pH值和稀釋劑對固井前甲酸鹽鉆井液性能的影響*

張舉政，楊遠(yuǎn)光，孫勤亮，付家文，萬浩東，謝應(yīng)權(quán)

（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)），四川 成都 610500；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第二固井分公司，天津 300280）

甲酸鹽鉆井液具有較寬的密度調(diào)控范圍、對儲層傷害程度低和流動摩阻小等優(yōu)點(diǎn)，常用于深層小井眼的鉆進(jìn)［1-4］。大港油田某井區(qū)深層尾管固井質(zhì)量較差，現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液的塑性黏度、動切力較大，且鉆井液濾失量大、形成虛泥餅太厚，不能滿足提高頂替效率和清除井壁泥餅的要求，嚴(yán)重影響水泥環(huán)的層間封隔能力。為提高環(huán)空鉆井液頂替效率和井壁泥餅沖洗效率，鉆井液與水泥漿之間應(yīng)滿足鉆井液塑性黏度、動切力小于水泥漿的塑性黏度和動切力［5-7］，且在鉆井液要求的濾失量范圍內(nèi)泥餅厚度盡量小。因此，筆者通過鉆井液性能的測試、鉆井液泥餅的制備及沖洗和掃描電子顯微鏡（SEM）等，研究了pH 值和稀釋劑對鉆該井區(qū)甲酸鹽鉆井液的性能［8-11］、井壁泥餅沖洗效率的影響規(guī)律及影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

甲酸鹽鉆井液，取自大港油田X32井3926 m處的現(xiàn)場鉆井液，密度（循環(huán)溫度90℃）1.63 g/cm3，主要成分為膨潤土、復(fù)合甲酸鹽、降濾失劑羧甲基纖維素鈉（CMC）、磺化基酚醛樹脂（SMP）、聚丙烯酸鹽（PAC），增黏劑黃原膠（XC）等；油田現(xiàn)場固井用水泥漿，密度1.88 g/cm3，基本配方：G 級水泥+35%硅粉+4%降失水劑BZF-L1+2%緩凝劑BZR-L1+0.5%消泡劑D50+54%水，水泥漿材料均取自大港油田；pH 調(diào)節(jié)劑NaOH，工業(yè)級，成都科龍化工試劑廠；稀釋劑磺化丹寧，工業(yè)級，成都川鋒化學(xué)工程有限責(zé)任公司；模擬巖心，尺寸φ25.4 mm×50 mm，滲透率（6.0數(shù) 9.0）×10-3μm2。

XL300 型掃描電子顯微鏡，荷蘭Philips 公司；ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，青島恒泰達(dá)公司；OWC-9350A 型常溫稠化儀，沈陽航空工業(yè)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)研究所；OWC-9710型高溫高壓濾失儀，沈陽航空工業(yè)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)研究所；PHS-3C型pH計(jì)，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；鉆井液動態(tài)泥餅形成裝置［12］、固井沖洗液評價裝置［13］，西南石油大學(xué)固井實(shí)驗(yàn)室研制；OWC-118 型常溫常壓養(yǎng)護(hù)箱，沈陽航空工業(yè)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)研究所；DZE-300 型數(shù)字式抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)，無錫雙牛建材儀器設(shè)備廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）鉆井液性能測定

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.1—2014《石油與天然氣工業(yè)鉆井液現(xiàn)場測試第1部分：水基鉆井液》，利用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、高溫高壓濾失儀、常溫稠化儀、pH 計(jì)等儀器設(shè)備對鉆井液密度、pH 值、塑性黏度、動切力、濾失量及泥餅厚度等性能進(jìn)行測試。

（2）鉆井液泥餅的形成和泥餅沖洗效率測定

為更加真實(shí)地模擬井下泥餅沖洗過程，在90℃、3.5 MPa 和150 r/min 的條件下向鉆井液動態(tài)泥餅形成裝置中注入鉆井液，在巖心表面形成鉆井液泥餅。使用新型固井沖洗液評價裝置（圖1）進(jìn)行泥餅的沖洗效率模擬實(shí)驗(yàn)，以沖洗液在不同轉(zhuǎn)數(shù)下沖洗泥餅?zāi)M對應(yīng)不同環(huán)空返速下沖洗井壁泥餅的情形。該裝置的設(shè)計(jì)原理是以固井環(huán)空壁面與評價裝置內(nèi)筒外壁面處二者剪切速率相等為理論依據(jù)［14］（圖2）。該裝置可以適應(yīng)不同井身結(jié)構(gòu)、不同排量的模擬。

圖1 新型固井沖洗液評價裝置基本結(jié)構(gòu)圖

圖2 新型固井沖洗液評價裝置基本原理圖

本文的研究對象為某井區(qū)的油層尾管固井。固井時將直徑139.7 mm尾管下入直徑165.1 mm井眼，固井施工常用頂替排量為8數(shù)12 L/s。將井身結(jié)構(gòu)和由頂替排量換算所得的環(huán)空平均返速代入公式（1），計(jì)算沖洗評價裝置工作轉(zhuǎn)速。

