有机盐钻井液与水泥浆接触污染机理探讨及防止对策

李晓春， 李 宁， 刘 锐， 张 峰，邓 强， 杨 谋

(1中国石油塔里木油田分公司 2“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学)

有机盐钻井液独特的性能优势在塔里木油田库车山前钻井中广泛运用并取得明显成效[1-2]。但有机盐钻井液与在用的水泥浆相容性极差，两者3∶7的比例混合后，均出现了浆体流动性差或稠化时间缩短的现象(有的减少了100多分钟)。为了解决该难题，采用的方法主要有：①在隔离液前注入一段膨润土浆作为缓冲，同时加大隔离液的用量，保证足够的段长以保证隔离效果；②在隔离液中加入大量的缓凝剂、分散剂、降污染剂等缓凝类外加剂来减轻有机盐钻井液的损害。虽然方法①中膨润土浆中含有的添加剂少，其性能在固井施工的短时期内能够满足要求，但固井后的影响属于未知。同时增加隔离液量就意味着增加成本。方法②在隔离液中加入大量缓凝类外加剂，虽然能够解决相容性问题，但随之带来的混浆后可能导致的水泥浆超缓凝甚至不凝是显而易见的。

为此，本论文首先基于单因素分析方法将钻井液外加剂分别加入到水泥浆中，测试水泥浆流动度的变化，筛选影响水泥浆污染的钻井液外加剂类型。在此基础上，借助傅里叶变换红外光谱仪及扫描电镜测试手段，并结合黏土水化动态吸附理论，深入探究钻井液外加剂与水泥浆间的接触污染机理。在此基础上，应用降污染剂，分析其对钻井液与水泥浆混合浆体流变性和稠化时间的影响，以满足现场固井施工要求。

一、实验材料

本文采用的有机盐钻井液源于国内某油田在Ø241.3 mm完钻井段的应用，配方为：1.5%～3%膨润土+0.2%～0.5%烧碱+0.5%～1%抗盐提切剂+0.8%～1.2%抗盐抗温降滤失剂+1%～3%抑制防塌剂+10%～40%复合有机盐+3%～5%氯化钾+1%～3%抑制润滑剂+加重剂(重晶石)，密度为2.2 g/cm3。水泥浆为应用Ø177.8 mm尾管封隔该井段采用的体系：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)；液固比为0.38，密度为2.3 g/cm3。

二、筛选影响水泥浆性能影响的钻井液外加剂

通过对水泥浆与钻井液分别以100∶0、95∶5、75∶25、50∶50、25∶75、5∶95混合比，测试钻井液混入量对水泥浆流动度影响程度，分析表明当水泥浆与钻井液为75∶25混合浆体的流动性最差。

以水泥浆与钻井液3∶1掺混比为依据，在水泥浆中分别添加实际用量钻井液外加剂，测得其在常温条件下流动度数据。

表1 实际加量条件下钻井液处理剂对水泥浆流动度的影响

从表1中实际最大与最小加量条件下测试钻井液外加剂的加量对水泥浆性能的影响可以看出，降滤失剂对水泥浆流动度变差现象较显著，其他外加剂对水泥浆性能影响不大，为此重点开展降滤失剂对水泥浆污染机理分析。另外，由于水泥浆水化会产生大量的Ca2+，影响钻井液中黏土水化的扩散双电子层，导致胶体颗粒聚结。为此，也考察钻井液中黏土水化对污染机理的影响。

三、污染机理分析

1. 黏土—水界面双电层污染机理

在黏土溶液中加入电介质后，液相中反离子浓度随着增大，反离子扩散进入吸附层的机会增加，胶粒电荷减少，同时扩散双电层变薄，ζ电位降低，导致电介质压缩双电层作用。而水泥中含有C3A、C3S、C2S及C4AF，其在水化过程中，会释放大量的Ca2+、Fe3+等。因此，水泥与钻井液相互掺混后，水泥水化产生的金属离子破坏了钻井液中的电介质浓度，使得黏土双电层遭到破坏，引起胶体颗粒聚结、钻井液的流变性能恶化。

2. 钻井液外加剂与水泥相互吸附机理

钻井液降滤失剂拥有硝基、羧基、酰胺基、羟基、氨基、醚、甲基等许多具有吸附性能的官能团,如图1所示。从吸附性能看，上述官能团的吸附能力为-NO2>-SO3>-COOH>-CONH>-OH>-NH2>-O->-CH2，它们组成的高分子聚合物能够吸附在不同的水泥颗粒上[5]。同时，降滤失剂为高分子聚合物，其具分子链上可吸附多个水泥颗粒并形成混合网状结构；此外，水泥浆中的Ca2+会降低聚合物的溶解性，使分子链发生卷曲、吸附架桥作用。上述多种因素导致水泥浆中掺混钻井液降滤失剂时产生絮凝现象，即浆体增稠、流动性差[6]。

