新型可固化工作液的室內(nèi)研究

孔衛(wèi)開，徐可一，舒 智

（四川華鋒鉆探工程有限責(zé)任公司，四川成都 610091）

新型可固化工作液的室內(nèi)研究

孔衛(wèi)開，徐可一，舒 智

（四川華鋒鉆探工程有限責(zé)任公司，四川成都 610091）

針對難以堵漏的惡性漏失地層和水泥封固效果不良的垮塌層，開發(fā)出新型可固化工作液。該工作液以常規(guī)鉆井液為基礎(chǔ)，具有優(yōu)良的懸浮能力、流變性和抗鹽能力，與鉆井液相容性良好，在一定條件下能固化達(dá)到一定強(qiáng)度?？勺鳛槎侣┮菏褂?，也可在井壁失穩(wěn)地層作為封固液使用，能有效提高堵漏成功率和對失穩(wěn)地層的封固效果。

漏失;堵漏;封固;固化;工作液

0 引言

鉆探工作中常會遇到惡性漏失地層和井壁失穩(wěn)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的架橋堵漏方法難以準(zhǔn)確掌握裂縫寬度、孔喉比等數(shù)據(jù)，因此不易優(yōu)選和確定堵漏劑配方，降低了堵漏成功率。而且形成的封堵層通?？箟耗芰^低，在下鉆過程中由于激動壓力的影響可能被重新壓漏，增加鉆井液密度時也可能將前期封堵層壓漏。起鉆和取心過程中，也可能由于抽汲壓力的影響使得部分堵漏材料脫離裂隙，封堵效果減弱，造成額外漏失。嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)地層中，有時會產(chǎn)生重復(fù)性坍塌，使得垮塌部位井徑不斷增大。在常規(guī)方法無效的情況下，一般會采用注水泥的辦法對垮塌層進(jìn)行封固，但由于常規(guī)的鉆井液和水泥漿很難相容，兩相接觸時會發(fā)生膠凝現(xiàn)象，水泥漿對鉆井液的驅(qū)替不徹底，造成水泥漿污染，嚴(yán)重影響水泥漿的固化效果。為了減少水泥漿凝固的時間，一般還需加入膠凝材料、促凝劑等加速凝固，但配方的復(fù)雜化和對失水的要求使得注水泥施工過程中的可泵性、稠化時間、可操作性等存在一定的不確定性，施工安全存在隱患。因此，研究出一種可固化工作液，該工作液泵入井下后可在一定時間內(nèi)固化并產(chǎn)生一定強(qiáng)度，既可起到堵漏作用，也可對垮塌嚴(yán)重地層進(jìn)行有效封固。

1 實(shí)驗(yàn)材料

流性改進(jìn)劑類:鈉膨潤土（PR），羥丙基淀粉（HPS-1），纖維素HEC104和HEC，鈉羧甲基纖維素 CMC，生物膠 XC;稀釋劑類:SMC、SMT-1、FLCS、SXY-2;固化劑:KZ;激活劑:JH1、JH2、JH3;表面活性劑:L-50A。

2 工作液配方研究

2.1 流性改進(jìn)劑優(yōu)選

2.1.1 清水中的沉降穩(wěn)定性

基漿配方:3%PR+流性改進(jìn)劑+0.5%SXY-2。對流性改進(jìn)劑進(jìn)行復(fù)配，用重晶石將基漿加重到2.2 g/cm3后分別在常溫、50、70和90℃下靜置24 h，觀察其沉降和游離水。試驗(yàn)后優(yōu)選出沉降性較好的5個配方，見表1。

不同配方在不同溫度下清水中的沉降穩(wěn)定性觀察結(jié)果見表2。

從表2可見，5個配方在清水中的沉降穩(wěn)定性排序依次是3號＞4號＞5號=2號=1號。其流變參數(shù)見表3。

表1 優(yōu)選配方

表2 優(yōu)選配方在清水中的沉降穩(wěn)定性

表3 優(yōu)選配方的流變參數(shù)

2.1.2 抗鹽性能

對清水中5個懸浮性較好的基液配方進(jìn)行鹽水中的懸浮穩(wěn)定性試驗(yàn)評價，鹽的加入百分比分別為6%、13%、20%、26%、33%（飽和），對不同試驗(yàn)方案均用重晶石加重至2.2 g/cm。由于一般情況下溫度越高，沉降穩(wěn)定性越差。為充分顯示不同配方在鹽水中的沉降穩(wěn)定性，選擇在90℃下進(jìn)行試驗(yàn)，觀察結(jié)果見表4。

