改善水泥漿與CO2污染鉆井液的相容性技術(shù)措施

聶世均 馮 彬 劉世彬 孫 祥 張 軒 李 兵 高 揚(yáng)

1．中國(guó)石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司 2．中國(guó)石化勝利油田渤海鉆探公司 3．中國(guó)石油海洋工程有限公司

資料表明水泥漿與鉆井液之間的接觸污染對(duì)固井頂替效率和施工安全影響巨大［1］。除水泥漿與鉆井液間化學(xué)不兼容性因素外，在川東現(xiàn)場(chǎng)固井施工作業(yè)中，CO2等酸性氣體對(duì)鉆井液的污染是固井水泥漿與鉆井液相容性惡化的主因之一。川渝氣田的天然氣中CO2含量一般為0．5%～10．4%，其中川東石炭系的天然氣CO2含量為1%～4．5%［2］。由于CO2對(duì)鉆井液的污染，使得水泥漿與鉆井液接觸后稠度急劇增加，井下形成了對(duì)固井質(zhì)量和施工安全極為不利的作業(yè)環(huán)境，迫使固井準(zhǔn)備期間不得不耗費(fèi)大量人力物力來(lái)調(diào)整鉆井液性能，以滿足施工要求。文章結(jié)合川東地區(qū)固井實(shí)踐，對(duì)改善水泥漿與受CO2污染鉆井液的相容性技術(shù)措施進(jìn)行了探討，希望對(duì)當(dāng)前技術(shù)條件下完善天然氣井的固井準(zhǔn)備提供一定的參考。

1 CO2對(duì)鉆井液的污染及其影響

川東地區(qū)大部分井的實(shí)鉆鉆井液中，從開(kāi)鉆到完鉆都含有HCO3－和CO32－，尤以鉆穿嘉陵江組、飛仙關(guān)組和石炭系地層時(shí)含量最高，這些離子主要來(lái)自于地層中侵入鉆井液的CO2。當(dāng)酸性氣體的CO2侵入水基鉆井液后，與水反應(yīng)生成碳酸。由于碳酸的不穩(wěn)定性，容易電離出HCO3－和CO32－離子，因此鉆井液中CO2以H2CO3、HCO3－和CO32－3種形式存在［3－4］。

隨著CO2侵入量增大，鉆井液中的 HCO3－和CO32－濃度增加，OH－的濃度降低，使得鉆井液pH值下降，導(dǎo)致常用鉆井液處理劑尤其是稀釋劑不能發(fā)揮有效作用，從而使得鉆井液的性能發(fā)生變化。CO2對(duì)鉆井液的污染影響主要表現(xiàn)在［5－7］：

1）CO32－濃度增加使得黏土顆粒形成細(xì)分散，鉆井液黏度、切力大幅度上升。

2）鉆井液pH值降低，導(dǎo)致需要在堿性環(huán)境中才能有效發(fā)揮作用的鉆井液處理劑功效下降，鉆井液黏切控制困難。

3）未溶解以氣體狀態(tài)存在的CO2被鉆井液包裹，形成細(xì)分散微泡，進(jìn)一步增大鉆井液切力，且初切與終切值接近，鉆井液流變性能惡化。

資料表明，CO2侵入鉆井液后，當(dāng) HCO3－和CO32－含量小于2 000mg／L時(shí)，對(duì)鉆井液性能不會(huì)產(chǎn)生大的影響，鉆井液仍能維持較低的黏度和切力；當(dāng)HCO3－和CO32－含量大于2 400mg／L時(shí)，鉆井液黏度和切力增加；當(dāng) HCO3－和CO32－含量大于2 500 mg／L，pH值不大于9時(shí)，鉆井液黏度和切力劇增、濾失量增大，此時(shí)難以有效調(diào)整鉆井液性能。同時(shí)隨著井溫的升高，HCO3－和CO32－對(duì)鉆井液性能的影響程度加?。?］。表1為川東地區(qū)3口井的鉆井液受CO2污染前后的性能變化，數(shù)據(jù)顯示鉆井液受CO2污染后黏度和切力上升、失水增大、pH值降低，且性能變化程度隨CO32－含量增加而加大。

