一种新型抗污染固井前置液体系研究及应用

2021-09-17武治强岳家平幸雪松范白涛

石油化工应用 2021年8期

武治强，岳家平，幸雪松，范白涛

（中海油研究总院有限责任公司，北京 100028）

在油气井固井施工过程中，水泥浆要将钻井液顶替出井筒，进而封固地层。由于钻井液与水泥浆存在有物理、化学等方面的差异性，导致二者在一定体积混浆时易出现絮凝、分层、增稠的现象，造成井内混合流体流动性能恶化，影响顶替效率，降低固井胶结质量，甚至增加固井施工安全风险，造成施工安全事故[1-3]。

前置液使用的目的是解决固井胶结界面胶结质量差、流体之间化学相容性差、固井顶替效率低等问题，提高注水泥顶替效率，改善固井质量[4，5]。深固井施工过程中，前置液起到的作用至关重要，一种能够解决水泥浆与钻井液污染的前置液体系，是直接影响固井质量和固井施工安全的关键因素。本文从前置液作用原理出发，研发了一种新型抗污染固井前置液体系，有效解决了现场前置液与钻井液和水泥浆的相容性问题，确保了固井施工作业的安全，改善了固井质量。

1 前置液体系的组成

通过表面活性剂优选和材料评价，优选出了前置液的组成配方。前置液的主要组成：水+20%的表面活性剂+1%的悬浮稳定剂+3%的渗透剂+3%增溶剂+1%降失水剂。

该前置液体系设计的特点主要表现在以下几个方面：（1）对钻井液有较好的稀释作用，能够显著改善冲洗液钻井液混合层的流变性，实现对钻井液的紊流冲洗和顶替；（2）优选两性表面活性剂，能够在较短的接触时间内对钻井液滤饼进行有效渗透、剥离，提高钻井液与水泥浆的配伍性；（3）通过对井壁和套管的冲刷，能够显著提高界面的水湿性，增强水泥浆与井壁及套管的亲和力，提高第一界面胶结强度，改善第二界面胶结，从而改善封固质量。

2 实验结果与讨论

2.1 前置液抗污染性能评价

2.1.1 现场钻井液与水泥浆污染评价为评价前置液对井下流体的抗污染性能，首先需要对使用的钻井液和水泥浆的污染性能进行评价。采用某油田实际钻井液与设计水泥浆配方在室内不同比例混合后污染浆的外观状态，水泥浆与泥浆混合后有明显的增稠触变现象，混合基本失去流动性（见图1、图2）。从图中现象分析认为，化学接触污染导致水泥浆流动性能恶化、水泥浆基体固化与界面胶结强度降低。现场施工中，常常遇到流阻过大或循环压耗剧增现象极易压漏薄弱地层，引起井下复杂情况。

图1 某油田钻井液和水泥浆

图2 水泥浆与泥浆混合的比例为7:3/5:5/3:7（从左到右）

2.1.2 相容性实验评价为进一步评价前置液抗污染性能，室内针对水泥浆、前置液、钻井液三种流体的配伍性开展了实验评价研究，分别选取水泥浆、前置液、钻井液三种流体混合比例（体积比）8:1:1、7:2:1、6:1:3，测试了三种比例混合流体的六速旋转黏度计读数。混合流体养护前和养护后的流变测试结果（见表1、表2、图3、图4）。

图3 常温混合液体的流动状态（从左至右混合比例分别为8:1:1、7:2:1、6:1:3）

图4 75 ℃混合液体流动状态（从左至右混合比例分别为8:1:1/7:2:1/6:1:3）

表1 水泥浆、前置液与钻井液配伍性评价实验（常温养护）

表2 水泥浆、前置液与钻井液配伍性评价实验

表1 和图3 实验结果表明，水泥浆、前置液、钻井液三种组分间各比例的配伍性能较好，不同混合比例下浆体的流变性都不影响泵送施工。当前置液掺入量增多时，混合浆体流变性变好；当混合浆体中水泥浆掺入较多时，混合浆体相对较稠。在混合浆体中只要保证混合溶液中混有一定比例的前置液，混合浆体的流变性能均较好。

从表2 和图4 实验数据可看出，水泥浆、前置液、钻井液三者混合溶液在经历加热养护后，黏度变得更低，说明温度对混合浆体的流动性没有不利影响，在一定温度条件下混合浆体的流动性变得更好。

2.2 前置液体系沉降稳定性能评价

性能优良的前置液应该具有良好的加重性能和沉降稳定性，为评价开发的前置液体系的沉降稳定性，室内在不同温度下对不同加重密度的前置液体系进行了沉降稳定性评价，实验结果（见表3）。

表3 前置液的沉降稳定性评价

从表3 评价结果可以看出，开发的前置液体系在不同范围内密度可调，最高可加重至2.20 g/cm3。室内重点评价了2.00～2.20 g/cm3密度的前置液的沉降稳定性，结果表明前置液体系均具有良好的沉降稳定性，养护温度由30 ℃升高到90 ℃，前置液的上下密度差值均小于0.02 g/cm3，说明前置液稳定性能较好。

2.3 前置液冲洗性能评价

前置液的主要作用之一就是对井壁进行有效冲洗。室内研究开发的新型抗污染固井前置液是集冲洗与隔离双功能于一体的前置液体系，为评价前置液对井下滤饼的冲洗性能，室内模拟在0.5 m/s 的上返速度对钻井液滤饼进行冲洗模拟实验，实验结果（见图5～图7）。

图5 钻井液滤饼

图6 冲刷5 min

图7 冲刷10 min

从实验结果可以看出，新型前置液在0.5 m/s 的上返速度下冲洗5 min 后，模拟的钻井液滤饼明显被剥离和冲洗干净，但依然存在少量滤饼残留；模拟冲洗10 min 后，钻井液滤饼基本被冲洗干净，有利于提高水泥浆的顶替效率和固井质量。

2.4 前置液对水泥浆性能影响评价

前置液顶替钻井液后，会有部分残留前置液，可能会与水泥浆相接触。因此，前置液不仅要求具有良好的冲洗性能，而且需要与水泥浆具有良好的配伍性。室内为评价前置液对固井水泥浆性能的影响，在75 ℃条件下对水泥浆的稠化性能和抗压强度影响进行分析，实验结果（见表4 和表5）。

表4 混浆的稠化时间评价

表5 混浆状态下水泥石抗压强度评价

前置液混入水泥浆中后，混浆的稠化曲线平滑，水泥浆稠化时间未出现缩短的现象，由于混浆中水泥浆含量减少，水泥浆稠化时间均有较长时间的延长。实验结果说明，前置液对水泥浆稠化时间无明显的不利影响。

从表5 实验结果可以看出，水泥浆与前置液不同比例混浆48 h 养护后，混合浆体的抗压强度均随着前置液的混入量的增大而出现明显下降的趋势。但是当40%前置液混入水泥浆时，混合浆体在经历48 h 养护后依然具有较高的强度。实验结果表明，前置液的侵入对水泥浆抗压强度有一定的影响，但较高的侵入比例下水泥浆液有较高的抗压强度。