固井水泥浆与钻井液接触污染作用探讨

摘 要：固井水泥浆与钻井液接触时，容易发生污染，影响注水泥憋泵的安全性与质量。为此，本文针对固井水泥浆与钻井液接触污染作用机理开展研究，比较固井水泥浆和钻井液接触前、后水泥浆的性能，利用红外光谱、X-射线衍射仪、扫描电镜对水泥浆混合前后的物象与微观形貌进行对比，确定固井水泥与钻井液在接触后对水泥结构和性能的影响。利用仪器测定水泥浆滤液中离子的含量及其种类，考察各类金属离子对钻井液和水泥浆的影响。研究结果显示，接触污染作用机理是水泥浆中的Ca2+对钻井液產生“钙侵”现象，使钻井液流动性能变差;水泥水化后产生的Al3+、Fe3+与钻井液中的聚合物类处理剂发生交联，形成凝胶，凝胶与水泥颗粒吸附架桥的处理剂共同加强水泥浆体多级絮凝结构，导致混浆流动性降低。因此，在开始固井操作前，要使用抗钙先导浆或者掩蔽剂等方式解决污染，减少事故发生率，保证固井安全，提高固井操作效率。

关键词：固井水泥浆;钻井液;污染;作用机理

在固定操作中，由于受到井眼形状的限制，以及施工过程中，使用的钻井液和水泥浆的性能不同等因素的影响，水泥浆与钻井液之间经常混合，形成严重的接触性污染问题。在一些深井或大斜度的矿井中，比较常见的是在混合浆中产生流动性巨变的现象。这种接触性污染的问题，通常会导致混浆流动性下降，造成实际固井操作效率下降，同时会造成水泥泵在工作过程中压力升高，最后导致在薄弱层地带发生水泥溢出或道路损毁问题[1]。

经过多次在川渝地区的固井实践，初步认识到除了“钙侵”以外，KPAM（聚丙烯酰胺钾盐）、PAC（聚阴离子纤维素）和黄原胶（XC，即生物聚合物增粘剂）等钻井液处理剂也是接触污染的重要因素[1];另外，水泥浆的水化产物也影响着接触污染。因此，本研究通过研究钻井液处理剂与钻井液对水泥浆的影响以及水泥浆水化产物对混浆和钻井液的影响，探究接触污染的作用机理。

1 钻井液与水泥浆接触污染问题

固井中钻井液与水泥浆一旦发生接触，将会出现：①钻井液与水泥浆进行混合，流动性快速下降，影响钻井液的顶替效率，泵压快速上升，薄弱层注水泥出现“低反”、“漏封”现象;②混浆出现“早凝”、“假凝”现象，导致钻具卡死;③钻井液与水泥浆混合后产生的絮凝物质，均粘附在第一界面和第二界面上，降低水泥环胶结质量。

钻井液和固井水泥浆接触的污染作用机理，除了钻井液受到“钙侵”以外，不少研究学者运用红外光谱、X-射线衍射仪、和扫描电镜对水泥浆混合前后的物象与微观形貌对比，得出结论：①同等加量条件下，HPS、KR102、RLC-101、LS-2、SHR、MG-1等型号的钻井液处理剂可延长固定水泥浆的稠化时间，且对水泥浆的流速无任何影响。JN-A、SMT和SMP-1等型号的钻井液处理剂可延长固定水泥浆的稠化时间，且可用一些技术手段控制对水泥浆流速的影响，其中，JN-A和SMP-1型号的处理器控制在0.3%以内，SMT型号的处理剂控制在0.5%以内;KHM、YHS、SMC等型号的处理器可影响常规密度水泥浆的流变性，其中，SMC型号处理剂控制在2%，YHS和KHM型号处理剂控制在1%以内;KPAM型号的处理剂或生物增粘剂，可缩短固井水泥浆的稠化时间将，影响水泥浆的流动性，且无法被控制;②生物增粘剂和KPAM聚丙烯酰胺钾盐添加剂自身有吸附水泥浆内水泥离子的能力，并形成混合性网状结构，对水泥浆的性能造成影响，增加水泥浆的颗粒团粘稠度，导致固井水泥浆丧失可泵性。

