張 正，張統(tǒng)得

(1.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)，安徽 六安237010;2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059)

0 引言

在鉆井過程中，常有來自孔內(nèi)、孔壁的各種污染物進(jìn)入鉆井液中，使其性能發(fā)生破壞性變化，這種現(xiàn)象常稱為鉆井液受侵。按照污染物的不同鉆井液受侵可分為鈣侵、鹽侵、粘土侵、油氣侵等，而鈣侵是鉆井液受侵中最常見的一種現(xiàn)象。隨著我國(guó)地質(zhì)勘探中深孔、復(fù)雜孔鉆探工作量的不斷增大，往往需要在處理事故時(shí)水泥封孔，在固井或封孔后透水泥，由于水泥凝固體中含有大量Ca2+，不可避免地要遇到鉆井液鈣侵的問題，造成孔壁不穩(wěn)定或引起孔內(nèi)事故。

1 水泥鈣侵原因分析

水泥的主要礦物成分為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣。他們遇水后發(fā)生水化反應(yīng)，生成大量水化硅酸鈣膠凝(可用CaO—SiO2—H2O表示，簡(jiǎn)寫式為C—S—H)和氫氧化鈣(簡(jiǎn)寫式為CH)。其水化反應(yīng)式可寫為：

因此，在用水泥固井或封孔后，水泥在孔內(nèi)水化凝固后會(huì)產(chǎn)生大量的Ca(OH)2，由于部分Ca(OH)2能在水中電離成Ca2+和OH－，所以水泥對(duì)鉆井液的污染主要是這兩種離子共同作用的結(jié)果。如下式所示：

2 水泥鈣侵對(duì)鉆井液的影響及危害

雖然Ca(OH)2溶解度不高，但幾百個(gè)ppm的鈣離子含量就足以讓鉆井液失去膠體特性。Ca2+對(duì)鉆井液的污染主要是由于水泥提供的二價(jià)鈣離子易與鈉蒙脫石中的Na+發(fā)生離子交換，使鈉質(zhì)粘土變成鈣質(zhì)粘土，粘土ξ電勢(shì)減小，水化分散程度顯著降低，水化膜變薄，從而使得阻止粘土顆粒聚結(jié)的電性斥力減小，聚結(jié)－分散平衡向著有利于聚結(jié)方向變化，導(dǎo)致鉆井液粘土顆粒變粗，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和加大，致使鉆井液的濾失量、粘度、切力增大，泥餅變厚。而水泥引起的污染，還同時(shí)伴有OH－污染，致使鉆井液pH值升高。

鉆井液的粘度、切力過大，會(huì)造成泥漿泵開泵困難、粘糊井眼、鉆屑難以除去以及鉆井過程中循環(huán)壓耗過大的現(xiàn)象;泥餅變厚，濾失量增大則會(huì)引起泥頁巖水化膨脹，甚至嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致井塌和卡鉆等各種井下復(fù)雜情況。因此，必須重視鉆井液的水泥鈣侵問題。

3 鉆井液水泥鈣侵的處理方法

處理水泥鈣侵的方法主要有：使用化學(xué)處理劑清除產(chǎn)生的大量Ca2+與OH－，另一種是提前轉(zhuǎn)化鉆井液體系為鈣處理鉆井液。這里主要討論水泥固井或水泥填孔后透水泥時(shí)利用化學(xué)劑處理鉆井液水泥鈣侵的方法。

3.1 Ca2+與 OH－的清除

水泥污染會(huì)導(dǎo)致鉆井液pH值升高，一般根據(jù)鉆井液中Ca2+選擇加入適量碳酸氫鈉(NaHCO3)或SAPP(Na2H2P2O7)，通過它們與Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從溶液中沉淀Ca2+，同時(shí)可以起到降低pH值的作用。

加入NaHCO3的反應(yīng)式：

加入Na2H2P2O7的反應(yīng)式：

3.2 水泥鈣侵后鉆井液性能的調(diào)整與維護(hù)

