抗盐钙水基钻井液室内研究

林俊宇

（四川华锋钻探工程有限责任公司，四川成都610091）

抗盐钙水基钻井液室内研究

林俊宇*

（四川华锋钻探工程有限责任公司，四川成都610091）

在分析了钻井液抗盐钙侵作用机理的基础上，结合现场应用经验和室内实验，优选出了一种适用于地质钻探现场施工的抗盐钙水基钻井液体系，并对该钻井液体系进行了抗盐抗钙能力的室内评价试验。结果表明，该钻井液体系抗盐抗钙能力强，并且该钻井液体系组成简单，便于配制、使用和维护。

钻井液配方；抗盐；抗钙；室内研究

在含盐矿石地层钻进时，由于常规的细分散钻井液体系抗污染能力差，给钻井液的正常使用和维护带来了很多问题，针对这一问题，以一般磺化钻井液为基础，复配其他处理剂，配置出了一种抗盐钙型水基钻井液，在对其抗盐抗钙污染能力的评价试验中表现出了良好的性能。

1　抗盐钙钻井液体系选择

1.1盐钙侵的机理

（1）钙侵的作用机理：一方面，由于Ca2+易与钠蒙脱石中的Na+发生离子交换，使其转化为钙蒙脱石，而Ca2+的水化能力比Na+要弱的多，使体系分散度降低；另一方面，Ca2+本身是一种无机絮凝剂，会压缩粘土颗粒表面的扩散双电层，使水化膜变薄，ξ电位下降，从而引起粘土晶片面—面和端—面聚结，造成粘土颗粒分散度降低，致使钻井液的粘度、切力和滤失量增大。

（2）盐侵的作用机理：钻井液中的粘土矿物由于晶格取代其颗粒表面带有负电荷，吸附阳离子形成扩散双电层。随着进入钻井液的Na+浓度不断增大，必然会增大粘土颗粒扩散双电层中阳离子的数目，从而压缩双电层，使扩散层厚度减小，颗粒表面的ξ电位下降。在这种情况下，粘土颗粒的静电斥力减小，水化膜变薄，颗粒的分散度降低，颗粒间端—面和端—端连接的趋势增强。当Na+浓度增大到一定程度之后，压缩双电层的现象更为严重，粘土颗粒的水化膜变得更薄，致使粘土颗粒发生面—面聚结，分散度明显降低。钻井液的粘度和切力在分别达到其最大值后又转为下降，滤失量则不断上升。

1.2抗盐钙体系选择

抗盐钙处理剂的优选。从盐钙侵的作用机理可以看出，Ca2+和Na+对钻井液造成影响的一个共同原因是这2种离子浓度增大时会压缩粘土颗粒表面的扩散双电层，使扩散层厚度减小，水化膜变薄，ξ电位下降，粘土颗粒的静电斥力减小，颗粒的分散度降低，造成钻井液粘切上升。所以在选择抗盐钙处理剂时，就要从稳定和增大粘土颗粒表面扩散双电层厚度，增加ξ电位等方面考虑。

根据以上分析，再结合钻井液材料的特性，首先是在一般磺化钻井液体系的基础上加入CMC和抗盐降粘剂SRH-1，维护好体系的胶体稳定性，由于这类分散剂的分子中含有大量的水化基团，当吸附在粘土颗粒表面后，会引起水化膜变厚，ξ电位增大，有效地阻止粘土颗粒在受到Ca2+和Na+污染时出现聚结现象，有助于保持钻井液的聚结稳定性，使钻井液在遭遇污染后仍能维持性能的稳定；二是尽量降低钻井液中的膨润土加量，尽可能减少Ca2+和Na+造成粘土颗粒聚结沉降的可能性，这样也有利于维持钻井液的稳定性。同时磺化褐煤和磺化酚醛树脂的配合使用也能大大提高体系的抗盐钙污染能力。