图1 钻井液降滤失剂的红外光谱图

3. 水泥浆水化过程污染形貌分析

为了深入研究钻井液滤失剂对水泥浆污染机理,把滤失剂加入水泥浆后，用液氮冷冻不同时间，使其停止反应。应用环境扫描电子显微镜观察其微观形貌[7],如图2所示。

图2 4%的降失剂加入水泥浆后在不同养护温度和时间下的形貌图

图2为水泥在相同滤失剂加量、不同养护时间条件下其水化微观形貌图。在常温下，加入4%降失水剂未及时参与水泥浆的反应，形成的孔洞空间较小，浆体均匀，如图2(a)所示。但在89℃下，养护4 min、7 min及10 min时，孔隙空间逐渐增加，局部出现未能参与反应的水泥浆颗粒，如图2(d)。随着养护时间的逐渐增加，当达到10 min时，反应所生成的丝状物增多，表明浆体增稠。因此，钻井液中的降失水剂混入水泥浆后，被污染水泥浆中的水分逐渐减少，导致流动性降低，甚至失去可泵性。

四、减低钻井液与水泥浆污染的降污染剂评价

1. 降污染剂对混合浆体稠化时间变化影响

在不同掺混比条件下的钻井液与水泥浆中添加降污染剂，以评价降污染剂对混合浆体稠化时间的影响。从图3中看出，当钻井液与水泥浆混合浆体中未加入抗污剂时，混合浆体时间很短，未能满足施工要求。当在不同钻井液与水泥浆混合液中加入小于3%的降污染剂时，该污染剂对混合浆体的稠化时间增加不大；但加量为4%时，稠化时间大于纯水泥浆自身的稠化时间(362 min)，即满足施工要求。为此，推荐在钻井液中添加降污染剂的加量为4%。

图3 降污染剂对水泥浆与钻井液混合浆体稠化时间关系图

2. 降污染剂对混合浆体流变性影响

依据GB-T19139-2012《油井水泥石试验方法》，在钻井液中添加4%的降污染剂，评价其与水泥浆构成的不同比例的混合浆体流变性变化情况。从表2中可以看出，添加降污染剂后，钻井液与水泥浆在不同掺混比条件下流变性变化大不,即混合浆体流变性能满足施工要求。

表2 添加4%降污染剂对钻井液与水泥浆混合浆体流变性影响

3. 降污染剂对混合浆体微观形貌的影响

在钻井液中添加4%的降污染剂后，将水泥浆与钻井液以75∶25的比例混合。搅拌均匀后，把样本分为未养护和在常压稠化仪上养护10 min后，用液氮冷却24 h，观察其形貌演变情况。从图4可看出，纯水泥浆在未养护条件下，颗粒分布均匀，水化过程形成的细小孔洞尺寸较均匀，其微观形貌致密性优于图2。此外，在89℃养护条件下常压稠化仪桨叶在不停搅动，且温度增加，加快了水泥水化进程。因此，纯水泥在养护条件下水化作用较为充分，颗粒间几乎无孔洞的形成，如图5所示。为此，在钻井液中添加4%的降污染剂可有效避免混合浆体提前凝结导致浆体变稠、流动性变差以及浆体混合不充分的特性。

图4 加入降污染剂后水泥浆在不同温度条件下养护形貌图

4. 降污染剂对水泥水化产物影响

图5为纯水泥浆和纯水泥浆中添加降污染剂经养护后水泥石组分分析结果，结果表明两者特征峰高度一致，其他特征峰强度无变化，说明降污染剂的混入为使得水泥石组分发生变化，该处理剂应用在钻井液中可以良好避免钻井液与水泥浆接触污染，并未改变水泥石性能，利于固井施工安全。

图5 纯水泥和水泥浆中添加抗污染剂的水泥石组分XRD分析结果

五、现场应用

A井四开采用Ø241.3 mm钻头钻至井深5 480.21 m中完，下入Ø201.7 mm套管进行尾管悬挂固井。钻井液取自该井中完后的BH-WEI有机盐体系，密度为2.25 g/cm3，黏度为97 s，初切/终切为3/9 Pa。水泥浆领浆为2.5 g/cm3、稠化时间300～360 min、失水量小于50 mL。依据施工要求，按照水泥浆与钻井液可能出现最大掺混比7∶3进行稠化时间测试，其结果表明，当两者混浆中未加入降污染剂时，混浆太稠，不满足上机测试条件。当降污染剂加量在4%时，水泥浆∶钻井液分别为7∶3和5∶5条件下的稠化时间为390 min和360 min，该数值与纯水泥浆的稠化时间较为接近，表明降污染剂能有效防止钻井液与水泥浆接触污染。另外，对加入降污染剂的混浆进行了中温和高温条件下的流变相容性测试，其结果也满足现场施工安全。

六、结论

(1)系统建立了有机盐钻井液与水泥浆接触污染评价理论方法和降污染剂应用评价方法。

(2)基于单因素方法，借助傅里叶红外光谱及环境扫描电镜分析仪，结合黏土水化动态吸附理论，探究了钻井液中黏土与降失水剂对影响水泥浆水化过程的科学实质因素。

(3)基于稠化实验、流变实验、SEM测试及XRD测试表明，在钻井液中添加4%的降污染剂能有效降低钻井液与水泥浆接触污染，且未改变水泥浆基本性能，满足施工要求。