塔河油田鉆井液水泥鈣侵的預防與處理

杜 歡

（中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊830011）

塔河油田鉆井液水泥鈣侵的預防與處理

杜 歡*

（中國石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊830011）

新疆塔河油田在鉆井施工的下套管固井、水泥封井等作業(yè)中，鉆井液不可避免地會發(fā)生水泥對鉆井液的污染，使鉆井液性能發(fā)生改變，不能滿足正常鉆進工作需要。針對這一問題，從水泥水化機理出發(fā)，結(jié)合粘土顆粒擴散雙電層理論，分析了水泥對鉆井液污染的原因，并針對其鈣侵特點提出一套行之有效的解決方案，對后續(xù)的水泥固井、水泥封井施工的鉆井液處理和維護具有一定借鑒意義。

鉆井液；水泥鈣侵；鉆井液處理

在塔河油田深井鉆井鉆井施工過程中，鉆遇高含鈣的鹽膏層、鹽水層或是鉆水泥塞時，容易導致鉆井液鈣侵。鈣侵對鉆井液性能產(chǎn)生不好的影響，直接導致鉆井液性能惡化，加大鉆井液處理劑用量，可能影響后期鉆井作業(yè)，嚴重的還會影響到井下安全。隨著鉆探工作難度和深度的增加，處理事故時水泥封井，多開次井中途固井和封井后不可避免地鉆遇水泥塞。由于水泥凝固體中含有大量Ca2+，造成鉆井液鈣侵。本文以鉆遇水泥塞為例，分析鉆井液鈣侵原理、針對其可預見性開展預防和處理措施。

1 鉆井液水泥鈣侵原理

水泥的主要礦物成分為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，水泥的凝結(jié)和硬化過程如下：

（1）3CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O+Ca(OH）2；

（2）2CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O+Ca(OH）2；

（3）3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O；

3CaO·Al2O3+3CaSO4·2 H2O+26H2O→3CaO· Al2O3·3CaSO4·32H2O；

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2[3CaO·Al2O3]+ 4H2O→3[3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O]

（4）4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3· 6H2O+CaO·Fe2O3·H2O。

在用水泥固井或封井后，水泥水化、凝固后會產(chǎn)生大量的Ca(OH）2，部分Ca(OH）2在水中電離成Ca2+和OH-，導致鉆井液鈣侵。

在鉆進石膏層和水泥塞時，Ca2+離子進入鉆井液，含量超過一定數(shù)值時，鉆井液性能遭到破壞，從而造成鈣侵。另一方面，受鉆井液配置用水的影響，鉆井液中蓄積一定濃度的Ca2+離子，當坂土、固相含量上升到一定值時，鉆井液性能同樣會遭到破壞，從而造成鈣侵。

2 鉆井液水泥鈣侵的預防

Ca2+對鉆井液的污染主要是二價鈣離子易與鈉蒙脫石中的Na+發(fā)生離子交換，使鈉質(zhì)粘土變成鈣質(zhì)粘土，其ξ電位降低，分散程度顯著降低，水化膜變薄，聚結(jié)與分散平衡向著有利于聚結(jié)方向變化，致使鉆井液粘土顆粒變粗，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強和加大，從而導致鉆井液的粘度、切力上升，濾失量增大。當鈣侵到一定程度后，粘土顆粒繼續(xù)變粗而沉淀，此時粘土分散度明顯降低，粘度、切力轉(zhuǎn)而下降，濾失量繼續(xù)增大、泥餅變得虛厚。鈣侵導致的鉆井液性能惡化，會引起泥頁巖水化膨脹，甚至嚴重時會導致井塌和卡鉆等各種井下復雜情況。因此，必須重視鉆井液的水泥鈣侵問題。

鉆井液鈣侵的預防措施主要有2條：

（1）物理方法，隔離法。即將混漿以及鉆塞所用鉆井液通過物理隔離的方法處理，在鉆完水泥塞后集中排出，使其不進入鉆井液中。多用于淺層固井后，鉆井液以坂土漿為主。

（2）化學方法，通過預處理，向鉆井液中加入除鈣劑降低游離鈣的含量，引入抗鈣處理劑，提高鉆井液抗鈣能力，在遇到輕度鈣侵時，能保持鉆井液性能穩(wěn)定，或降低處理鈣侵的難度。

