井漿改造固井隔離液的評(píng)價(jià)與應(yīng)用

周代生， 李茜， 張啟根， 汪偉， 謝顯濤

（1. 中國(guó)石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院，成都610017；2. 中國(guó)石油西南油氣田公司華油公司，成都610051；3. 中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術(shù)服務(wù)公司，成都610056）

固井時(shí)水泥漿與鉆井液相容性差，嚴(yán)重影響了固井安全施工，極易出現(xiàn)固井注水泥漿時(shí)“灌香腸”、“插旗桿”等惡性安全事故的發(fā)生，嚴(yán)重制約油氣開(kāi)采速度。通過(guò)研究，形成了一套由現(xiàn)場(chǎng)井漿改造、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)井漿性能影響小、不排放的固井抗污染隔離液GLJ技術(shù)，能解決水泥漿與鉆井液接觸污染，相容性差的問(wèn)題，確?，F(xiàn)場(chǎng)固井注水泥施工安全進(jìn)行，施工完成后剩余隔離液GLJ和井筒中返排出的隔離液GLJ可繼續(xù)作為鉆井液使用，避免剩余隔離液GLJ的外排而帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題等，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，從技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)方面展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景[1-10]。

1 隔離液GLJ的技術(shù)原理

水泥漿與鉆井液接觸污染因素：水泥漿中的Ca2+、Mg2+與鉆井液膨潤(rùn)土及含鈉離子處理劑等將產(chǎn)生離子交換反應(yīng)，使鈉質(zhì)黏土轉(zhuǎn)換為鈣質(zhì)黏土，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)，造成混合流體的黏度迅速上升；水泥漿水化產(chǎn)生的Fe3+、AI3+等高價(jià)金屬離子對(duì)鉆井液中聚合物XC、KPAM等發(fā)生交聯(lián)生成凝膠，造成混合流體稠度快速增加、稠化時(shí)間大大縮短。同時(shí)鉆井液中無(wú)機(jī)離子、聚合物XC、KPAM、鉆井液處理劑與水泥外加劑相互作用等因素均會(huì)影響水泥水化，對(duì)水泥漿有促凝作用，使混漿稠度增加。

配制隔離液GLJ所用的隔離劑GLJ分子結(jié)構(gòu)中含有強(qiáng)吸附的陽(yáng)離子基團(tuán)、—OH、高價(jià)離子等，以離子鍵和氫鍵的方式極易在黏土粒子端面吸附，提高黏土顆粒端面Zeta電位， 形成保護(hù)膜， 阻止黏土顆粒間形成“卡片房子”結(jié)構(gòu)，同時(shí)也大大阻礙Ca2+壓縮雙電層的能力，進(jìn)而提高抗鈣污染的效果。另外，隔離劑GLJ中含有大量的—SO3-、SO42-等強(qiáng)水化基團(tuán)，不受Ca2+的影響，進(jìn)一步提高抗水泥污染能力，同時(shí)改善鉆井液對(duì)水泥漿的促凝作用，防止水泥漿提前稠化，隔離液GLJ與鉆井液、水泥漿良好相容，混合流體高溫高壓下不發(fā)生增稠、沉淀等現(xiàn)象，確保固井施工的順利完成。

2 實(shí)驗(yàn)與藥品

2.1 主要儀器與藥品

常壓稠化儀，7716型高溫高壓稠化儀、高溫高壓失水儀、六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、恒速攪拌機(jī)、流動(dòng)度測(cè)試儀、密度計(jì)、常壓恒溫水浴箱；隔離劑GLJ（自 制）、有機(jī)高分子絡(luò)合劑（自制）、表面活性劑OP-10、G級(jí)嘉華水泥、高溫穩(wěn)定劑、緩凝劑、鈦鐵礦粉等。

2.2 隔離液GLJ配制方法

用清水將現(xiàn)場(chǎng)鉆井液稀釋20%（V鉆井液∶V清水的比例為8∶2），攪拌混合均勻。依據(jù)隔離液GLJ設(shè)計(jì)密度加入重晶石，形成固井抗污染隔離液GLJ用鉆井液，攪拌均勻后待用。在攪拌條件下，按計(jì)量緩慢加入隔離劑，攪拌2 h，確保隔離劑在鉆井液中充分溶解；用燒堿NaOH調(diào)體系pH值。

2.3 隔離液GLJ效果的評(píng)價(jià)方法

GLJ隔離效果的評(píng)價(jià)方法采用GB/T 19139—2003《油井水泥試驗(yàn)方法》、SY/T 6544—2003《油井水泥漿性能要求》、美國(guó)石油學(xué)會(huì)API SPEC10《固井水泥漿水泥漿評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的方法及規(guī)定。將配制好的隔離液GLJ分別在不同環(huán)境條件下與水泥漿以不同的比例混合，按照標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定在高、低溫下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并按規(guī)范與水泥漿、鉆井液進(jìn)行相容性實(shí)驗(yàn)，評(píng)價(jià)隔離液GLJ在井下各種環(huán)境下的性能。

