技能培训课件之钻井液污染物及处理技术.docx

钻井过程中，常有来自地层的各种污染物进入钻井液中，使其性能发生不符合施工要求的变化，这种现象称为钻井液污染。有的污染物严重影响到钻井液的流变性和滤失性能，有的加剧对钻具的损坏和腐蚀。当污染严重时，只有及时的对钻井液性能进行调整，或则用化学方法清除它们，才能保证钻进的正常进行，下面对钻井液污染问题进行了详细讨论
1.Ca2+/Mg2+的污染
淡水粘土型钻井液受Ca2+/Mg2+的污染后粘度和失水增加，Ca2+/Mg2+来源于配浆水、地层水或挥发岩中。处理方法如下：
1.1 从地层或配浆水溶解出来的Ca2+一般用纯碱处理：
       Ca2+ + Na2CO3         CaCO3↓+ 2Na+
       (1.0 mg/l Ca2+需0.00265kg/m3的Na2CO3)
       pH值升高有助于减少钙的溶解。
1.2 硬石膏/石膏的污染(CaSO4/CaSO4. H2O)
石膏地层从只有几厘米到几千米厚不等，钻这种地层会引起钻井液絮凝和失水失控等问题，这是因为Ca2+浓度增大所引起的。如果石膏层不太厚，就用纯碱处理：
        CaSO4 + Na2CO3          CaCO3↓+ Na2SO4
可能需要添加抗高温淀粉或聚阴离子纤维素来控制失水，用铁络盐降粘度，若是巨厚的石膏层，可能要转换成与石膏相容的钻井液体系，这可以通过增加铁络盐、烧碱和降失水剂转换成石膏钻井液体系来达到。
1.3 Mg2+的污染
若用海水和高含镁地层水作为配浆水便会遇到Mg2+的污染问题，污染的影响与Ca2+污染相似，Mg2+污染常用烧碱处理，体系中大部分的Mg2+在pH值大于10.5时沉淀下来：
       Mg2+ + 2NaOH        Mg(OH)2↓+ 2Na+
（1.0mg/lMg2+需0.00331kg/m3的NaOH)
应用举例：6月份我公司马厂区块马19-19井水源井化学水分析结果： Ca2+ 7.62mg/l、Mg2+ 1118.49mg/l和Cl- 4290mg/l，其它SO42-、HCO3-和CO3-为零。配浆水Mg2+的污染导致钻井液中压滤失量和pH值指标恶化，耗费了大量降滤失剂依然无法稳定钻井液性能。井队根据泥浆技术管理部要求更换配浆水和使用纯碱和烧碱处理污染物后，只加入少量降失水剂和稀释剂便稳定了钻井液性能。
2  水泥/石灰的污染
当固井作业或钻开水泥塞时便造成水泥污染，污染的严重性与污染时钻井液状态和水泥状态有关，钻井液状态包括固相含量、抗絮凝剂的浓度等，水泥状态指水泥的胶结程度，胶结差的水泥(有时叫绿水泥)比胶结好的水泥造成更严重的污染，水泥由几种复杂的钙化合物组成，这些化合物与水反应都会生成Ca(OH)2，100当量的水泥会生成79当量的Ca(OH)2，石灰会使淡水粘土型钻井液絮凝，引起粘度和失水的上升，处理Ca(OH)2的污染涉及到降低pH值和控制Ca2+的浓度。
2.1 处理方法
可用下述一种或几种方法结合来处理水泥污染：
a. 废弃
如果污染严重，处理不实际时，把污染最严重的那部分钻井液废弃不要或按石灰钻井液来处理。
b. 小苏打(NaHCO3)处理：
小苏打与Ca2+反应生成不溶的CaCO3，由于在钻水泥时pH值较高，Ca2+的浓 度一般不超过200～400mg/l：
Ca(OH)2 + NaHCO3       CaCO3↓+ NaOH + H2O
 (1.0mg/lCa2+需0.00211 kg/m3的NaHCO3)
