有機(jī)鹽鉆井液與水泥漿相容性的室內(nèi)研究

謝　波，李　寧，陳　英

（1.西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500；2.中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫(kù)爾勒841000）

有機(jī)鹽鉆井液與水泥漿相容性的室內(nèi)研究

謝波*1，李寧2，陳英1

（1.西南石油大學(xué)“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500；2.中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫(kù)爾勒841000）

對(duì)三套克深區(qū)塊在用A、B、C水泥漿隔離液體系與有機(jī)鹽鉆井液進(jìn)行配伍，根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行相容性分析，分別進(jìn)行流變相容性測(cè)試，稠化時(shí)間相容性測(cè)試等。研究結(jié)果表明：有機(jī)鹽鉆井液與隔離液相容性好，與水泥漿相容性差，水泥漿隔離液體系B相容性最好。

有機(jī)鹽鉆井液；水泥漿；隔離液；相容性

有機(jī)鹽，是帶雜原子取代基的有機(jī)酸根陰離子與一價(jià)金屬離子（鉀離子、鈉離子、銨離子、叔銨離子、季銨離子等）所形成的鹽。該類有機(jī)鹽可用一通式XmRn （COO）1Mq表示，其中X為雜原子及雜原子基團(tuán)，R為C0-C10的飽和烴基，COO為羧基，M為1價(jià)陽(yáng)離子。有機(jī)鹽鉆井液具有流變性好、抑制性強(qiáng)、造壁性好、保護(hù)油氣層效果好的優(yōu)點(diǎn)［1-2］，對(duì)鉆具無腐蝕、對(duì)環(huán)境污染小、相對(duì)成本不高，在國(guó)內(nèi)外取得了廣泛的研究和運(yùn)用［3-7］，但是對(duì)有機(jī)鹽鉆井液相容性的研究很少。有機(jī)鹽鉆井液的運(yùn)用，在帶來快速優(yōu)質(zhì)鉆井、保護(hù)環(huán)境、降低鉆井成本的同時(shí)，卻給固井帶來新的挑戰(zhàn)。有機(jī)鹽鉆井液和現(xiàn)有水泥漿相容性差，只要水泥漿與有機(jī)鹽泥漿直接接觸，將發(fā)生較嚴(yán)重的污染。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在15口有機(jī)鹽鉆井液固井中，按照水泥漿∶泥漿為7∶3的比例混合后，均出現(xiàn)了漿體變稠或稠化時(shí)間縮短的現(xiàn)象；還有的井就是尾管固井探塞后鉆塞時(shí)，返出混漿量很大，這給固井施工安全帶來極大隱患。

1　實(shí)驗(yàn)儀器與樣品

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

本研究使用的主要儀器有電子天平、量筒、變頻高速攪拌機(jī)、六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、高溫高壓流變儀、稠化儀、常溫常壓稠度儀、高溫高壓濾失儀、抗壓試驗(yàn)機(jī)。

1.2實(shí)驗(yàn)樣品

（1）體系A(chǔ)。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：0.348。

隔離液配方：淡水+1%懸浮劑+2.5%緩凝劑+15% 鹽+247%鐵礦粉。所有加量都是以淡水為基準(zhǔn)。其中，鐵礦粉密度為4.8g/cm3，隔離液密度為2.27g/cm3。

（2）體系B。水泥漿配方為：［阿G級(jí)水泥+32%硅粉（BWOC）+54%鐵礦粉（BWOC）+7.5%微硅（BWOC）+ 54.5%加重鐵礦粉（BWOC）+1%防氣竄劑（BWOC）］固+4.8%降失水劑（BWOS）+3%緩凝劑（BWOS）+0.2%懸浮劑（BWOS）+2.4%分散劑（BWOS）+0.15%消泡劑（BWOS）+ 4.8%鹽（BWOS）+20%H2O（BWOS），液固比：0.342。

隔離液配方：淡水+226%鐵礦粉+54%錳礦粉+ 1.5%懸浮劑+12%緩凝劑+6%降失水劑+12.7%鹽。所有加量都是以淡水為基準(zhǔn)。其中，鐵礦粉密度為4.8g/cm3，隔離液密度為2.27g/cm3。

（3）體系C。水泥漿配方為：［阿G級(jí)水泥+35%硅粉（BWOC）+110%加重鐵礦粉（BWOC）+12%微硅（BWOC）］固+3.9%降失水劑（BWOS）+2.7%緩凝劑（BWOS）+1%減阻劑（BWOS）+0.14%消泡劑（BWOS）+ 4.34%鹽（BWOS）+25.6%H2O（BWOS），液固比：0.379。

