鉆井液受碳酸（氫）根污染研究現狀及建議

胡金喜

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，遼寧 盤錦 124010）

在鉆探過程中，鉆井液常受Ca2+、Mg2+、Cl-（主要為鹽水）、H2S、碳酸（氫）根（CO32-/HCO3-）等多種離子(物質)的污染，其中碳酸（氫）根污染是一種較為復雜的情況[1-3]。準確判斷污染的來源，對調節和處理鉆井液性能有重要指導作用；鄭艷茹[1]總結了9種碳酸（氫）根污染可能來源，但在實際鉆探過程中，污染主要來源于：①碳酸鈉、碳酸氫鈉在配漿、處理水泥污染時使用過量，以及部分處理劑含有這類物質；②有些處理劑在深井超深井高溫作用下，分解產生CO2氣體；③鉆遇含較多碳酸（氫）根地下水層時，部分地層水侵入鉆井液；④鉆進碳酸鹽或鉆遇含CO2氣體的地層，大量CO2氣體侵入，這是最易破壞鉆井液性能的情況[1-9]。本文綜述了鉆井液受碳酸（氫）根污染可能產生的現象及危害、污染機理，以及應對碳酸（氫）根污染的處理技術，并提出了相應建議。

1 碳酸（氫）根污染的現象及危害

鉆井液在受到碳酸(氫)根污染時，由于鉆井液的種類、固相含量和處理劑種類不同，其表現出來的現象和危害可能有所不同；在某些深井超深井鉆探過程中，有時誤將碳酸(氫)根污染表現的現象判斷為鉆井液抗溫、抗污能力差，致使鉆井液處理不及時、缺乏針對性，導致處理周期長，效果不理想，有的甚至發生事故，造成了巨大的成本損失[5-7]。綜合分析資料[1-10]，碳酸（氫）根污染可能（但不一定全部包括以下）現象及危害：

（1）鉆井液顏色變成暗灰色或者棕灰色，污染嚴重可變成暗黑色膠油狀，并且鉆井液體系起泡不宜消泡；

（2）鉆井液粘度、切力明顯變大，波動大，使用多種稀釋劑和降失水劑進行反復處理，效果不理想；

（3）鉆井液粘度變大，鉆井液流動性變差，起皮現象明顯（有文獻描述為呈癩蛤蟆表皮狀[4]）；

（4）鉆井液掛壁現象嚴重；

（5）鉆井液的濾失量不好控制，即使向鉆井液體系中加入足量的降濾失劑，將濾失量限制在要求的范圍，濾餅的質量很難保持薄而韌，泥餅蜂窩狀氣孔較多；

（6）六速旋轉粘度計測定粘度，Φ6和Φ3的讀數很大，測完指針不回零，所測定數據不準確；

（7）鉆井液的pH下降，且pH不好控制；

（8）雖然鉆井液體系中的膨潤土含量和固相含量均在正常值范圍，但觸變性變強，攪動停止，很快呈現“豆腐塊”狀；

（9）鉆井液濾液有大量碳酸氫根離子或碳酸根離子存在，有時還同時存在Ca2+、Mg2+離子（原因可能為：①鉆井液中較高的處理劑含量增加了HCO3-、CO32-離子與Ca2+、Mg2+離子的結合難度，使其不能有效結合而同存于濾液中[5]；②碳酸氫鹽為可溶性物質）；

（10）鉆井施工中出現掛卡、下鉆到底開泵困難、開泵循環返出大量虛泥餅并伴有井壁掉塊等現象。

2 碳酸（氫）根污染機理

受碳酸（氫）根污染時，鉆井液可能有CO2、H2CO3、HCO3-和CO32-等存在形式，即CO2與水反應生成H2CO3，而H2CO3很不穩定，分解生成HCO3-和CO32-，變化如下：CO2+H2O ?H2CO3?H++HCO3-HCO3-?H++CO32-H++OH-?H2O；過量的CO2氣體在鉆井液中形成細分散微泡，導致鉆井液切力升高，初切、終切接近，流變性惡化，這種情況在高密度鉆井液中會變得更加突出[2,6]。一般情況下，鉆井液中的碳酸（氫）根總含量小于2370mg/L 時（有文獻判定范圍為2400mg/L)，屬輕度污染，對鉆井液性能影響不大[4-6]。但需要指出的是，判斷鉆井液是否受到污染，碳酸(氫)根含量是重要依據，但不能僅看其濃度的高低而忽視鉆井液的實際現狀；有時因體系抗污染能力強，鉆井液性能在高碳酸（氫）根時并未受到太大影響。

綜合而言，碳酸（氫）根污染的污染機理主要是降低了體系的pH 值，同時在粘土上發生競爭吸附，使相應處理劑發揮不出功效；另外就是破壞膠體穩定，體系容納有害固相的能力大幅降低，當體系膨潤土含量高時，影響更大；過量CO2形成微泡，難以清除[1-3,6,8,10]。因為以上原因可能導致采用降粘劑和降濾失劑反復處理，不見效果[9]。也有文獻指出，在受碳酸（氫）根污染體系中加入一定量柴油和消泡劑，前期可達到消泡效果，但維持時間不長。分析認為：①含有大量碳酸鹽的鉆井液會在一定的溫度下與加入的油類物質發生皂化反應；②消泡劑是易在高溫條件下分解的大分子類物質，穩定性差；③酸根離子之間的相互轉換會造成鉆井液含有大量的二氧化碳氣泡。所以需要降低濾液中酸根離子的濃度，才能達到充分消泡的目的[10]。

