(gè)共同原因是這2種離子濃度增大時(shí)會(huì)壓縮粘土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層，使擴(kuò)散層厚度減小，水化膜變薄，ξ電位下降，粘土顆粒的靜電斥力減小，顆粒的分散度降低，造成鉆井液粘切上升。所以在選擇抗鹽鈣處理劑時(shí)，就要從穩(wěn)定和增大粘土顆粒表面擴(kuò)散雙電層厚度，增加ξ電位等方面考慮。

根據(jù)以上分析，再結(jié)合鉆井液材料的特性，首先是在一般磺化鉆井液體系的基礎(chǔ)上加入CMC和抗鹽降粘劑SRH-1，維護(hù)好體系的膠體穩(wěn)定性，由于這類分散劑的分子中含有大量的水化基團(tuán)，當(dāng)吸附在粘土顆粒表面后，會(huì)引起水化膜變厚，ξ電位增大，有效地阻止粘土顆粒在受到Ca2+和Na+污染時(shí)出現(xiàn)聚結(jié)現(xiàn)象，有助于保持鉆井液的聚結(jié)穩(wěn)定性，使鉆井液在遭遇污染后仍能維持性能的穩(wěn)定；二是盡量降低鉆井液中的膨潤(rùn)土加量，盡可能減少Ca2+和Na+造成粘土顆粒聚結(jié)沉降的可能性，這樣也有利于維持鉆井液的穩(wěn)定性。同時(shí)磺化褐煤和磺化酚醛樹脂的配合使用也能大大提高體系的抗鹽鈣污染能力。

2　鉆井液配方和性能

通過對(duì)鹽鈣侵機(jī)理的分析，優(yōu)選CMC、抗鹽降粘劑SRH-1、SMC、SMP-1和KHm等處理劑配置抗鹽鉆井液，通過配伍性試驗(yàn)選出了一種粘切適當(dāng)、濾失量低和流變性良好的鉆井液體系。鉆井液的配方為：5%膨潤(rùn)土+純堿（5%土）+3%SMP-1+3%SMC+1% SRH-1+0.2%NaOH+0.2%CMC-LV+1%KHm。其基本性能見表1。

表1　鉆井液性能

3　鉆井液抗鹽鈣性能評(píng)價(jià)

3.1抗鹽污染能力

鉆井液抗鹽污染性能見表2。由表2可以看出，鉆井液的漏斗粘度、表觀粘度、塑性粘度和動(dòng)切力隨著NaCl的加入并未發(fā)生大的變化，濾失量也在合理范圍內(nèi)變化，鉆井液的流動(dòng)性良好。這是由于試驗(yàn)前先將膨潤(rùn)土在淡水中經(jīng)過預(yù)水化，并且加入了SMP、SMC和CMC等護(hù)膠劑以及抗鹽分散劑SRH-1。此時(shí)一方面膨潤(rùn)土仍表現(xiàn)出一定的水化性能，從而對(duì)穩(wěn)定鉆井液的粘切和濾失量起到了一定作用；另一方面護(hù)膠劑的加入又防止了粘土顆粒發(fā)生面—面聚結(jié)而時(shí)鉆井液粘切下降和濾失量上升的現(xiàn)象。總的來看，體系的抗鹽能力強(qiáng)，抗鹽能達(dá)到飽和狀態(tài)。

3.2抗鈣污染能力

表2　鉆井液抗鹽污染性能

3.2.1抗CaO污染能力

在常溫下評(píng)價(jià)該鉆井液的抗CaO污染能力，性能見表3。由表3可以看出，隨著CaO加量的增加，鉆井液的漏斗粘度有一定程度的增加，但是總體來說仍然處于可控范圍之內(nèi)，塑性粘度、動(dòng)切力和濾失量基本不變，表明該鉆井液在3%CaO這一較高鈣離子濃度條件下，性能仍能保持穩(wěn)定。說明鉆井液具有較強(qiáng)的抗CaO能力。

表3　鉆井液抗CaO污染性能

3.2.2抗CaCl2污染能力

為了驗(yàn)證該鉆井液的抗高鈣能力，在常溫下評(píng)價(jià)了該鉆井液的抗CaCl2污染能力，性能見表4。從表4中可以看出，隨著CaCl2的加入，鉆井液的漏斗粘度和塑性粘度先增大后減小，隨后趨于穩(wěn)定，動(dòng)切力和濾失量基本不變。這是因?yàn)楫?dāng)Ca2+濃度增加時(shí)，粘粒形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，鉆井液的粘度、切力增大，但當(dāng)Ca2+的濃度繼續(xù)增大時(shí)，粘粒表面吸附的Na+大部分或全部被Ca2+所交換，雙電層和水化膜就變得更薄起來，ξ電位也趨近于零，這時(shí)粘粒間斥力減小，吸引力增大，粘粒面—面相吸而聚結(jié)，形成結(jié)構(gòu)可能性減少，于是粘粒變粗而發(fā)生聚沉現(xiàn)象，致使粘度、切力下降。粘度、切力下降到一定程度后，變化幅度很少，說明粘粒全部發(fā)生聚沉現(xiàn)象時(shí)，粘度、切力已不隨Ca2+的增大而變化。總的來說，該鉆井液在高Ca2+濃度情況下仍能保持較好的性能，說明該鉆井液有較強(qiáng)的抗鈣污染能力。

表4　鉆井液抗CaCl2污染性能

4　結(jié)論

（1）通過室內(nèi)評(píng)價(jià)試驗(yàn)證明該鉆井液體系具有較好的抗鹽鈣侵污染的能力，抗NaCl污染可基本達(dá)飽和、抗的CaO濃度可達(dá)3%、抗CaCl2污染濃度可達(dá)1.5%。根據(jù)以往現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該說在鉆進(jìn)除巨厚鹽層外的一般厚度鹽巖層時(shí)，該鉆井液體系能起到很好的作用。

（2）通過探索該抗鹽鈣水基鉆井液的方案設(shè)計(jì)和對(duì)該鉆井液抗鹽鈣能力的分析，為進(jìn)一步配置鉀石灰、石膏鉆井液等復(fù)雜鈣處理鉆井液或飽和鹽水鉆井液奠定了良好的基礎(chǔ)，也為研究適用于鉆進(jìn)巨厚鹽巖層的鉆井液體系提供了一個(gè)基礎(chǔ)。

（3）該鉆井液體系簡(jiǎn)單，構(gòu)成配方的鉆井液材料也比較常見，配置使用方便，適合應(yīng)用于設(shè)備有限的地質(zhì)鉆探施工中。

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TE254.3

A

1004-5716（2016）04-0076-03

2015-03-26

林俊宇（1989-），男（漢族），四川南充人，助理工程師，現(xiàn)從事鉆探工程技術(shù)工作。