鉆探中處理孔內(nèi)事故時(shí)，常常需要填充水泥后進(jìn)行側(cè)鉆或利用水泥護(hù)壁，有時(shí)填充水泥孔段較短，而下套管后水泥固井，水泥塞長(zhǎng)度一般也不長(zhǎng)，通常只有幾到十幾米，這種情況下透水泥，濾液中的Ca2+、OH－濃度較低，對(duì)鉆井液性能影響相對(duì)較小。但當(dāng)處于長(zhǎng)段注水泥或打水泥塞時(shí)，由于鉆井液中侵入的Ca2+、OH－濃度較高，對(duì)鉆井液性能影響很大，粘度急劇上升，濾失量大增，泥皮完全無質(zhì)量，pH值上升，含砂量增大，給下一步施工帶來巨大隱患，因此必須對(duì)鉆井液鈣侵后的性能進(jìn)行調(diào)整與維護(hù)。

3)改性活性炭負(fù)載了偏礬酸胺(NH4VO3)制備而成的催化劑，選擇性催化還原(SCR)煙道氣中的NO，脫硝率穩(wěn)定在55%，是原樣的2.5倍。超聲波加快了硝酸的傳質(zhì)速度，促進(jìn)了表面反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物的移除和孔道暢通，硝酸的脫灰和氧化。

在未穿透水泥孔段前，且水泥填孔則有水泥護(hù)壁，固井則有套管護(hù)壁，因此可以先以降低粘度為主，盡量控制濾失量，待穿透水泥后，再逐步降低濾失量。降粘劑推薦使用磺化單寧(SMT)。單寧類降粘劑的抗鈣能力差，而通過單寧與甲醛和亞硫酸鈉進(jìn)行磺甲基化反應(yīng)制備的磺甲基單寧降粘性能及抗鈣能力有明顯提高，抗Ca2+可達(dá)1000 mg/L，同時(shí)由于隨著結(jié)構(gòu)的拆散和粘土顆粒雙電層斥力和水化作用的增強(qiáng)有利于形成更為致密的泥餅，加大SMT用量也可以在一定程度上降低濾失;降濾失劑則可選擇磺甲基酚醛樹脂(SMP－1、SMP－2)，SMP的好處在于其是一種水溶性的線性不規(guī)則聚合物，5%的水溶液粘度與清水相近，在降濾失的同時(shí)對(duì)粘土不絮凝，不增粘，且SMP的抗鹽抗鈣能力較好，其中SMP－2的抗Ca2+可達(dá)2000 mg/L，此外SMP還能改善濾餅潤(rùn)滑性，對(duì)井壁有一定的穩(wěn)定作用;而在穿透水泥后，鉆井液粘度穩(wěn)定后，可采用鈉羧甲基纖維素(CMC)與SMP同時(shí)降濾失。另外由于含砂量的增大，應(yīng)該做好固控工作。推薦使用鉆井液配方如下：

透水泥時(shí)：清水+0% ～3%鈉土+1% ～2%SMT+1%SMP+0.5%NaHCO3。

穿透水泥后：清水+3%鈉土+1% ～2%SMP+0.5% ～0.8%CMC。

當(dāng)水泥封孔井段較長(zhǎng)，透水泥時(shí)，濾液中的Ca2+、OH－濃度較高，這種情況下，鉆井液粘度急劇上升，流變性極差，嚴(yán)重時(shí)甚至堵塞鉆井液循環(huán)槽，影響鉆井液的正常循環(huán)，因此處理起來也更加復(fù)雜。

(1)透水泥前，加強(qiáng)固控措施，盡量清除無用固相，尤其是低密度劣質(zhì)固相;

(2)透水泥前，提前向鉆井液加入SMT處理，或者在套管內(nèi)及在孔壁穩(wěn)定的前提下直接用清水透水泥塞;

(3)添加新漿時(shí)控制粘土含量，減輕鉆井液受Ca2+污染時(shí)增稠的嚴(yán)重程度;

