蓋靖安，常勝利，張忠良，劉貴明，方 正，唐 健

（中石油西部鉆探國際工程公司，新疆烏魯木齊830026）

明15井是2017年中石油部署在烏茲別克斯坦費爾甘納盆地明格布拉克構(gòu)造上的一口重點勘探評價井，設(shè)計井深5918m,鉆探目的層位上第三系兼探下第三系。2007年至今，中石油先后在烏國費爾甘納盆地已先后成功鉆探吉達3、吉達4和南貢1井等3口超深井，3口井鉆進過程中均未發(fā)現(xiàn)地層中有CO2酸性氣體存在。因此明15井在二開井段鉆進前期，技術(shù)人員并未對CO2氣體侵入井筒造成的污染問題引起足夠的重視，在鉆井液出現(xiàn)大量氣泡時，自始至終認為是KCl、NaCl復(fù)合鹽水鉆井液在泥漿泵、除砂泵及振動篩共同反復(fù)擊打所致。事實證明，只有及時準(zhǔn)確分析判斷污染源和采取正確有效的處理方法是破解井下復(fù)雜技術(shù)難題的關(guān)鍵所在。

1 污染物產(chǎn)生的原因及清除機理

從現(xiàn)場生產(chǎn)角度來看，CO32-和HCO3-污染產(chǎn)生的主要原因有以下幾個方面[1-3]：①在鉆進過程中，地層存在異常高壓，造成流體（CO2氣體或鹽水）侵入引出；②在處理石膏侵、水泥侵、掃水泥塞或配膠液時加入過量的Na2CO3;③在深井超深井鉆進過程，由于有些處理劑抗溫性能差，造成有機物降解，生成CO2氣體;④由于鉆井液粘切高，在循環(huán)系統(tǒng)中由于泥漿槍或其他設(shè)備引起沖擊氣泡，將空氣中CO2氣體引入鉆井液中。

2 污染物的分析判斷方法

2.1 直觀判斷法

現(xiàn)場大量實踐證明，鉆井液受CO32-和HCO3-兩種離子污染后存在以下明顯特征：①出口槽、振動篩面和循環(huán)池面均聚集大量氣泡，且難以用機械或消泡劑進行清除。②鉆井液濾液顏色較深，流變性變差，泥餅質(zhì)量虛厚，鉆井液靜止后存在起皮和掛壁現(xiàn)象。③pH值下降較快。④泥漿泵不上水，水龍帶抖動嚴重，扶正器易泥包，起鉆存在阻卡現(xiàn)象。⑤污染嚴重時，用肉眼可直接觀測到大小不一的透明狀氣泡。⑥錄井檢測儀器可直接檢測出CO2氣體在鉆井液中的含量。因鉆井現(xiàn)場受鉆井液體系、密度、溫度、坂含等諸多復(fù)雜因素的干擾，如飽和鹽水鉆井液體系在泥漿泵、除砂泵等設(shè)備的高程擊打下，就會產(chǎn)生少量氣泡。其次，鉆井液在密度、坂含固相和失水均較低的情況下，僅從鉆井液粘切以及濾失量等方面，很難判斷出是否存在酸根離子污染。因此，鉆井液是否受到CO32-和HCO3-兩種離子的污染，還需采用滴定法加以驗證。

2.2 濾液滴定法

濾液滴定法是施工現(xiàn)場鉆井液分析化驗的一種常規(guī)方式，通常做法是取1m L壓制失水后的濾液，用蒸餾水稀釋至200m L,滴加2～3滴酚酞試劑使其變?yōu)榧t色，用0.01m L/H2SO4滴定至溶液變?yōu)闊o色，即pH值=8.3，記錄消耗H2SO4體積，即為濾液酚酞堿度（Pm）,然后再向溶液中滴加2～3滴甲基橙試劑使其由黃色變?yōu)槌燃t色，即pH值=4.3，記錄消耗H2SO4體積，即為濾液甲基橙堿度（Mf）,滴定結(jié)束后，根據(jù)相關(guān)公式計算出各離子質(zhì)量濃度之間的關(guān)系,依次來判定鉆井液的污染程度，具體計算方法，本文不再進行敘述。

