钻井液受污染及性能调节

钻井液受污染及性能调节

一、实验目的和要求

1.了解钠盐或钙对淡水钻井液性能的影响规律。

2.掌握受污染钻井液性能调节的处理原则和调节方法。

二、实验仪器、药品

常规钻井液仪器一套，钻井液杯(1000ml)一个，电动搅拌器一台(公用)，药物天平一台(公用)，秒表、钢板尺各1，量筒(50ml)2个，pH试纸一盒，土粉、食盐、FCLS［２∶1(1/5)］，NaHm,石膏粉。

三、实验原理

在钻井过程中，地层岩石里的可溶性盐类(如石膏、岩盐、芒硝)及各种流体、钻屑等进入钻井液，使钻井液性能不能满足正常钻井的需要，称之为钻井液受浸或污染。我们这里主要讨论的是盐浸或钙浸对淡水钻井液性能的影响。

1.钙浸：

钻进石膏层和水泥塞时都会遇到钻井液受钙侵问题。石膏的化学成分是硫酸钙；水泥凝固产生氢氧化钙。虽然它们在水里的溶解度不高，但都将提供钙离子。即

CaSO４（固) → Ca＋＋＋SO4＝-

Ca(OH)２（固) → Ca＋＋＋2OH-

而几百个ppm(百万分之一，如500ppm是指一百万份中有500份)的含钙量就足以使钻井液失去胶体性质。原因何在?

按照离子交换吸附的原理，由石膏或水泥提供的二价钙离子要置换吸附在粘土表面上的一价钠离子，使钠质粘土转变为钙质粘土。钙离子是二价的，它和粘土表面的吸附力量大于一价的钠离子，难于被呈极性的水分子“拉跑”，即不容易解离，因此，当钠质粘土转变为

钙质粘土后ζ电势减小，如图1所示。

图1 钙离子对粘土胶粒ζ电势的影响

粘土颗粒ζ电势的变小，使得阻止粘土颗粒聚结合并的斥力减小，聚结一分散平衡即向着有利于聚结的方向变化，这样，钻井液中粘土颗粒变粗，网状结构加强和加大(图2)，致

使钻井液的失水量、粘度、切力增大。

图2 平衡朝聚结方向变化，网状结构加强

钠质土转变为钙质土后，另一个变化是粘土颗粒的水化程度降低，水化膜变薄。据《粘土矿物学》(格里姆著)介绍，钙蒙脱石颗粒周围环绕将近四个分子层的吸附水(“非液体”)，钠蒙脱土仅仅三个，然而厚层的疏松的吸附水(“液体的”)在钙蒙脱土里却是很少的，分子力的作用在15的距离里突然中止了，在钠蒙脱土里定向水分子的距离大于100 (约40个水分子层)，如图3所示。粘土水化程度的这种改变，也是使钻井液受钙侵后失水量增大、泥

饼增厚，容易聚结合并、颗粒变粗、形成结构、使粘度急剧上升的一个原因。

图3 钠土和钙土水化程度示意图

对钙浸的处理，一般是加入稀释剂(如FCLS、丹宁酸钠)把已形成的网架结构拆散，使钻井液粘度下降；加入降失水剂(如NaHm、KHm)保护粘土颗粒使失水量下降，使钻井液性能

合乎钻进的需求。

2.盐浸：

当钻达岩盐层时钻井液会受盐侵；钻达盐水层钻井液性能不当时，会发生盐水侵；无论是盐侵、盐水侵都会使钻井液性能发生改变。盐对钻井液性能的影响(参见图4)：随着NaCl 加入量的增大钻井液中Na＋越来越多，这样就增加了粘土胶粒扩散双电层中阳离子的数目，使扩散层的厚度减小，即所谓的“压缩”了双电层，于是粘土胶粒的ζ电势降低(参见图5)。在这种情况下，粘土颗粒之间的电性斥力减小，钻井液体系从细分散向粗分散转变，水化膜变薄；由于粘土胶粒的热运动互相碰撞聚结合并的趋势增强，粘土颗粒之间形成絮凝结构，粘度、切力和失水量均上升。随着NaCl加入量的增大，“压缩”双电层的现象更加严重，

