有机盐钻井液与水泥浆相容性的室内研究

2016-09-15谢波，李宁，陈英

西部探矿工程 2016年2期

关键词：隔离液水泥石铁矿

谢　波，李　宁，陈　英

（1.西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川成都610500；2.中石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆库尔勒841000）

有机盐钻井液与水泥浆相容性的室内研究

谢波*1，李宁2，陈英1

（1.西南石油大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室，四川成都610500；2.中石油塔里木油田分公司油气工程研究院，新疆库尔勒841000）

对三套克深区块在用A、B、C水泥浆隔离液体系与有机盐钻井液进行配伍，根据API标准对其进行相容性分析，分别进行流变相容性测试，稠化时间相容性测试等。研究结果表明：有机盐钻井液与隔离液相容性好，与水泥浆相容性差，水泥浆隔离液体系B相容性最好。

有机盐钻井液；水泥浆；隔离液；相容性

有机盐，是带杂原子取代基的有机酸根阴离子与一价金属离子（钾离子、钠离子、铵离子、叔铵离子、季铵离子等）所形成的盐。该类有机盐可用一通式XmRn （COO）1Mq表示，其中X为杂原子及杂原子基团，R为C0-C10的饱和烃基，COO为羧基，M为1价阳离子。有机盐钻井液具有流变性好、抑制性强、造壁性好、保护油气层效果好的优点［1-2］，对钻具无腐蚀、对环境污染小、相对成本不高，在国内外取得了广泛的研究和运用［3-7］，但是对有机盐钻井液相容性的研究很少。有机盐钻井液的运用，在带来快速优质钻井、保护环境、降低钻井成本的同时，却给固井带来新的挑战。有机盐钻井液和现有水泥浆相容性差，只要水泥浆与有机盐泥浆直接接触，将发生较严重的污染。根据不完全统计，在15口有机盐钻井液固井中，按照水泥浆∶泥浆为7∶3的比例混合后，均出现了浆体变稠或稠化时间缩短的现象；还有的井就是尾管固井探塞后钻塞时，返出混浆量很大，这给固井施工安全带来极大隐患。

1　实验仪器与样品

1.1实验仪器

本研究使用的主要仪器有电子天平、量筒、变频高速搅拌机、六速旋转粘度计、高温高压流变仪、稠化仪、常温常压稠度仪、高温高压滤失仪、抗压试验机。

1.2实验样品

（1）体系A。水泥浆的配方为：［阿G级水泥+60%高密度铁矿粉（BWOC）+30%硅粉（BWOC）+1.9%防窜剂（BWOC）］固+3.5%降失水剂（BWOS）+1.8%分散剂（BWOS）+0.6%缓凝剂（BWOS）+0.1%消泡剂（BWOS）+3.5%盐（BWOC）+25%H2O（BWOS）；液固比：0.348。

隔离液配方：淡水+1%悬浮剂+2.5%缓凝剂+15% 盐+247%铁矿粉。所有加量都是以淡水为基准。其中，铁矿粉密度为4.8g/cm3，隔离液密度为2.27g/cm3。

（2）体系B。水泥浆配方为：［阿G级水泥+32%硅粉（BWOC）+54%铁矿粉（BWOC）+7.5%微硅（BWOC）+ 54.5%加重铁矿粉（BWOC）+1%防气窜剂（BWOC）］固+4.8%降失水剂（BWOS）+3%缓凝剂（BWOS）+0.2%悬浮剂（BWOS）+2.4%分散剂（BWOS）+0.15%消泡剂（BWOS）+ 4.8%盐（BWOS）+20%H2O（BWOS），液固比：0.342。

隔离液配方：淡水+226%铁矿粉+54%锰矿粉+ 1.5%悬浮剂+12%缓凝剂+6%降失水剂+12.7%盐。所有加量都是以淡水为基准。其中，铁矿粉密度为4.8g/cm3，隔离液密度为2.27g/cm3。

（3）体系C。水泥浆配方为：［阿G级水泥+35%硅粉（BWOC）+110%加重铁矿粉（BWOC）+12%微硅（BWOC）］固+3.9%降失水剂（BWOS）+2.7%缓凝剂（BWOS）+1%减阻剂（BWOS）+0.14%消泡剂（BWOS）+ 4.34%盐（BWOS）+25.6%H2O（BWOS），液固比：0.379。

隔离液配方：淡水+1%悬浮剂+2.5%缓凝剂+15% 盐+247%铁矿粉。所有加量都是以淡水为基准。其中，铁矿粉密度为4.8g/cm3，隔离液密度为2.27g/cm3。

（4）有机盐钻井液。钻井液为BH-WEI体系，取自克深8-2井，井深6612m处，其基础配方为：膨润土（1.5%～3%）+烧碱（0.2%～0.5%）+抗盐提切剂（0.5%～1%）+抗盐抗温降滤失剂（0.8%～1.2%）+抑制防塌剂（1%～3%）+复合有机盐（10%～40%）+氯化钾（3%～5%）+抑制润滑剂（1%～3%）+加重剂（重晶石）。

钻井液密度为2.2，粘度75。

2　实验结果与分析

2.1流变相容性测试

用高温高压流变仪分别测试不同比例的水泥浆、隔离液、钻井液两两混合的流变性相容性。预制条件为：135℃×120MPa×70min。

测试结果：钻井液与隔离液、隔离液与水泥浆的流变性相容比水泥浆与钻井液的流变相容性好，体系A的水泥浆与钻井液部分比例混合后，高温高压流变仪的测试结果很大，超出量程，如表1～表3所示。