鑒于濾液滴定法受濾液顏色、室內(nèi)光線以及個人色差等因素的影響，采用pH計儀器協(xié)助滴定終點的方法，可使得滴定結(jié)果更為精準(zhǔn)。

3 室內(nèi)試驗

在證實鉆井液產(chǎn)生大量氣泡是由地層中碳酸根離子污染所引起的，常規(guī)的處理方法主要是加入可提供Ca2+的處理劑。如：石灰、石膏、氯化鈣等。在現(xiàn)場處理中一般采用加熟石灰（CaO）的方法，利用其與水反應(yīng)生成Ca(OH)2提供Ca2+，在堿性條件下，與鉆井液濾液中的CO32-生產(chǎn)CaCO3沉淀，該處理方法簡單，且十分有效。

3.1 鉆井液體系配方

明15井二開上部井段為砂泥巖夾碳酸鹽地層，且地層中CO2氣體濃度高達3.0%，鉆井液設(shè)計為強抑制和抗污染能力較強的復(fù)合鹽水鉆井液體系，其基本配方如下：

1#：3%～5%土粉 +0.3%～0.5%NaOH+0.5%～1%LV-PAC+0.6%～1%FA 367+2%～3%SP-8+5%～8%KCl+10%～12%NaCl；

2#：污染井漿+0.3%～0.5%NaOH+0.4%～0.6%LV-PAC+5%～8%KCl+2%～3%SMP-2；

3#：污染井漿+0.8%CaO+0.3%～0.5%NaOH+0.4%～0.6%LV-PAC+5%～8%KCl+2%～3%SMP-2；

(2)哈拉湖北側(cè)區(qū)域。陰離子、陽離子、陰陽離子之間均呈現(xiàn)出了較高的相關(guān)性，表明在區(qū)域地下水的交替循環(huán)作用異?；钴S，主要礦物質(zhì)的溶濾作用較強，礦化度與所有離子都有較高的相關(guān)性，見表3。

4#：3#+0.2%CaCl2；

5#：3#+0.3%CaCl2；

6#：3#+0.4%CaCl2；

7#：2#+0.2%超細水泥；

8#：2#+0.3%超細水泥；

9#：2#+0.4%超細水泥；

10#：2#+0.5%超細水泥。

3.2 污染物清除試驗

根據(jù)現(xiàn)場處理碳酸根和碳酸氫根2種離子污染的經(jīng)驗，結(jié)合地層中CO2氣體持續(xù)侵入的實際，分別對不同濃度加量的CaO、CaCl2以及超細水泥等清除材料進行分析比對試驗，試驗數(shù)據(jù)見表1～表3。試驗鉆井液全部取自受污染井漿。

表1 不同濃度CaO加量試驗數(shù)據(jù)

表2 CaO/CaCl2復(fù)配加量試驗數(shù)據(jù)

通過對石灰、氯化鈣和超細水泥不同加量下的分析比對，從表1和表3我們可知，3種清除材料雖然在加量初期，均會出現(xiàn)不相同程度的粘切升高，動切力、初終切均有下降，但初終切差值明顯變大，充分說明鉆井液流動性有持續(xù)改善趨勢。從實驗數(shù)據(jù)我們不難看出，3種材料均會起到減少和消除氣泡的作用。因此，現(xiàn)場決定采用石灰復(fù)配氯化鈣的方式，對污染鉆井液進行處理。

表3 超細水泥加量試驗數(shù)據(jù)