3 隔離液GLJ性能評(píng)價(jià)

3.1 GLJ加量對(duì)隔離液抗污染效果的影響

評(píng)價(jià)了混合流體在126 ℃、60 MPa下的高溫高壓稠化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 隔離劑加量對(duì)混合液稠化時(shí)間的影響

從表1可以看出， 用隔離劑將鉆井液改造為隔離液GLJ后， 有效延長(zhǎng)了隔離液GLJ、 鉆井液、 水泥漿混合流體增稠、失去流動(dòng)性的時(shí)間；隔離劑的加量大于8%后，水泥漿與隔離液GLJ以95∶5、7 0∶30體積比混合后高溫高壓稠化時(shí)間大于219 min，水泥漿、鉆井液、隔離液GLJ以70∶20∶10比例混合，混合流體的高溫高壓稠化時(shí)間大于260 min，能確保固井注水泥漿施工安全。

3.2 不同鉆井液體系改造形成的GLJ抗污染效果

根據(jù)川渝地區(qū)常用的鉆井液體系，室內(nèi)配制與鉆井液體系密度相適應(yīng)的水泥漿體系，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)不同鉆井液體系與水泥漿的相容性，如果存在相互接觸污染，對(duì)鉆井液進(jìn)行改造形成隔離液GLJ，再進(jìn)行抗污染性能評(píng)價(jià)，高溫高壓稠化實(shí)驗(yàn)條件為120 ℃、70 MPa，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。從表2可知，目前常用的各類鉆井液與四川地區(qū)常用的水泥漿相容性較差，存在不同程度的相互污染，相互接觸形成的混合流體在46～95 min時(shí)間稠度超過(guò)60 Bc，失去泵注條件；通過(guò)向各類鉆井液中加入隔離劑改造成隔離液GLJ后，改善了水泥漿與鉆井液的污染情況，不同比例下的高溫高壓稠化時(shí)間都大于240 min，滿足了現(xiàn)場(chǎng)注水泥漿的施工要求。

表2 不同鉆井液體系形成的隔離液GLJ抗污染效果評(píng)價(jià)

3.3 隔離液GLJ的流變性能評(píng)價(jià)

在不同密度現(xiàn)場(chǎng)鉆井液中加入8%的隔離劑改造成隔離液GLJ，按照GB/T 16783.1—2014《鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試第1部分：水基鉆井液》測(cè)量常溫（30℃）和120 ℃滾動(dòng)16 h后隔離液GLJ的各項(xiàng)流變性能，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，將鉆井液改造成的隔離液GLJ具有較好的流變性能，常溫和高溫老化后動(dòng)切力能保持較高值，避免因隔離液GLJ中重晶石沉淀而導(dǎo)致泵壓升高或電測(cè)遇阻的情況發(fā)生，塑性黏度和n、K值也表現(xiàn)出較好的流態(tài)，流體在井筒中容易以紊流或塞流的形式流動(dòng)，提高隔離液GLJ對(duì)井筒中鉆井液的頂替效果和對(duì)泥餅的沖刷作用，提高固井質(zhì)量。

表3 隔離液GLJ流變性能

3.4 隔離液GLJ抗溫性能評(píng)價(jià)

將密度為2.36 g/cm3的鉆井液改造成隔離液GLJ以不同溫度恒溫滾動(dòng)老化16 h，冷卻至室溫測(cè)量隔離液GLJ的流變參數(shù)及n、K值，同時(shí)將老化后的隔離液GLJ在90 ℃恒溫靜置2 h，測(cè)量隔離液GLJ對(duì)重晶石的懸浮穩(wěn)定性（密度差），其結(jié)果見(jiàn)表4。從表4可知，隔離液GLJ經(jīng)高溫老化后高溫高壓濾失量保持較低值，能保持較好的流變性能，具有較好的黏度、切力值，高溫老化未使隔離液GLJ黏度、切力大幅下降，90 ℃條件下靜置養(yǎng)護(hù)2 h后體系各部位密度差小于0.02 g/cm3，說(shuō)明隔離液GLJ具有良好的抗高溫能力和沉降穩(wěn)定性。

表4 隔離液GLJ抗溫能力評(píng)價(jià)

3.5 隔離液GLJ對(duì)鉆井液性能的影響

將密度為2.36 g/cm3的隔離液GLJ與鉆井液以不同比例混合，將混合流體在常溫及120 ℃滾動(dòng)16 h，分別測(cè)量混合流體的各流變參數(shù)及120 ℃高溫高壓濾失量，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 隔離液GLJ對(duì)鉆井液性能的影響

