多功能剂抗复合离子污染机理研究及应用

2018-07-04付帆朱启星陶士先李晓东熊正强

地质装备 2018年3期

付帆，朱启星，陶士先，李晓东，熊正强

(1.北京探矿工程研究所，北京 100083；2.山东省第八地质矿产勘查院，山东日照 276800)

0 引言

在新疆、青海地区钻探过程中，由于施工条件限制，无法运输足够的淡水，只能采用地表卤水配制冲洗液；或者是在海边施工时，当地的水矿化度较高；而在海上施工时，只能采用海水配制冲洗液。在这些情况下很难配制出胶体稳定性好的冲洗液，更不要说根据地层情况配制出符合性能要求的冲洗液。为了解决这一难题，北京探矿工程研究所钻井化学技术研发中心研制了一种多功能剂，目前已经成功应用于新疆、山东海域、南黄海海域钻探施工中。本文对该种多功能剂的抗复合离子污染性能进行评价，并进行相关机理分析。

1 抗复合离子污染性能评价

对多功能剂抗复合离子污染性能的评价是通过测试多功能剂直接与复合盐水配制的冲洗液性能情况判定的。首先，分别对多功能剂抗钙、镁、钾离子性能进行了评价，在此基础上进一步评价了其对配制的复合盐水、天然卤水、天然海水的抗污染能力。

1.1 抗钙、镁、钾离子性能评价

1.1.1 抗钙离子性能评价

为了研究多功能剂抗钙离子污染能力，这里采用氯化钙和硫酸钙分别配制成不同浓度的水溶液，再将4%～6%的多功能剂加入其中，配制成冲洗液，通过测试冲洗液性能，评价多功能剂抗钙离子污染能力，评价结果见表1。

表1 不同浓度氯化钙和硫酸钙水溶液配制的冲洗液性能

在30℃时，氯化钙的溶解度是100.0 g/100 mL，当氯化钙浓度为100 g/100 mL时，溶液处于饱和状态。从表1测试结果可以发现，当氯化钙浓度低于50 g/100 mL时，溶液中仅加入4%多功能剂配制的冲洗液即具有良好的性能；随着氯化钙浓度的增加，只需加大多功能剂加量至5%～6%即可使冲洗液性能维持在理想范围内。在30 ℃时，硫酸钙的溶解度是0.264 g/100 mL，硫酸钙加量为0.3 g/100 mL时，溶液处于饱和状态。从表1中测得冲洗液性能可以看出，硫酸钙浓度对冲洗液性能没有明显影响，表明多功能剂抗硫酸钙污染可以至饱和状态。

1.1.2 抗镁离子性能评价

与上述方法一样，将氯化镁和硫酸镁配制成一定浓度的水溶液，与一定量的多功能剂配制成冲洗液，测试冲洗液性能，结果见表2。

表2 不同浓度氯化镁和硫酸镁水溶液配制的冲洗液性能

在30℃时，氯化镁的溶解度是55.8 g/100 mL，所以当六水氯化镁浓度为300 g/100 mL时，氯化镁溶液处于饱和状态。从表2测试结果可以看出，当六水氯化镁浓度低于250 g/100 mL时，溶液中仅加入4%多功能剂配制的冲洗液性能即可保持在一个较好的范围内；高于此浓度时，则需增大加量，依据情况加入5%抗复合离子污染多功能剂即可配制出各方面性能满足要求的冲洗液。硫酸镁在30 ℃时的溶解度是38.9 g/100 mL，所以硫酸镁加量为40 g/100 mL时，溶液处于饱和状态。从表2测试结果可以看出，硫酸镁浓度的增加对冲洗液性能几乎没有影响，表明多功能剂抗硫酸镁污染可以至饱和状态。

1.1.3 抗钾离子性能评价

将氯化钾配制成一定浓度的水溶液，将4%多功能剂加入其中制备成冲洗液，通过评价冲洗液的性能，研究多功能剂抗钾离子污染能力，测试结果见表3。

氯化钾的溶解度在30 ℃时是37.2 g/100 mL，所以氯化钾加量为40 g/100 mL时，氯化钾溶液处于饱和状态。从表4测试结果可以看出，氯化钾浓度的增加对冲洗液性能影响不大，说明功能剂可以抗氯化钾污染可至饱和状态。

