鈣處理鉆井液的配制原理及特點(diǎn)

1、Ca2+改變粘土分散度的作用機(jī)理，可以從以下兩方面來理解。，一方面，Ca2+通過Na+/Ca2+交換，將鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土。鈣土水化能力弱，分散度低， 故轉(zhuǎn)化后體系分散度明顯下降。轉(zhuǎn)化的程度取決于粘土的陽離子交換容量和濾液中Ca2+的濃 度。圖6-3表示濾液中鈣離子的濃度對(duì)其在不同類型粘土上吸附量的影響。由圖可見，粘土 的陽離子交換容量越高，所吸附Ca2+的量就越大。同時(shí)，通過控制濾液中Ca2+的濃度，可 以控制鈉土轉(zhuǎn)變?yōu)殁}土的數(shù)量，從而控制鉆井液中粘土的分散度。另一方面，Ca2+本身是一種無機(jī)絮凝劑，會(huì)壓縮粘土顆粒表面的擴(kuò)散雙電層，使水化膜 變薄，Z電位下降，從而引起粘土晶片面-面和端-面聚結(jié)，

2、造成粘土顆粒分散度下 降。但是，如果只加入Ca2+，就相當(dāng)于細(xì)分散鉆井液受到鈣侵，使其流變和濾失性能均受到破壞。因此，鈣處理鉆井液在加入Ca2+的同時(shí)，還必須加入NaT、FCLS和CMC等分散 劑。由于這類分散劑的分子中含有大量的水化基團(tuán)，當(dāng)吸附在粘土顆粒表面后，會(huì)引起水化 膜增厚，(電位增大，從而阻止粘土晶片之間的聚結(jié)和分散度降低。鈣處理鉆井液的配制原理，就是通過調(diào)節(jié)Ca2+和分散劑的相對(duì)含量，使鉆井液處于適度 絮凝的粗分散狀態(tài)，從而使其性能能夠保持相對(duì)穩(wěn)定，并達(dá)到滿足鉆井工藝要求的目的。圖64鉆井液不同分布的分散狀態(tài)示意圖圖6-4描述了分散鉆井液、受到鈣侵的分散鉆井液和鈣處理鉆井液在分散狀

3、態(tài)上的區(qū)別 及其內(nèi)在聯(lián)系。圖中(a)表示一般分散鉆井液的細(xì)分散狀態(tài)；(b)表示受鈣侵后的絮凝狀態(tài)； (c)和(d)均表示鈣處理鉆井液適度絮凝的粗分散狀態(tài)。不難看出，使鉆井液處于適度絮凝的 粗分散狀態(tài)有兩條途徑：一是在分散鉆井液中同時(shí)加入適量的鈣鹽(或石灰)和分散劑，使圖 6-4中的(a)變?yōu)?d)；二是在受鈣侵后處于絮凝狀態(tài)的鉆井液中及時(shí)加入分散劑，使圖6-4 中的(b)變?yōu)?c)。在適度絮凝的粗分散狀態(tài)中，其絮凝和分散程度也有所區(qū)別，正如6-4 中的(c)和(d)之間的相互轉(zhuǎn)化，加入分散劑可使顆粒變細(xì)，絮凝程度降低；反之加鈣鹽則使 顆粒變粗，絮凝程度提高。在鈣處理鉆井液問世之前，曾廣泛使用分

4、散鉆井液。一旦受到鈣污染，分散鉆井液便立 即失去其良好的流動(dòng)性，并且濾失量劇增，泥餅厚度增加，且結(jié)構(gòu)松散。在處理鈣污染的過 程中人們發(fā)現(xiàn)，與原來的分散鉆井液相比，經(jīng)過處理的鈣污染鉆井液表現(xiàn)出有許多優(yōu)越性， 如抑制性和抗鹽類污染的能力增強(qiáng)等，于是就開始有意識(shí)地配制和使用鈣處理鉆井液。最初 使用石灰低鈣含量鉆井液(Ca2+含量為120200mR/ 1)，后來又相繼出現(xiàn)了石膏中鈣含量鉆 井液(Ca2+含量為3 00500mg/ 1)和氯化鈣高鈣含量鉆井液(Ca2 +含量為500mg / 1以上)。與分散鉆井液相比，鈣處理鉆井液的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下方面：性能較穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗鈣污染、鹽污染和粘土污染

5、的能力。固相含量相對(duì)較少，容易在高密度條件下維持較低的粘度和切力，有利于提高鉆速。能在一定程度上抑制泥頁巖水化膨脹；濾失量較小，泥餅薄且韌性好，有利于井壁 穩(wěn)定。由于鉆井液中粘土細(xì)顆粒含量較少，對(duì)油氣層的損害程度相對(duì)較小。二、石灰鉆井液以石灰作為鈣源的鉆井液被稱為石灰鉆井液，影響其性能的關(guān)鍵因素是Ca2+濃度，而 Ca2+濃度主要受到石灰溶解度的影響。石灰溶解度的影響因素石灰是一種難溶的強(qiáng)電解質(zhì)。它在水中的溶解度主要受溫度和溶液pH值的影響。石灰 在水中溶解時(shí)放熱，因此隨溫度升高，石灰的溶解度反而減小，溶液中Ca2+濃度也相應(yīng)減小 （見圖6-5）。圖6 5溫度和NaOH含量對(duì)Ca（OH） 2溶

