钻井液的受侵及处理

腐蚀电池产生的氢聚集在阴极，一部分吸收
电子变成分子状态，以气体逸出。但是有一部分
氢原子可能渗入到钢的内部。进入钢材内部的氢
原子遇到非金属杂质、微裂纹、空隙、晶格错断
或其他缺陷时，就集合氢分子，，体积比氢原子
膨胀20倍，氢浓度达到临界浓度时，钢材内压力
升高达几十兆帕，于是钢材内部的微裂缝增多并
扩展，使钢材强度下降，钢材变脆而发生断裂，
（2）加入海绵铁 即磁铁粉Fe3O4，表 面积很大，每克的表面积大于10m2，与硫 反应生成，反应式随PH值变化。
PH值>7 : Fe3O4+4 H2S→3Fe S↓+4 H2O+ S↓

S+ Fe S→Fe S2↓
PH值<7 : Fe3O4+6 H2S→3Fe S2↓+4 H2O+2 H2↓
内。
CO2污染的现象

钻井液中气泡增多；
钻井液pH值下降，加烧碱提高PH值时， 速度慢，加量大。
钻井液粘度、切力上升，流动性能变 差。

CO2污染的处理方法：

若pH值适中加CaSO4，加量为
0.00285mg/L；

若pH值过低加Ca(OH)2，加量为
0.00123mg/L。
使用有内涂层的钻具，防止钻具的腐 蚀。
2、电化学腐蚀：不纯的金属跟电解质 溶液接触时，会发生原电池反应，比较活 泼的金属失电子被氧化而引起的腐蚀。
腐蚀机理为：
管材中的铁作为阳极被腐蚀，阳极放 出氢气，其化学反应式如下：
Fe+ H2CO3→Fe CO3+ H2↑ 阴极反应：
2H+ + 2e- → H2

随着H+的消耗,弱酸(CO2+H2O)将会继
钻井液的受侵及处理
中原石油工程板块员工学习课件 钻井液工（高级技师）
中原石油勘探局钻井三公司 开发人：刘俊章
目录
第一部分 第二部分 第三部分 第四部分
硫化氢气体对钻井液的污染 高压盐水层的钻井液处理 CO2和O2的污染 钻遇盐膏层及对策
钻井液的受侵及处理

钻井过程中，常有来自地层的各种污染物进
一旦发现钻井液受H2S污染，应立即将 其清除。清除的方法是加入适量烧碱，
调整钻井液pH值大于10。
H2S腐蚀： H2S的水溶液呈酸性，它能电离出氢离子： H2S≒H++ HSHS-还能继续离解：
HS-≒H++S-2

生成的S-2与金属作用生成Fe SX黑色沉
淀。但危害更大的是氢脆腐蚀破坏。

通常加入适量Ca(OH)2即可清除这两种
离子，由于pH值的升高，体系中的HCO3-
先转变为CO32-：
2HCO3-+ Ca(OH)2= 2CO32-+2H2O+ Ca2+

然后CO32-与Ca(OH)2继续作用，通过
生成CaCO3沉淀而将CO32-除去：
CO32-+ Ca(OH)2= CaCO3↓+ 2OH-
这种现象称为氢脆。
并非钢铁材料放入含硫化氢的介质后 就立即发生脆裂，相反，却需要经过一个 反应期，这段时间的长短随钢材应力的大 小、材质强度的高低和钢材吸附氢离子的 多少而变化。
（1）材料的应力状态 不管是承受应力或 残余应力，应力越大，破坏速度越快。而 应力低于一定数值时，则不会发生氢脆， 这个临界应力值由钢的强度决定。
二、处理方法
1、打开盐水层后，要勤测量钻井液性 能和含盐量的变化。了解盐水层的动态。 根据盐水侵污的不同程度，采取不同的处 理方法。
2、稠时的处理方法：首先提高密度， 压住盐水层。其次，应根据本地区的特点， 不同类型的盐水，进行不同的化学处理。 有的地区采用高碱性的煤碱剂（15：5： 100）或钙处理的方法，获得较好的性能。 如某地区盐水多是氯化钙型和氯化钠型， 分析还有镁离子存在，因而在钻井液变稠 时，一般采用如下方法：
二氧化碳气体的检验方法：

将气体通入澄清的石灰水，能使澄清石灰水
变混浊的气体就是CO2。

在处理钙污染时，是用CO32-除去Ca2+，而现
在又用从Ca(OH)2电离出来的Ca2+除去CO32-。这
两者并不矛盾，恰恰表明在不同的受污染情况下，
应采取不同的处理方法。在容易引起CO2污染的 井段，HCO3-和CO32-对钻井液性能的危害性明显 大于Ca2+。经证明，在容易引起CO2污染的钻井 液中，应尽量保持Ca2+的浓度在50～75mg/L范围
金属的腐蚀
概念：金属腐蚀是指金属或合金与周 围接触到的气体或液体进行化学反应而腐 蚀损耗的过程。
金属腐蚀的本质：M-ne-=Mn+。
金属腐蚀的分类：
1、化学腐蚀：金属跟接触到的气体或 液体等物质（如O2、Cl2、H2S、SO2等）， 直接发生化学反应而引起的腐蚀叫做化学 腐蚀。该过程很缓慢。

