李曉春， 李 寧， 劉 銳， 張 峰，鄧 強(qiáng)， 楊 謀

(1中國石油塔里木油田分公司 2“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué))

有機(jī)鹽鉆井液獨(dú)特的性能優(yōu)勢在塔里木油田庫車山前鉆井中廣泛運(yùn)用并取得明顯成效[1-2]。但有機(jī)鹽鉆井液與在用的水泥漿相容性極差，兩者3∶7的比例混合后，均出現(xiàn)了漿體流動(dòng)性差或稠化時(shí)間縮短的現(xiàn)象(有的減少了100多分鐘)。為了解決該難題，采用的方法主要有：①在隔離液前注入一段膨潤土漿作為緩沖，同時(shí)加大隔離液的用量，保證足夠的段長以保證隔離效果；②在隔離液中加入大量的緩凝劑、分散劑、降污染劑等緩凝類外加劑來減輕有機(jī)鹽鉆井液的損害。雖然方法①中膨潤土漿中含有的添加劑少，其性能在固井施工的短時(shí)期內(nèi)能夠滿足要求，但固井后的影響屬于未知。同時(shí)增加隔離液量就意味著增加成本。方法②在隔離液中加入大量緩凝類外加劑，雖然能夠解決相容性問題，但隨之帶來的混漿后可能導(dǎo)致的水泥漿超緩凝甚至不凝是顯而易見的。

為此，本論文首先基于單因素分析方法將鉆井液外加劑分別加入到水泥漿中，測試水泥漿流動(dòng)度的變化，篩選影響水泥漿污染的鉆井液外加劑類型。在此基礎(chǔ)上，借助傅里葉變換紅外光譜儀及掃描電鏡測試手段，并結(jié)合黏土水化動(dòng)態(tài)吸附理論，深入探究鉆井液外加劑與水泥漿間的接觸污染機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用降污染劑，分析其對鉆井液與水泥漿混合漿體流變性和稠化時(shí)間的影響，以滿足現(xiàn)場固井施工要求。

一、實(shí)驗(yàn)材料

本文采用的有機(jī)鹽鉆井液源于國內(nèi)某油田在?241.3 mm完鉆井段的應(yīng)用，配方為：1.5%～3%膨潤土+0.2%～0.5%燒堿+0.5%～1%抗鹽提切劑+0.8%～1.2%抗鹽抗溫降濾失劑+1%～3%抑制防塌劑+10%～40%復(fù)合有機(jī)鹽+3%～5%氯化鉀+1%～3%抑制潤滑劑+加重劑(重晶石)，密度為2.2 g/cm3。水泥漿為應(yīng)用?177.8 mm尾管封隔該井段采用的體系：水泥漿的配方為：[阿G級(jí)水泥+60%高密度鐵礦粉(BWOC)+30%硅粉(BWOC)+1.9%防竄劑(BWOC)]固+3.5%降失水劑(BWOS)+1.8%分散劑(BWOS)+0.6%緩凝劑(BWOS)+ 0.1%消泡劑(BWOS)+3.5%鹽(BWOC)+25%H2O(BWOS)；液固比為0.38，密度為2.3 g/cm3。

二、篩選影響水泥漿性能影響的鉆井液外加劑

通過對水泥漿與鉆井液分別以100∶0、95∶5、75∶25、50∶50、25∶75、5∶95混合比，測試鉆井液混入量對水泥漿流動(dòng)度影響程度，分析表明當(dāng)水泥漿與鉆井液為75∶25混合漿體的流動(dòng)性最差。

以水泥漿與鉆井液3∶1摻混比為依據(jù)，在水泥漿中分別添加實(shí)際用量鉆井液外加劑，測得其在常溫條件下流動(dòng)度數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)際加量條件下鉆井液處理劑對水泥漿流動(dòng)度的影響

從表1中實(shí)際最大與最小加量條件下測試鉆井液外加劑的加量對水泥漿性能的影響可以看出，降濾失劑對水泥漿流動(dòng)度變差現(xiàn)象較顯著，其他外加劑對水泥漿性能影響不大，為此重點(diǎn)開展降濾失劑對水泥漿污染機(jī)理分析。另外，由于水泥漿水化會(huì)產(chǎn)生大量的Ca2+，影響鉆井液中黏土水化的擴(kuò)散雙電子層，導(dǎo)致膠體顆粒聚結(jié)。為此，也考察鉆井液中黏土水化對污染機(jī)理的影響。