3 鉆井液水泥鈣侵的處理措施

處理水泥鈣侵的方法主要有：使用化學處理劑清除產(chǎn)生的大量Ca2+，另一種是提前轉(zhuǎn)化鉆井液體系為鈣處理鉆井液。這里主要討論水泥固井或水泥填井后鉆穿水泥時利用化學劑處理鉆井液水泥鈣侵的方法。

3.1 鈣侵后的現(xiàn)象

由于所使用的鉆井液體系不同，鉆井液遭受鈣侵后所表現(xiàn)出的現(xiàn)象也不完全相同，在實際應用過程中應靈活掌握和運用。主要表現(xiàn)為：

（1）Ca2+離子濃度顯著增加；

（2）粘度和切力上升，流動性變差，有時還會產(chǎn)生泡沫；當Ca2+離子超過某個數(shù)值后，粘度、切力隨Ca2+離子增大而突然下降；

（3）濾失量顯著增大，濾餅變虛、變厚、變脆；（4）鉆石膏層時，pH值降低；（5）鉆水泥塞時，pH值升高。

3.2 Ca2+與OHˉ的清除

水泥污染會導致鉆井液pH值升高，一般根據(jù)鉆井液中Ca2+選擇加入適量碳酸氫鈉（NaHCO3）或碳酸鈉（Na2CO3），通過它們與Ca(OH）2發(fā)生化學反應從溶液中沉淀Ca2+，同時可以起到降低pH值的作用。加入NaHCO3的反應式:

Ca2++OH-+NaHCO3=CaCO3↓+Na++H2O

鉆進石膏層、水泥塞產(chǎn)生鈣侵時：

（1）根據(jù)鉆井實際情況，以一定比例的純堿、燒堿、抗鹽抗鈣降濾失劑復配成膠液，進行處理，調(diào)整粘度、切力，特別注意慎用稀釋劑。

（2）補充抗鹽抗鈣降濾失劑和防塌劑，復配成膠液，按循環(huán)周處理，控制濾失量，提高防塌能力。

（3）鈣侵污染嚴重時，可按比例使用硫酸鈉進行處理，以避免純堿加量過大，造成HCO-3和CO2-3的污染。

（4）加入適量護膠劑，保持鉆井液膠體穩(wěn)定性。（5）必要時，逐步轉(zhuǎn)化為抗鈣鉆井液體系。

（6）避免水泥污染最簡單的方法是用清水鉆水泥塞或用鉆井液鉆水泥塞時，把污染的那段鉆井液放掉。

3.3 水泥鈣侵后鉆井液處理措施

鉆探中處理井內(nèi)事故時，常常需要填充水泥后進行側(cè)鉆或利用水泥護壁，有時填充水泥井段較短，而下套管后水泥固井，水泥塞長度一般也不長，通常只有幾十米，這種情況下鉆穿水泥，濾液中的Ca2+、OH-濃度較低，對鉆井液性能影響相對較小。但當處于長段注水泥或掃水泥塞時，由于鉆井液中侵入的Ca2+、OH-濃度較高，對鉆井液性能影響很大，粘度急劇上升后迅速下降，導致過度絮凝，濾失量增大，泥餅虛厚，pH值上升，含砂量增大，給下一步施工帶來巨大隱患，因此必須對鉆井液鈣侵后的性能進行調(diào)整與維護。當鈣少量污染時鉆井液粘度迅速升高，流行變差，隨著污染程度加重鉆井液粘度迅速下降，粘土被過度絮凝下沉，穩(wěn)定性降低，懸浮力下降，加重劑極易下沉導致密度下降。此時應向鉆井液中補充一定量的充分水化好的土粉漿，加入一定量的磺化酚醛樹脂干粉，增強鉆井液體系的穩(wěn)定性，同時能有效降低失水，改善泥餅質(zhì)量。SMP是一種水溶性的線性不規(guī)則聚合物，在降濾失的同時對粘土不絮凝，能起到整個體系的穩(wěn)定作用，且SMP的抗鹽抗鈣能力較好，其中SMP-2的抗Ca2+可達2000mg/L，此外SMP還能改善濾餅潤滑性，對井壁有一定的穩(wěn)定作用；由于聚合物高分子鏈被破壞，導致液相粘度下降，可以補充一定量的高分子聚合物，提高鉆井液的抑制性和液相粘度。鈣污染后一般都會導致鉆井液起泡，可以加入一定量的油基潤滑劑，能有效起到消泡的效果。

