钻井液CO2污染的预防及处理技术

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1、钻井液 CO 2污染的预防及处理技术 扌商要：针对敖平1井气侵及处理情况，分析CO2污染水基钻井液作 用机理，评价本井处理方式方法是否合理， 并提出有效的处理方法 和措施，解决中浅井水基钻井液受CO2严重污染后难以处理的技术 难题，形成水基钻井液抗CO2污染技术措施。为今后施工含CO2储层 及注CO2区块提供技术保障。关键词:水基；钻井液；二氧化 碳；污染钻井液作为钻井的“血液”，在钻井作业中起着非常重要的作 用。性能良好的钻井液是钻井施工成功的基本条件之一，但钻井过 程中钻井液易被外来CO2污染而变质失效，防控措施不当有发生连锁井下复杂风险，严重影响钻井 施工安全。因此，如何提高钻井液的抗C

2、O2污染能力，以及经济高效 地处理已被污染的钻井液，对保证钻井施工安全顺利地进行和提高钻 井的经济效益具有重要意义。文中针对钻井过程中CO2对钻井液的 污染问题，剖析了其导致污染的根本原因，从提 高钻井液自身抗污染 能力和已污染钻井液的处理 2个方面提出了钻井液污染防治措施。1 C02的来源及污染钻井液的机理1.1 CO2侵入钻井液的方式1.1.1钻井液长期与空气接触，CO2溶解进入钻井液；1.1.2 钻井液处理剂相互反应生成 CO2；1.1.3 处理钙侵和水泥侵时加入纯碱过量；1.1.4 钻井液处理剂在高温高压下分解产生 CO2；1.1.5钻遇含CO2的天然气侵入钻井液；1.2 CO2污染钻

3、井液测定方法CO2气体进入钻井液后，根据钻井液pH值的不同，可以有OH_、 日切3-和CO32_三种形式存在于钻井液中。1.2.1碳酸根离子的测定（1）用移液试管移取20ml试液于锥形瓶中，加入2-3滴酚酞指示 剂（5g/L ），用0.1mol/L盐酸标准溶液滴定至红色刚刚消失，记录 消耗盐酸标准溶液的体积（V1）。（2）在上述溶液中，再加入2-3滴甲基橙指示剂（1g/L），继续用0.1mol/L 盐酸 标准溶液滴定至溶液显橙色即为终点，记录消耗盐酸V2)。标准溶液的体积（3）计算当vpv2时p(C0$ ) = (cVV0)X1.200 X10-5 p (Oh-)=(c(X 3:402)X 1

4、005p(CO32-) = (cV1/V0)X1.200 X106 (HCO3-) = (c(V2-V1)/V0)X1.220 X106当VfV2时(CO32-) = (c(V1+V2)/V0)X6.001 X105当V1=0时, 时V2*0-6 p(HCX1 二(c0 XV06-5 P（X =（402i/M5POH)式中：p（CO32-） 滤液中碳酸根离子含量，mol/L ;（HCO3-） 滤液中碳酸氢根离子含量，mol/L; p 滤液中氢氧根离子含量， mol/L； c 盐酸标准液浓度mol/L ；v酚酞变色时消耗盐酸标准液的体积，mol/L ; V2从 酚酞变色到甲基橙变色时消耗盐酸标准

5、液的体积， mol/L； V0 所取试液的体积， ml； （1. 220 X106 3.402 1X05 6.001X105）655系数。准确测定钻井液中CO32_和hco3_的含量，对于指导现场处理有 着重要的作 用。一般情况下，钻井液中的 CO3 2-含量小于 2400mg/L 时，对钻井液性能不会产 生影响（不同浓度酸根离子对钻井液性能的 影响见表 1）。离子浓度/mgL 1pH值对钻井液性能的影响2-CO3 2500HCO 3-+ CO 32800010.5910.5898无影响影响略小，粘切略升粘切剧增，滤失量大几乎失去流动性当大量的C02气体进入钻井液时，钻井液中CO32-和hco

