钻井液的受侵及处理2

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。

第一节CO2和O2的污染

一、CO2的污染

在许多钻遇的地层中含有CO2，某些处理剂分解也会使钻井液含有CO2气体。是一种酸性气体，当其混入钻井液后会生成HCO3-和CO32-，即

CO2+H2O=H++HCO3-=2H++ CO32

反应中生成的碳酸使钻井液PH值下降，其酸性比H2S强。并且也和钻井液中的碱反应，生成碳酸氢钠。CO2气体流入井内将大大降低或完全抵消钻井液中的碱性。

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O

2、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。

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。

化学腐蚀和电化学腐蚀的比较

电化学腐蚀两种情况的比较（以钢铁在潮湿的空气中腐蚀为例）

的腐蚀机理为：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：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。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-

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范围内。CO2污染的现象

Ø钻井液中气泡增多；

Ø钻井液pH值下降，加烧碱提高PH值时，速度慢，加量大。

Ø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。

●使用出除气器，降低CO2在钻井液中含量。

思考题：

1、CO2侵对钻井液性能有什么的影响？

2、CO2对钻具的腐蚀机理？

3、如何处理CO2侵？

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。大气中的氧通过钻井液池、高压钻井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。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

另一种氧腐蚀钻具的机理如下：

阳极Fe→Fe+2+2e Fe+2→Fe+3+e

阴极O2+2H2O+4e→4OH-

将阳极和阴极的反应归纳在一起，则整个腐蚀电路的完整反应为：

4Fe+6H2O+3O2→4Fe(OH)3↓

如果PH值>4，则Fe(OH)3不溶于水，它可在金属表面形成保护层，则可抑制进一步的腐蚀。然而，如果钻井液中含有大量的Cl-，它将防碍Fe(OH)3保护层的形成，会使腐蚀速度继续随O2的增加而加快。

氧腐蚀的特征是使铁生锈，在管材表面形成大片锈斑，由于表面的应力状态和小裂痕，小凹坑等会导致氧腐蚀造成很深的凹坑。

控制氧腐蚀的方法有：

●首先应考虑采取物理脱氧的方法，用除气器等设备，并在搅拌过程中尽量控制氧的侵入量。

●如果将钻井液的pH值维持在10以上也可在一定程度上抑制氧的腐蚀，这是因为在较强的碱性介质中，氧对金

属铁产生钝化作用，在钢材表面生成一层致密的钝化膜，因而腐蚀速度明显降低。

●解决钻具氧腐蚀的最有效的方法还是化学清除法，即选用某种除氧剂与氧发生反应，降低钻井液中氧的含量。

常用的除氧剂有亚硫酸钠(Na2SO3)、亚硫酸铵[(NH4)2SO3]、二氧化硫(SO2)和肼(N2H4)等，其中以使用亚硫酸钠最为普遍。它们之间的反应方程式如下：

2Na2SO3+ O2=2 Na2SO4

2(NH4)2SO3+ O2=2 (NH4)2SO4

2 SO2+ O2+2H2O=2 Na2SO4

N2H4+ O2= N2+2H2O

●在钻具内壁或外表面涂一塑料涂层，钻井液与此涂层接触时，将钻井液中的氧隔开。

思考题：

1、 O2对钻具的腐蚀机理？

2、 O2腐蚀的影响因素？

3、控制氧腐蚀的方法有哪些？

第二节H2S污染

H2S是易致人死亡的仅次于氰化物的剧毒气体。因此，为确保工作人员的绝对安全，必须了解其性质和来源。

一、H2S的物理性质及化学性质

（1）、颜色：H2S是无色、剧毒、强酸性气体，人的肉眼看不见。

（2）气味：它有一种特殊的臭鸡蛋味，浓度低也可以伤害嗅觉，固不能用鼻子监测该气体。

（3）密度：它是一种比空气重的气体，相对密度为1.176g/cm3；

（4）爆炸极限：当H2S气体以适当的比例（4.3%-46%）天然气：6.5%----17%，氢气：4%-74与空气或氧气混合，遇火就会爆炸；

（5）可燃性：易燃，燃烧时发出蓝色火焰，并产生有毒的SO2气体，SO2会伤害人的眼睛和肺；二氧化硫无色气体；相对密度为2．264；辛辣刺激气味；毒性比硫化氢(H2S)弱；易溶于水，生成亚硫酸；分子量64．1 ；熔点-72.7℃；沸点-10℃；不助燃。二氧化硫 8小时加权平均值2 ppm，超15分钟短期暴露量平均值5 ppm。

（6）可溶性：可在液体中溶解，溶解度与温度、气压有关；

（7）沸点：液态的H2S沸点很低，故通常为气态。

二、职业性安全暴露极限及毒气的强度等级