表3 不同浓度氯化钾水溶液配制的冲洗液性能

1.2 抗复合盐水性能评价

1.2.1 抗室内配制复合盐水性能评价

本研究中采用的复合盐水配方为：1000 mL蒸馏水+45 g氯化钠+13 g六水氯化镁+5 g氯化钙。不同加量的多功能剂在复合盐水中的性能见表4。

表4 不同加量的多功能剂在复合盐水中的性能

从表4测试结果可以看出，随着多功能剂加量增加，冲洗液黏度和相对膨胀降低率提高，滤失量降低，当多功能剂加量为3%～4%时，其性能就可以满足一般地质钻探的要求。

1.2.2 抗海水和卤水性能评价

从山东莱州附近海域采集到天然海水，pH6.5，密度为1.03 g/cm3，具有较高的矿化度(见表5)。从新疆地区采集到当地天然卤水，pH6，总含盐量为5.7%(见表5)。用采集到的海水和卤水配制的4%多功能剂冲洗液性能见表6。

表5 海水和卤水水样水质分析结果(离子浓度)

表6 海水和卤水配制的抗复合离子污染多功能剂冲洗液性能

由表6测试结果可以看出，多功能剂在海水和卤水中具有良好的造浆和降滤失性能，可以抗多种复合离子污染。

综合上述结果，多功能剂对钙、镁、钾离子均具备很好的抗污染能力，其中对硫酸钙、硫酸镁、氯化钾的抗污染能力可达到饱和状态。对含有多种离子的复合盐水、天然海水和卤水的抗污染能力同样很好。对于一般地层，仅采用多功能剂直接配制出冲洗液就可以满足钻探需求，解决了在没有淡水的情况下，无法配制出胶体稳定性好、性能满足钻探需求的冲洗液的问题。

2 抗复合离子污染机理分析

为了研究抗复合离子污染机理，对多功能剂进行了红外光谱仪分析(见图1)，得到其分子结构，进一步确认层间存在的离子和化学键类型。

图1 多功能剂红外光谱图

根据图1中的吸收峰位置可以获得多功能剂存在的各对应基团[1](见表7)。3350 cm-1处为自由羟基O-H的伸缩振动，在2945 cm-1处出现C-H伸缩和弯曲振动峰，1647 cm-1为甲基-COO-伸缩振动，在1121 cm-1和1647 cm-1处存在-SO3振动峰。根据红外光谱图分析可知，多功能剂中存在-COOH和-SO3Na强水化基团，其中-SO3Na基团遇水变为-SO3H，-SO3H中有两个S-O配价键，增强了S-OH基吸引电子的能力，使-OH中的氢易于离解，呈强酸，伴随着离解，自由能降低较多，离解生成的-SO3-较稳定。-SO3-对正离子的吸引力较弱，带有正电荷的离子不易进入-SO3-的水化层，不易发生去水化作用。上述这种现象的宏观表现就是具有很好的抗复合离子污染能力[2-3]。

表7 多功能剂红外光谱基团对应表

3 多功能剂抗复合离子污染应用案例

3.1 新疆若羌县坡北地区的应用[4]

新疆若羌坡北铜镍矿区施工过程中采用的配浆用水取自附近盐湖的卤水，含盐量为5.7%，密度为1.05 g/cm3。采用卤水与普通膨润土搅拌配制的泥浆胶体率低，水和土易分层，携带效果差，滤失量大。在此期间也曾经采用淡水配制泥浆，但是淡水运输距离远、运量小、成本高，且泥浆性能也未达到预期效果。最终采用多功能剂直接与卤水配制的冲洗液解决了胶体率低、不能有效悬浮携带和清除岩粉、达不到稳定孔壁的作用等问题。

3.2 山东莱州海上钻探的应用[5]

施工钻孔距离海岸约1.5 km，设计孔深为1700 m，全孔绳索取心。开始采用无固相冲洗液，但不能解决松散破碎孔段岩屑携带问题。最后采用3.5%～4% MBM直接与海水配制的冲洗液解决了上述问题，不仅展现出了良好的护壁和携砂效果，并且配制简单，维护方便，获得了施工方的好评。

3.3 南黄海海上钻探的应用[6]

南黄海大陆架科学钻探工程CSDP-02孔是我国专门为海洋大陆架研究实施的第一口科学钻探深孔。该井位于我国南黄海海域中部隆起西南部，距离最近海岸线约100 km，孔位处海水深度22～25 m。该孔施工中采用海水配浆，使用一般的泥浆处理剂就会存在因抗电解质污染能力差而难以发挥其应有的作用，因而导致冲洗液胶体不稳定、护壁效

果和岩粉携带能力差等问题。施工方最终全孔采用海水与多功能剂配浆，在遇到砂泥质沉积物及泥砂互层、强水敏性地层等地层时加入其他泥浆材料，加强泥浆抑制性能，最终顺利完成全孔钻探工作。