表1 CO2污染后鉆井液性能變化情況表

2 水泥漿與CO2污染的鉆井液相容性實(shí)驗(yàn)

相容性實(shí)驗(yàn)主要包括水泥漿與鉆井液混合后的流動(dòng)性和稠化時(shí)間測(cè)試。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況，流動(dòng)性采用常溫和高溫兩種條件下的流動(dòng)度表征，稠化時(shí)間則采用稠度和時(shí)間表征。

水泥漿水化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生Ca（OH）2并電離出Ca2＋。當(dāng)水泥漿與鉆井液接觸后，Ca2＋的存在使黏土顆粒聚結(jié)并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為生成黏稠團(tuán)塊的絮凝物質(zhì)，使混漿的流動(dòng)性變差。當(dāng)CO2污染的鉆井液與水泥漿混合后，相容性會(huì)變得更差，高溫養(yǎng)護(hù)條件下無(wú)流動(dòng)性、干稠或者漿體形成的強(qiáng)度（表2）。對(duì)于污染嚴(yán)重的鉆井液，即使混入一定量的隔離液、先導(dǎo)液等（DT002－6井），也無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求。

稠化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫條件下，CO2污染的鉆井液與水泥漿接觸后很快凝結(jié)，或稠化，或硬化，甚至部分漿體成形，無(wú)法滿足固井施工要求（表3）。

表2 水泥漿與污染鉆井液相容性實(shí)驗(yàn)表

在對(duì)污染的鉆井液加水或用稀釋劑降黏度、切力，調(diào)整pH值，改變鉆井液性能等措施下，水泥漿與鉆井液污染稠化實(shí)驗(yàn)仍不能滿足固井施工要求（表4），表現(xiàn)為只要污染的鉆井液與水泥漿接觸就可能發(fā)生絮凝，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而稠化。

表3 污染的鉆井液與水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)表

表4 G005－H1井處理后鉆井液與水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)表

3 改善水泥漿與CO2污染的鉆井液相容性技術(shù)措施

針對(duì)鉆井液受CO2酸性氣體污染嚴(yán)重井，固井前采用合理的技術(shù)措施調(diào)整鉆井液性能，改善水泥漿與鉆井液間的相容性，是保證固井施工安全，提高固井質(zhì)量的關(guān)鍵。

3．1 新漿置換

在CO2對(duì)鉆井液污染嚴(yán)重的情況下，為保證固井施工安全，有條件的情況下可以對(duì)鉆井液進(jìn)行全井或部分置換，防止鉆井液與水泥漿間接觸而提前稠化，影響固井施工安全。G001－H5井固井前，井漿黏度和切力較高、循環(huán)壓耗大，在多次處理鉆井液不能滿足固井施工要求情況下，利用儲(chǔ)備鉆井液處理后對(duì)原井漿進(jìn)行全井替換，并配置抗鈣新鉆井液作為隔離液，滿足了兩相或多相相容性實(shí)驗(yàn)要求（表5、6）。

3．2 鉆井液性能調(diào)整

在CO2對(duì)鉆井液污染較嚴(yán)重的情況下，采取補(bǔ)充Ca2＋的方法使其生成CaCO3沉淀。而Ca2＋通常以石灰或石膏的形式加入，如果用石膏，則需要石灰或燒堿同時(shí)加入，以保證 HCO3－轉(zhuǎn)變成 CO32－，否則HCO3－與 Ca2＋不起反應(yīng)［7，9－10］。

TD017－H4井固井前，對(duì)污染的鉆井液加入生石灰進(jìn)行過(guò)飽和高鈣處理，同時(shí)配制先導(dǎo)液和隔離液，較好滿足鉆井液與水泥漿之間的相容性實(shí)驗(yàn)要求（表7、8）。