6、3-浓度逐渐 增大，造 成钻井液粘度升高、滤失量增大和pH值降低，严重破坏钻 井液性能。随着hco3一浓度增加，动切力呈上升趋势；而随着co32一浓度 增加，动切力则先减后增。受CO3-和HCO3-这两种离子污染后的钻井液 性能很难用加入处理剂的方法加以调 整，因此只能用化学方法将它们 清除。1.3 CO污染钻井液的危害机理1.3.1地层中大量的CO2进入钻井液，使CO32-含量增加，造成粘土 等低密度 固相物质形成细分散，使钻井液粘度、切力大幅度上升。1.3.2污染钻井液pH值迅速降低，导致钻井液中的处理剂失效。钻井液受CO2污染后，由于大量HCO3_的存在，pH值迅速降低，导致 碱性环境中

7、才能有效发挥 作用的处理剂功效下降， 钻井液表现出不接 受降粘剂处理， 粘度、切力难以控制。1.3.3侵入CO2在钻井液中形成细分散微泡，导致钻井液切力大幅 度升高。大量未溶解的CO2气体被钻井液包裹，形成细分散微泡，导 致钻井液切力升高， 初切、终切接近，流变性恶化，尤其是高密度钻 井液更为突出。1.3.4低密度钻井液受到CO2污染，通常表现为钻井液大量起泡， 随着CO2污染量的增大，钻井液粘度、切力和滤失量略有增加，pH值 降低。1.3.5高密度钻井液受到CO2污染则不会有明显的“起泡现 象 ”，失水变化不 大，但是粘度、切力变化明显，初终切数值拉近甚 至相等，滤饼质量变差。当出现严重CO

8、2气侵，未溶解的CO2气体完 全分散入钻井液形成高度细分散微泡，引 起明显的流态变化， 尤其是表 1 不同浓度酸根离子对钻井液性能影响表 固相含量很高的超高密度钻井液甚至可能会在较短的 时间内失去流动 性。2 敖平 1 井气侵问题敖平1井水平段钻进至2485m，短起下后循环时井口返出钻井液显著增稠， 颜色暗黑无光泽，并散发酸臭味，密度从 1.30g/cm3 降至 1.25g/cm3,漏斗粘度从参数密度粘度AVPVYP切力APIPHg/cm3smPa smPa sPaPa/Paml污染前1.30704828163/82.09.5处理前1.2520086782712/182.87处理后1.3272

9、41.529183/122.29表1敖平1井处理C0 2污染前后钻井液性能表70 s升至200 s, PH值从9.5降到7,总烃值从0.3%升至40%, CO2值最 高达到 3.89%， 取钻井液滤液通过碳酸根离子的测定方法计算出 HCO3- +C032-离子浓度值将近3600 mg L,判断发生C02侵。处理过程中首先 计算出受污染钻井液滤液中HCO3+CO32_离子浓度值，根据当时钻井液总 量，排放污染严重钻井液10 m3，循 环补充含10%Ca0的碱胶液15 m3，同时密度由1.25 g/c m3循环加重至1.32 g/cm3,平衡住地层压力。 通过以上处理措施，受污染钻井液滤液中碳酸根

10、离子浓度1800 mg.L ,烃值及C02值逐渐回落至气侵前正常值，钻井液表观粘度下降，动切 力、初切、终切下降，且初切与终切值差拉大，PH值升至9,钻井液 的流变性能有所改观，气侵得以控制。考虑到C02对钻井液滤失量的 负面影响， 循环加入 3%降失 水剂和2%封堵防塌剂， 控制钻井液滤失 量和泥饼质量。C02污染前后钻井液性能 变化如下表所示。结论：实验表明，通过CaO处理被C02污染的钻井液，粘度迅速下降、 pH值上升。钻井液动切力、初切、终切下降，且初切与终切的值差拉大。 说明CaO 处理被C02污染的钻井液具有良好的效果且效果明显。3室内研究3.1 CaO处理受污染钻井液室内实验分析