表4 優(yōu)選配方在鹽水中的沉降穩(wěn)定性

從表4可見，優(yōu)選配方在鹽水中的沉降穩(wěn)定性排序依次是3號＞4號＞5號=2號＞1號。

因此優(yōu)選3號配方進(jìn)行進(jìn)一步評價。

2.2 稀釋劑優(yōu)選

高效稀釋劑能改善工作液的流動性能，使得工作液流動性增強(qiáng)，降低工作液的觸變性和動切力，有利于進(jìn)入、封堵漏失層和低壓下實(shí)現(xiàn)紊流驅(qū)替原鉆井液，提高封堵和封固質(zhì)量。

通常使用的稀釋劑有褐煤類SMC、單寧類SMT-1、木質(zhì)素磺酸鹽類FLCS和硅氟類SXY-2。對3號基漿在不同溫度下進(jìn)行流動度評價，結(jié)果見表5。

表5 稀釋劑對3號基漿的流動度影響試驗(yàn)

從表5可見，在不同溫度和加量下，SXY-2相比其他3種稀釋劑都具有更好的流動度，說明SXY-2的稀釋效果較優(yōu)，因此選定SXY-2為稀釋劑。2.3 激活劑優(yōu)選

2.3.1 單獨(dú)激活劑的固化效果

激活劑選擇 JH1、JH2、JH3。加入固化劑 KZ后，考察它們對3號配方基液的激活效果，結(jié)果見表6。

表6 單體激活劑的固化效果

從表6中可見:（1）溫度對最終固化效果有明顯影響，JH1的3號方案中50、70、90℃下48 h強(qiáng)度分別為 5.37、4.21、2.88 MPa，JH2的 6號方案中50、70、90 ℃ 下 48 h 強(qiáng)度分別為 2.34、3.15、2.91 MPa，由此說明不同激活劑在不同溫度下效果有較大差異;（2）分析JH1和JH2的強(qiáng)度發(fā)展可知，JH1方案的強(qiáng)度發(fā)展較快，24 h即接近最大強(qiáng)度，而JH2方案強(qiáng)度發(fā)展緩慢，但在10天后強(qiáng)度可達(dá)到11.24 MPa。圖1為3號方案在48 h/90℃條件下的固化照片，固化體表面呈現(xiàn)大量裂紋，圖2為6號方案在48 h/90℃條件下的固化照片。

圖1 3號方案在48 h/90℃下的固化體照片

圖2 6號方案在48 h/90℃下的固化體照片

由此說明JH2在基液中的激活能力不如JH1強(qiáng)，但JH1過強(qiáng)的激活能力導(dǎo)致了固化體的開裂，影響了可達(dá)到的最終強(qiáng)度。JH2最終固化性能優(yōu)異，但時間過長。JH3方案的強(qiáng)度發(fā)展與JH2相似，但激活能力和最終強(qiáng)度都較JH2為弱，因此不再對JH3做進(jìn)一步研究。為了同時兼有JH1和JH2的激活能力上的優(yōu)點(diǎn)，因此接下來對JH1和JH2進(jìn)行復(fù)配優(yōu)化。

2.3.2 JH1與JH2復(fù)配激活的固化效果

對JH1和JH2按質(zhì)量比1∶4、2∶3和1∶1進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果見表7。

表7 JH1、JH2復(fù)配固化效果

由表7中可見，當(dāng)JH1和JH2加量分別為5和20 g時，24 h/70℃強(qiáng)度可達(dá)到6.92 MPa，24 h/50℃也可達(dá)到6.78 MPa，90℃時裂紋較多，強(qiáng)度較低。因而選定1∶4為JH1和JH2的混合質(zhì)量比?；旌衔镉洖镴H。

2.4 固化劑加量對固化效果的影響

固化劑KZ的加量會影響工作液的流變性和固化效果。加量過多時固相含量增加會影響到工作液的流變性，影響進(jìn)入漏層堵漏和對鉆井液的有效驅(qū)替。過少則會影響到固化體的膠結(jié)質(zhì)量，表現(xiàn)為強(qiáng)度不足。因此需對固化劑加量進(jìn)行評價，找到合理的平衡加量。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 KZ加量對固化效果的影響

如表8中，KZ加量超過350 g后抗壓強(qiáng)度變化較小，加量小于350 g抗壓強(qiáng)度減小程度較大。因此選定350 g，即基漿質(zhì)量的87.5%為KZ加量。