6、解度的影響在一定溫度下，隨pH值增大石灰鉆井液中C；2+濃度降低的趨勢(shì)是成立的。圖6-5表示 在三種不同溫度下，實(shí)測的Ca（OH）2溶液中Ca2+濃度隨NaOH加量的變化曲線。由圖可見， 如不加NaOH，常溫下Ca2+體積濃度可達(dá)800mg / 1；而加入5. 7g / INaOH之后，Ca2+體積濃 度降至約130g/1。因此，對(duì)于石灰鉆井液，pH值對(duì)控制鉆井液的Ca2+濃度起很大作用。一 般情況下，石灰鉆井液的pH值應(yīng)控制在1112,使Ca2+含量保持在120200mg/ 1的范圍 內(nèi)。其儲(chǔ)備堿度，即體系中懸浮的石灰含量保持在3 000-6 000mg / 1較為合適。若pH值過 低，Ca

7、2+含量增大，粘度與切力將超過允許范圍；若pH值過高，Ca2+含量很少，將失去鈣 處理的意義。石灰鉆井液的使用要點(diǎn)石灰鉆井液經(jīng)常是在原有分散鉆井液基礎(chǔ)上經(jīng)轉(zhuǎn)化而形成。轉(zhuǎn)化程序?yàn)椋合燃尤胍欢?的水以降低固相含量，然后同時(shí)加入石灰、燒堿和稀釋劑。以上各組分的加量均需通過室內(nèi) 實(shí)驗(yàn)確定，整個(gè)處理過程大約在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)完成。若需要，再補(bǔ)充適量降濾失劑。在維 護(hù)工藝上，要特別注意掌握好幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，包括濾液中Ca2+濃度、pH值和儲(chǔ)備堿度（即鉆 井液中未溶解的石灰含量，由戶。和幾求得）。此外，還應(yīng)注意高溫固化問題。當(dāng)鉆達(dá)井底 溫度超過135C時(shí)，鉆井液中的各種粘土?xí)c石灰、燒堿發(fā)生反應(yīng)，生成水合硅酸

8、鈣等類似 于水泥凝固后的物質(zhì)，導(dǎo)致鉆井液急劇增稠。這種情況下，必須將石灰含量、鉆井液堿度和 固相含量降低，轉(zhuǎn)化為低石灰低固相鉆井液。有效地使用固控設(shè)備，保持盡可能低的固相含 量是將該類鉆井液用于高溫深井的前提條件。石灰鉆井液可承受的鹽侵約為50 000mg/1。隨著鹽的侵人，鉆井液的pH值降低，石 灰溶解度提高，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大燒堿的用量，以限制體系中Ca2+的濃度，并使用鐵格鹽控制 流變性能。石膏侵對(duì)石灰鉆井液的性能一般不會(huì)有大的影響。但在鉆人大段石膏地層時(shí)，鉆 井液的粘度、切力及濾失量都會(huì)有所增加。正確的處理方法是，在鉆遇石膏層之前可先加適 量燒堿進(jìn)行預(yù)處理以維持所需的PH（濾液的酚歐堿度）

9、值。當(dāng)鉆遇石膏層后，先不急于加石 灰，待Pm。（鉆井液的酚歐堿度）值開始出現(xiàn)下降時(shí)再行加人。此時(shí)若流變性和濾失量出現(xiàn) 較大變化，可通過加入鐵格鹽和CMC等處理劑進(jìn)行控制。三、石膏鉆井液石膏鉆井液的特點(diǎn)選用石膏作為絮凝劑，分別用鐵格鹽和CMC作為稀釋劑和降濾失劑，維持pH值在9. 5 10. 5范圍內(nèi)，濾液中Ca2+含量約為6001 200mg / 1,即可配制成石膏鉆井液。與石灰鉆 井液相比較，石膏鉆井液具有以下特點(diǎn)：由于石膏的溶解度比石灰大得多，因而石膏鉆井液具有比石灰鉆井液更高的Ca2+含 量。這種情況下，鉆井液的絮凝程度必然增大，相應(yīng)地所需稀釋劑和降濾失劑的加量也應(yīng)有 所增加，才能使性能