式中，N—新型沖洗裝置外筒轉(zhuǎn)速，r/min；V—實(shí)際環(huán)空平均返速，m/s；D—實(shí)際井眼直徑，m；d—套管外徑，m；R1—裝置內(nèi)筒半徑，mm；R2—裝置外筒內(nèi)半徑，mm。

φ165.1 mm×φ139.7 mm 環(huán)空條件下，當(dāng)油田常用頂替排量為8、10、12 L/s時，對應(yīng)的環(huán)空平均返速分別為1.32、1.64、1.97 m/s，計(jì)算得到對應(yīng)的沖洗評價裝置工作轉(zhuǎn)速分別為533、566、799 r/min。

（3）膠結(jié)強(qiáng)度的測定

將沖洗結(jié)束后的模擬井壁的巖心或模擬套管的鋼柱置于模具中心，再在其周圍灌注滿水泥漿，置于90℃常溫養(yǎng)護(hù)箱中水浴養(yǎng)護(hù)24 h后取出模具，用抗壓抗折試驗(yàn)機(jī)測定膠結(jié)界面的機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)機(jī)讀數(shù)與水泥環(huán)膠結(jié)面積的比值即為界面機(jī)械膠結(jié)強(qiáng)度。

（4）微觀機(jī)理分析

用SEM觀察鉆井液pH值調(diào)節(jié)前后形成泥餅的微觀形態(tài)，分析甲酸鹽鉆井液調(diào)節(jié)前后性能改變的機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液及水泥漿基本性能

現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液和水泥漿（假設(shè)鉆井液、水泥漿為賓漢流體）在常溫和90℃條件下的性能參數(shù)見表1和表2。從表中數(shù)據(jù)可以看出，現(xiàn)場鉆井液的pH 值比甲酸鹽鉆井液的正常pH 值范圍（9.0數(shù)12.0）偏?。?5℃下鉆井液的塑性黏度（PV）、動切力（YP）、高溫高壓濾失量（FL（HTHP））和泥餅厚度均較大；90℃熱滾后，鉆井液的PV、YP降低，但鉆井液的YP仍大于現(xiàn)場固井水泥漿的YP，不利于提高環(huán)空鉆井液頂替效率［15］，且FL（HTHP）和泥餅厚度增加，既減小了環(huán)空的有效過流面積，又不利于頂替清除井壁泥餅。因此，需要在固井前對該井區(qū)現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液性能進(jìn)行調(diào)整，在改變鉆井液流變性的同時降低濾失量和泥餅厚度，提高泥餅沖洗效率，獲得良好的第二界面膠結(jié)質(zhì)量。

表1 現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液性能參數(shù)*

表2 現(xiàn)場固井用水泥漿常規(guī)性能*

2.2 pH值對甲酸鹽鉆井液體系性能的影響

用NaOH 溶液調(diào)節(jié)油田甲酸鹽鉆井液的pH 值分別為9.5、10.5、11.5、12.5。pH 值對現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液的PV、YP、FL（HTHP）和泥餅厚度的影響見表3。pH 值為8.3數(shù) 11.5 時，甲酸鹽鉆井液的PV、YP、FL（HTHP）和泥餅厚度均隨pH值的升高而降低；當(dāng)pH值繼續(xù)增至12.5時，甲酸鹽鉆井液的PV、YP、FL（HTHP）和泥餅厚度明顯升高。這是由于甲酸鹽鉆井液中使用的化學(xué)處理劑如降濾失劑CMC、SMP、PAC 以及增黏劑 XC 等在較高 pH 值環(huán)境下部分基團(tuán)發(fā)生變性［16］，減少了對黏土顆粒的吸附，從而降低降濾失效果，導(dǎo)致濾失量增大、泥餅變厚等情況的發(fā)生。因此控制甲酸鹽鉆井液的pH 值在11.5 左右可以有效改善鉆井液流變性、減小濾失量和泥餅厚度，有利于環(huán)空鉆井液的替凈和泥餅的清除。

表3 pH值對現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液相關(guān)性能的影響*

在不同的現(xiàn)場排量下，鉆井液pH 值對模擬井壁（第二界面）泥餅沖洗效率和界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響見圖3。在pH 值為8.3數(shù)11.5 時，隨甲酸鹽鉆井液pH 值升高，第二界面泥餅沖洗效率和膠結(jié)強(qiáng)度增加。pH 值為11.5 時的模擬井壁（巖心）表面泥餅比pH 為8.3 時明顯減少且更為致密；在12 L/s 排量下，用清水沖洗模擬井壁（巖心）表面泥餅10 min，巖心表面只有局部地方存在少許泥餅，整體泥餅沖洗效率達(dá)到80.6%，第二界面膠結(jié)強(qiáng)度達(dá)到1.56 MPa。但當(dāng)pH值繼續(xù)增至12.5時，巖心表面的泥餅反而增厚，失水量增大，導(dǎo)致第二界面泥餅沖洗效率降低。