这反应只中和了一半的OH- ，另一半转变为NaOH，这会导致PH值升高，可通过有机酸(铁络盐或腐植酸)与小苏打一起加入来解决。
c. 焦磷酸钠(SAPP)处理
SAPP与Ca(OH)2反应生成不溶的CaP2O7：
Ca(OH)2 + Na2P2O7       CaP2O7↓+ 2NaOH + H2O
 (1.0mg/lCa2+需0.00277kg/m3的SAPP)
SAPP与Ca(OH)2的反应不够彻底，所以往往要加过量的SAPP，反应的结果同样也会造成PH值升高，如果井底温度大于175℃，SAPP会变成一种絮凝剂。
d. 有机酸(铁络盐或腐植酸)处理
大约1 kg/m3的Ca(OH)2可中和7～8 kg/m3的有机酸。
2.2 处理方法的评价
a. 纯碱
除非能小心监测pH值的升高，否则不推荐用纯碱来处理水泥污染，因为纯碱与水泥反应没有OH-被中和会导致过高的pH值：
Ca(OH)2 + Na2CO3       CaCO3↓+ 2NaOH
b. 高温
当温度大于250℃时，水泥污染的钻井液可能会固化，这时加入2.85～8.55kg/m3的抗高温降絮凝剂(磺化苯乙烯－马来酸酐共聚物SSMA）便能稳定被污染钻井液的稳定性。
11.2.3 预处理
用小苏打预处理钻井液能造成CO32-污染，所以一般预处理量不应超过1.5～2.14 kg/m3。用有机酸铁络盐或腐植酸预处理会有助于缓冲pH值的升高。
3 氯化钠污染
盐污染可来源于配浆水、盐水侵、盐层或挥发盐层，从化学上讲可以是钠盐、钾盐、镁盐或钙盐或是这些盐的混合物，最普遍的是氯化钠。盐会絮凝淡水钻井液造成粘度和失水出现问题，如果盐污染更加严重或受二价离子(Ca2+、Mg2+)污染严重时，粘土颗粒的聚沉会导致粘度降低和失水量的进一步加大。
处理方法：
a. 由于盐无法用化学方法来使其沉淀，盐浓度的降低只能靠加清水稀释的方法解决，除了稀释外，还要添加降絮凝剂和降失水剂，可加铁络盐和烧碱来降絮凝，可加对盐不敏感的淀粉和聚阴离子纤维素来降失水。
b. 出现大量不断的盐污染导致粘度降低时，用预水化般土浆能提粘和降失水但随着时间的推移，已水化的般土会发生去水作用，除非能减低盐的浓度。有效的做法是先用铁络盐和烧碱处理预水化般土浆后再加到钻井液中去。
c. 有时随着盐的增加Ca2+的浓度也增加，这时便需加入纯碱来除钙。
d. 当需加入能起化学作用的材料到盐污染或盐水钻井液中时，这些材料必须预水化或预溶解以能达到最佳效果。
4 碳酸根/碳酸氢根(CO32-/HCO-)污染
当水基钻井液被碳酸盐污染时，流变性与失水便会出现问题，碳酸盐依钻井液中pH值的不同以三种不同形式出现，这些形式是H2CO3、HCO3-、CO32-。当pH低于5时，主要是H2CO3；pH 8～9时，主要是HCO3-；pH大于12，主要是CO32-。
碳酸盐可来源于：
1） 处理钙或水泥污染时处理量过大。
2） 从地层气、配浆泵和钻井液泵进入钻井液的CO2气的积累。
3） 有机化合物如铁络盐、木质素等在温度大于300℃时的热降解。
4） 受污染的重晶石。
4.1 碳酸盐的检测
若要准确检测碳酸盐，需使用一套叫GARRETT GAS TRAIN 的装置，这里不详细介绍。现场工程师往往用检测Mf和Pf来粗略估算碳酸盐的污染情况，当Mf/Pf大于3时，认为有HCO3-污染；当Mf/Pf大于5时，有较严重的CO32-污染。
4.2 碳酸盐污染的处理
大多数钻井液中碳酸根的浓度约在1200～2400mg/l之间，有些钻井液在这浓度超过一倍时不受影响而有些在1200mg/l浓度时却大受影响，钻井液所能接受的碳酸根浓度取决于该钻井液的固相含量、温度和各种化学材料的浓度。
