鉆井液處理劑受CO2 及鹽膏污染機理研究★

李茂森，徐晨陽，范 勁*，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）

開采過程中，由于地層條件的復雜導致鉆井液體系經(jīng)常會不同程度地受到鹽膏、CO2等多種介質污染，污染介質侵入鉆井液體系內會導致鉆井液流變性能和濾失性能變差,無法滿足開采要求，延長鉆井周期、增大鉆井成本[1]。

面對鉆井液受鹽膏污染，許多學者展開了研究[2-8]，但多數(shù)學者采用體系替換的方法，如舒義勇等采取更換鉆井液體系的方法，在ZQ2 井高壓鹽膏層采用水基鉆井液相關技術有效地解決當?shù)貑栴}[2]；李志勇等發(fā)明了一套鹽膏層強抑制高密度鉆井液體系，結合現(xiàn)場維護技術措施，將鹽膏層鉆井成功率提高至95%以上[3]；王磊磊等針對伊拉克區(qū)塊的地層高鹽的特點，研發(fā)出BH-WEI 和BH-KSM兩套抗鹽膏污染能力強的鉆井液體系并成功應用，創(chuàng)下了多項紀錄[4]。面對鉆井液受CO2污染等問題，不同學者針對不同的方向展開研究[9-13]，吳俊等從污染來源等方面總結了相關維護方法，在新疆塔河TP263 井中通過額外加入處理劑來解決污染問題[9]；陳馥、艾加偉等根據(jù)污染機理提出了處理建議并在XX46-X1 等受CO2污染井進行維護處理，滿足了工程需要[10-11]；楊勇等分析CO2污染鉆井液的影響因素及受CO2污染鉆井液的特點，提出若鉆井液被嚴重污染時可使用CaCl2進行處理[12]。

通過調研文獻發(fā)現(xiàn)，在鉆井液體系受鹽膏及CO2污染時，絕大多數(shù)學者都是針對鉆井液體系進行優(yōu)化[2，5]，很少有人單獨對“基漿+處理劑”體系展開研究，因此為解決鉆井液抗污染性能差的問題，本文通過對“基漿+處理劑”體系的黏土水化程度、處理劑水動力學半徑變化及處理劑在黏土上的吸附情況進行分析，得到鉆井液處理劑受CO2及鹽膏污染機理，

1 實驗部分

1.1 實驗原料及儀器

1.1.1 實驗藥品

膨潤土；RSTF、JD-6、LS-2、KPAM；配漿水，取自鉆井現(xiàn)場；NaCl、CaCl2、Na2CO3、NaOH、KCl，成都市科隆化學品有限公司。

1.1.2 實驗儀器

高速攪拌器、六速旋轉黏度計、中壓失水儀、高溫高壓濾失儀、滾子加熱爐，青島恒泰達有限責任公司；高速離心機，湖南凱達科學儀器有限公司；激光散射系統(tǒng)，美國美國布魯克海文儀器公司；紫外可見漫反射分光光度計，美國鉑金埃爾默儀器有限責任公司。

1.1.3 實驗配方

基漿預水化：400 g 配漿水+12 g 膨潤土+0.72 g Na2CO3。

鉆井液配方：膨潤土漿+NaOH+KPAM+LS-2+RSTF+JD-6+KCl+加重劑。

鉆井液老化：160 ℃下熱滾16 h。

模擬污染量：Cl-為100000mg/L；CO32-為5000mg/L；Ca2+為1 000 mg/L。（其中，鹽膏污染采取NaCl、CaCl2模擬，CO2污染采取Na2CO3模擬）。

1.2 實驗方法

1.2.1 “基漿+處理劑”體系抗污染能力實驗研究

首先配制“基漿+處理劑”體系，水化完成后進行污染并高速攪拌40 min，測試污染及老化前后該體系流變、濾失性能。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》[14]。

1.2.2 處理劑水動力學半徑實驗研究

首先將處理劑按配方中加量并溶解，高速攪拌20 min 充分溶解后進行污染并繼續(xù)高速攪拌20 min，污染后制備樣品通過激光散射系統(tǒng)（DLS）測試處理劑的水動力學半徑。

1.2.3 處理劑在黏土上的吸附影響研究

首先按照要求配制“基漿+處理劑”體系，水化完成后進行污染并高速攪拌40 min，然后使用紫外分光光度計對污染前后體系中壓濾失的濾液進行測試。

2 結果與討論

2.1 “基漿+處理劑”體系抗污染性能實驗研究

本實驗采取模擬污染進行研究，通過分析“基漿+處理劑”體系污染及老化前后流變、濾失性能的變化情況，以研究CO2及鹽膏的影響。

2.1.1 “基漿+處理劑”未受污染性能研究

由表1 可知，“基漿+處理劑”體系未被污染時，3 種降濾失劑的降濾失能力為RSTF＞LS-2＞JD-6，降濾失劑JD-6 的抗溫性能較差，老化后濾餅虛厚導致失水較高。

