固井水泥漿與鉆井液接觸污染作用探討

摘 要：固井水泥漿與鉆井液接觸時，容易發(fā)生污染，影響注水泥憋泵的安全性與質(zhì)量。為此，本文針對固井水泥漿與鉆井液接觸污染作用機(jī)理開展研究，比較固井水泥漿和鉆井液接觸前、后水泥漿的性能，利用紅外光譜、X-射線衍射儀、掃描電鏡對水泥漿混合前后的物象與微觀形貌進(jìn)行對比，確定固井水泥與鉆井液在接觸后對水泥結(jié)構(gòu)和性能的影響。利用儀器測定水泥漿濾液中離子的含量及其種類，考察各類金屬離子對鉆井液和水泥漿的影響。研究結(jié)果顯示，接觸污染作用機(jī)理是水泥漿中的Ca2+對鉆井液產(chǎn)生“鈣侵”現(xiàn)象，使鉆井液流動性能變差;水泥水化后產(chǎn)生的Al3+、Fe3+與鉆井液中的聚合物類處理劑發(fā)生交聯(lián)，形成凝膠，凝膠與水泥顆粒吸附架橋的處理劑共同加強(qiáng)水泥漿體多級絮凝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混漿流動性降低。因此，在開始固井操作前，要使用抗鈣先導(dǎo)漿或者掩蔽劑等方式解決污染，減少事故發(fā)生率，保證固井安全，提高固井操作效率。

關(guān)鍵詞：固井水泥漿;鉆井液;污染;作用機(jī)理

在固定操作中，由于受到井眼形狀的限制，以及施工過程中，使用的鉆井液和水泥漿的性能不同等因素的影響，水泥漿與鉆井液之間經(jīng)常混合，形成嚴(yán)重的接觸性污染問題。在一些深井或大斜度的礦井中，比較常見的是在混合漿中產(chǎn)生流動性巨變的現(xiàn)象。這種接觸性污染的問題，通常會導(dǎo)致混漿流動性下降，造成實際固井操作效率下降，同時會造成水泥泵在工作過程中壓力升高，最后導(dǎo)致在薄弱層地帶發(fā)生水泥溢出或道路損毀問題[1]。

經(jīng)過多次在川渝地區(qū)的固井實踐，初步認(rèn)識到除了“鈣侵”以外，KPAM（聚丙烯酰胺鉀鹽）、PAC（聚陰離子纖維素）和黃原膠（XC，即生物聚合物增粘劑）等鉆井液處理劑也是接觸污染的重要因素[1];另外，水泥漿的水化產(chǎn)物也影響著接觸污染。因此，本研究通過研究鉆井液處理劑與鉆井液對水泥漿的影響以及水泥漿水化產(chǎn)物對混漿和鉆井液的影響，探究接觸污染的作用機(jī)理。

1 鉆井液與水泥漿接觸污染問題

固井中鉆井液與水泥漿一旦發(fā)生接觸，將會出現(xiàn)：①鉆井液與水泥漿進(jìn)行混合，流動性快速下降，影響鉆井液的頂替效率，泵壓快速上升，薄弱層注水泥出現(xiàn)“低反”、“漏封”現(xiàn)象;②混漿出現(xiàn)“早凝”、“假凝”現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆具卡死;③鉆井液與水泥漿混合后產(chǎn)生的絮凝物質(zhì)，均粘附在第一界面和第二界面上，降低水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量。

鉆井液和固井水泥漿接觸的污染作用機(jī)理，除了鉆井液受到“鈣侵”以外，不少研究學(xué)者運用紅外光譜、X-射線衍射儀、和掃描電鏡對水泥漿混合前后的物象與微觀形貌對比，得出結(jié)論：①同等加量條件下，HPS、KR102、RLC-101、LS-2、SHR、MG-1等型號的鉆井液處理劑可延長固定水泥漿的稠化時間，且對水泥漿的流速無任何影響。JN-A、SMT和SMP-1等型號的鉆井液處理劑可延長固定水泥漿的稠化時間，且可用一些技術(shù)手段控制對水泥漿流速的影響，其中，JN-A和SMP-1型號的處理器控制在0.3%以內(nèi)，SMT型號的處理劑控制在0.5%以內(nèi);KHM、YHS、SMC等型號的處理器可影響常規(guī)密度水泥漿的流變性，其中，SMC型號處理劑控制在2%，YHS和KHM型號處理劑控制在1%以內(nèi);KPAM型號的處理劑或生物增粘劑，可縮短固井水泥漿的稠化時間將，影響水泥漿的流動性，且無法被控制;②生物增粘劑和KPAM聚丙烯酰胺鉀鹽添加劑自身有吸附水泥漿內(nèi)水泥離子的能力，并形成混合性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對水泥漿的性能造成影響，增加水泥漿的顆粒團(tuán)粘稠度，導(dǎo)致固井水泥漿喪失可泵性。