10、達(dá)到設(shè)計(jì)要求并保持穩(wěn)定。顯然，與石灰鉆井液相比，石膏鉆井液具有 更強(qiáng)的抗鹽污染和石膏污染的能力。與石灰相比，石膏的溶解度受pH值的影響較小。這樣，石膏鉆井液的pH值和堿度 可維持較低，又由于Ca2+含量較高，因而更有利于抑制粘土的水化膨脹和分散，即防塌效果 明顯優(yōu)于石灰鉆井液。因此，該類鉆井液多用于鉆厚的石膏層和容易坍塌的泥頁巖地層。石膏鉆井液具有比石灰鉆井液更高的抗溫能力，其發(fā)生固化的臨界溫度在175C左 右，明顯高于石灰鉆井液。據(jù)資料報(bào)導(dǎo)，它可以在某些5 000m以上的井段使用。石膏鉆井液的使用要點(diǎn)與石灰鉆井液相似，石膏鉆井液也常由分散鉆井液轉(zhuǎn)化而成。轉(zhuǎn)化時(shí)，首先加人適量淡 水，以防止鉆井

11、液過稠，所需水量可根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定。然后，在12個(gè)循環(huán)周期內(nèi)加入約4 kg /m3的燒堿、1015kg/m3的鐵鉻鹽和1218kg/m3的石膏。在添加以上處理劑之后，再 在1-2個(gè)循環(huán)周期內(nèi)加入34. 5kg/m3的降濾失劑CMC。有時(shí)若要將高pH值鉆井液或石 灰鉆井液轉(zhuǎn)化為石膏鉆井液，則需加更多的淡水進(jìn)行稀釋，并將石膏和稀釋劑的加量適當(dāng)提 高，此時(shí)不必再加入燒堿。對(duì)石膏鉆井液進(jìn)行維護(hù)時(shí)，除應(yīng)經(jīng)常檢測濾液中Ca2+含量和pH值外，還應(yīng)注意將鉆井液中 游離的石膏含量控制在59kg/m3范圍內(nèi)。并根據(jù)流變參數(shù)和濾失量的變化，隨時(shí)對(duì)性能 進(jìn)行必要的調(diào)整。四、氯化鈣鉆井液1.氯化鈣鉆井液的特點(diǎn)在這類鈣處理

12、鉆井液中，使用CaCl2作為絮凝劑，一般仍分別選用鐵鉻鹽和CMC等作稀 釋劑和降濾失劑，并用石灰調(diào)節(jié)pH值，使pH值保持在910之間。美國和俄羅斯都使用過 這種高鈣鉆井液，多用于易卡鉆、易坍塌的泥頁巖地層，其濾液中Ca2+濃度一般在1 000 3 500mg / l范圍內(nèi)。我國成功地將褐煤堿液應(yīng)用于該類鉆井液中，形成了具有特色的褐煤 -CaCl2鉆井液體系。氯化鈣鉆井液的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：由于體系中Ca2+含量很高，因此與前兩類鈣處理鉆井液相比，它具有更強(qiáng)的穩(wěn)定井 壁和抑制泥頁巖坍塌及造漿的能力。由于鉆井液中固相顆粒絮凝程度較大，分散度較低，因而流動(dòng)性好，固控過程中鉆 屑比較容易清除，有利于維持

13、較低的密度，可對(duì)提高機(jī)械鉆速及保護(hù)油氣層提供良好的條件。另一方面，正是由于Ca2+含量高，嚴(yán)重影響了粘土懸浮體的穩(wěn)定性，粘度和切力容 易上升，濾失量也容易增大，從而增加了維護(hù)處理的難度。褐煤-CaCl。鉆井液體系在組成上有一個(gè)突出的特點(diǎn)，即褐煤粉的加量很大。褐煤中含 有的腐植酸與體系中的Ca2+發(fā)生反應(yīng)，生成非水溶性的腐植酸鈣(可用符號(hào)CaHm2表示)膠狀 沉淀。這種膠狀沉淀一方面使泥餅變得薄而致密，濾失量降低，提高鉆井液的動(dòng)塑比，其作 用與膨潤土相似；另一方面，它起著Ca2+儲(chǔ)備庫的作用，使濾液中濃度不至于過大，即CaHm RCa2+十 2Hm-2在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)濾液中Ca2+消耗以后，電離平衡會(huì)自動(dòng)向右移動(dòng)，使Ca2+及時(shí)得到 補(bǔ)充，從而保證鉆井液的抑制能力和流變性能保持穩(wěn)定。五、鉀石灰鉆井液簡介鉀石灰鉆井液是在石灰鉆井液基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種更有利于防塌的鈣處理鉆井液。由 于石灰鉆井液存在著一些缺點(diǎn)，如高溫下容易發(fā)生固化，pH值較高以及強(qiáng)分散劑的使用不 利于提高鉆井液的抑制性等，因此后來將鉀離子引入石灰鉆井液中，并將配方進(jìn)行改進(jìn)，形 成了這種新的石灰防塌鉆井液體系。該類鉆井液在組成上的改進(jìn)包括以下兩方面：用改性淀粉取代了原石灰鉆井液中使用的強(qiáng)分散劑鐵鉻鹽，從而使鉆井液中粘土和 鉆屑的分