表1　体系A的隔离液与钻井液流变性相容性测试结果（135℃×120MPa）

表2　体系B的隔离液与水泥浆流变性相容性测试结果（135℃×120MPa）

表3　钻井液与体系A的水泥浆流变性相容性测试结果（135℃×120MPa）

从表3测试结果可以看出，当水泥浆逐渐加入到钻井中，当两者体积比为1∶1时，流变仪的刻度值增加较为明显，当135℃时，高温高压流变仪读数以超过其量程。当随着水泥浆浆体继续增加时，高温高压流变仪的读数逐渐降低。因此，分析表明钻井液与水泥浆相容性差。

2.2稠化时间相容性测试

通过测量水泥浆和隔离液按不同比例混合后的稠化时间来评定二者的相容性，测试结果见表4。

由表4结果可知，随着水泥浆中混入隔离液，其稠化时间在增加，因此，水泥浆与隔离液相容性较好。而当70%水泥浆∶30%钻井液混合后，在高温高压条件下进行稠化时间测试，体系A的稠化时间仅为27min；在当70%水泥浆∶20%钻井液∶10%隔离液时，稠化时间也只有70min。因此，钻井液与体系A的水泥浆稠化时间相容性最差，三者的混合物相容性也不好。

2.3抗压强度相容性实验

抗压强度相容性测结果如表5所示，实验条件为150℃×21MPa×48h。

表5中数据表明，少量隔离液的混入（混入量5%），对水泥石的抗压强度有一定影响，抗压强度为13.32MPa。当隔离液的混入量增大达到25%时，水泥石抗压强度也有所降低，但抗压强度也大于10MPa，也满足水泥石顶部抗压强度的需求。当25%钻井液∶50%隔离液∶25%水泥浆时，水泥石未凝固。因此，从抗压强度而言，隔离液与水泥浆是相容的。

从表6实验结果表明，纯水泥浆形成的水泥石强度为17.96MPa，随着隔离液混入的增加，所形成的水泥石强度逐渐降低。当75%水泥浆∶25%隔离液条件下形成的水泥石的抗压强度也有13.26MPa，其强度远远满足顶部抗压强度的要求。因此，从抗压强度相容性评价结果表明，钻井液与隔离液是相容的。

表4　稠化时间相容性测试结果

表6　体系B的抗压强度相容性测试结果

从表7可以看出，纯水泥浆形成的水泥石的抗压强度为16.52MPa，隔离液比例提高至5%和25%时，抗压强度分别为14.54MPa和12.60MPa。该水泥石强度均满足顶部强度。因此，从抗压强度角度出发，水泥浆与隔离液的相容性较好。

2.4固相悬浮及胶凝强度相容性实验

表7　体系C的抗压强度相容性测试结果

表8　体系A的固相悬浮及静胶凝强度相容性测试结果

表9　体系B的固相悬浮及静胶凝强度相容性测试结果

表10　体系C的固相悬浮及静胶凝强度相容性测试结果

通过测量水泥浆和隔离液按不同比例混合后的停机实验来评定固相悬浮及静胶凝强度相容性，测试结果见表8～表10。

从表8～表10数据可见，对于纯水泥浆，当稠化70min并停10min后再启动搅拌时，稠度值的增加不大；而当稠化到一半的稠化时间并停10min后再启动搅拌时，稠度增值也不大。当混入隔离液后，每次停机后再启动搅拌时，稠度增加值都不是很大。因此，从沉降稳定性及静胶凝强度而言，隔离液与水泥浆是相容的。

2.5失水量相容性测试

通过测量水泥浆和隔离液按不同比例混合后的失水量来评定二者的相容性，测试结果见表11。

表中数据表明，水泥浆本身失水量较小，当隔离液混入时，失水量增加，但是最高的也只有48mL/30min，仍能满足施工要求。所以，就失水量而言，顶替领浆和隔离液是相容的。

3　结论

（1）钻井液与隔离液是相容的。在135℃条件下的流变性相容性表明，从钻井液到混合物再到隔离液，各液体是逐渐增稠的。从顶替角度而言，对于低速层流顶替，这种浆体稠度的顺序，是符合一般的顶替要求的。通过对比可以发现，在89℃与135℃条件下，体系B均要好于A与C。

（2）隔离液与水泥浆总体上是相容的。稠化时间、抗压强度、沉降稳定性及静胶凝强度、滤失量诸相容性均表明，隔离液与水泥浆是相容的。但高温高压流变性表明，从顶替要求出发，二者的相容性较好。但隔离液、水泥浆及钻井液，三者的流变性搭配可能需要改善，使之符合通常的有利于提高顶替效率的要求。具体是，可能需要在固井时进一步降低钻井液的动塑比，再适当降低隔离液的动塑比（但要大于钻井液的），再增加水泥浆的动塑比。在135℃条件下，体系B也要好于A与C。

（3）钻井液与水泥浆不相容。在135℃条件下流变性相容性表明，钻井液与水泥浆是不相容的，但在135℃条件下，体系B的性能最好；钻井液与水泥浆混合后，两者混合后的动塑比较大，可能会达到不能流动的程度，因此，在实际施工时可能会导致中途憋泵的情况。

（4）钻井液、隔离液及水泥浆的相容性。三种混合浆体的流变相容性较好，体系B的相容性最优。