2 钻井液与水泥浆接触污染作用机理

2.1 接触污染作用机理

钻井液与固井水泥浆接触污染作用机理如下：①水泥砂浆未添加分散剂时，水泥颗粒以“多级絮凝结构”的形式存在，并可根据絮凝结构的紧密程度和水泥颗粒之间的孔隙大小，分为1-5级。因为水泥颗粒和水泥浆内部的水泥水化粒处于非永久性连接，所以一旦在水泥浆中加分散剂，就会破坏这个非永久性连接，释放絮凝结构内部的水分子，增加自由水分子，提升水泥浆的流动性;②如果固井水泥浆出现水化现象，水泥砂浆内将产生Al3+、Mg2+、Fe3+、Ca2+离子，钻井液成为由膨润土、水和各类处理剂构成的多相分散体系，维持该体系性能的制剂是KPAM、XC、磺化单宁等;③钻井液内部的Na+离子与水泥浆内部的Ca2+、Mg2+离子发生离子交换，使粘土内钠离子变为钙离子，使钻井液粘土颗粒变粗，加大网状结构，降低钻井液的流变性;④产生“假凝”现象，即增加凝胶稠度，缩短稠化时间。

通过分析接触性污染产生的原理，除了有在钻井液中受到钙化问题的影响外，相关研究人员认为：①某些无离子化合物与聚合物的凝结，也会对钻井液中的性能产生影响;②某些钻井液的添加剂和处理剂相互作用，会导致混合水泥浆的粘稠度上升;③一些钻井液处理剂中，对水泥浆的促凝性作用较强。

2.2 钻井液与固井水泥浆污染作用解决措施

从钻井液与固井水泥浆接触污染的作用机理入手，运用红外光谱、X-射线衍射仪、扫描电镜对水泥浆混合前后的物象与微观形貌进行对比，针对钻井液与水泥浆接触产生的污染，制定出以下解决方案：①使用“抗钙”导浆，降低钙化，这一措施在固井钻井中早有应用;②结合水击砂浆受到钻井液影响的评价结果，选择替代钻井液的处理器;③降低钻井液和固井水泥浆内的高价金属离子（如Fe3+、Al3+等）的浓度，利用螯合剂与高价金属离子反应，形成螯合环，以降低金属离子的浓度。在固井过程中可以采用GYW隔离液或先导浆，并加入优选的掩蔽剂螯合金属离子，以此降低混浆中Al3+、Fe3+和Ca2+的浓度，抑制“钙侵”和“Fe3+与Al3+”引起的交联效应，保证固井施工的效率与安全性。

3 实际应用

这些解决接触污染的技术在多次固井作业中都有着成功的尝试，以下论述运用解决接触污染技术的实例。

四川MX17井是西南油气田中的一口预探井，通过技术钻至5040m后，采用∮168.3mm的尾管固封2150～ 5039m的井段;该井井底的循环温度是114℃，静止温度为134℃，井底压力约为100MPa，水泥浆密度为2.20g/cm3。这口井固井的困难点在：空间隙小，很难下套管;高温高压，上下温差较大;高密度的钻井液与高密度的水泥浆之间接触污染严重;泵压高，固井施工摩擦力、阻力大。

在固井过程中，采用下列解决接触污染的措施：①配制20.7m3抗钙能力较强、黏度和切力较低的先导浆;②使用GYW隔离液，隔离液中加入了掩蔽剂;一共使用了12.6m3的前隔离液和7.5m3的后隔离液;③固井作业过程中，先泵注先导浆，再泵注前隔离液，最后在中心馆附近泵注后隔离液，此操作是为了防止污染。

经过以上措施以后，MX17井∮168.3mm尾管的固井施工就顺利完成，其中施工时间约为250min，成功碰压，水泥浆、钻井液、隔离液和先导浆返出界面清晰，没有严重接触污染。

该实例证明了以上解决举措的正确性，证明了针对接触污染的作用机理所作出的应对措施是正确的。

4 结语

①水泥浆加入分散剂后具备流动性，是因为打破了非永久性连接的水泥絮凝结构，使其中的水分子被释放，增加水泥浆体中的自由水，因此使水泥浆具备良好的流动性;②水泥浆在水化过程中产生Fe3+、Al3+等高价金属阳离子，混浆后KPAM和XC处理剂与Fe3+、Al3+反应生成胶态分散凝胶或者若凝胶，凝胶会吸附混浆中的自由水;KPAM和XC等聚合物的吸附架桥作用也导致水泥颗粒絮凝结构生成永久性连接，加强絮凝结构。这些作用最终使混浆流动性急剧变差;③使用抗钙类先导浆、以及把掩蔽剂加入到隔离液中等措施能够缓解或消除接触污染。

综上所述，根据钻井液与水泥浆接触污染的作用机理，缓解钙化、减少钻井液与固井水泥浆的接触能够有效保证固井安全，降低事故发生率，提升固井效率，提高固井质量。

参考文献：

[1]李明，杨雨佳，李早元等.固井水泥浆与钻井液接触污染作用机理[J].石油学报，2014，35（6）：1188-1196.

作者简介：

杜甫（1985- ），男，汉族，山东肥城人，本科学历，中国石油集团长城钻探工程有限公司固井公司中级工程师，研究方向：固井技术。