2.5 激活劑加量對固化效果的影響

為考察激活劑JH加量對固化效果的影響，對JH的加量進(jìn)行細(xì)化，結(jié)果見表9。

表9 JH加量對固化效果的影響

從表9中可見，JH加量在22.5 g時，24 h三個溫度下的抗壓強(qiáng)度分別為6.12、6.00、3.64 MPa，明顯少于JH 加量為25 g時的6.78、6.92、4.17 MPa。而JH加量超過25 g后，抗壓強(qiáng)度沒有明顯增強(qiáng)的跡象。因此選定 JH加量為25 g，即基漿質(zhì)量的6.25%。

3 密度對工作液固化效果的影響

3.1 調(diào)整密度范圍1（1.14～1.45 g/cm3）

按上述配方所配制成的添加有固化劑的工作液密度約為1.45 g/cm3。為適應(yīng)更多工況的需要，需用減輕劑或加重劑對工作液進(jìn)行減輕或加重。密度改變后最終固化效果受到影響，抗壓強(qiáng)度改變。減輕情況下的不同密度固化效果見表10。

表10 低密度工作液固化效果

由表10中可見，隨著密度的降低，固化體的抗壓強(qiáng)度急劇下降，密度為1.25 g/cm3時，50℃下抗壓強(qiáng)度只有2.64 MPa，70℃下只有2.33 MPa。密度為1.14 g/cm3時，工作液雖然有膠結(jié)但不能形成強(qiáng)度。根據(jù)一般堵漏和固化井壁的要求來看，2 MPa足以滿足要求，因此1.25 g/cm3密度下仍可應(yīng)用。

3.2 調(diào)整密度范圍2（1.45～1.95 g/cm3）

同樣做加重情況下的工作液固化效果試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 高密度工作液固化效果

從表11中可見，密度低于1.65 g/cm3時，抗壓強(qiáng)度隨密度增加而有所增加，但之后抗壓強(qiáng)度隨密度增加而減小。其原因可能是重晶石粉加量小于90 g時，參與到膠結(jié)足夠的固化體結(jié)構(gòu)中，起到了增加抗壓強(qiáng)度的作用。而加量大于90 g后，過多的加量造成了固化體結(jié)構(gòu)的膠結(jié)不足，于是抗壓強(qiáng)度降低。但在密度為1.95 g/cm3時，90℃下抗壓強(qiáng)度依然有3.10 MPa，仍然可以滿足使用要求。

綜上所述，該工作液體系在密度范圍1.25～1.96 g/cm3內(nèi)均可使用。

4 溫度對工作液固化效果的影響

在前面的實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)工作液在不同溫度下表現(xiàn)出的固化效果有較大差異。為進(jìn)一步了解溫度對工作液固化效果的影響，應(yīng)用密度為1.45 g/cm3時的工作液基漿做不同溫度下的固化效果評價。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 溫度對工作液固化效果的影響

由圖3可見，工作液在60℃條件下固化效果最好，常溫下只有2.90 MPa。由此說明60℃條件下激活劑對KZ的激活效果最好，低溫時不利于發(fā)揮激活能力，而更高溫度下強(qiáng)度變差的原因可能是由于傳熱過程的不均勻造成了激活程度的差異性，使得固化體各處激活速度不均，在其內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而影響了最終抗壓強(qiáng)度。

5 工作液與鉆井液的相容性

對不添加固化劑的工作液基液加重至1.5 g/cm3，選用基液:3%PR+0.5%G30+0.3%CMC+0.5%SXY-2+0.5%LP-50A+6%JH+1%FB，加重至1.5 g/cm3;鉆井液:3.5%PR+0.8%CMC-1+1.5%XC+0.2%PAM+0.4%FCLS+0.8%DAS，加重至1.4 g/cm3。在常溫下進(jìn)行相容性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 工作液與鉆井液的相容性試驗(yàn)

從表12可以看出，工作液與鉆井液混合后，不會產(chǎn)生膠凝現(xiàn)象，流動性有所改善，有利于鉆井液被驅(qū)替。

6 工作液與鉆井液混合后的固化效果

雖然工作液與鉆井液基礎(chǔ)配方是一樣或接近的，不會像水泥漿一樣接觸后產(chǎn)生膠凝現(xiàn)象，驅(qū)替效率比水泥漿也有所提高。但是仍然需要考慮驅(qū)替不凈時的情況，因此對工作液和鉆井液按不同體積比做混合抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。其結(jié)果見圖4。