2　钻井液配方和性能

通过对盐钙侵机理的分析，优选CMC、抗盐降粘剂SRH-1、SMC、SMP-1和KHm等处理剂配置抗盐钻井液，通过配伍性试验选出了一种粘切适当、滤失量低和流变性良好的钻井液体系。钻井液的配方为：5%膨润土+纯碱（5%土）+3%SMP-1+3%SMC+1% SRH-1+0.2%NaOH+0.2%CMC-LV+1%KHm。其基本性能见表1。

表1　钻井液性能

3　钻井液抗盐钙性能评价

3.1抗盐污染能力

钻井液抗盐污染性能见表2。由表2可以看出，钻井液的漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度和动切力随着NaCl的加入并未发生大的变化，滤失量也在合理范围内变化，钻井液的流动性良好。这是由于试验前先将膨润土在淡水中经过预水化，并且加入了SMP、SMC和CMC等护胶剂以及抗盐分散剂SRH-1。此时一方面膨润土仍表现出一定的水化性能，从而对稳定钻井液的粘切和滤失量起到了一定作用；另一方面护胶剂的加入又防止了粘土颗粒发生面—面聚结而时钻井液粘切下降和滤失量上升的现象。总的来看，体系的抗盐能力强，抗盐能达到饱和状态。

3.2抗钙污染能力

表2　钻井液抗盐污染性能

3.2.1抗CaO污染能力

在常温下评价该钻井液的抗CaO污染能力，性能见表3。由表3可以看出，随着CaO加量的增加，钻井液的漏斗粘度有一定程度的增加，但是总体来说仍然处于可控范围之内，塑性粘度、动切力和滤失量基本不变，表明该钻井液在3%CaO这一较高钙离子浓度条件下，性能仍能保持稳定。说明钻井液具有较强的抗CaO能力。

表3　钻井液抗CaO污染性能

3.2.2抗CaCl2污染能力

为了验证该钻井液的抗高钙能力，在常温下评价了该钻井液的抗CaCl2污染能力，性能见表4。从表4中可以看出，随着CaCl2的加入，钻井液的漏斗粘度和塑性粘度先增大后减小，随后趋于稳定，动切力和滤失量基本不变。这是因为当Ca2+浓度增加时，粘粒形成空间网架结构增强，钻井液的粘度、切力增大，但当Ca2+的浓度继续增大时，粘粒表面吸附的Na+大部分或全部被Ca2+所交换，双电层和水化膜就变得更薄起来，ξ电位也趋近于零，这时粘粒间斥力减小，吸引力增大，粘粒面—面相吸而聚结，形成结构可能性减少，于是粘粒变粗而发生聚沉现象，致使粘度、切力下降。粘度、切力下降到一定程度后，变化幅度很少，说明粘粒全部发生聚沉现象时，粘度、切力已不随Ca2+的增大而变化。总的来说，该钻井液在高Ca2+浓度情况下仍能保持较好的性能，说明该钻井液有较强的抗钙污染能力。

表4　钻井液抗CaCl2污染性能

4　结论

（1）通过室内评价试验证明该钻井液体系具有较好的抗盐钙侵污染的能力，抗NaCl污染可基本达饱和、抗的CaO浓度可达3%、抗CaCl2污染浓度可达1.5%。根据以往现场经验，应该说在钻进除巨厚盐层外的一般厚度盐岩层时，该钻井液体系能起到很好的作用。

（2）通过探索该抗盐钙水基钻井液的方案设计和对该钻井液抗盐钙能力的分析，为进一步配置钾石灰、石膏钻井液等复杂钙处理钻井液或饱和盐水钻井液奠定了良好的基础，也为研究适用于钻进巨厚盐岩层的钻井液体系提供了一个基础。

（3）该钻井液体系简单，构成配方的钻井液材料也比较常见，配置使用方便，适合应用于设备有限的地质钻探施工中。

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TE254.3

A

1004-5716（2016）04-0076-03

2015-03-26

林俊宇（1989-），男（汉族），四川南充人，助理工程师，现从事钻探工程技术工作。