（1）鉆入水泥前，提前向鉆井液加入適量碳酸氫鈉或碳酸鈉進行預處理，有效除掉一部分鈣離子，但切勿過量，過量則會形成HCO-3污染。

（2）鉆穿水泥塞后可以置換一部分新漿，能有效減輕鈣污染。

（3）鉆井液鈣侵嚴重不利于井壁穩(wěn)定，可根據(jù)地層特點選擇加入瀝青類防塌劑、聚合醇類防塌劑起到護壁作用。

4 塔河油田深井鉆井液工程實例

4.1 在TH12542井應用

TH12542井在下三開套管至5100m后，采用水泥固井，固井后下塞長達320m，掃塞完后鉆井液污染嚴重，其掃塞前后性能對比如表1所示。

如表1所示，鉆井液受污染嚴重，失水迅速上漲，泥餅質(zhì)量變得虛厚，粘度急劇下降，鉆井液穩(wěn)定性下降，加重劑下沉導致密度下降。再施工過程中掃賽前加入300kg純堿進行預處理，但由于水泥塞過長，受污染程度大，掃賽完成后置換新漿50m3，并向井漿中加入：0.1%純堿+3%水化坂土漿+0.5%酚醛樹脂+0.1%HVCMC+0.1%K-PAM+0.5%液體潤滑劑，鉆井液性能得到明顯改善，氣泡逐漸消失，其處理前后鉆井液性能 對比如表2所示。

表1 掃水泥塞前后鉆井液性能對比

表2 處理前后鉆井液性能對比

鉆井液性能得到明顯改善，穩(wěn)定性得到增強，失水顯著下降，泥餅質(zhì)量得到改善。

4.2 在TK7236H井應用

TK7236H井在直導眼井深4635m回填，分二次注水泥塞后塞面3975m，然后掃塞至4225m定向鉆進，塞長250m，雖然采用了物理方法排出混漿和化學與處理，但掃塞后，鉆井液鈣侵嚴重，處理前鉆井液性能如表3所示。

表3 掃水泥塞前后鉆井液性能對比

該井鉆井液受到嚴重鈣侵，但鉆井液性能較為穩(wěn)定，主要是在針對注水泥和鉆塞作業(yè)采取了有效措施。注水泥前，將鉆井液性能進行優(yōu)化，增加了抗鹽聚合物的含量，控制鉆井液低固相、低坂含、低失水失，注水泥作業(yè)和探塞面時，及時排放被水泥漿污染的鉆井液。

該井處理多次水泥侵再施工過程中掃賽前加入300kg純堿進行預處理，但由于水泥塞過長，受污染程度大，掃賽完成后置換新漿50m3，并向井漿中加入：0.1%純堿+3%水化坂土漿+0.5%酚醛樹脂+0.1%HVCMC+0.1%K-PAM+0.5%液體潤滑劑，鉆井液性能得到明顯改善，氣泡逐漸消失，其處理前后鉆井液性能對比如表4所示。

5 結(jié)論

表4 處理前后鉆井液性能對比

（1）鉆井施工過程中水泥在井內(nèi)水化產(chǎn)生大量的Ca2+與OH-，使鉆井液性能發(fā)生較大改變，不再適用于鉆探施工，通過添加適量的Na2CO3，沉淀鉆井液中的Ca2+，也可以起到降低pH值的作用。

（2）鉆井液受污染程度輕時，鉆井液粘度上升，結(jié)構(gòu)力增強，流型變差；若受污染程度大，鉆井液過度絮凝，結(jié)構(gòu)力減弱導致體系極不穩(wěn)定。受水泥塞污染后應根據(jù)受污染程度及時作出相應的處理。

（3）鉆井液經(jīng)過鈣侵污染處理后，原有體系性能受到較大破環(huán)，通過增加調(diào)整鉆井液流型，增加包被性能、抑制性能、抗污染性能等措施，可以恢復鉆井液體系的整體結(jié)構(gòu)強度，達到繼續(xù)鉆井施工的要求。

[1]鄢捷年.鉆井液工藝學[M].中國石油大學出版社，2000.

[2]孫寧，等.鉆井工程技術(shù)進展[M].石油工業(yè)出版社，2006.

[3]羅平亞，等.探井保護油氣層技術(shù)[M].石油工業(yè)出版社，2009.

TE256.9

A

1004-5716(2015）08-0024-03

2014-12-18

2014-12-19

杜歡（1984-），男（漢族），山東德州人，工程師，現(xiàn)從事石油鉆井技術(shù)工作。