單因素法分析鉆井液處理劑對(duì)水泥漿性能的影響①

李 明 王 偉 鄭友志 程小偉 代 斌 郭小陽

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西南石油大學(xué)))

(2.中國石油西南油氣田公司采氣工程研究院)

(3.塔里木石油勘探開發(fā)指揮部第二勘探公司50051鉆井隊(duì))

固井中常用水泥漿直接頂替鉆井液，鉆井液與水泥漿是兩種物理化學(xué)性能不同的流體，二者相容性較差，只要接觸均存在不同程度的污染[1]：鉆井液發(fā)生水泥侵后，漿體變稠、變黏甚至大段結(jié)塊，不易于被頂替；而水泥漿受鉆井液污染后，流變性能變差，影響頂替效率及固井質(zhì)量，污染嚴(yán)重時(shí)會(huì)使水泥漿在幾分鐘或幾十分鐘之內(nèi)瞬間稠化，造成“灌香腸”的工程事故，導(dǎo)致固井失敗[2-4]。為了解決水泥漿與鉆井液的污染問題，需反復(fù)調(diào)節(jié)水泥漿配方及鉆井液性能，既延長了固井施工周期，又難以確保施工安全。目前，對(duì)兩種流體接觸污染的本質(zhì)原因的研究還不夠深入，有必要對(duì)此開展研究[5-9]。在分析兩種流體成分的基礎(chǔ)上，用單因素法考查了鉆井液處理劑對(duì)水泥漿性能影響規(guī)律，分析了接觸污染的本質(zhì)原因，為鉆井液性能調(diào)整、減緩鉆井液與水泥漿接觸污染提供理論依據(jù)[10-11]。

1 鉆井液與水泥漿的區(qū)別

(1) 鉆井液主要是由黏土、水、聚合物組成的鈉基流體，有黏土膠體化學(xué)特性；水泥漿是水泥、外摻料、處理劑和水組成的強(qiáng)鈣基流體，是有時(shí)變性特點(diǎn)的無機(jī)膠凝材料。

(2) 鉆井液中黏土顆粒帶負(fù)電，在黏土水化過程中正離子(Na+居多)以不同距離化學(xué)吸附在黏土顆粒的表面而中和負(fù)電荷，形成以Na+為水化中心的雙電層結(jié)構(gòu)，而水泥礦物C3S水化表面則形成一個(gè)缺鈣的富硅層，其厚度約為50 ?，溶析出來的Ca2+通過化學(xué)吸附而吸附在富硅層的表面，形成以Ca2+為水化中心的雙電層結(jié)構(gòu)。

(3) 鉆井液體系中處理劑種類多，大多都是聚合物，聚合物與黏土之間是物理化學(xué)吸附作用，處理劑通過黏土分子的吸附作用改變黏土顆粒水化特性，從而調(diào)節(jié)鉆井液性能。Ca2+對(duì)黏土水化雙電層結(jié)構(gòu)和聚合物性能有重要影響；水泥漿水化過程復(fù)雜，聚合物類處理劑與無機(jī)鹽對(duì)水化過程影響敏感，進(jìn)而共同決定水泥漿性能[12]。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

以四川地區(qū)某井Φ177.8 mm尾管固井為例開展室內(nèi)研究，該井水泥漿配方為：G級(jí)水泥+2.0%(w)膨脹劑+1.4%(w)降失水劑+0.4%(w)分散劑+1.0%(w)纖維+0.12%(w)緩凝劑+0.2%(w)消泡劑，水灰比0.45，水泥漿密度為1.90 g/cm3，所用鉆井液為該井在用鉆井液，鉆井液處理劑為川渝地區(qū)常用處理劑。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

主要儀器包括YA-300型電子液壓試驗(yàn)機(jī)、OWC-9350A常壓稠化儀、FEI Quanta 450環(huán)境掃描電子顯微鏡、PKZ-5000電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)、OWC-9508型高溫高壓失水儀、OWC-9040型高溫高壓稠化儀。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用單因素法考察單一鉆井液處理劑對(duì)水泥漿流動(dòng)度和稠化時(shí)間的影響規(guī)律，通過紅外光譜分析鉆井液處理劑成分，對(duì)污染之后的水泥漿漿體進(jìn)行微觀形貌分析，探討污染機(jī)理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

鉆井液與水泥漿污染實(shí)驗(yàn)見表1。

表1 鉆井液與水泥漿污染實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 鉆井液處理劑對(duì)水泥漿性能影響

以污染最嚴(yán)重的摻混比例(體積分?jǐn)?shù)為70%的水泥漿+體積分?jǐn)?shù)為30%的鉆井液)開展鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染實(shí)驗(yàn)，水泥漿中鉆井液處理劑的加量是根據(jù)體積分?jǐn)?shù)為70%的水泥漿+體積分?jǐn)?shù)為30%的鉆井液摻混后流體中處理劑的有效含量進(jìn)行添加。鉆井液處理劑對(duì)水泥漿流動(dòng)度的影響見表2，對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響見表3。