粘土颗粒的水化膜变得更薄，尺寸变得更大，于是出现粘土颗粒在分散度上的明显降低，致使粘度、切力转而下降，失水量则继续上升。

图4 淡水钻井液加入NaCl后的性能变化

图5 NaCl对粘土胶粒ζ电势的影响

pH值的变化原因是由于加盐后钠离子从粘土中把氢离子和其他酸性离子交换出去的结果。

2.盐侵的处理

盐侵的现象是失水量增大，pH值下降，Cl－含量增大，粘度、切力上升(含盐量大时会上下波动)。盐侵的本质是钠离子浓度过大压缩了粘土胶体粒子的扩散双电层，使粘土胶粒的ζ电势降低水化膜变薄，钻井液呈现聚结不稳定性能受到破坏。因此，处理受盐侵的钻井

液，关键在于要使用在钠离子浓度较高的情况下仍能保护粘土胶粒的处理剂。

一般加入CMC(NaHm或KHm)作护胶剂，铁铬盐作稀释剂。即用CMC(NaHm或KHm)降失水、铁铬盐降粘度、切力。当粘土颗粒吸附了CMC分子后，因CMC分子链中有许多羧钠基(COO －Na＋)可以提高被Na＋压缩双电层所降低的ζ电势。CMC是长链的有机高分子化合物，若粘土颗粒被吸附在它的大分子链节上，那么即使粘土颗粒ζ电势较小、电性斥力较弱仍然不致于互相合并和聚结，由此保持了粘土胶粒的聚结稳定和必要的分散度，使钻井液在盐侵后仍然具有较小的失水量。

NaHm(KHm)是一种含天然的高分子化合物的处理剂，它既可提高钻井液的pH，又可起到高分子化合物的保护作用，降低受侵污钻井液的失水量，但它的抗盐能力较CMC弱。

铁铬盐基本上是非离子型处理剂，它的极性不会因钻井液中可溶性盐类的浓度增大而改变。因此，它能在盐水、饱和盐水中作为钻井液的稀释剂。实验资料表明，粘土对木质素磺酸盐类处理剂的吸附，在盐水中还强于在淡水中。

四、实验方法及步骤

1.在室温下(即水不加热)或加热条件下，配制比重为1.05的原浆。配制好后放置几天至十几天，让其中的粘土充分水化分散，使原浆性能基本稳定下来，临到本实验前加水稀释。冬天可稀释到漏斗粘度约为30～35秒，夏天可更稀，使漏斗粘度约为23～26秒(钻井液在实验前配好)。

2.取1000ml 原浆于1000ml 搪瓷量杯中搅拌5-15′，用漏斗粘度计、比重计、气压失水仪、钢板尺、pH 试纸分别测定漏斗粘度(T)、比重(γ)、气压失水量(B)、泥饼厚度(K)和pH 值，数据计入附表。测定后的钻井液要倒回原1000ml 搪瓷量杯中，而泥饼，滤纸弃去。

3.向搪瓷量杯中加入原浆至1000ml 刻度线，按钻井液体积的1%加进食盐或石膏粉(每100ml 钻井液加入1克)。用电动搅拌器充分搅拌10～３０分钟，使其溶解并与钻井液混合均匀，然后测钻井液性能T 、γ、B 、K 、pH 各一次，数据记入表格。注意：测定粘度、比重和失水后的钻井液要倒回1000ml 钻井液杯中，以备后用，泥饼和滤纸弃去，钻井液不能泼

洒，否则下步不够用。

附表

4.所剩钻井液必须多于700ml ，准确计量所剩盐侵浆的体积，然后进行处理。用50ml 量筒分别取实际钻井液体积3%的FCLS(2∶1，1/5)和2%的NaHm 加入盐侵钻井液中，即每100ml 钻井液加3mlFCLS 和2克NaHm ，用电动搅拌器充分搅拌10～20′测性能，若经处理后钻井液性能仍达不到指定要求(粘度、切力、失水等于或小于原浆性能)，可酌情补加适量药品搅拌后再测性能，以达到要求为止。

注：FCLS(2:1 1/2)，即是将2份FCLS 固体粉与1份烧碱(NaOH)混合，配制成1/5(20%)的铁铬盐混合碱液。

五、实验报告内容