2 鉆井液與水泥漿接觸污染作用機(jī)理

2.1 接觸污染作用機(jī)理

鉆井液與固井水泥漿接觸污染作用機(jī)理如下：①水泥砂漿未添加分散劑時，水泥顆粒以“多級絮凝結(jié)構(gòu)”的形式存在，并可根據(jù)絮凝結(jié)構(gòu)的緊密程度和水泥顆粒之間的孔隙大小，分為1-5級。因為水泥顆粒和水泥漿內(nèi)部的水泥水化粒處于非永久性連接，所以一旦在水泥漿中加分散劑，就會破壞這個非永久性連接，釋放絮凝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分子，增加自由水分子，提升水泥漿的流動性;②如果固井水泥漿出現(xiàn)水化現(xiàn)象，水泥砂漿內(nèi)將產(chǎn)生Al3+、Mg2+、Fe3+、Ca2+離子，鉆井液成為由膨潤土、水和各類處理劑構(gòu)成的多相分散體系，維持該體系性能的制劑是KPAM、XC、磺化單寧等;③鉆井液內(nèi)部的Na+離子與水泥漿內(nèi)部的Ca2+、Mg2+離子發(fā)生離子交換，使粘土內(nèi)鈉離子變?yōu)殁}離子，使鉆井液粘土顆粒變粗，加大網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低鉆井液的流變性;④產(chǎn)生“假凝”現(xiàn)象，即增加凝膠稠度，縮短稠化時間。

通過分析接觸性污染產(chǎn)生的原理，除了有在鉆井液中受到鈣化問題的影響外，相關(guān)研究人員認(rèn)為：①某些無離子化合物與聚合物的凝結(jié)，也會對鉆井液中的性能產(chǎn)生影響;②某些鉆井液的添加劑和處理劑相互作用，會導(dǎo)致混合水泥漿的粘稠度上升;③一些鉆井液處理劑中，對水泥漿的促凝性作用較強(qiáng)。

2.2 鉆井液與固井水泥漿污染作用解決措施

從鉆井液與固井水泥漿接觸污染的作用機(jī)理入手，運用紅外光譜、X-射線衍射儀、掃描電鏡對水泥漿混合前后的物象與微觀形貌進(jìn)行對比，針對鉆井液與水泥漿接觸產(chǎn)生的污染，制定出以下解決方案：①使用“抗鈣”導(dǎo)漿，降低鈣化，這一措施在固井鉆井中早有應(yīng)用;②結(jié)合水擊砂漿受到鉆井液影響的評價結(jié)果，選擇替代鉆井液的處理器;③降低鉆井液和固井水泥漿內(nèi)的高價金屬離子（如Fe3+、Al3+等）的濃度，利用螯合劑與高價金屬離子反應(yīng)，形成螯合環(huán)，以降低金屬離子的濃度。在固井過程中可以采用GYW隔離液或先導(dǎo)漿，并加入優(yōu)選的掩蔽劑螯合金屬離子，以此降低混漿中Al3+、Fe3+和Ca2+的濃度，抑制“鈣侵”和“Fe3+與Al3+”引起的交聯(lián)效應(yīng)，保證固井施工的效率與安全性。

3 實際應(yīng)用

這些解決接觸污染的技術(shù)在多次固井作業(yè)中都有著成功的嘗試，以下論述運用解決接觸污染技術(shù)的實例。

四川MX17井是西南油氣田中的一口預(yù)探井，通過技術(shù)鉆至5040m后，采用∮168.3mm的尾管固封2150～ 5039m的井段;該井井底的循環(huán)溫度是114℃，靜止溫度為134℃，井底壓力約為100MPa，水泥漿密度為2.20g/cm3。這口井固井的困難點在：空間隙小，很難下套管;高溫高壓，上下溫差較大;高密度的鉆井液與高密度的水泥漿之間接觸污染嚴(yán)重;泵壓高，固井施工摩擦力、阻力大。

在固井過程中，采用下列解決接觸污染的措施：①配制20.7m3抗鈣能力較強(qiáng)、黏度和切力較低的先導(dǎo)漿;②使用GYW隔離液，隔離液中加入了掩蔽劑;一共使用了12.6m3的前隔離液和7.5m3的后隔離液;③固井作業(yè)過程中，先泵注先導(dǎo)漿，再泵注前隔離液，最后在中心館附近泵注后隔離液，此操作是為了防止污染。

經(jīng)過以上措施以后，MX17井∮168.3mm尾管的固井施工就順利完成，其中施工時間約為250min，成功碰壓，水泥漿、鉆井液、隔離液和先導(dǎo)漿返出界面清晰，沒有嚴(yán)重接觸污染。

該實例證明了以上解決舉措的正確性，證明了針對接觸污染的作用機(jī)理所作出的應(yīng)對措施是正確的。

4 結(jié)語

①水泥漿加入分散劑后具備流動性，是因為打破了非永久性連接的水泥絮凝結(jié)構(gòu)，使其中的水分子被釋放，增加水泥漿體中的自由水，因此使水泥漿具備良好的流動性;②水泥漿在水化過程中產(chǎn)生Fe3+、Al3+等高價金屬陽離子，混漿后KPAM和XC處理劑與Fe3+、Al3+反應(yīng)生成膠態(tài)分散凝膠或者若凝膠，凝膠會吸附混漿中的自由水;KPAM和XC等聚合物的吸附架橋作用也導(dǎo)致水泥顆粒絮凝結(jié)構(gòu)生成永久性連接，加強(qiáng)絮凝結(jié)構(gòu)。這些作用最終使混漿流動性急劇變差;③使用抗鈣類先導(dǎo)漿、以及把掩蔽劑加入到隔離液中等措施能夠緩解或消除接觸污染。

綜上所述，根據(jù)鉆井液與水泥漿接觸污染的作用機(jī)理，緩解鈣化、減少鉆井液與固井水泥漿的接觸能夠有效保證固井安全，降低事故發(fā)生率，提升固井效率，提高固井質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]李明，楊雨佳，李早元等.固井水泥漿與鉆井液接觸污染作用機(jī)理[J].石油學(xué)報，2014，35（6）：1188-1196.

作者簡介：

杜甫（1985- ），男，漢族，山東肥城人，本科學(xué)歷，中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司固井公司中級工程師，研究方向：固井技術(shù)。