圖3 不同排量下鉆井液pH值對第二界面泥餅沖洗效率（a）和界面膠結(jié)強(qiáng)度（b）的影響

2.3 稀釋劑和pH值共同作用對甲酸鹽鉆井液性能的影響

由表3和圖3可以看出，調(diào)整該井區(qū)甲酸鹽鉆井液pH值至11.5后，鉆井液的流變性、失水造壁性、第二界面泥餅沖洗效率和界面膠結(jié)強(qiáng)度得到了較大程度的改善，但PV、FL（HTHP）和泥餅厚度等仍偏大，且第二界面泥餅沖洗效率不高。因此，需要選擇稀釋劑進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化該甲酸鹽鉆井液的各項(xiàng)性能。稀釋劑磺化丹寧加量對現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液性能的影響見表4。稀釋劑加量越大，甲酸鹽鉆井液的PV、YP、FL（HTHP）和泥餅厚度越??；但稀釋劑加量大于0.3%后，各項(xiàng)性能改善不明顯。綜合考慮井壁穩(wěn)定性的情況［17］，選擇稀釋劑加量為0.3%的鉆井液進(jìn)行pH值的調(diào)整。

表4 稀釋劑加量對甲酸鹽鉆井液性能的影響*

稀釋劑加量為0.3%時，pH 值對現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液性能的影響見表5。鉆井液pH 值對不同排量下第二界面泥餅沖洗效率和界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響見圖4。加入稀釋劑后甲酸鹽鉆井液各項(xiàng)性能的變化趨勢與原甲酸鹽鉆井液的相似，pH值約為11.5時的PV、YP、泥餅厚度趨于最小，第二界面泥餅沖洗效率和界面膠結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大。與表3數(shù)據(jù)相比，在pH 值相同的條件下，加入0.3%稀釋劑的甲酸鹽鉆井液的PV、YP、泥餅厚度降低。在10 L/s排量下，用清水沖洗模擬井壁（巖心）表面泥餅10 min，巖心表面幾乎無殘留泥餅，第二界面膠結(jié)強(qiáng)度提高至2.02 MPa。說明稀釋劑的加入可以進(jìn)一步優(yōu)化甲酸鹽鉆井液的性能，更有利于環(huán)空鉆井液的頂替和井壁泥餅的沖洗清除。

表5 稀釋劑加量為0.3%時pH值對現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液性能的影響*

圖4 稀釋劑加量為0.3%時鉆井液pH值對第二界面泥餅沖洗效率（a）和界面膠結(jié)強(qiáng)度（b）的影響

2.4 甲酸鹽鉆井液性能調(diào)節(jié)機(jī)理

對調(diào)整前（pH值為8.3）與調(diào)整后（pH值11.5，稀釋劑加量0.3%）鉆井液在巖心上形成的泥餅進(jìn)行取樣作SEM 微觀分析，結(jié)果見圖5。調(diào)整后鉆井液在巖心上形成的泥餅的致密性好于調(diào)整前泥餅，泥餅表面極少存在類似于調(diào)整前泥餅表面“絮凝狀”強(qiáng)度極低的虛泥餅。這是由于隨著鉆井液pH值的升高，黏土顆粒表面所帶負(fù)電荷逐漸增多，黏土顆粒之間的斥力逐漸增大，導(dǎo)致黏土顆粒的分散性提高，從而改變了鉆井液的流變性和泥餅質(zhì)量，提高了環(huán)空鉆井液頂替效率和泥餅可沖刷性［18］，有效地改善了固井界面膠結(jié)質(zhì)量較差的問題。另外稀釋劑磺化丹寧由于靜電作用吸附于黏土顆粒端面，增加了黏土顆粒端面的負(fù)電荷數(shù)量和水化層厚度，拆散了原本造成鉆井液結(jié)構(gòu)黏度增加的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步優(yōu)化了甲酸鹽鉆井液的流變性能和失水造壁性［19］。

圖5 鉆井液調(diào)整前（a）后（b）形成泥餅的SEM照片

3 結(jié)論

pH 值和稀釋劑對現(xiàn)場甲酸鹽鉆井液的流變性和失水造壁性的影響較大。調(diào)節(jié)甲酸鹽鉆井液的pH值為10.5數(shù)11.5時，可以有效改善甲酸鹽鉆井液的流變性和失水造壁性，有利于提高環(huán)空鉆井液的頂替效率和井壁泥餅的沖洗效率。稀釋劑的加入可以進(jìn)一步優(yōu)化甲酸鹽鉆井液的流變性和失水造壁性，但應(yīng)嚴(yán)格控制加量，防止可能會出現(xiàn)的濾失量升高而引起井壁不穩(wěn)定。