水基泥浆的污染和处理

第九章水基钻井液的污染和处理

一、Ca2+/Mg2+的污染和处理

1、污染来源：

淡水粘土型泥浆受Ca2+/Mg2+的污染后粘度和失水增加，Ca2+/Mg2+来源于配浆水、地层水或含膏岩层中。

2、Ca2+/Mg2+的污染钻井液性能变化

总的来说，Ca2+/Mg2+的污染会造成水基钻井液流变参数升高（特别是静切力中初切增高）导致流态变差甚至流动困难；滤失量升高；泥饼质量变差变厚；污染后的钻井液性能变化幅度与污染物Ca2+/Mg2+的浓度、钻井液固相含量及化学成分、钻井液原来的性能、钻井液护胶好不好、钻井液材料的抗钙污染能力、氯离子含量等有关。

一般来说，钻井液固相越低、钻井液护胶越好、钻井液中氯离子含量越高，泥浆抗Ca2+/Mg2+污染能力越强

3、处理方法：

（1）、对配浆水和地层溶解出来的少量Ca2+一般用纯碱处理：

Ca2+ + Na2CO3→CaCO3↓+ 2Na+

1.0 mg/L Ca2+含量的泥浆每方需要0.00266kg的纯碱

Mg2+一般用烧碱处理：

Mg2+ + 2NaOH →Mg(OH)2↓+ 2Na+

（2）、硬石膏/石膏的污染(CaSO4/CaSO4.H2O)

石膏地层从只有几米到几百米厚不等，钻这种地层会引起泥浆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（FCLS）、XY-27、GMP-III等稀释剂降低粘度，若是巨厚的石膏层，可能要转换成与石膏相容的泥浆体系，这可以通过增加铁络盐、烧碱和降失水剂转换成石膏泥浆体系来达到。（3）、 Mg2+的污染

若用海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+

4、经验与建议

在深井和地层含碳酸盐和CO2的情况下，处理Ca2+污染不要使用纯碱和小苏打，最好用K2SiO4来处理，因为加入纯碱和小苏打引入的CO32-和HCO3-容易造成泥浆在高温作用下发酵产生CO2起气泡和CO32-和HCO3-污染，CO32-和HCO3-污染比钙污染更难处理。在处理Ca2+/Mg2+的污染时，建议保留泥浆中存在200-400mg/L的Ca2+含量，这有助于泥浆性能的稳定。

二、水泥/石灰的污染和处理

1、污染来源：

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泥浆状态和水泥状态有关，泥浆状态包括固相含量、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(未凝固好的水泥浆)比胶结好的水泥造成更严重的污染，水泥由几种复杂的含钙络合物组成，这些络合物与水反应都会生成Ca(OH)2。100kg水泥会产生出79kg的石灰。

2、污染钻井液性能变化

水泥/石灰侵会造成泥浆粘度、流变性大幅度变化和失水的上升，泥饼质量变差变厚或形不成泥饼；处理Ca(OH)2的污染涉及到降低pH值和控制Ca2+的浓度。水泥侵的泥浆在120℃以上会发生固化现象。

较少量的水泥/石灰对淡水泥浆污染后往往粘度上升、流变性变差，甚至流动困难，形成如豆腐一样的凝胶状态；但随着水泥/石灰的量逐步增加，当足够多的Ca2+置换出膨润土结构中的Na+时，泥浆粘度和流变性会迅速变化，粘度会逐步降得很低，泥浆会变得没有结构力，初终切会降得很低，流动状态会变的和水一样，泥浆中的重晶石会逐步产生沉降；盐水泥浆基本不会有粘度上升的过程，而是直接变稀。所以在处理盐水泥浆水泥/石灰污染时除了以下步骤外还需要加入一些水化好的膨润土浆和增稠剂配合处理。

3、处理方法

（1）、废弃

水泥污染严重，处理不实际时，把污染最严重的那部分泥浆废弃不要，排放掉。（2）、纯碱处理

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

（3）、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

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(褐煤、单宁酸、腐植酸) 或铁络盐与小苏打一起加入来解决。用有机酸或铁络盐预处理会有助于缓冲pH值的升高。

（4）、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

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。（5）、硅酸钾（K2SiO4）处理

硅酸钾（K2SiO4）与Ca2+反应生成不溶的CaSiO4，而且不会引入HCO3-、CO32-污染，在深井和地层含碳酸盐和CO2的情况下，用硅酸钾（K2SiO4）来处理水泥/石灰污染是比较好的选择；

Ca(OH)2 + K2SiO4 →CaSiO4↓+ 2 KOH

K2SiO4与水泥反应没有OH-被中和会导致过高的pH值，可通过有机酸(褐煤、单宁酸、腐植酸) 或铁络盐与K2SiO4一起加入来解决。

用小苏打预处理泥浆能造成HCO3-、CO32-污染，所以一般预处理量不应超过 1.4—2.3kg/m3。在深井和地层含碳酸盐和CO2的情况下，不推荐用小苏打和纯碱来处理水泥污染，因为纯碱和小苏打引入的CO32-和HCO3-容易造成泥浆在高温作用下发酵产生CO2起气泡和CO32-和HCO3-污染，CO32-和HCO3-污染比钙污染更难处理。

4、经验与建议：

①在井深小于5000米，井温低于120℃以内的或地层不含碳酸盐和CO2情况下，可用纯碱、小苏打与有机酸(褐煤、单宁酸、腐植酸) 或铁络盐一起加入来处理水泥/石灰污染；

②在井深大于5000米，井温高于120℃且地层含碳酸盐和CO2的情况下，用硅酸钾（K2SiO4）与有机酸(褐煤、单宁酸、腐植酸) 或铁络盐一起加入来处理水泥/石灰污染。

③在深井，井温高于140℃时严禁单独使用纯碱来处理水泥/石灰污染，因为这样石灰中所含的氢氧根会全部转化为氢氧化钠，他会使泥浆PH值剧烈升高产生泥浆固化的风险。

三、盐侵污染和处理

1、盐侵来源

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（NaCL）、钾盐（KCL）、镁盐（MgCL2）或钙盐（CaCL2）或是这些盐的混合物，造成盐侵的主要成分的是食盐氯化钠（NaCL）。

2、盐侵后钻井液性能的变化。

盐都属于电解质，当低浓度的盐侵后泥浆中由于电解质的含量增加，电解质会压缩膨润土水化形成的双点层，造成电解质压双点层作用，从而影响膨润土水化作用，絮凝淡水泥浆造成泥浆粘度、流变性升高和失水大幅度上升；泥饼质量变差变厚或形不成泥饼；如果盐污染更加严重或受二价离子(Ca2+、Mg2+)污染严重时，会抑制膨润土水化导致粘土颗粒的聚沉，表现为泥浆粘度降低，流变参数下降和失水量的进一步大幅加大。并且PH值会明显降低，因为伴随盐侵会有大量的Mg2+侵入，生成Mg(OH)2↓