11、敖平1井处理受污染钻井液的方法，加入CaO数量是否合理 通过室内实验 验证，取得CaO的最佳加量。当用石灰处理C032-、HC03-污染时，会使pH值升高，为避免pH过 高造成新的污染，可以加入适量的有机酸处理剂。其原理为CaO与水 反应生成Ca(OH)2, Ca2+与CO32和HCO3反应生成CaCO3沉淀而将CO32和 HCO3_除掉，同时产生了 OH_提咼钻井液的pH值，最后加入有机酸中和 过多的 OH-。取敖平 1 井 CO2 污染的钻井液滤液通过碳酸根离子的测定方法计算 出C032-、HC03-的离子浓度，计算出CaO的溶液的含量为10%，受污染 的钻井液分别加入不同比例的CaO,在

12、模拟井底高温（120C）滚动 16h 后，将 CaO 按 10%浓度配成悬浮液。取不同量的悬浮液加入现场钻井液中，搅拌并老化至12OC 后，冷却至 室温测试钻井液性能，得出最佳用量。性能见表 2，表中 加量为体积比。表2受到CO 2污染钻井液经CaO处理性能表钻井液AV(mPas)YP(mPas)切力(Pa/Pa)井浆862712/18井浆+1%CaO （老化前）70149/14井浆+2%CaO （老化前）72125/11井浆+3%CaO （老化前）7310.53/8井浆+1%CaO （老化后）65138/13井浆+2%CaO （老化后）68124/10井浆+3%CaO （老化后）70103/

13、7结论：通过室内试验，确定加入10%质量分数浓度的CaO悬浮液最佳用量为 3%（体积比 ）。老化后的钻井液性能跟老化前的钻井液性能做对比，说明CaO处理 被CO2污染的钻井液效果明显。3.2 CaCl处理受污染钻井液室内实验 对于深井超深井来说由于井深，井底温度高，钻井液密度高，钻井液处理 量大，而且石灰等处理剂对钻井液性能本身有一定影响，使用CaCI2处理可以保证钻井液的高温稳定性，对于清除CO32和HCO3共存可使用CaCl2配合 NaOH或KOH溶液来处理。CO32_可用钙处理的方法使其生成CaCO3沉淀 将其除去，而HCO3-不能直接除去，必须先使它与OH反应转换生成CO32- 后才可

14、能除去。室内实验使用CaCl2配合NaOH溶液进行，验证效果。取敖平1井CO2污染的钻井液滤液通过碳酸根离子的测定方法计算 出CO32-、HCO3-的离子浓度，计算出CaCl2的含量为30%，受污染的钻井 液分别加入不同比 例的CaCl2,在模拟井底高温（120C）滚动16h 后，将CaCl2按30%浓度配成悬浮液。取不同量的悬浮液加入现场钻井 液中，搅拌并老化至120C后，冷却至室温测试钻井液性能，得出最佳用量。性能见表 3 ，表中加量为体积比。并保证钻井液高温稳定。确定加入30%质量分数浓度的CaCI2悬浮液 最佳用量为 2%(体积比)。4 CO2污染的预防及处理方法4.1 CO2 污染的

15、预防24.1.1用滤液碱度分析的方法可以确定钻井液是否受到CO32_污 染。4.1.2 根据实际需要提高钻井液密度，平衡地层流体压力，尽可能减少CO2进入井筒，高密度钻井液保持较低的膨润土含量，防止CO2污染后钻 井液形成高 度细分散。4.1.3保持钻井液中始终有过量的石灰。CaO在生成CaCO3的同 时不断地消耗CO32_和HCO3-，由此可预防CO2侵入所带来的钻井液性 能恶化。过量的石灰作 为储备钙存在钻井液中，形成Ca(OH) 2微溶 物，它能缓慢释放Ca+，对体系的pH值等相关性能有较好的缓冲调节 作用。4.1.4加强钻井液中Ca2+、C032-、HC03-、OH的浓度监测，根据离子