隔離液配方：淡水+1%懸浮劑+2.5%緩凝劑+15% 鹽+247%鐵礦粉。所有加量都是以淡水為基準(zhǔn)。其中，鐵礦粉密度為4.8g/cm3，隔離液密度為2.27g/cm3。

（4）有機(jī)鹽鉆井液。鉆井液為BH-WEI體系，取自克深8-2井，井深6612m處，其基礎(chǔ)配方為：膨潤(rùn)土（1.5%～3%）+燒堿（0.2%～0.5%）+抗鹽提切劑（0.5%～1%）+抗鹽抗溫降濾失劑（0.8%～1.2%）+抑制防塌劑（1%～3%）+復(fù)合有機(jī)鹽（10%～40%）+氯化鉀（3%～5%）+抑制潤(rùn)滑劑（1%～3%）+加重劑（重晶石）。

鉆井液密度為2.2，粘度75。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1流變相容性測(cè)試

用高溫高壓流變儀分別測(cè)試不同比例的水泥漿、隔離液、鉆井液兩兩混合的流變性相容性。預(yù)制條件為：135℃×120MPa×70min。

測(cè)試結(jié)果：鉆井液與隔離液、隔離液與水泥漿的流變性相容比水泥漿與鉆井液的流變相容性好，體系A(chǔ)的水泥漿與鉆井液部分比例混合后，高溫高壓流變儀的測(cè)試結(jié)果很大，超出量程，如表1～表3所示。

表1　體系A(chǔ)的隔離液與鉆井液流變性相容性測(cè)試結(jié)果（135℃×120MPa）

表2　體系B的隔離液與水泥漿流變性相容性測(cè)試結(jié)果（135℃×120MPa）

表3　鉆井液與體系A(chǔ)的水泥漿流變性相容性測(cè)試結(jié)果（135℃×120MPa）

從表3測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)水泥漿逐漸加入到鉆井中，當(dāng)兩者體積比為1∶1時(shí)，流變儀的刻度值增加較為明顯，當(dāng)135℃時(shí)，高溫高壓流變儀讀數(shù)以超過其量程。當(dāng)隨著水泥漿漿體繼續(xù)增加時(shí)，高溫高壓流變儀的讀數(shù)逐漸降低。因此，分析表明鉆井液與水泥漿相容性差。

2.2稠化時(shí)間相容性測(cè)試

通過測(cè)量水泥漿和隔離液按不同比例混合后的稠化時(shí)間來評(píng)定二者的相容性，測(cè)試結(jié)果見表4。

由表4結(jié)果可知，隨著水泥漿中混入隔離液，其稠化時(shí)間在增加，因此，水泥漿與隔離液相容性較好。而當(dāng)70%水泥漿∶30%鉆井液混合后，在高溫高壓條件下進(jìn)行稠化時(shí)間測(cè)試，體系A(chǔ)的稠化時(shí)間僅為27min；在當(dāng)70%水泥漿∶20%鉆井液∶10%隔離液時(shí)，稠化時(shí)間也只有70min。因此，鉆井液與體系A(chǔ)的水泥漿稠化時(shí)間相容性最差，三者的混合物相容性也不好。

2.3抗壓強(qiáng)度相容性實(shí)驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度相容性測(cè)結(jié)果如表5所示，實(shí)驗(yàn)條件為150℃×21MPa×48h。

表5中數(shù)據(jù)表明，少量隔離液的混入（混入量5%），對(duì)水泥石的抗壓強(qiáng)度有一定影響，抗壓強(qiáng)度為13.32MPa。當(dāng)隔離液的混入量增大達(dá)到25%時(shí)，水泥石抗壓強(qiáng)度也有所降低，但抗壓強(qiáng)度也大于10MPa，也滿足水泥石頂部抗壓強(qiáng)度的需求。當(dāng)25%鉆井液∶50%隔離液∶25%水泥漿時(shí)，水泥石未凝固。因此，從抗壓強(qiáng)度而言，隔離液與水泥漿是相容的。

從表6實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純水泥漿形成的水泥石強(qiáng)度為17.96MPa，隨著隔離液混入的增加，所形成的水泥石強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)75%水泥漿∶25%隔離液條件下形成的水泥石的抗壓強(qiáng)度也有13.26MPa，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足頂部抗壓強(qiáng)度的要求。因此，從抗壓強(qiáng)度相容性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，鉆井液與隔離液是相容的。

