固井水泥浆与钻井液接触污染的作用机理

2021-01-09韦彦旭中国油田服务股份有限公司天津300450

化工管理 2021年4期

韦彦旭(中国油田服务股份有限公司，天津 300450)

0 引言

近年来在社会经济的高速发展之下、煤炭、天然气等能源在诸多行业发展过程中凸显出了非常重要的利用价值，所以很多矿井开采企业投入了大量的资金、技术、人力及物力进行了资源开采工作，以期开采出较多的能源在满足市场发展需要的同时，可以增加企业效益。但是对于现如今部分地方的资源开采工作进行全面地研究分析，发现在固井工程作业中存在着问题，即固井水泥浆与钻井液发生了接触污染，如果该问题迟迟得不到解决，给矿井作业造成的危害较大，那么就需要矿井企业可以借助于的仪器设备、试剂、方法对造成该污染问题的作用机理进行系统地分析研究，提出相应的应对措施，便可以保证矿井作业工作取得满意的结果。

1 固井水泥浆与钻井液接触污染概述

矿井开采作业过程中需要通过固井工程对于作业区域进行加固处理，促使开采钻井区域的安全性高，地层层间封隔效果非常好，不会轻易发生问题，为后续该区域的井下作业工作有效开展打下了良好的基础。所以矿井企业作业人员要对固井工程涉及内容进行良好地把握，促使该工程作业质量高，相应的价值可以完工后充分地凸显出来。但施工人员使用水泥材料进行固井工程作业过程中，在井眼、施工操作不当等因素影响之下，使得水泥材料容易和钻井作业过程中使用的钻井液发生混合。由于这两种材料性能差别大且互相不兼容，会造成接触性污染，最终使得固井工程施工建设时会发生混合浆料流动性大大降低，引起固井操作效率低的问题，而且钻井操作期间也容易发生卡钻问题，影响钻入工作的良好开展。

对固井水泥浆与钻井液发生接触性污染的危害进行总结分析，主要包括以下内容：首先，混合浆料流行性降低，导致矿井作业区域的顶替效率发生了较大的改变，泵压运动速度加快，导致部分地层较为薄弱的区域有着非常高的风险，出现水泥低返、漏封的问题；其次，混合浆料凝固性差，当两种发生接触性污染情况后，会导致作业区域的材料发生早凝情况，或者钻入设备在施工区域进行施工作业时会出现钻入设备被水泥材料完全包裹住的情况，导致钻入设备无法顺利前行，影响钻入有效性，使得矿井钻入作业效率显著降低；再次，混合浆料附着在矿井作业面上，使得这一区域设置的水泥环胶结质量受到影响，发生了明显下降情况，施工安全性无法得到保障。结合这些危害，需要矿井开采企业的技术人员对固井水泥浆与钻井液接触污染机理加强研究，并且结合研究成果提供处理策略，使得该污染问题发生率和之前相比较有着显著地下降[1]。

2 固井水泥浆与钻井液接触污染作用机理分析

2.1 作用机理分析

2.1.1 试验准备

本文选择某处矿井工程为研究对象，对其开采作业期间的固井水泥浆与钻井液接触污染发生情况进行调查分析，之后准备了相应的材料与仪器进行检测试验研究。该试验操作过程中，需要工作人员准备研究矿井的水泥、分散剂、膨胀剂、混凝剂、生物聚合物增粘剂、钻井液等材料，其中水泥浆材料依照研究矿井使用水泥材料的标准配置比例配置好后，需要对其性能进行检测，可知水泥浆材料的水灰比为0.50，水泥浆的密度为1.9 g/m3，钻井液中主要包括膨润土、水等材料，并在其中加入了一定量的改性树脂、聚丙烯酰胺钾盐等处理剂；准备的实验材料主要包括常压稠化仪、增压养护釜、增压稠化仪、原子吸收分光光度计、显微镜、红外光谱、X射线衍射仪等。

2.1.2 试验方法

试验人员具体进行试验操作期间，需要对相关部门颁布实施的《钻井液材料规范》《油井水泥试验方法》中关于试验的相关内容进行系统地研究分析与掌握，依照相应的内容进行标准化、规范化的试验操作，研究钻井液对水泥浆性能、水泥浆对钻井液造成的影响，综合相关的结果分析得出，两种材料相互之间发生接触污染的作用机理，主要需要测量混合浆料的流动度、胶结强度、抗压强度、稠化时间及抗压强度等参数。

