钻井液中的环境污染探析

作者：杨莉 姚建华 罗平亚 单位：西南石油大学石油工程学院 四川石油管理局川西钻探公司

CO2钻井液中 CO2的主要来源有 ：①钻井液配浆或处理过程中加入了过量的 CO32-；②空气中的 CO2在固控过程中溶解进入钻井液 ；③木质素磺酸盐等有机物在高温下降解生成 CO2；④地层中的 CO2随地层流体侵入钻井液[6]。CO2可溶于水和油，在钻井过程中 CO2侵入将增大钻井液中 HCO3-浓度，加剧泥岩的水化膨胀，使钻井液的黏度切力上升。此外，CO2的水溶液呈酸性，它将加剧钻具、管线等设备的腐蚀程度。盐水地层中常见的盐水包括钙性盐水和钠性盐水，盐水的侵入将降低钻井液的 pH 值，造成处理剂失效、钻井液丧失胶体性质，而大量钙离子往往使钻井液处于过度絮凝状态。

对于以上几种常见的钻井液污染，如果不对污染状况进行分析，简单地采用稀释剂和大量胶液进行处理，不但处理效果不理想，还会大大增加处理成本。根据上述 4 类污染的根本原因，从基础化学理论出发，提出了经济可行的处理方法。H2S污染处理1）提高钻井液抗 H2S 污染能力。硫处理剂的高温降解或 2 种处理剂间发生反应都可能产生 H2S，如新疆塔西南某井钻至 5 000 多米时，振动筛出口探头显示 H2S 含量为 8～10 mg/L，而该地层为非含硫地层。经分析，H2S 是由钻井液处理剂 PSC 和SPNH 发生氧化还原反应或高温降解产生的。一方面，处理剂中的磺甲基—CH2SO3-发生高温降解 ；另一方面，PSC 中的 Cr3+和自身或其它处理剂中的—SO3-发生氧化还原反应，产生 H2S。现场实验证实，用 PSC 和 SPNH 在集气瓶中混合，加热后震荡，将 H2S 监测仪放置于瓶口，探头显示 H2S 含量约 8 mg/L。因此，钻井液处理剂应具有较好的抗温性能，且尽量避免氧化型处理剂和还原型处理剂同时使用。2）已被 H2S 污染的钻井液处理。在提高钻井液 pH 值的前提下，加入 Zn2（OH）2CO3，可除去侵入钻井液中的 H2S，恢复钻井液性质，减缓钻具腐蚀，防止发生人员中毒事故。其化学反应式如下（公式略）实际处理过程中，H2S 的浓度一般较低，且是逐渐侵入的，需准确把握 Zn2（OH）2CO3的加量。加入量过少或加入次数不足，难以有效除去侵入钻井液中的 H2S ；但如果 Zn2（OH）2CO3过量，钻井液中的 OH-浓度增大，黏度切力将急剧上升。此时宜采用生石灰处理，其化学反应如下。（公式略）石膏污染处理1）被石膏污染的钻井液处理方法。石膏污染的主要原因是 pH 值降低和过量 Ca2+导致钻井液絮凝，可同时加入 NaOH 和 Na2CO3溶液进行处理。烧碱溶液使钻井液的 pH 值升高，拆散因 Ca2 ＋形成的较大、较强的黏土絮凝结构，使钻井液处于适度的絮凝状态，并保持黏土颗粒大小适度，不至于因聚结而合并得过大。Na2CO3溶液可清除过量 Ca2+，根据所选择的钻井液体系使 Ca2+的含量保持在适宜范围。反应式如下。（公式略）NaOH 和 Na2CO3溶液按一定比例配合使用，既可清除过量的 Ca2+，又可使钻井液的 pH 值保持在需要的范围内，最终恢复钻井液的性能。对于被石膏污染后的钻井液，经 NaOH 和 Na2CO3溶液处理后的钻井液性能（表略）石膏是逐渐溶解侵入钻井液的，烧碱溶液加量过少或添加次数不足都不能除去过量的 Ca2+。如果加入 Na2CO3过量，钻井液中的 CO32-浓度将增大，黏度切力将急剧上升，此时用生石灰处理，具体反应式如下。（公式略）2）提高钻井液抗石膏污染能力。钻过石膏层时应尽可能使用抗污染能力较强的聚磺钻井液。在进入石膏层前对井浆进行预处理，及时转化为聚磺钙处理体系，同离子效应使可逆反应向右进行，降低了石膏的溶解度，减小了石膏对钻井液的破坏作用。同时添加足量的护胶剂，提高钻井液的抗石膏污染能力。