16、 浓度监 测情况，随时对钻井液进行处理维护。4.1.5 始终保持 pH 值大于 9，在这种环境下， CaO 能够迅速而有 效地溶解释放Ca+。否则，即便存在过量的石灰，也会因溶解速度不够而不能很好的 发挥作用。4.2 CO2 污染后处理方法24.2.1加入CaO悬浮液是处理C02及C032一污染的有效方法。加入CaO 悬浮液 初期会出现钻井液流动性变差，性能变坏现象，这主要是 由于地面温度低，CaO与水反应生成Ca(0H)2未完全溶解，Ca2+与C032- 未充分反应，经过井内高温和钻 头喷嘴的喷射作用，反应进行完全， 从而改善钻井液流变性能。用石灰处理反应式：C032+HC03+2Ca(0H

17、)2T 2CaC031 +H20+30H一在处 理过程中切忌加量过大过快， 要在室内试验的基础上按循环周缓慢均 匀 加入，最好在 2 个循环周内进行，以免粘度切力下降幅度过大，特 别是高密度钻 井液会导致加重剂沉淀。4.2.2 保持钻井液中有足够的储备钙，预防地层中新进入的 C02 气 体对钻井 液造成污染，钻井液受到C02严重污染时可使用CaCI2处 理。用氯化钙处理反应式如下：C032+HC03+2Ca2+0HT 2CaC031 +H20当 钻井液出现严重的C02污染时，可以选用溶解度较大的CaCI2进行 处理。受污染钻井液用CaCI2溶液进行处理后，使受破坏的钻井液性能得以恢 复。用 C

18、aCI2 处理受污染的钻井液，必须加入烧碱，这样可以维持 pH 值不降低。无论用 什么样的方法处理受 C02 污染的钻井液，处理时都 必须同时加入适量的降粘剂和 降滤失剂， 从而获得满意的钻井液流变 性和滤失性能。 具体的加量由现场根据试 验确定。4.2.3 应加入一定浓度的其他功能性材料，调整钻井液的流变性、 失水造壁 性。必要时加入表面活性剂和消泡剂，有利于钻井液脱气、 消泡和密度的保持。4.2.4 固控设备除气器(一般气井使用) 。4.2.5 对于高密度水基钻井液， “一压、二高、三除 ”是处理 C02污染的有效方法。“一压”即钻遇C02时，第一时间提高密度平衡 地层流体压力， 截断污染

19、源； “二高 ”即使用高碱比胶液，提高 pH 值使其大于 11.5，使钻井液中只存在 CO32-， 降低处理难度。 “三 除”即根据滤液分析结果确定钙处理剂加量， 尽快清除酸根离 子。5 结论与认识5.1 结论：5.1.1对钻井液中CO2的来源进行了分析，并得出CO2污染钻井液 的机理；5.1.2确定了不同C032-、HCO3-的离子浓度对钻井液的影响程度。通 过C032-、HCO3-的离子浓度计算出C02污染后的钻井液需要加入Ca2+的 浓度。5.1.3 对如何处理 CO2 污染后的钻井液进行了室内实验研究，并得 出处理剂的 最优加量；5.1.4 经过室内实验和现场处理经验，总结出水基钻井液 CO2 侵的 预防措施及 处理方法。5.2 认识：CO2 污染钻井液的预防和及时发现及时处理是关键。现场施工中随 时关注钻 井液粘度的变化，勤做实验，及时了解钻井液的表观粘度、 密度与切力、pH 值。出现污染后，首先应计算出钻井液中CO32-、HCO3-的离子浓度，应用基础 化学理 论，迅速通过加入 CaO 和 CaCl2 有效的处理，使钻井液性能及 时回复正常，保证 体系的良好稳定，才能保证钻井施工的顺利进行。