受CO2污染的钾聚磺钻井液体系维护工艺研究*
2022-12-01徐晨阳李俊才郑存川
范 劲，徐晨阳，李俊才，郑存川
(1 中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻井液技术服务公司，四川 成都 610051；2 西南石油大学化学化工学院，四川 成都 610500)
四川盆地拥有较多的碳酸盐岩地层，施工现场遇到CO2污染时钻井液变得异常粘稠，司钻过程中阻力较大，不仅会磨损钻具，还不能有效的钻透地层[1-2]。对此很难拿出解决办法，使得钻探工作不得不停止，因此导致工期延误，极大程度上的影响钻井工作的顺利进行，增加大了钻井安全事故的发生概率。
近年来许多专家学者对受CO2污染钻井液的污染维护技术展开了深入研究并且已经取得了不少的成果[8-13]，但很多都未针对污染机理进行系统地维护。因此，本文通过调研水基钻井液CO2污染相关机理，根据污染机理提出针对性的维护工艺，从而将受污染的钻井液性能调整至合理范围，为后续安全钻进提供保障。
1 实 验
1.1 原料及仪器
1.1.1 实验药品
CaO、KOH，成都市科隆化学品有限公司；高分子有机胺处理剂、未污染的井浆、受污染的井浆，取自钻井现场；螯合钙1、螯合钙2，实验室自制。
1.1.2 仪器与设备
GJS-B12K型高速搅拌器、GGS42-A2型高温高压滤失仪、ZNS-2型中压滤失仪、GRL-BX3型滚子加热炉、HTD-D6S型六速旋转粘度计，青岛恒泰达机电设备有限公司；Quanta 450型环境扫描电子显微镜，美国FEI公司；RFS71型pH计，上海极力化工产品销售中心；ZEN3690型纳米粒度Zeta电位分析仪，英国马尔文公司。
1.2 实验方法
1.2.1 钻井液维护方法
在受污染的井浆内加入不同浓度的处理剂进行维护，维护后老化16 h测试其流变、滤失性能，通过分析维护前后性能的变化情况判断处理剂的维护效果。
1.2.2 钻井液常规性能测试
钻井液流变、滤失性能的测试方法参考GB/T 16783.1-2014《钻井液现场测试 第1部分：水基钻井液》。
1.2.3 钻井液Zeta电位测试
使用Zeta电位仪对各阶段中压滤失的滤液进行分析，通过钻井液Zeta电位的变化情况判断对应处理剂的维护效果。
1.2.4 钻井液HTHP滤饼微观形貌测试
使用环境扫描电子显微镜对高温高压的滤饼进行观测，通过滤饼致密性的变化情况判断对应处理剂的维护效果。
2 结果与讨论
2.1 CaO法
表1 不同CaO加量下体系性能数据表
2.2 吸收剂调节法
使用有机胺吸收剂进行维护是因为体系内存在游离的CO2，有机胺加入体系后在升高pH的同时也会吸收游离的CO2生成碳酸氢铵类物质，产物可作为有效的抑制剂提高钻井液的抑制性能[1]。因此采取加入不同量的有机胺吸收剂进行维护，性能测试结果如表2所示。
表2 不同有机胺加量下体系性能数据表
2.3 pH调节法
表3 不同pH下体系性能数据表
2.4 螯合钙处理法
因螯合钙可与Ca2+交换形成更稳定的螯合物，加入体系内可溶于体系内生成的产物将CaCO3螯合于其骨架上，因此可有效避免反应生成的CaCO3作为无用固相影响体系性能，因此实验室内通过改良Ca2+配体，合成了螯合钙1及螯合钙2进行维护。
如图1所示，两者的最佳溶解条件为pH=11，并且因为改进了水化螯合基团，螯合钙2的水溶性要优于螯合钙1。因此，在维护前需要将螯合钙处理剂在pH为11的条件下将其溶解，然后加入到钻井液体系内，才能得到最佳维护效果。
图1 螯合钙溶解度随pH变化图
实验采取加入不同量的螯合钙进行维护，螯合钙1及螯合钙2维护性能的测试结果如表4所示。
表4 不同螯合钙加量下体系性能数据表
随着螯合钙1不断增加，粘切逐渐降低但是始终趋于平稳，切力逐渐恢复至未污染时的状态，当加量为3%时滤失量仅为13.7 mL，满足现场施工要求。并且随着螯合钙1加量不断增大，体系黏度逐渐增大，这是因为螯合钙1的水化基团较差，与水结合能力较差，因此导致部分螯合物质析出，造成污染。
2.5 最佳维护工艺下的维护工艺分析
对2.1～2.4部分的实验结果进行分析，对比流变性能、滤失性能的维护情况发现螯合钙2维护法为最佳的维护方法，因此对螯合钙2维护工艺进行维护工艺分析。
2.5.1 Zeta电位测试结果分析
Zeta电位的绝对值与胶体分散的稳定性相关，Zeta电位越高，分子间的排斥力越大，更倾向于分散。同理，Zeta电位越低，分子就更容易聚结。对所测Zeta电位进行数据处理如表5所示。
表5 Zeta电位数据处理
2.5.2 维护前后钻井液滤饼微观形貌分析
取维护效果最好的螯合钙2的滤饼进行观测，通过分析污染前后钻井液高温高压的滤饼的微观形貌，扫描电镜图如图5所示。
由图2可以看出，未污染的钻井液高温高压滤饼比较紧实，滤饼表面没有较为明显的裂缝，很少发现有单独的块状结构。受CO2污染后，滤饼表面明显变得粗糙，且出现了较多的孔隙结构，有许多细小的分散颗粒。向其中加入螯合钙2进行维护后发现孔隙变少，漏失通道减少，从而达到降低滤失的效果。
图2 污染前后扫描电镜图
3 结 论
通过对CO2污染的钻井液体系展开一系列维护工艺研究，得到以下结论：
(1)针对CO2的污染机理采用CaO法、有机胺吸收剂调节法以及pH调节法对钻井液性能进行维护，维护效果虽然无法满足现场要求(FLHTHP为15 mL)，但能够对已污染钻井液的性能形成改善。同时，在维护时需要精确把握处理剂的加量，合适的加量会对体系形成维护，过量的则会对体系造成新的污染。
(2)通过对比发现CaO法维护后体系粘切变化幅度小，滤失量最为接近现场需求。因此室内通过优化Ca2+配体合成了螯合钙1和螯合钙2，实验发现两者维护后均能使性能达到现场需求，但螯合钙2相较螯合钙1溶解度较好，加入体系内对体系粘切影响较小，在钻井液中加量仅为2%时便可使滤失量降至9.6 mL，弥补了传统方法的不足，能够更好地满足现场的钻进需求。