表2 鉆井液處理劑對(duì)水泥漿流動(dòng)度的影響

表3 鉆井液處理劑對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：①在一定加量范圍內(nèi)，SMC、KHM、HPS、SHR、MG-1、LS-2、YH-S、RLC-101能延長水泥漿稠化時(shí)間，且對(duì)流動(dòng)度無不良影響，其中SMC、HPS、LS-2、YH-S加量超過1%(w)后，使?jié){體流動(dòng)度小于18 cm；②生物增黏劑、KPAM能急劇縮短水泥漿稠化時(shí)間，且KPAM對(duì)漿體流動(dòng)度影響也較大，加入到水泥漿中會(huì)使?jié){體瞬間不能流動(dòng)；③SMT、SMP-1、JN-A能縮短水泥漿稠化時(shí)間，但加量在1%(w)以內(nèi)影響較小。

綜上所述，生物增黏劑和KPAM對(duì)水泥漿的污染比較嚴(yán)重(圖1)。

3.2 污染機(jī)理分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，KPAM和生物增黏劑對(duì)水泥漿污染最嚴(yán)重，故選取這兩種處理劑進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)及污染機(jī)理分析。KPAM和生物增黏劑的紅外光譜分析圖見圖2和圖3。

KPAM即聚丙烯酰胺鉀鹽，由紅外光譜分析圖可知，其主要基團(tuán)有羧基、羥基、胺基、酰胺基、磺酸基等許多具有吸附性能的官能團(tuán)，吸附能力-SO3-> -COO-> -CONH2> -OH > -O-，它們能夠吸附在不同的水泥顆粒上，當(dāng)鉆井液中的KPAM等與水泥漿接觸時(shí)，一方面由于KPAM相對(duì)分子質(zhì)量大、分子鏈較長，往往一條分子鏈上會(huì)同時(shí)吸附多個(gè)水泥顆粒并形成混合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；另一方面水泥漿中的Ca2+會(huì)降低聚合物的溶解性，使分子鏈發(fā)生卷曲、吸附架橋和電中和作用，使得水泥漿產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象，表現(xiàn)為漿體變稠、形成絮凝團(tuán)狀、失去流動(dòng)性。

生物增黏劑是一種線型高分子聚合物，由圖3可知，其主要有羥基、羧基、醛酮基、酯基等。其β主鏈上含有D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸。每8個(gè)殘?zhí)腔-葡萄糖醛酸有一個(gè)甘露糖支鏈。每16個(gè)殘?zhí)腔赡苡?個(gè)1-羧基-亞乙基D-葡萄糖。丙酮酸以結(jié)構(gòu)組分的形式同部分葡萄糖連接。當(dāng)其在水中電離后，帶有多個(gè)陰離子基團(tuán)，如R-COO-水化基團(tuán)，具有靜電吸附作用，高分子長鏈對(duì)水泥漿顆粒可進(jìn)行多點(diǎn)吸附，形成結(jié)構(gòu)網(wǎng)，有利于提高黏粒的聚結(jié)穩(wěn)定性。加入到水泥漿中會(huì)使?jié){體變稠。

對(duì)按列消元時(shí)，用四角規(guī)則只要計(jì)算第i行對(duì)角元以右元素所在列與第i列對(duì)角元以下元素所在行的交互點(diǎn)上的元素即可。而對(duì)按行消元方式，由于需根據(jù)多行和多列元素的交互點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，四角規(guī)則的應(yīng)用則更為復(fù)雜以致應(yīng)用極為不便。

為了進(jìn)一步分析產(chǎn)生污染的原因，生物增黏劑加入水泥漿后，將不同階段的水泥漿迅速用液氮冷凍，使其不再繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，24 h后取出，利用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察其微觀形貌，對(duì)污染不同階段的水泥石結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖4為水泥凈漿和加入0.5%(w)生物增黏劑后的水泥漿在不同時(shí)間段的SEM圖(放大10 000倍)。

由圖4可知，生物增黏劑加入水泥漿中，參與了水泥漿的水化過程，生成某種針狀物質(zhì)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，針狀物不斷增多，吸附水化固相粒子聚合成網(wǎng)，形成比較大的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時(shí)自由水分子因?yàn)檫@種反應(yīng)而被圈閉，微觀圖像中孔洞也隨之減少，直至稠化。這種微觀上的變化，在宏觀上表現(xiàn)為污染水泥漿中的水分不斷減少，造成流動(dòng)度不斷降低，直至失去可泵性。

4 結(jié)論及建議

(1) 在一定加量范圍內(nèi)，對(duì)水泥漿性能影響較小的處理劑有SMC、KHM、HPS、SHR、MG-1、LS-2、YH-S、RLC-101；處理劑SMT、SMP-1、JN-A能夠縮短水泥漿稠化時(shí)間，但加量在1%(w)以內(nèi)影響較??；生物增黏劑、KPAM能夠急劇縮短水泥漿稠化時(shí)間。

(2) KPAM、生物增黏劑對(duì)水泥漿造成污染的原因是：高聚物相對(duì)分子質(zhì)量大、分子鏈較長，一條分子鏈上會(huì)同時(shí)吸附多個(gè)水泥顆粒并形成混合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；大量吸附基團(tuán)在水溶液中可與水分子進(jìn)行氫鍵吸附；大分子鏈發(fā)生卷曲、吸附架橋和電中和作用使得水泥漿產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象。

(3) 生物增黏劑會(huì)參與和促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，減少水泥石中的孔洞，吸附水化固相粒子聚合成網(wǎng)，進(jìn)而反應(yīng)形成比較大的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，自由水被圈閉，宏觀表現(xiàn)為水泥漿迅速變稠，失去可泵性。

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