如果已证实流变性和失水的问题是由碳酸根污染所引起的，处理的方法就是加入Ca2+使其生成CaCO3沉淀，Ca2+以石灰或石膏的形式加入，如果用的是石膏，石灰或烧碱必须同时加入以使HCO3-转变成CO32-，否则HCO3－ 与Ca2+是不起反应的。如果使用石灰，pH值将增加，可能需要加入石膏或铁络盐来缓冲PH值的增大，不要加入木质素，因为木质素会与石膏和石灰反应其结果会影响后者别的化学反应，另外推荐不要把所有的碳酸盐都反应完，至少要留有1000～2000mg/l浓度的碳酸盐在钻井液中，所发生的化学反应和处理浓度如下：
加石灰：2Ca(OH)2+HCO3－+CO32-      2CaCO3↓+ 3OH- + H2O
加石膏和石灰或石膏和烧碱：
2Ca2＋ + OH- + HCO3－+ CO32-      2CaCO3↓+ H2O 
处理所需量如下：
1.0mg/l CO32-需0.00123 kg/m3石灰
1.0mg/l CO32-需0.00285 kg/m3石膏
1.0mg/l HCO3-需0.000599 kg/m3石灰
1.0mg/l HCO3-需0.000656 kg/m3烧碱
4.3 处理评价
确认是碳酸根污染问题时，滤液中钙的存在并不表明无碳酸根污染，测总硬度时检出的钙可能不与碳酸根反应，通常螯合作用会减低反应速率，化合价的变化也使所测到的钙难于和碳酸盐反应，至少应有100～200mg/l的钙离子浓度才能确保有足够量的游离钙与碳酸根反应。
按常规钻井液的碱度与钻井液中的CO32-、HCO3-和OH-是密切相关的，但其他的碱性物质也会增加钻井液的碱度，这些干扰因素的存在以及检测时的局限性使到分析碳酸根的碱度滴定只是个近似值，所以若用GARRETT GAS TRAIN检测碳酸盐会更精确，不管采用那种方法，推荐在处理钻井液中的碳酸根时应做一个彻底的小型试验。
5 硫化氢污染

H2S的毒性和腐蚀性都很强，空气中含量很少几分钟内便使人致命，当预测有H2S时，预先要完全熟悉防护措施，H2S对钻井液的粘度、失水和化学性质都有不利影响，但安全问题是最重要的。
5.1 H2S的检测
从安全考虑，任何平台在H2S潜在地区必须装有H2S检测器和警报系统。检测钻井液中H2S的最可靠方法是使用GARRETT  GAS  TRAIN。
5.2 H2S的处理方法
最有效的处理 H2S方法是，在控制好钻井液中pH值的同时用碱式碳酸锌处理：
a. 用烧碱或石灰把pH值调到10.0以上。
b. 加入5.7～8.55 kg/m3的碱式碳酸锌。
【注意】不能单纯依靠控制pH值来控制H2S污染。
附表：清除各种污染物所需处理剂的用量
污染物
污染离子
处理措施
处理剂加量
Kg.m-3/mg.l-1
石膏和硬石膏
Ca2+
（1）若pH值合适加Na2CO3
（2）若pH值过高加SAPP
（3）若pH值过高加NaHCO3
0.00265
0.00277
0.00419
水泥和石灰
Ca2+及OH-
（1） SAPP
（2） NaHCO3
0.00277
0.00419
硬水
Mg2+
Ca2+
NaOH（将pH提至10.5）
再加Na2CO3
0.00331
0.00265
硫化氢
H+、HS-和S2-
调节pH>10,然后加Zn2(OH)2CO3
0.00351
二氧化碳

CO32-
HCO3-
（1）若pH值合适加CaSO4
（2）若pH值过低加Ca(OH)2
Ca(OH)2
0.00285
0.00123
0.00121