CO2污染处理1）被 CO2污染的钻井液处理。CO2污染钻井液的主要原因是 CO32-和 HCO3-的存在导致钻井液黏度切力上升。向钻井液中添加 CaO，不仅可以清除 HCO3-，还可以抑制泥岩的水化膨胀，减缓设备腐蚀，降低处理成本，化学反应式如下。（公式略）例如，新疆北部某井，采用 φ215.9 mm 钻头和聚合物钻井液，钻至 1 500～2 200 m 井段时发生CO2污染，钻井液的黏度切力急剧上升。使用了在钻井液过渡槽内撒石灰的方法，使被污染的钻井液黏度切力迅速降低，各项性能基本恢复至污染前水平，（公式略）在实际处理过程中，CO2同样是逐渐溶解侵入的，CaO 加量过少或加入次数不足，都不能除去过量的钙离子。但若 CaO 加量过大，钻井液中的 Ca2+浓度增大，黏度切力急剧上升。此时钻井液处于过度絮凝状态，采用适量的纯碱处理效果较好。2）提高钻井液抗 CO2污染能力。Ca2+可除去侵入的 CO2，因而保持钻井液中存在适量的 Ca2+，同时添加足量的护胶剂，可提高钻井液抗 CO2污染的能力。但受钻井设计的影响，某些井只能使用聚合物钻井液，这就需要经常测钻井液碱度，并计算出钻井液中 CO32-、HCO3-的含量，根据 2 者含量的变化适量添加生石灰。盐水污染处理钻井液被盐水污染时，可添加 NaOH 来提高钻井液的 pH 值，同时补充足够的护胶剂来维持钻井液的胶体性质。如果污染物是含钙性盐水，则要考虑先用纯碱除钙，以避免钻井液处于过度絮凝状态。四川北部某井，采用φ311.15 mm 钻头和聚磺钻井液，钻进至井深 4 683～4 704 m 时遇钙性盐水侵。根据邻井资料显示，该井下部存在十几米的高压盐水层，以 CaCl2为主，Cl-含量为 60～70 g/L。在进入盐水层前，有针对性地对现场钻井液进行盐水污染实验，并加入适量的纯碱除钙，实验方案及结果。由此可知，添加 Na2CO3处理后，钻井液性能基本得到恢复。如果起下钻后出现大量涌入的盐水，应及时排放，以降低处理难度和成本。如果盐水是在钻进过程中逐渐溶解侵入的，处理剂加量过少或加入次数不足，则难以有效地除去盐水中的过量钙离子和较低 pH 值。但过量添加 Na2CO3会增大钻井液中CO32-的浓度，钻井液黏度切力则随之急剧增大，宜添加适量的石灰水进行处理。

H2S、石膏、盐水和 CO2等污染钻井液的根本原因是它们打破了钻井液的酸碱平衡，破坏了其胶体状态，宜首先添加 NaOH 溶液，使钻井液维持碱性环境，再作进一步处理。H2S 的来源包括地层流体中的 H2S 入侵和处理剂在高温下降解或发生化学反应等。钻井液处理剂应具有较好的抗温性能，且避免氧化性处理剂和还原性处理剂同时使用。对于已被 H2S 污染的钻井液，先加入碱液提高 pH 值，再采用 Zn2（OH）2CO3除去 H2S。石膏和盐水污染的主要原因是钻井液 pH 值下降和 Ca2 ＋过量，NaOH 和 Na2CO3溶液按一定比例配合使用，既可清除过量的 Ca2+，又可使钻井液的 pH 值保持在需要的范围内，处理效果较好。钻过石膏层或盐水层时，应尽可能使用抗污染能力较强的聚磺钻井液。4. CO2污染的主要原因是 HCO3-的存在导致钻井液黏度切力上升，向钻井液中添加 CaO，不仅可以清除 HCO3-，还可以抑制泥岩的水化膨胀，处理成本低。此外，保持钻井液中存在适量的 Ca2+，同时添加足量的护胶剂，可有效提高钻井液的抗 CO2污染的能力。