深井、高密度井钻井液预处理技术研究

贾印霜，房伟超

（大庆钻探钻井三公司，黑龙江 大庆 163000）

随着国家能源需求的不断增长，近几年深井、超深井、高密度井的数量也越来越多。在这类井的固井施工过程中，水泥浆常常会与钻井液发生掺混污染，造成套管内钻井液流动性变差或失去流动性[1]，导致测声幅仪器不能顺利下入井底，严重影响施工进度[2]。为此从钻井液与水泥浆的原理入手，逐项进行分析研究，找出可能导致遇阻的原因，并在施工过程中进行全过程管控，总结出较为有效地防止声幅遇阻的钻井液预处理措施，有效地降低了声幅遇阻的概率。

1 深井、高密度井钻井液失效分析

1.1 水泥的构成、滤液及凝固原理分析

硅酸盐水泥熟料主要是由硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（β-2CaO·SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）和铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3）四种矿物组成。水泥的凝结和硬化，是一个复杂的物理—化学过程。按胶体理论认为水化后生成大量的胶体物质，这些胶体物质由于外部干燥失水，或由于内部未水化颗粒的继续水化，于是产生“内吸作用”而失水，从而使胶体硬化。为此查阅国内外大量研究资料[3]，通常情况下，钻井液用固井水泥滤液中各离子含量如表1所示。

表1 水泥浆滤液中主要金属离子含量

从表1 可以看出，一般深井、高密度井的固井用水泥浆不但含有大量的钙离子，还含有较多的铝离子、铁离子和镁离子。因此，在研究固井水泥对钻井液的污染时，不但要考虑钙离子的影响，还应该考虑高价铁、铝离子的影响。

为此，将各种离子按比例加入钻井液中，所得流动性如表2 所示。可以看出，各离子的影响因素Al3+>Fe3+>Ca2+>Mg2+。

表2 金属离子对钻井液流动性的影响

可以看出，滤液中的Al3+、Fe3+离子对钻井液的流动能力造成的影响极大。造成该效果的因素可能是：水泥浆水化产生的Al3+、Fe3+等高价金属离子与钻井液中的羟基和羧基等基团作用使聚合物分子链发生交联生成凝胶，根据聚合物和金属离子浓度的不同表现为冻胶、弱凝胶、胶态分散凝胶。凝胶一方面会大量包裹吸附混浆中自由水，使混浆中维持流动性的自由水减少，造成流动度急剧降低[4]。

通过以上对水泥浆原理的分析可知，为避免污染，不但要预防钙离子污染，还要预防铁、铝离子的污染，同时还应该为钻井液内提供大量自由水。

1.2 处理剂对水泥浆污染的研究

由于钻井液内含有各种处理剂，由于处理剂含量的不同，有可能会造成水泥早凝或者流动性减小。为此查阅国内外油田相关资料和数据得知[5]，发现影响因素如表3所示。

表3 常用处理剂对水泥浆流动度的影响

通过表4 的实验数据可以看出：SMC、SMP-1、SLSP、RLC-101 等处理剂对水泥浆的流动度及稠化时间两者的影响都不大，而XC、KPAM 在含量极小（0.1%）时仍造成水泥浆流动性恶化，其他处理剂虽有部分影响，但影响差别较小。

表4 常用的处理剂对水泥稠化时间的影响

为此，查阅国内外油田相关资料和数据得知[6]，水泥浆与处理剂的X射线衍射图谱及扫描电子显微镜下所呈形貌得知：

（1）X 射线衍射峰值特征基本一致，说明无新物质生成。

（2）XC 和KPAM 与水泥浆掺混后，由于其本身具有高分子支链结构，会吸附水泥浆，形成比较大的空间网架结构，同时，钻井液中自由水也会因为这种现象而被圈闭，混浆中的水分不断减少，造成流动性降低。

2 解决对策及分析

通过以上机理，提出以下解决对策，主要归结为以下几点：

（1）为减少Ca2+、Al3+、Fe3+等高价离子的影响，在钻井液的日常维护及处理过程中，应有意识地提高钻井液的护胶程度，增加粘土水化膜厚度，使其抗污染能力提升。