CO2使溶液呈酸性,破坏保护膜。
室内和现场实验均表明，钻井液的流 变参数，特别是动切力受HCO3-和CO32-的 影响很大，尤其高温下的影响更为突出。 一般随着HCO3-浓度的增加，τ0呈上升趋势； 而随着CO32-浓度的增加，τ0则先下降后上 升。由于经这两种离子污染的钻井液性能
很难用加入处理剂的方法加以调整，因此， 只能用化学方法将它们清除。
第二部分
高压盐水层的钻井液处理
高压盐水层的钻井液处理
钻遇高压盐水层常发生盐侵，主要是 氯化钠污染钻井液，容易引起井下复杂情 况，必须予以重视。
一、现象
• 粘度猛增，而有的井盐水压力大，钻井液变稀； • 氯根含量增加快，钻井液变稀时泡沫多； • 滤失量增大，滤饼变厚，PH值下降； • 地面循环系统液面上涨，井口外溢，有时轻微井喷； • 钻速变快。
入钻井液，使其性能发生不符合要求的变化，这
种现象称为钻井液受侵。有的污染物严重影响钻
井液的流变性和滤失性能，有的污染物能够腐蚀
钻具。最常见的是油、气侵、粘土侵钙侵、盐侵
和盐水侵，还有Mg2+，CO2、H2S和O2的污染。 因其中一些已作介绍，下面着重介绍CO2、H2S、 O2、盐膏层和高压盐水层的污染及处理。
通过实验表明，浓度为几个ppm的 氧就足以引起明显的腐蚀，氧的含量 越高，腐蚀速度越快。如果钻井液中 有H2S或CO2气体存在，氧的腐蚀速度 会急剧增加。氧腐蚀的化学方程式表 示为：
4Fe+3O2=2Fe2O3
4、处理高压盐水层的标准：根据实践 经验，钻井液性能稳定，氯根含量不再增 高，停泵井口不外溢，起下钻时盐水停止 上串。
5、处理盐水侵时，要注意防止加重过 猛压漏地层和钻井液性能坏变造成卡钻。
第三部分
CO2和O2的污染
CO2和O2的污染
一、CO2的污染

在许多钻遇的地层中含有CO2，某些处
使用出除气器，降低CO2在钻井液中 含量 。
二、O2的污染 钻井液中氧的存在会加速对钻具的腐
蚀，其腐蚀形式主要为坑点腐蚀和局部腐 蚀。即使是在极低浓度的氧也会使钻具的 寿命明显降低。
钻井液中的氧主要来自大气。大气中 的氧通过地面循环系统、固相分离设备、 钻井液容器、高压液枪和钻井泵等设备在 钻井液循环过程中混入，其中一部分氧溶 解在钻井液中，直至饱和状态。清水、低 固相钻井液很容易吸取氧气；高粘度、高 切力的钻井液不容易吸收氧气，但吸收以 后又很难使氧气逸出，除非使用除气器才 能除去。
续电离补充。
阳极反应：
Fe → Fe2++2e 温度： 游离二氧化碳的腐蚀受温度影响很大。
升高温度,腐蚀速率增加。 分压： 腐蚀速度还随着二氧化碳分压增加而
增加。
复配：

水中同时含有O2、CO2腐蚀将会加重。
原因：
氧的电极电位高,易形成阴极,腐蚀性强。
去膜：
第一部分
硫化氢气体对钻井液的污染
硫化氢气体对钻井液的污染

硫化氢，无色气体，有恶臭和毒性。密度
1.539g/cm³。相对密度1.1906（空气=1）。熔点：
－82.9℃，沸点：－61.8℃。溶于水、乙醇、甘油。
溶于水生成氢硫酸（一种弱酸）。

化学性质不稳定，在空气中容易燃烧。能使
银、铜等制品表面发黑。与许多金属离子作用，

在硫化氢大量从地层中逸出的条件下，如果
钻井液的PH值接近7，则会在井筒围岩的内层形
成具有高粘度和底PH值的钻井液凝块，这种凝块
甚至可以成为钻具遇卡的原因。

室温下的室内研究数据表明，在保持钻井液
PH值大于9的情况下，侵入数量不太大的硫化氢
并不引起钻井液的粘度和结构—力学性质的明显
变化。
所以，如果预计有硫化氢气体存在， 钻井液的PH值应该保持在10以上。硫化氢 与烧碱的反应如下：
种无色有臭鸡蛋气味的剧毒气体，应在通风处进
行使用必须采取防护措施。
H2S主要对水基钻井液有较大 的污染，它会使钻井液性能发生很
大的变化。如密度降低、值下降、
粘度上升，颜色变为瓦灰色、墨色 或墨绿色。
H2S主要来自含硫地层，此外，某 些磺化有机处理剂以及木质素磺酸盐
在井底高温下也会分解产生H2S。它对 钻具和套管有极强的腐蚀作用。因此，
生成不溶于水或酸的硫化物沉淀。
硫化氢的结构

中心原子S原子采取sp3杂化，电子对构型为
正四面体形，分子构型为V形，H—S—H键角为
92.1°，偶极矩 0.97 D ，是极性分子。

分子的几何形状和水分子相似，为弯曲形。