(5)鉆井液鈣侵嚴(yán)重不利于孔壁穩(wěn)定，可根據(jù)地層特點(diǎn)選擇加入瀝青類防塌劑、聚合醇類防塌劑起到護(hù)壁作用。

4 工程實(shí)例

2010年4月，某施工單位在下φ219 mm套管至407.50 m后，采用水泥固井，固井后鉆井液配方為：清水+3%鈉土+0.2%CMC+1%～2%SMT+1%SMP－1+0.5%NaHCO3;穿透水泥后鉆井液配方：清水+3%鈉土+5%純堿(土重)+0.5%CMC+1%SMC+3%SAS。

處理后鉆井液性能變化如表1所示。

表1 固井透水泥前后鉆井液性能變化

處理情況如表1所示。水泥固井后，失水量明顯增長(zhǎng)，泥餅質(zhì)量很差，通過加入CMC、SMP－1等方法，逐步將失水量降回到5 mL左右，提高了泥餅質(zhì)量;受地層破碎影響，且固井水泥層不是很厚，水泥渣相對(duì)較少，對(duì)鉆井液污染小，所以粘度變化不大，加少量SMT，降粘效果明顯，NaHCO3的加入也使pH有一定下降。

同一工程中，因鉆孔坍塌埋鉆事故處理需要，2011年6月水泥封孔，自孔深1088.56 m注入G級(jí)油井水泥8 t。處理方法：抽取部分鉆井液進(jìn)備用池，方便加入新漿，在候凝期間就向池中加入磺化單寧(SMT)約135 kg，充分循環(huán);自895.82 m處掃水泥、透孔后，鉆井液粘度上升到最高164 s，鉆井液配方：水+1% ～2%SMT+0.5%NaHCO3，同時(shí)排出部分稠漿;鉆井液粘度降到50～70 s后，鉆井液配方：水+1% ～3%土+2%SMT+0.5%NaHCO3;至1051.50 m后側(cè)鉆，鉆井液配方：水+3%土+1% ～2%SMP－1+2%KHm+1%SMC+5%純堿(土重)+0.3% ～0.8%CMC+1%SMT。

表2 鉆井液性能變化對(duì)比

處理情況：封孔后掃水泥塞時(shí)鉆井液粘度上升，失水量增加，泥餅質(zhì)量變差，含砂量增大，提前向池中加入磺化單寧對(duì)控制粘度增長(zhǎng)效果較好;加入SMP－1、SMC、KHm、CMC、PHP 等材料使失水量緩慢下降，在換漿后失水量降至13 mL，之后進(jìn)入縮徑地層前，改善鉆井液性能中，失水量還有大幅下降;鉆井液含砂量增大，加強(qiáng)固相含量的控制后，含砂量下降明顯。

5 結(jié)論

在水泥固井或水泥填孔施工后，水泥在孔內(nèi)水化產(chǎn)生大量的Ca2+與OH－，使鉆井液性能發(fā)生較大改變，不再適用于鉆探施工，通過添加適量的NaHCO3或SAPP(Na2H2P2O7)來沉淀鉆井液中的Ca2+，也可以起到降低pH值的作用;添加SMT等稀釋劑降低粘度和切力，SMP、KHm、CMC等降低鉆井液的濾失量，改善其流變性能，使之能達(dá)到符合鉆探施工的各項(xiàng)性能。

［1］ 朱恒銀，張文生，張正，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探WFSD－3鉆探施工技術(shù)報(bào)告［R］.安徽省地礦局313地質(zhì)隊(duì)，2012.

［2］ 黃漢仁，楊坤鵬，羅平亞.泥漿工藝原理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1984.

［3］ 陶士先，陳禮儀，單文軍，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD－2孔鉆井液工藝研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，38(9).

［4］ 張統(tǒng)得，陳禮儀，劉徐三，等.汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目WFSD－3孔泥漿技術(shù)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，38(9).

［5］ 鄢泰寧.巖土鉆掘工程學(xué)［M］.湖北武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2001.

［6］ 吳隆杰，楊鳳霞.鉆井液處理劑膠體化學(xué)原理［M］.四川成都：成都科技大學(xué)出版社，1992.

［7］ 鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)［M］.山東東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2001.