三、污染機(jī)理分析

1. 黏土—水界面雙電層污染機(jī)理

在黏土溶液中加入電介質(zhì)后，液相中反離子濃度隨著增大，反離子擴(kuò)散進(jìn)入吸附層的機(jī)會(huì)增加，膠粒電荷減少，同時(shí)擴(kuò)散雙電層變薄，ζ電位降低，導(dǎo)致電介質(zhì)壓縮雙電層作用。而水泥中含有C3A、C3S、C2S及C4AF，其在水化過程中，會(huì)釋放大量的Ca2+、Fe3+等。因此，水泥與鉆井液相互摻混后，水泥水化產(chǎn)生的金屬離子破壞了鉆井液中的電介質(zhì)濃度，使得黏土雙電層遭到破壞，引起膠體顆粒聚結(jié)、鉆井液的流變性能惡化。

2. 鉆井液外加劑與水泥相互吸附機(jī)理

鉆井液降濾失劑擁有硝基、羧基、酰胺基、羥基、氨基、醚、甲基等許多具有吸附性能的官能團(tuán),如圖1所示。從吸附性能看，上述官能團(tuán)的吸附能力為-NO2>-SO3>-COOH>-CONH>-OH>-NH2>-O->-CH2，它們組成的高分子聚合物能夠吸附在不同的水泥顆粒上[5]。同時(shí)，降濾失劑為高分子聚合物，其具分子鏈上可吸附多個(gè)水泥顆粒并形成混合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；此外，水泥漿中的Ca2+會(huì)降低聚合物的溶解性，使分子鏈發(fā)生卷曲、吸附架橋作用。上述多種因素導(dǎo)致水泥漿中摻混鉆井液降濾失劑時(shí)產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象，即漿體增稠、流動(dòng)性差[6]。

圖1 鉆井液降濾失劑的紅外光譜圖

3. 水泥漿水化過程污染形貌分析

為了深入研究鉆井液濾失劑對水泥漿污染機(jī)理,把濾失劑加入水泥漿后，用液氮冷凍不同時(shí)間，使其停止反應(yīng)。應(yīng)用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察其微觀形貌[7],如圖2所示。

圖2 4%的降失劑加入水泥漿后在不同養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間下的形貌圖

圖2為水泥在相同濾失劑加量、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下其水化微觀形貌圖。在常溫下，加入4%降失水劑未及時(shí)參與水泥漿的反應(yīng)，形成的孔洞空間較小，漿體均勻，如圖2(a)所示。但在89℃下，養(yǎng)護(hù)4 min、7 min及10 min時(shí)，孔隙空間逐漸增加，局部出現(xiàn)未能參與反應(yīng)的水泥漿顆粒，如圖2(d)。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的逐漸增加，當(dāng)達(dá)到10 min時(shí)，反應(yīng)所生成的絲狀物增多，表明漿體增稠。因此，鉆井液中的降失水劑混入水泥漿后，被污染水泥漿中的水分逐漸減少，導(dǎo)致流動(dòng)性降低，甚至失去可泵性。

四、減低鉆井液與水泥漿污染的降污染劑評(píng)價(jià)

1. 降污染劑對混合漿體稠化時(shí)間變化影響

在不同摻混比條件下的鉆井液與水泥漿中添加降污染劑，以評(píng)價(jià)降污染劑對混合漿體稠化時(shí)間的影響。從圖3中看出，當(dāng)鉆井液與水泥漿混合漿體中未加入抗污劑時(shí)，混合漿體時(shí)間很短，未能滿足施工要求。當(dāng)在不同鉆井液與水泥漿混合液中加入小于3%的降污染劑時(shí)，該污染劑對混合漿體的稠化時(shí)間增加不大；但加量為4%時(shí)，稠化時(shí)間大于純水泥漿自身的稠化時(shí)間(362 min)，即滿足施工要求。為此，推薦在鉆井液中添加降污染劑的加量為4%。

圖3 降污染劑對水泥漿與鉆井液混合漿體稠化時(shí)間關(guān)系圖

2. 降污染劑對混合漿體流變性影響

依據(jù)GB-T19139-2012《油井水泥石試驗(yàn)方法》，在鉆井液中添加4%的降污染劑，評(píng)價(jià)其與水泥漿構(gòu)成的不同比例的混合漿體流變性變化情況。從表2中可以看出，添加降污染劑后，鉆井液與水泥漿在不同摻混比條件下流變性變化大不,即混合漿體流變性能滿足施工要求。

