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抗CO32-和HCO3-污染钻井液技术研究
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摘要:在深井和超深井的钻探过程中,由于钻遇碳酸氢钠层、纯碱加量过大或含有CO2的地层流体进入钻井液等原因,钻井液常常可能受到CO32-和HCO3-离子的污染。由于CO32-和HCO3-离子污染对钻井液的性能影响较大,且在超深井钻井过程中用的大多是高密度钻井液,钻井液的密度大,粘度和切力也大,受到污染后粘度和切力变得更加难以控制,极有可能引发井塌、井漏等各种井下复杂事故的发生。因此,研究抗CO32-和HCO3-离子污染的水基钻井液,优化钻井液配方,在即将打开目的层钻井液性能未发生恶化前,及时有效地采取合理的处理方式预防CO32-和HCO3-离子对钻井液的污染,提早实现钻井液的转换对保证钻井施工的顺利进行具有重要意义。
关键词:CO32-污染,HCO3-污染,抗温,抗盐
1难题来源
在深井和超深井的钻井过程中,钻井液常常可能受到CO32-和HCO3-离子的污染,不仅对钻井液的性能造成较大的影响,且在超深井钻井过程中,用的大部分是高密度钻井液,钻井液密度大,粘度和切力也大,一旦受到污染,粘度和切力更难控制,有可能引发各种井下复杂事故的发生。
目前在准噶尔盆地西部隆起乌夏断裂带区域打了多口探井,探明二叠系佳木河组存在烃源岩,且以气藏为主。其中,已钻完的风城1井、风011井等发现钻遇风城组时钻井液常受到严重的CO32-和HCO3-离子污染,造成钻井液性能难以控制并由此可能引起井漏和井塌等井下负责事故的发生。风城1井在3558m、3492m、3558m层段均发生CO32-、HCO3-污染,污染严重时,CO32-达30270mg/L,HCO3-达48952mg/L;风011井在3349m层段也发生CO32-、HCO3-污染,且CO32-达18000mg/L,HCO3-达7930mg/L。
因此,优化钻井液配方,在即将打开目的层钻井液性能未发生恶化前,及时有效地采取合理的处理方式预防CO32-和HCO3-离子对钻井液的污染,提早实现钻井液的转换对保证钻井施工的顺利进行具有重要意义。
2碳酸根和碳酸氢根污染来源及其污染特征
2.1碳酸根和碳酸氢根的污染来源
一般情况下钻井液用水对滤液中的碳酸根/碳酸氢根值影响不大。
钻井液中CO32-和HCO3-离子的来源主要有以下几个方面[1][2][5]:
(1)钻遇到可溶性的碳酸氢钠地层;
(2)在井眼中含有CO2的地层流体(气或水)进入钻井液,这种情况在钻进砂泥岩和灰岩地层时均有发生的可能;
(3)处理石膏污染或钻水泥塞时,向钻井液中加入的纯碱量过大;
(4)在钻井液流动或搅拌过程中,空气中的CO2溶解到钻井液中并积累到一定程度;
(5)有机钻井液处理剂在高温条件下热解,如铁络盐、木质素等在温度大于300℃时会发生热降解;
(6)钻遇含H2S地层时,向钻井液中加入含碳酸盐的处理剂,如碱式碳酸锌。
2.2钻井液受碳酸根和碳酸氢根污染后的特征
钻井液被CO32-和HCO3-离子污染后,会对钻井液性能造成很大影响,具体影响特征如下[3][4][6]:
(1)钻井液颜色加深,变为暗灰色或者棕灰色,污染严重时钻井液呈暗黑色胶油状,且钻井液体系起泡不宜消泡;
(2)钻井液的各种粘度和切力明显变大,且波动大,常用的钻井液处理剂对其降粘效果都不好;
(3)由于钻井液粘度变大,其流动性也变差,钻井液起皮现象非常明显;
(4)钻井液挂壁现象严重;
(5)钻井液的滤失量变得不好控制,且滤饼的质量也不如污染前的薄而韧;
(6)用六速旋转粘度计测定粘度时,六转和三转的读数很大,测完之后指针不回零;
(7)钻井液pH值不好控制;
(8)虽然钻井液体系中的膨润土含量和固相含量均在正常值范围,但是钻井液的触变性变强,一旦搅动停止,钻井液很快就呈现“豆腐块”状。
3室内研究
3.1处理CO32-和HCO3-离子污染的思路
常用的处理钻井液中CO32-和HCO3-离子污染的方法,是使钻井液中含有一定量的Ca2+,通常可以通过添加能够提供Ca2+的CaO、Ca(OH)2、CaSO4·2H2O和CaCl2等处理剂,但使用石灰进行处理,熟石灰不宜溶解,随PH值的变化,CaCO3反而进一步溶解而分解成Ca2+和CO32-离子,对减轻钻井液的化学污染不利,而CaSO4·2H2O对钻井液流变性影响较大,因此在本研究中选用了CaCl2。若钻井液中CO32-和HCO3-离子污染不严重的情况下可以通过提高PH值对钻井液进行维护处理,因为当PH值小于9时,滤液中以HCO3-为主,CO32-含量较低;当PH值为9.0~11.3时,滤液中HCO3-和CO32-共存;当PH值大于11.7时,滤液中的HCO
3-在强
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