圖4 工作液與鉆井液混合后的固化效果

由圖4可見，當(dāng)鉆井液體積所占比重加大時，最終固化強(qiáng)度受到的影響程度逐漸加大，鉆井液占到40%時，混合液無法形成強(qiáng)度。因此在井下垮塌特別嚴(yán)重，鉆井液驅(qū)替難度增大時，可以考慮適當(dāng)增大固化劑KZ和激活劑JH的加量，彌補(bǔ)驅(qū)替不良造成的固化效果減弱。

7 結(jié)論

（1）通過實(shí)驗(yàn)確定了新型可固化工作液的基本配方，使其具有優(yōu)異的懸浮能力、抗鹽能力，能適應(yīng)攜帶固化劑的需要以及含鹽地層的性能要求。

（2）工作液具有良好的流動能力，容易形成紊流對鉆井液及封固空間內(nèi)的滯留物進(jìn)行驅(qū)替作用。

（3）工作液的工作密度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，在常溫到90℃范圍內(nèi)都能形成一定強(qiáng)度，適應(yīng)不同工況的實(shí)際需要。

（4）工作液與鉆井液有良好的相容性，不會在接觸后形成絮凝，而且對鉆井液有一定的稀釋作用，能增強(qiáng)鉆井液的流動性。工作液與鉆井液按一定比例條件混合后仍能形成強(qiáng)度。

（5）工作液可用于傳統(tǒng)方法難以堵漏的地層進(jìn)行堵漏作業(yè)。該工作液的流變性有利于進(jìn)入漏失地層，靜止一定時間后能形成足夠強(qiáng)度，對地層進(jìn)行有效封堵。

（6）工作液可在垮塌嚴(yán)重地層對井壁進(jìn)行加固，在井眼內(nèi)可對鉆井液及井內(nèi)絮凝物、附著物進(jìn)行有效驅(qū)替，減少或消除鉆井液污染的問題，靜止一定時間后形成的強(qiáng)度可對井壁進(jìn)行有效加固。

（7）可固化工作液中涉及的主要材料如流性改進(jìn)劑、稀釋劑、固化劑等均容易取得。用量最大的固化劑KZ原料主要為高爐礦渣，實(shí)際成本與水泥接近;其他處理劑為通用鉆井液處理劑，激活劑本身成本也不高。同時，其實(shí)際應(yīng)用中不需要額外設(shè)備、工具或特殊工藝措施支持，因此可應(yīng)用于地質(zhì)勘探鉆孔施工領(lǐng)域，并具有較好的應(yīng)用前景和社會經(jīng)濟(jì)效益。

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

［2］ 丁世東，曾一金.MS高效前置液的研制及應(yīng)用［J］.石油鉆采工藝，1995，17（3）:27-33.

［3］ Navarrete R C，Seheult J M，Coffey M D.New biopolymers for drilling，drill-in，completions，spacer，and coil-tubing fluids［J］.Part17.SPE，Houston，Texas，2001，（2）:13-26.

［4］ 齊奉中，李爽.影響MTC固井液固化因素的探討［J］.鉆采工藝，2000，（2）.

［5］ 彭志剛，馮倩，何玉榮，等.礦渣MTC固化濾餅?zāi)芰υ囼?yàn)研究［J］.天然氣工業(yè)，2006，（4）.

［6］ 吳達(dá)華，黃柏宗，孫富全.新型“鉆井”固井液工藝和技術(shù)（Ⅱ）［J］.鉆井液與完井液，2002，（4）.

Laboratory Study on a New Settable Working Fluid

KONG Wei-kai，XU Ke-yi，SHU Zhi（Sichuan Huafeng Drilling ＆Engineering Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610091，China）

According to the collapsing formation which is difficult to control the severe leakage and can not be effectively cemented，a new settable working fluid was developed.It is based on the conventional drilling fluid with good suspension capacity，rheological property，salt-resistant ability and good compatibility of drilling fluid，its suitable solidification intensity can be reached under certain conditions and can be used as sealing fluid or as cementing fluid in borehole instability formations to improve the sealing and cementing effect.

leakage;sealing;concretion;solidification;working fluid

P634.6+4

A

1672-7428（2012）07-0009-05

2011-12-27;

2012-06-18

孔衛(wèi)開（1975-），男（漢族），安徽定遠(yuǎn)人，四川華鋒鉆探工程有限責(zé)任公司副總經(jīng)理、工程師，探礦工程專業(yè)，從事地質(zhì)巖心鉆探施工管理工作，四川省成都市青羊區(qū)廣富路218號青羊工業(yè)總部基地G區(qū)8C棟，kwk163@163.com。