速溶硅酸钾在克深区块钻水泥塞中的应用

祝学飞 冯 丽 严福寿中国石油川庆钻探塔里木工程公司, 新疆 库尔勒 841000

速溶硅酸钾在克深区块钻水泥塞中的应用

祝学飞 冯 丽 严福寿
中国石油川庆钻探塔里木工程公司, 新疆 库尔勒 841000

抗污染力;速溶硅酸钾；钻井液；钻水泥塞;流变性；稳定性

0 前言

克深区块位于塔里木盆地库车坳陷克拉苏构造带,区块特性[1]:山前构造、区块内地层差异巨大、膏盐层埋藏不一、断层较多、完钻井深6 000～8 000m、井身结构差异大、井底温度130～175 ℃、目的层为高压气层、套压100～130MPa。这些区块特性对套管管串结构与固井质量[2]提出了较高要求。克深区块水泥浆隔离液的处理剂与水基钻井液不兼容[3],水泥浆运移段长易产生大量混浆;套管管串结构要求浮箍距离井底200～300m,形成长段水泥塞,尾管要求更高,水泥塞达500～700m,这些都是造成水基钻井液严重污染的原因,尤其是高密度钻井液,增加了水基钻井液的抗水泥浆隔离液、混浆、水泥塞污染的难度。传统钻水泥塞处理方法不能满足现场要求,故引入速溶硅酸钾,利用其在水溶液中的胶凝沉淀效应与强抗污染能力[4],同时由于硅酸根离子与钙离子反应生成硅酸钙沉淀,使钻井液保持较强的黏结性能,避免因钻井液黏切较低至脱胶，不能满足带砂需要而发生卡钻事故[5]。

1 传统钻水泥塞钻井液技术

以往钻水泥塞过程中,均采用两种方法[6]：一是加入纯碱进行预处理和维护处理；二是加入树脂类抗钙处理剂充分护胶增强其抗钙能力。这两种方法对隔离液量小、水泥塞较短的井比较容易处理,但对隔离液量大、水泥塞长、井底温度高的井处理比较困难。纯碱加量偏低或者偏高都容易造成钻井液黏切偏低或者偏高,还容易造成钻井液碳酸根后期污染[7],给钻井液维护处理带来麻烦;树脂类处理剂价格昂贵,在上部聚合物钻井液井段易受限制,而下步井段加量较大,增加了成本。

2 速溶硅酸钾作用机理

速溶硅酸钾是一种白色粉状物并能快速溶于水的泡化碱，分子式K2O·nSiO2·H2O，其水溶液能有效抑制黏土的水化分散能力。稳定黏土的主要机理是尺寸较宽的硅酸离子通过吸附、扩散等途径结合到黏土晶层端部,堵塞黏土层片之间的缝隙,钾离子具有较强的抑制黏土水化作用,从而稳定黏土[8];在高温长裸眼井段,硅酸钾与黏土反应会改变黏土表面晶体结构,能与黏土进行化学反应产生无定形的、胶结能力强的物质,使黏土矿物等颗粒结成牢固的整体,使钻井液黏切更稳定。

速溶硅酸钾最基本的化学结构单元为硅氧四面体[9][SiO4],溶解于钻井液中，遇到Ca2+生成沉淀,降低钻井液中钙离子浓度,减小其他处理剂与钙离子反应机会,达到钻井液性能更加稳定的效果。其化学反应方程式为:

3 速溶硅酸钾室内评价

表1 速溶硅酸钾不同加量对基浆流变性的影响

硅酸钾/()密度/(g·cm-3)黏度/s塑黏/(mPa·s)屈服值/Pa初切力/Pa终切力/Pa失水量/mL高温高压失水量(160℃)/mL02 29685074102 0100 12 2968527 55132 0100 152 2970548 57162 1110 22 297558108 5202 1110 32 2990641413262 211

4 克深16井与克深904井钻水泥塞情况

4.1 克深16井钻水泥塞与处理

表2 克深16井五开、六开钻水泥塞参数统计

开次钻头尺寸/mm型号钻压/t转速/(r/min-1)泵压/MPa排量/(L·s-1)塞长/m时间/h五开215 9HJT517G560172230024五开149 3HJT517G550211473850六开149 3CK406D450221232918 5六开104 78CK305250231052033

表3 克深16井五开、六开钻水泥塞过程中钻井液性能

开次井深/m密度/(g·cm-3)黏度/s塑黏/(mPa·s)屈服值/Pa初切力/Pa终切力/Pa失水量/mLpH高温高压失水量(160～175℃)/mL五开42722 1075558 558 541014五开45722 10755585941014五开53552 1073558 558 541014五开57002 106655103 51141014五开60932 10725395 51341014六开54162 2988521910251 21010六开55002 2986501810251 21010六开57442 2885501810251 21010六开57801 8564361031421010六开60001 866536931321010六开63001 85643592 51221011 注：五开高温高压测试温度160℃，六开高温高压测试温度175℃。

4.2 克深904井钻水泥塞与处理

表4 克深904井三开钻水泥塞参数统计

开次钻头尺寸/mm型号钻压/t转速/(r·min-1)泵压/MPa排量/(L·s-1)塞长/m时间/h三开333 38HAT127870174042720三开241 3MS1952SS4～655223623825

表5 克深904井三开钻水泥塞过程中钻井液性能

开次井深/m密度/(g·cm-3)黏度/s塑黏/(mPa·s)屈服值/Pa初切力/Pa终切力/Pa失水量/mLPH高温高压失水量(140℃)/mL三开35831 9061539282 410 510三开40101 90595181 552 410 510三开64371 905547512 52 410 514三开66751 90504530 51 52 410 516

4.3 两口井钻水泥塞黏切变化对比

由表3可看出,克深16井钻井液经速溶硅酸钾处理后，钻水泥塞过程中黏度、初切力、终切力变化趋势平稳,性能稳定。

由表5可看出,克深904井钻井液经纯碱处理后，钻水泥塞过程中黏度、切力变化均呈下降趋势,尤其初切力、终切力下降明显,高温高压失水量增加,不能满足现场钻井要求。

5 结论

1)速溶硅酸钾抗水泥塞污染能力强,经其处理的钻井液在钻水泥塞的过程中在深井(6 300m)、高温(电测井底温度173.3 ℃)、长段水泥塞(738m)、长时间(50h)条件下表现出良好的流变性与热稳定性。

2)克深16井与克深904井钻水泥塞过程中分别采用速溶硅酸钾与纯碱维护处理,通过对比井浆流变性,证明速溶硅酸钾优于纯碱。

3)在克深区块,由于井深、密度高、井底温度高、水泥塞较长,钻水泥塞过程中应推广使用速溶硅酸钾,降低钻水泥塞产生的工程风险，避免钻井事故。

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2014-12-25

祝学飞(1983-),男,重庆人,工程师,本科，主要从事钻井液技术工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.013