4 現(xiàn)場應(yīng)用

明15井二開鉆進期間，自井深614～2197m地層中均不同程度地有CO2酸性氣體存在，碳酸根和碳酸氫根離子污染引發(fā)鉆井液產(chǎn)生大量氣泡。污染初期，鉆井液主要表現(xiàn)為：氣泡增多，pH值有所下降，泥漿泵上水不好，水龍帶抖動嚴重，但鉆井液粘度切力及濾失量并未發(fā)生大的變化，據(jù)此判斷泥漿中存在大量氣泡的原因主要是鹽水鉆井液高程擊打或部分處理劑高溫降解產(chǎn)生的大量氣泡（出口溫度71℃）。為消除氣泡，及時向鉆井液中添加柴油、SD505、HY208、D50等多種消泡劑進行消泡處理，但由于持續(xù)時間短，效果不是很明顯。本井段所鉆地層為砂泥巖夾碳酸鹽地層，地質(zhì)錄井顯示614～1471m地層中，CO2含量為0.1%～1.7%。1471～1780m地層中，CO2含量為0.1%～3.0%。1780～2179m地層中，CO2含量為0.1%～2.7%。在鉆至井深1400m后，隨著CO2持續(xù)侵入和鉆井液槽面氣泡逐漸增大增多，而此時鉆井液的粘切及濾失量仍未發(fā)生大的變化，但現(xiàn)場濾液分析檢測鉆井液中CO32-高達7900mg/L，HCO3-高達14000mg/L,濾液分析認為，鉆井液存在嚴重的碳酸根和碳酸氫根離子污染。

鉆井液遭受碳酸根和碳酸氫根離子嚴重污染后，現(xiàn)場主要采取以下技術(shù)措施：①鉆井液密度由1.20g/cm3逐步提高至1.39g/cm3，盡可能平衡地層壓力，防止CO2氣體的溢出；②嚴格控制pH值在10～11.7之間;③采用石灰與氯化鈣復(fù)合方式進行處理；并視鉆井液性能及井下情況，適量加入超細水泥；④連續(xù)檢測鉆井液濾液中碳酸根和碳酸氫根離子含量。⑤化學(xué)沉除配合固控設(shè)備，及時清除劣質(zhì)固相。⑥保持體系中Ca2+濃度在200mg/L以上。

本井因井眼尺寸大、泥漿量多、井底溫度高、地層易漏失等不利因素存在?，F(xiàn)場處理時主要通過將石灰、氯化鈣、超細水泥等配置成乳液后，按循環(huán)周緩慢加入，避免加入速度過快，短期內(nèi)引起粘切升高，憋漏地層。處理期間，強化固控設(shè)備的有效使用，更換120目或更細目數(shù)的篩布，配合除砂除泥器及離心機等其它固控設(shè)備，對絮凝污染物進行篩除，盡可能避免沉除后的污染物再次入井。本井在使用氯化鈣處理過程中，鉆井液池面曾一度出現(xiàn)部分灰黑色蜂窩塊狀絮凝物，同時除砂除泥器篩面也篩除掉大量灰黑色膠凝狀絮凝物，經(jīng)固控設(shè)備處理后的鉆井液其流變性明顯好轉(zhuǎn)。通過處理，鉆井液中CO32-和HCO3-總含量降至1400mg/L,鉆井液濾失量降至2.6m L,粘度切力大幅降低，流變性得到顯著改善，泥餅質(zhì)量薄而致密，起下鉆順暢。為消除泥漿中存在的少量氣泡，添加0.4t消泡劑后，鉆井液中的氣泡徹底消除，進出口密度一致，鉆井液性能恢復(fù)正常。表4是碳酸根和碳酸氫根離子污染前后鉆井液性能參數(shù)。

5 認識與結(jié)論

表4 CO32-/HCO3-總污染前后鉆井液性能參數(shù)表

（1）在鉆遇未知區(qū)域地層時，加強鉆井液濾液分析，尤其是鉆井液性能發(fā)生異常時，更要及時檢測濾液中的CO32-、HCO3-、Ca2+離子含量，為正確判斷污染物來源提供理論依據(jù)。

（2）發(fā)現(xiàn)地層酸性氣體侵入后，在做好預(yù)防漏失的前提下，應(yīng)盡可能提高鉆井液密度，平衡地層流體壓力，避免CO2氣體持續(xù)侵入引起鉆井液中碳酸根和碳酸氫根離子重度污染。

（3）采用CaCl2處理污染鉆井液前，需先采用CaO乳液對鉆井液進行預(yù)處理，氯化鈣過度絮凝會造成鉆井液喪失流動性，尤其在坂土和固相含量較高的情況下，更要慎之又慎。

（4）處理碳酸根和碳酸氫根離子污染時，要統(tǒng)籌考慮，全面兼顧，避免鉆井液性能波動過大引起的其它井下復(fù)雜事故。