（2）由于深井及高密度固井水泥滤液中存在Ca2+、Al3+、Fe3+等离子，可在固井前预处理的钻井液中加入金属螯合物或C032-、OH-等成分，减少Ca2+、Al3+、Fe3+的含量。

（3）由于胶凝作用会导致自由水被包裹，预处理的钻井液应在避免沉降的前提下，适当多地补充自由水含量。

（4）深井完钻后，由于电测、井壁取芯等项目较多，在频繁通井循环钻井液时，应以加自由水为主，避免大量加入KPAM 胶液等大分子聚合物，导致具有活度的聚合物与水泥浆结合，影响钻井液流动性。

3 深井、高密度井钻井液室内模拟混浆实验

在此对策基础上，选取3 口井，按照机理及对策分析，在钻进过程中，有针对性地维护了钻井液，并取该井的完井液进行室内小型实验。

考虑到固井候凝结束后，直接进行测声幅作业——井筒内钻井液处于高温且长时间不流动状态。为此在模拟实验的进行时，采取如下实验步骤：

（1）配制好的实验浆体放入热滚炉内，150℃加温，不热滚。

（2）静止加热24h后开炉取出。

（3）取出浆体罐后迅速使其降温至80℃左右，随即打开罐体。

（4）对罐内浆体采用肉眼观察和插入玻璃棒模拟缆测下放的方式，判断混浆是否能保证电测仪器顺利下入井底。

以下是选取XXX-1 井、XXX-2 井、XXX-3 井3 口井的完井液进行的小型实验。

3.1 实验组一：XXX-1井

基本情况：本井井深4516m，完钻钻井液密度1.43g/cm3,粘度83s，塑性粘度58，动切力6.5，切力1.5/8.5，滤失量3.6mL，具体试验及试验结果见表5。

表5 XXX-1井完钻钻井液配方

结论分析：XXX-1井因钻井液护胶较差，且前期钙离子加量多，导致粒度分布偏大，易受高价离子污染。

3.2 实验组二：XXX-2井

基本情况：本井井深3743m，完钻钻井液密度2.05g/cm3,粘度66s，塑性粘度65，动切力18，切力1.5/9，滤失量3.4mL，具体试验及试验结果见表6。

表6 XXX-2井完钻钻井液配方

结论分析：XXX-2井护胶材料加量足，pH也高，故加有缓凝剂和纯碱的配方能减少水泥中高价离子的，效果较好。

3.3 实验组三：XXX-3井

基本情况：本井井深5252m，完钻钻井液密度1.41g/cm3,粘度52s，塑性粘度28，动切力12.5，切力3.5/12，滤失量3.4mL，具体试验及试验结果见表7。

表7 XXX-3井完钻钻井液配方

结论分析：本井护胶较好，但完井作业时间长，多次通井补充烧碱水，钻井液已有较强碱性，故实验配方加烧碱的效果差，有纯碱的效果好。

3.4 实验结果分析

通过以上3组实验分析数据可以看出：经过对原理的提升和现场应用的不断总结，后期实验井的施工难度均明显升高，但实验成功率却有着显著的提升，同时也验证了机理分析的正确性。

在现场固井施工中，除第一组实验井XXX-1 井悬挂尾管的大小胶塞复合不好，导致尾管内残存大量水泥外，其余井组声幅施工均正常，为公司在深井、高密度井的完井施工上提供了保障。

4 结论

（1）系统地建立了深井及高密度井固井声幅遇阻原因的理论原因分析。

（2）混浆凝结的原因是由于某些因素，产生絮凝结构，导致自由水被吸附、包裹，导致混浆的流动性变差。同时，KAPM等高分子聚合物的吸附架桥作用也使得水泥浆与钻井液发生交联，形成空间结构，使其流动性急剧变差。

（3）在对策及小型实验上，可提高钻井液的护胶能力；在预处理的钻井液中加入CO32-、OH-等物质，可以有效地去除高价离子的影响；在后期钻井液的维护时，减少KAPM 等高分子处理剂的加量，也能明显减少混浆流动性变差的程度。

（4）上述措施在多口井的施工过程中成功应用，保证了固井声幅的安全、顺利进行。