表4　稠化時(shí)間相容性測(cè)試結(jié)果

表6　體系B的抗壓強(qiáng)度相容性測(cè)試結(jié)果

從表7可以看出，純水泥漿形成的水泥石的抗壓強(qiáng)度為16.52MPa，隔離液比例提高至5%和25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度分別為14.54MPa和12.60MPa。該水泥石強(qiáng)度均滿足頂部強(qiáng)度。因此，從抗壓強(qiáng)度角度出發(fā)，水泥漿與隔離液的相容性較好。

2.4固相懸浮及膠凝強(qiáng)度相容性實(shí)驗(yàn)

表7　體系C的抗壓強(qiáng)度相容性測(cè)試結(jié)果

表8　體系A(chǔ)的固相懸浮及靜膠凝強(qiáng)度相容性測(cè)試結(jié)果

表9　體系B的固相懸浮及靜膠凝強(qiáng)度相容性測(cè)試結(jié)果

表10　體系C的固相懸浮及靜膠凝強(qiáng)度相容性測(cè)試結(jié)果

通過測(cè)量水泥漿和隔離液按不同比例混合后的停機(jī)實(shí)驗(yàn)來評(píng)定固相懸浮及靜膠凝強(qiáng)度相容性，測(cè)試結(jié)果見表8～表10。

從表8～表10數(shù)據(jù)可見，對(duì)于純水泥漿，當(dāng)稠化70min并停10min后再啟動(dòng)攪拌時(shí)，稠度值的增加不大；而當(dāng)稠化到一半的稠化時(shí)間并停10min后再啟動(dòng)攪拌時(shí)，稠度增值也不大。當(dāng)混入隔離液后，每次停機(jī)后再啟動(dòng)攪拌時(shí)，稠度增加值都不是很大。因此，從沉降穩(wěn)定性及靜膠凝強(qiáng)度而言，隔離液與水泥漿是相容的。

2.5失水量相容性測(cè)試

通過測(cè)量水泥漿和隔離液按不同比例混合后的失水量來評(píng)定二者的相容性，測(cè)試結(jié)果見表11。

表中數(shù)據(jù)表明，水泥漿本身失水量較小，當(dāng)隔離液混入時(shí)，失水量增加，但是最高的也只有48mL/30min，仍能滿足施工要求。所以，就失水量而言，頂替領(lǐng)漿和隔離液是相容的。

3　結(jié)論

（1）鉆井液與隔離液是相容的。在135℃條件下的流變性相容性表明，從鉆井液到混合物再到隔離液，各液體是逐漸增稠的。從頂替角度而言，對(duì)于低速層流頂替，這種漿體稠度的順序，是符合一般的頂替要求的。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在89℃與135℃條件下，體系B均要好于A與C。

（2）隔離液與水泥漿總體上是相容的。稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、沉降穩(wěn)定性及靜膠凝強(qiáng)度、濾失量諸相容性均表明，隔離液與水泥漿是相容的。但高溫高壓流變性表明，從頂替要求出發(fā)，二者的相容性較好。但隔離液、水泥漿及鉆井液，三者的流變性搭配可能需要改善，使之符合通常的有利于提高頂替效率的要求。具體是，可能需要在固井時(shí)進(jìn)一步降低鉆井液的動(dòng)塑比，再適當(dāng)降低隔離液的動(dòng)塑比（但要大于鉆井液的），再增加水泥漿的動(dòng)塑比。在135℃條件下，體系B也要好于A與C。

（3）鉆井液與水泥漿不相容。在135℃條件下流變性相容性表明，鉆井液與水泥漿是不相容的，但在135℃條件下，體系B的性能最好；鉆井液與水泥漿混合后，兩者混合后的動(dòng)塑比較大，可能會(huì)達(dá)到不能流動(dòng)的程度，因此，在實(shí)際施工時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致中途憋泵的情況。

（4）鉆井液、隔離液及水泥漿的相容性。三種混合漿體的流變相容性較好，體系B的相容性最優(yōu)。

表11　失水量相容性測(cè)試結(jié)果

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TE54

A

1004-5716（2016）02-0080-05

2015-02-09

2015-02-10

謝波（1985-），男（漢族），廣東連平人，西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室油氣井工程在讀研究生，研究方向：固井。