從表5可知，GLJ與鉆井液不同比例混合后，仍具有較好的流變性能，高溫高壓濾失量較低，隔離液GLJ可作為鉆井液繼續(xù)使用，避免剩余隔離液GLJ及井筒中返出的隔離液GLJ進(jìn)入污水池，減少現(xiàn)場(chǎng)廢棄液的排放及處理量，減輕現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保壓力，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)。

3.6 隔離液GLJ對(duì)水泥漿性能影響

固井注水泥漿用隔離液要求與水泥漿、鉆井液具有良好配伍性，將隔離液GLJ與水泥漿、鉆井液以不同比例混合，評(píng)價(jià)了常溫流動(dòng)度、高溫養(yǎng)護(hù)后的流動(dòng)度、高溫高壓稠化實(shí)驗(yàn)（111 ℃、壓力60 MPa），及對(duì)水泥漿強(qiáng)度的影響，其結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可以看出，鉆井液與水泥漿相容性較差，隔離液GLJ與水泥漿2者的混合流體或隔離液GLJ與鉆井液、水泥漿3者的混合流體都具有較好的流動(dòng)度，混合流體稠度大于40 Bc的高溫高壓稠化時(shí)間由空白樣的65 min延長(zhǎng)到最短274 min，說(shuō)明隔離液GLJ能解決鉆井液與水泥漿接觸污染、相容性差的問(wèn)題；水泥漿強(qiáng)度隨隔離液GLJ量的增加而降低，這主要是因?yàn)殂@井液不能凝固。

表6 隔離液GLJ對(duì)水泥漿性能的影響

4 隔離液GLJ的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以隔離劑改造現(xiàn)場(chǎng)井漿形制成的隔離液GLJ在川渝地區(qū)磨溪-高石梯區(qū)塊完成了13井次（磨溪39井、磨溪41井、磨溪206井、磨溪103井、高石001-X1井等）的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，解決了注水泥漿過(guò)程中水泥漿與鉆井液相容性差的問(wèn)題，整個(gè)注水泥漿過(guò)程泵壓平穩(wěn)，未出現(xiàn)泵壓激增、憋泵現(xiàn)象的發(fā)生，施工安全順利完成。施工結(jié)束后循環(huán)罐中剩余隔離液GLJ與井筒中返出的隔離液GLJ繼續(xù)作為鉆井液使用，實(shí)現(xiàn)了廢棄液的零排放，清潔生產(chǎn)。

高石001-X1井φ177.8 mm套管固井時(shí)井深為5 105 m，井底溫度為139 ℃，密度為2.18 g/cm3，鉆井液與水泥漿相容性較差。水泥漿為密度為2.30 g/cm3的加砂防氣竄水泥漿體系，水灰比為0.3。水泥漿與鉆井液以70∶30（V/V）混合后高溫高壓稠化70 min時(shí)，混合流體稠度達(dá)到60 Bc，因此需要配制隔離液解決鉆井液與水泥漿相容性差的問(wèn)題。

在稠化實(shí)驗(yàn)溫度為112 ℃，升溫時(shí)間為50 min，稠化實(shí)驗(yàn)壓強(qiáng)為70～80 MPa條件下，將水泥漿、 井漿、 隔離液GLJ進(jìn)行污染稠化實(shí)驗(yàn)， 其結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 水泥漿、井漿、隔離液GLJ污染稠化數(shù)據(jù)

5 結(jié)論及建議

1.固井抗污染隔離液GLJ現(xiàn)場(chǎng)配制簡(jiǎn)單、方便，只需將隔離劑直接加入現(xiàn)場(chǎng)鉆井液中即可改造成固井抗污染隔離液GLJ，可減少新增液體量、鉆井液加重劑等材料用量，減輕現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存壓力。

2.固井抗污染隔離液GLJ具有較好的流變性、懸浮穩(wěn)定性，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)GLJ的流變性能參數(shù)要求進(jìn)行調(diào)整，具有良好的抗溫性能，井筒中長(zhǎng)時(shí)間靜置不會(huì)導(dǎo)致隔離液GLJ重晶石沉淀。

3.隔離液GLJ與水泥漿具有良好的配伍性，各種比例混合流體的高溫高壓稠化實(shí)驗(yàn)240 min內(nèi)體系稠度值不大于40 Bc，滿足固井注水泥漿安全施工要求。

4.隔離液GLJ與鉆井液具有良好的配伍性，不同比例混合后對(duì)鉆井液流變性和濾失量影響較小，施工完成后剩余的隔離液GLJ和井筒中返排出的隔離液GLJ，可混入現(xiàn)場(chǎng)井漿中作為鉆井液繼續(xù)使用，減少現(xiàn)場(chǎng)廢棄液的排放及處理量，減輕現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保壓力，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)。