3 碳酸（氫）根污染的（預）處理技術

3.1 碳酸（氫）根污染預防技術

對于鄰井已出現過碳酸（氫）根污染、地質提示可能鉆遇碳酸（氫）根地下水層、碳酸鹽或含CO2氣體地層的情況，可以采用以下預防技術：

（1）選用含碳酸（氫）根較少的處理劑，尤其針對復雜井和超深井施工；

（2）在進入污染層前，改用抗污染能力更強鉆井液體系；

（3）控制合適的膨潤土含量；

（4）保持鉆井液具有較低的粘度和切力，使其具有較好流變性和易脫氣性；

（5）適當提高鉆井液密度以應對水層及CO2氣層污染，減少污染物侵入；

（6）配制的鉆井液基液pH 值不能過高，最好不超過12，因為高堿性鉆井液極易吸附空氣中CO2的，致使碳酸根和碳酸氫根的含量增加；

（7）處理石膏、水泥污染或鉆水泥塞時避免處理過量，多做小型實驗，確定最佳加量；

（8）加強固控設備使用，盡量清除有害固相；

（9）可提前對鉆井液進行CaO膠液預處理，有必要保證護膠劑的用量達到基本配方的高限；

（10）定期測定鉆井液中碳酸（氫）根含量；

（11）陰離子污染的后期深井段，易產生的低溫增稠現象，此時又需要長周期高粘度、切力攜巖的井次，可提前用高濃度磺化堿液稀釋、調整鉆井液流變性，避免產生因使用稀釋劑造成鉆井液粘度過低、切力過小等現象；

（12）對易產生陰離子污染的井段，一是以預防為主，提高自身抗污染能力，二是從污染源頭開始，通過物理手段對污染源進行控制。長周期污染的井次中，可采取補充優質新鮮“血液”的方式對污染井漿進行置換處理[2,6-7,9-10]。

3.2 常規處理技術

目前較為常規的處理技術是引入Ca2+通過化學方法生成沉淀，消除碳酸（氫）根污染（在消除HCO3-時應盡可能將其轉換為CO32-），最常用的是加入石灰（CaO）、石膏（CaSO4）和氯化鈣（CaCl2），三者提供Ca2+的量依次增加，這就需要根據碳酸（氫）根污染程度選用合適的污染消除劑。石灰遇水生成熟石灰[Ca（OH）2]，隨溫度升高，溶解度反而下降，在處理時會同時引入OH-，提高體系pH 值；石膏和CaCl2溶解度隨溫度升高而增加，在處理時會消耗堿值，所以一般需要同時補充燒堿，維持pH值。加石灰處理在低密度鉆井液中取得了較好的效果，但在處理“三高”鉆井液時卻遇到了不少難題，主要是對深井或超深井，使用CaO、Ca(OH)2等處理劑對鉆井液性能的影響較大，因為井深、井溫高、鉆井液密度大，所以處理工作較為復雜，需謹慎使用[4-5,8,11-12]。對于深井及高密度井可能面臨異常高壓（含CO2）氣層，石灰處理不理想，于是引入石膏和氯化鈣處理，蓋靖安等[13]建議先用CaO 乳液對污染鉆井液預處理，再使用氯化鈣處理，以避免鉆井液（特別是是膨潤土含量和固相含量較高時）因氯化鈣過度絮凝而失去流動性。李文濤[14]在采用CaO 處理不理想情況下，改用CaCl2處理，形成了適合現場的處理工藝，并在兩口井應用效果較好。不過Ca2+屬于強絮凝離子，含量大的時候對體系影響較大，處理前應做好小型實驗，落實好技術措施，避免鉆井液處理過度。

3.3 其他處理技術

隨著對碳酸（氫）根污染研究的不斷深入，許多專家學者提出了其他處理技術，包括超細水泥處理技術[2,14-16]、固相容量限拓展法[2,16-17]、防稠化降粘處理技術[2,18]、加“FCLS、KOH”處理技術[2,19]等。雖然這些技術有成功處理案例，但是效果不夠明顯和迅速，有的加量控制不好還會引起鉆井液固化；有的容易引起二次污染；有的由于處理劑本身就會污染環境，已經不適合用于處理污染鉆井液。具體選擇哪種處理技術，仍需結合現場實際，酌情確定，越是有污染(復雜)的井，越要精細化施工，同時做好小型實驗對輔助判斷污染來源和處理污染鉆井液具有重要作用。

4 結束語

（1）對于碳酸（氫）根污染，正確分析其來源至關重要。

（2）目前處理碳酸（氫）根污染主要為引入Ca2+通過化學方法消除影響，需要注意的是消除HCO3-時應提高pH值；CaO因溶解度和溶度積問題，較適用于處理輕度污染；在碳酸（氫）根濃度較高時一般采用溶解度更高的石膏、CaCl2處理。

（3）越是存在污染（復雜）的井，越要精細化施工；必要時可以通過補充優質新鮮“血液”的方式對污染井漿進行置換處理；做小型實驗在輔助判斷和處理碳酸根污染時是重要且必要的。

（4）碳酸（氫）根污染時，清除碳酸（氫）根污染較為關鍵，否則會造成采用降濾失劑和稀釋劑反復處理，粘、切不降低情況。