2.1.2 “基漿+KPAM”體系抗污染性能研究

由表2 可知，“基漿+KPAM”體系面對污染時的抗污染能力均較差，受NaCl、NaCl+Na2CO3以及NaCl+CaCl2污染后抗溫、濾失性能變差導致濾餅虛厚、蓬松，失水增加。

表2 “基漿+KPAM”體系抗污染性能測試結果

2.1.3 “基漿+JD-6”體系抗污染性能研究

由表3 可知，“基漿+JD-6”體系中，NaCl 的污染對體系老化前的性能影響較大，會導致濾餅上產(chǎn)生針眼以至于污染前后濾失失控；Na2CO3污染過后動切力變化太大，產(chǎn)生的濾餅虛厚導致濾失過大。

表3 “基漿+JD-6”體系抗污染性能測試結果

2.1.4 “基漿+LS-2” 體系抗污染性能研究

由表4 可知，“基漿+LS-2”體系面對污染時，體系受NaCl 污染后抗溫性能的變差，導致老化后降濾失劑降濾失性變差，泥餅虛厚，濾失失控。

表4 “基漿+LS-2”體系抗污染性能測試結果

2.1.5 “基漿+RSTF”體系抗污染性能研究

由表5 可知，“基漿+RSTF”體系被污染后體系較為穩(wěn)定，濾失在可控范圍內。

表5 “基漿+RSTF”體系抗污染性能測試結果

2.2 CO2 及鹽膏對處理劑的水動力學半徑影響實驗研究

由圖1 可知，KPAM為聚丙烯酸鉀，抗污染性能最差，這是因為遇到污染時其分子鏈受到不同程度的影響導致其卷曲，性能大幅降低；JD-6 為改性酚醛樹脂，性能較差，這是因為污染介質的加入壓縮了樹脂分子的雙電層，降低了樹脂分子之間產(chǎn)生的斥力，導致分子聚集顆粒變大，直觀表現(xiàn)為水動力學半徑變大，降濾失效果降低；LS-2 抗污染性能稍差，在污染離子的加入后中雙電層會被壓縮，分子鏈之間斥力變弱，從舒張變?yōu)轵榭s，導致水動力學半徑增大，降濾失效果變差；RSTF 抗污染性能較好，這是因為其本身由腐殖酸、丙磺酰胺改性而來，分子鏈上分布的磺酸基擁有較好的抗溫抗鹽性能，使其在面對單一污染和復合污染時所受影響較小，因此水動力學半徑變化較小。

圖1 處理劑水動力學半徑受污前染后的實驗數(shù)據(jù)圖

2.3 CO2 及鹽膏對處理劑在黏土上的吸附影響研究

由圖2 可知，在“基漿+JD-6”中污染后與清水相比吸光度變化幅度較大，這是因為污染后離子壓縮樹脂分子的雙電層，分子間斥力變差導致其聚并、顆粒變大，與黏土之間引力變差，與黏土結合量迅速降低，體現(xiàn)為處理劑有效濃度降低，未結合的JD-6 無法發(fā)揮作用，從而影響了該體系的濾失及抗溫性能；在“基漿+RSTF”中加入對應的污染介質發(fā)現(xiàn)與清水相比吸光度變化較小，這是因為RSTF 分子鏈上分布的磺酸基相較污染離子在與黏土結合時擁有較好的吸附性，極大地降低了污染介質對處理劑有效濃度的影響，進而驗證了在測試濾失性能時“基漿+RSTF”體系擁有較為優(yōu)異的抗污染性能的結果。

圖2 CO2 及鹽膏對處理劑在黏土上的吸附影響數(shù)據(jù)圖

3 結論

通過對以上研究的總結，得到以下結論：

1）通過對流變?yōu)V失性能進行測試，實驗發(fā)現(xiàn)“基漿+處理劑”體系在面對CO2及鹽膏污染時，“基漿+KPAM”體系、“基漿+JD-6”體系及“基漿+LS-2”體系污染較為嚴重，“基漿+RSTF”體系則較為穩(wěn)定；

2）通過對“基漿+處理劑”體系的處理劑水動力學半徑變化及處理劑在黏土上的吸附情況進行分析，實驗發(fā)現(xiàn)CO2及鹽膏污染的機理是污染介質的加入是壓縮了處理劑的擴散雙電層，進而顯著地降低了處理劑在黏土上的吸附能力，使得處理劑有效濃度降低，導致體系性能變差。

3）通過對處理劑水動力學半徑研究，實驗發(fā)現(xiàn)“基漿+KPAM”體系、“基漿+JD-6”體系及“基漿+LS-2”體系抗污染性能差的原因是在于其中的處理劑耐鹽性能較差，而“基漿+RSTF”體系抗污染性能強是因為其中的處理劑腐殖酸丙磺酰胺共聚物（RSTF）優(yōu)異的抗鹽性能，保證分子在面對污染時能夠很好地保持原性能。