表2 添加4%降污染劑對鉆井液與水泥漿混合漿體流變性影響

3. 降污染劑對混合漿體微觀形貌的影響

在鉆井液中添加4%的降污染劑后，將水泥漿與鉆井液以75∶25的比例混合。攪拌均勻后，把樣本分為未養(yǎng)護(hù)和在常壓稠化儀上養(yǎng)護(hù)10 min后，用液氮冷卻24 h，觀察其形貌演變情況。從圖4可看出，純水泥漿在未養(yǎng)護(hù)條件下，顆粒分布均勻，水化過程形成的細(xì)小孔洞尺寸較均勻，其微觀形貌致密性優(yōu)于圖2。此外，在89℃養(yǎng)護(hù)條件下常壓稠化儀槳葉在不停攪動(dòng)，且溫度增加，加快了水泥水化進(jìn)程。因此，純水泥在養(yǎng)護(hù)條件下水化作用較為充分，顆粒間幾乎無孔洞的形成，如圖5所示。為此，在鉆井液中添加4%的降污染劑可有效避免混合漿體提前凝結(jié)導(dǎo)致漿體變稠、流動(dòng)性變差以及漿體混合不充分的特性。

圖4 加入降污染劑后水泥漿在不同溫度條件下養(yǎng)護(hù)形貌圖

4. 降污染劑對水泥水化產(chǎn)物影響

圖5為純水泥漿和純水泥漿中添加降污染劑經(jīng)養(yǎng)護(hù)后水泥石組分分析結(jié)果，結(jié)果表明兩者特征峰高度一致，其他特征峰強(qiáng)度無變化，說明降污染劑的混入為使得水泥石組分發(fā)生變化，該處理劑應(yīng)用在鉆井液中可以良好避免鉆井液與水泥漿接觸污染，并未改變水泥石性能，利于固井施工安全。

圖5 純水泥和水泥漿中添加抗污染劑的水泥石組分XRD分析結(jié)果

五、現(xiàn)場應(yīng)用

A井四開采用?241.3 mm鉆頭鉆至井深5 480.21 m中完，下入?201.7 mm套管進(jìn)行尾管懸掛固井。鉆井液取自該井中完后的BH-WEI有機(jī)鹽體系，密度為2.25 g/cm3，黏度為97 s，初切/終切為3/9 Pa。水泥漿領(lǐng)漿為2.5 g/cm3、稠化時(shí)間300～360 min、失水量小于50 mL。依據(jù)施工要求，按照水泥漿與鉆井液可能出現(xiàn)最大摻混比7∶3進(jìn)行稠化時(shí)間測試，其結(jié)果表明，當(dāng)兩者混漿中未加入降污染劑時(shí)，混漿太稠，不滿足上機(jī)測試條件。當(dāng)降污染劑加量在4%時(shí)，水泥漿∶鉆井液分別為7∶3和5∶5條件下的稠化時(shí)間為390 min和360 min，該數(shù)值與純水泥漿的稠化時(shí)間較為接近，表明降污染劑能有效防止鉆井液與水泥漿接觸污染。另外，對加入降污染劑的混漿進(jìn)行了中溫和高溫條件下的流變相容性測試，其結(jié)果也滿足現(xiàn)場施工安全。

六、結(jié)論

(1)系統(tǒng)建立了有機(jī)鹽鉆井液與水泥漿接觸污染評(píng)價(jià)理論方法和降污染劑應(yīng)用評(píng)價(jià)方法。

(2)基于單因素方法，借助傅里葉紅外光譜及環(huán)境掃描電鏡分析儀，結(jié)合黏土水化動(dòng)態(tài)吸附理論，探究了鉆井液中黏土與降失水劑對影響水泥漿水化過程的科學(xué)實(shí)質(zhì)因素。

(3)基于稠化實(shí)驗(yàn)、流變實(shí)驗(yàn)、SEM測試及XRD測試表明，在鉆井液中添加4%的降污染劑能有效降低鉆井液與水泥漿接觸污染，且未改變水泥漿基本性能，滿足施工要求。