2.1.3 试验结果

首先钻井液对水泥浆性能造成的影响，试验人员需要参考试验得到的流动度参数，来得出相应的结论。试验人员选取了5种钻井液在水泥浆中进行添加处理，其中SMC、SLSP钻井液处理剂加入到水泥浆中后，使得混合浆料的稠化时间显著地增加，但是流动度受到的影响相对小，在混合浆料中分别加入了一定量的SMT、XC、KPAM钻井液处理剂，则导致混合浆料出现了不同的变化：第一种钻井液处理剂加入使得浆料稠化时间缩短，但是整体的时间缩短表现的表位缓慢且变化的幅度相对较小；第二种钻井液处理剂置入混合浆料之中后，使得混合材料的稠化时间非常显著地加快；第三种钻井液处理剂加入后的混合浆料主要表现为材料的稠化时间基本无法检测得到，而且材料流动性变得非常差。由此可以看出不同类型钻井液处理剂置入混合浆料会对其性能产生相应的影响，需要后续矿井固井水泥浆与钻井液接触污染研究人员可基于这一特性进行相应处理办法的寻求与使用[2]。

其次水泥浆对于钻井液处理剂产生影响，水泥浆中含有较多的金属离子，这些离子与钻井液之间产生一定的作用，便会对钻井液处理剂产生一定程度的影响，进而会影响钻井液处理剂的使用效果。那么研究人员要从水泥浆金属离子出发，来对金属离子对钻井液处理剂造成影响加以分析研究。具体分析水泥浆材料对钻井液处理剂造成影响，主要为：在钻井液处理剂溶液之中添加一定量的水泥滤液，该滤液当中包含有金属离子，之后观察钻井液处理剂溶液的变化情况，发现溶液出现了流动度的显著下降表现，对溶液的流动指数进行研究分析，也随之发生了降低变化情况。其中基于XC和KPAM钻井液处理剂的流动度变化显著的，究其原因为这两种钻井液处理剂侧链中包含有酰胺基、羧基，那么与水泥材料中的金属离子发生作用后，会导致钻井液处理剂发生凝胶作用，其中含有较多的水，使得钻具钻头与之接触后发生了无法有效向前钻入的情况[3]。

当水泥浆与钻井液处理剂进行接触后，会生成混合浆料，此时会产生氢氧化铁、氢氧化铝等金属离子。这些金属离子均为高价离子，如果此时使用的钻井液处理剂为XC和KPAM钻井液处理剂时，那么这些钻井液会和高价离子发生作用，进而使得相应的基团受到影响出现凝胶情况，例如：羧基、羟基，最终在凝胶情况持续一段时间过后，会导致混合浆料中的水被凝胶大量的包裹起来，混合浆料流动性和常规的浆料流动性做以对比存在着明显地降低表现。所以一方面使得水泥材料无法有效地在相应的施工区域进行固结，影响作业地方的稳定性，另一方面使得钻井液中流动速度变得缓慢，后续钻入设备在岩体当中的钻入难度显著地增加，矿井井下作业过程中钻入工作成效开展不佳，最终影响整个矿井作业工作的质量与效率，提示矿井作业单位需要高度关注该种污染问题，尽快利用有效办法处理问题，防止两种物质接触引发的污染问题继续发生发展[4]。

最后生物增黏剂与聚丙烯胺添加剂中具备的长链分子物理吸附固井水泥浆内部水泥离子的能力，在此基础上也会形成一种混合性的网状结构，对水泥浆自身性能也会造成较大程度的影响。因此生物增黏剂的应用，还会导致固井水泥浆自身的颗粒团粘稠程度进一步增加，对于后续作业内容产生较大危害。

2.2 改进对策

总结目前很多学者关于矿井固井水泥浆及钻井液接触污染机理研究的文章成果，发现可以下列措施进行污染问题的良好处理解决，要求矿井作业人员能够对这些措施进行分析研究，之后结合本矿井作业期间混合材料污染发生的具体情况，从中选择一种或者多种处理办法及加以利用，可以使得该种污染问题得到良好解决。首先加入膨润土、隔离液，即矿井作业人员在进行固井工程建设期间，需要在配置的水泥浆材料中加入适量的膨润土，之后在加入隔离液。需要注意隔离液材料的使用量要相对多一些，待这些材料全部加入其中后，作业人员要对其进行均匀的搅拌处理，使得水泥材料后续使用过程中的隔离效果理想，可以与钻井液进行良好地隔离处理，最大化地避免两者之间的混合。但是此法应用过程中需要加入大量的隔离液，这就使得污染问题解决的成本大大提高，该缺陷需要引起作业人员的重视。其次对于水泥浆高价金属离子进行良好地降低处理，便可以达到最终的处理效果，避免凝胶情况再次出现[5]。

此外就固井水泥将于钻井液接触作用机理入手，在结合现有污染机理情况下，做好以下工作：(1)固井水泥浆在与钻井液发生接触后，会对水泥浆性能造成较大影响，因此可以通过抗钙导浆处理方式，减少固井水泥浆与钻井液的接触；(2)结合水泥浆受到钻井液的影响评价结果，寻找能够替代钻井液的处理剂，但是该处理方案的可行性比较低，需要我国相关技术人员加强对该方面工作的研究力度；(3)通过降低固井水泥业与钻井液中铁离子等高价金属离子浓度的方式，通过螯合剂的使用能够与高价金属离子直接进行反应，从而形成螯合环，减少钻井液中高价金属离子对固井水泥液性能造成影响。