表5 G001－H5井新配鉆井液與水泥漿相容性實(shí)驗(yàn)表

表6 G001－H5井新配鉆井液、隔離液、沖洗液與水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)表

表7 TD017－H4井處理后鉆井液與水泥漿相容性實(shí)驗(yàn)表

3．3 鉆井液抗污染處理劑

鉆井液受CO2污染影響較嚴(yán)重，但在調(diào)整鉆井液性能后兩者相容性實(shí)驗(yàn)仍無(wú)法滿足固井施工要求，同時(shí)井場(chǎng)又不具備替換全部或部分井筒鉆井液條件，可采用抗Ca2＋污染處理劑對(duì)鉆井液進(jìn)行處理［11］，本研究采用了KR－XX類鉆井液抗污染處理劑。由于該類處理劑中部分基團(tuán)對(duì)Ca2＋有很強(qiáng)螯合能力的特點(diǎn)，形成易吸附于水泥顆粒表面的螯合物，降低水泥水化速度，保證水泥漿與鉆井液之間的相容性實(shí)驗(yàn)達(dá)到固井施工要求，DT002－6井在調(diào)整后的鉆井液中加入2．5%的KR－XX處理劑，較好地滿足了相容性實(shí)驗(yàn)要求（表9、10）。

表8 TD017－H4井處理后鉆井液、先導(dǎo)液、隔離液和水泥漿稠化實(shí)驗(yàn)表

3．4 抗污染前置液

廣義上來(lái)說(shuō)，固井前置液不僅包括隔離液和沖洗液，還包括一定優(yōu)質(zhì)的先導(dǎo)液（性能良好的鉆井液，泵注于隔離液之前）。固井前置液用于降低井筒溫度，降低鉆井液與水泥漿的直接接觸程度，改善水泥漿對(duì)井壁的固結(jié)環(huán)境，防止水泥漿絮凝［12－14］。

表9 DT002－6井水泥漿與隔離液、先導(dǎo)液等相容性實(shí)驗(yàn)表

表10 DT002－6水泥漿與隔離液、先導(dǎo)液等稠化實(shí)驗(yàn)表

根據(jù)實(shí)踐，川東地區(qū)固井隔離液可以是無(wú)污染鉆井液加重后調(diào)整性能，也可以是用生物聚合物或膨潤(rùn)土粉配置新的加重抗污染鉆井液，還可以是專用的高低密度隔離液體系。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)相容性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)狀況，設(shè)計(jì)足量的隔離液與沖洗液，提高前置液體積置換系數(shù)［14］，減少鉆井液與水泥漿直接接觸的可能性，增大隔離液與井壁接觸時(shí)間，改善頂替效果，保證了固井施工安全（表11）。

4 結(jié)論與建議

CO2對(duì)鉆井液的污染是川東地區(qū)固井水泥漿與鉆井液相容性惡化的主要原因之一。通過(guò)置換井筒污染鉆井液、對(duì)污染的鉆井液進(jìn)行過(guò)飽和Ca2＋處理，加入鉆井液抗污染處理劑和合理設(shè)計(jì)前置液用量等技術(shù)措施，有效滿足鉆井液與水泥漿間的相容性實(shí)驗(yàn)要求，保證了固井施工安全和固井質(zhì)量。但由于目前國(guó)內(nèi)外在相容性、污染稠化方面缺乏統(tǒng)一規(guī)范的實(shí)驗(yàn)方法，特別是針對(duì)復(fù)雜、高含酸性氣體的天然氣井來(lái)說(shuō)，上述4種現(xiàn)場(chǎng)作法對(duì)于完善天然氣井的固井準(zhǔn)備具有一定的參考和借鑒價(jià)值。

表11 川東地區(qū)3井次固井抗污染前置液使用情況表

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