存在鉆井液環(huán)境下地聚合物性能實(shí)驗(yàn)研究

梁甲波

（中國(guó)海洋石油伊拉克有限公司油井作業(yè)中心）

梁甲波.存在鉆井液環(huán)境下地聚合物性能實(shí)驗(yàn)研究.鉆采工藝，2019，42（5）：83-86

固井是完井作業(yè)過程中不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，油田固井時(shí)常用的固井材料為硅酸鹽水泥，使用硅酸鹽水泥進(jìn)行固井作業(yè)時(shí)，水泥環(huán)可能存在的裂縫、縫隙等缺陷［1-3］。近年來新型固井材料地聚合物逐漸成為常規(guī)固井材料硅酸鹽水泥的替代品，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者均對(duì)地聚合物的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究［4］，并將其與硅酸鹽水泥進(jìn)行了性能對(duì)比。但在固井作業(yè)中鉆井液的存在使得鉆井液與地聚合物的混合成為不可避免的現(xiàn)象，而在鉆井液存在條件下地聚合物和硅酸鹽水泥的性能對(duì)比還缺少研究。本文以油田常用鉆井液、硅酸鹽水泥和地聚合物為研究對(duì)象，在含鉆井液條件下的地聚合物的性能進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。測(cè)試了存在鉆井液條件下地聚合物的黏度、剪切應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)，并將測(cè)試結(jié)果與相同條件下硅酸鹽水泥的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

一、實(shí)驗(yàn)材料

為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，本文采用油田常用的硅酸鹽水泥和鉆井液，硅酸鹽水泥組分性質(zhì)如表1，鉆井液性質(zhì)如表2所示。地聚合物由粉煤灰、NaOH和Na2SiO3混合制成，粉煤灰的組分如表3所示。

表1 硅酸鹽水泥組分

表2 鉆井液性質(zhì)

表3 粉煤灰組分

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.地聚合物以及硅酸鹽水泥制備

地聚合物原料配比如表4所示。在室溫24℃和大氣壓條件下，在攪拌機(jī)中先加注自來水，然后加入粉煤灰，低速攪拌10 s。然后，加入NaOH和Na2SiO3混合的堿性溶液，低速攪拌10 s，再加入不同比例的鉆井液（0%、5%、10%）并高速攪拌30 s。將該漿料倒入立方體模中，固化24 h，用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

表4 地聚合物原料配比

以蒸餾水和硅酸鹽干水泥質(zhì)量比38∶100為依據(jù)，進(jìn)行硅酸鹽水泥制備。在攪拌機(jī)中加注蒸餾水，然后低速攪拌15 s后將硅酸鹽水泥加入攪拌機(jī)，將攪拌機(jī)蓋上，并在高速下繼續(xù)攪拌35 s，再加入不同比例的鉆井液（0%、5%、10%）低速攪拌30 s，用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

2.流變性測(cè)試

表5為不同鉆井液含量條件下地聚合物和硅酸水泥的黏度測(cè)試結(jié)果，表6為剪切應(yīng)力測(cè)試結(jié)果。在室溫（24°C）條件下，鉆井液含量對(duì)地聚合物剪切應(yīng)力的變化影響不大；而硅酸鹽水泥的剪切應(yīng)力隨鉆井液含量的增加呈明顯上升的趨勢(shì)，這與黏度測(cè)試結(jié)果相吻合。當(dāng)硅酸鹽水泥的剪切應(yīng)力和黏度在鉆井液的影響下出現(xiàn)增加趨勢(shì)時(shí)，極易導(dǎo)致固井作業(yè)的失敗，從而引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)［5-6］。這是由于當(dāng)在地聚合物中加入鉆井液時(shí)，由于地聚合物組分中Na2SiO3及其復(fù)合物的存在導(dǎo)致極易發(fā)生復(fù)合溶解反應(yīng)，從而導(dǎo)致了地聚合物的塑性黏度的降低和剪切降低。而在硅酸鹽水泥反應(yīng)中，鉆井液的存在和含量的增加將會(huì)導(dǎo)致溶液中 CaO、CaCl2和Na（OH）2等濃度的增加，從而增加了Ca（OH）2等物質(zhì)的濃度，造成了塑性黏度增加和剪切應(yīng)力增加現(xiàn)象。

表5 不同鉆井液含量條件下黏度測(cè)試結(jié)果

3.抗壓強(qiáng)度測(cè)試

表7為不同鉆井液含量條件下，地聚合物和硅酸鹽水泥在1 d、3 d和7 d后的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨時(shí)間的增加地聚合物和硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度增加；但隨鉆井液含量的增加，地聚合物和硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度都呈下降趨勢(shì)［7］。然而，當(dāng)鉆井液含量為5%時(shí)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)比地聚合物更好，在3 d后，硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度為23.72 MPa，7 d后為31.78 MPa；而地聚合物的抗壓強(qiáng)度在3 d后為16.06 MPa，7 d后為21.27 MPa。當(dāng)鉆井液含量為10%時(shí)，隨時(shí)間的延長(zhǎng)地聚合物的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)比硅酸鹽水泥更好，在3 d后，硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度為9.07 MPa，7 d后為11.11 MPa；而地聚合物的抗壓強(qiáng)度在3 d后為12.06 MPa，7 d后為12.93 MPa。與硅酸鹽水泥相比，地聚合物與鉆井液具有更好的相容性［8-10］。

表6 不同鉆井液含量條件下剪切應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

根據(jù)抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，以空白組為參考對(duì)地聚合物和硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度下降情況進(jìn)行了計(jì)算。1 d后，含有5%和10%鉆井液的地聚合物抗壓強(qiáng)度分別下降8%和20%；但相同條件下，硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度分別下降了9%和34%。3 d后，含有5%和10%鉆井液的自聚合物抗壓強(qiáng)度分別下降8.5%和23.9%；但相同條件下，硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度分別下降了38.4%和59.2%。7 d后，含有5%和10%鉆井液的地聚合物抗壓強(qiáng)度分別下降22.1%和38.6%；但相同條件下，硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度分別下降了47.8%和63.4%。從抗壓強(qiáng)度下降情況計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，地聚合物相較與硅酸鹽水泥具有較好的強(qiáng)度保持性［11］，能在鉆井液的影響下保持較高的抗壓強(qiáng)度，不易出現(xiàn)較大的強(qiáng)度損失現(xiàn)象。這是由于當(dāng)?shù)鼐酆衔锖凸杷猁}水泥中加入鉆井液后，Ca2+和OH-從地聚合物和硅酸鹽水泥中滲出，從而降低了地聚合物和硅酸鹽水泥中的Ca（OH）2含量，進(jìn)而降低了地聚合物和硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度，但在相同條件下由于地聚合物的組分和硬化過程與硅酸鹽水泥存在一定的差異，導(dǎo)致這一過程對(duì)地聚合物的影響并不明顯。

表7 不同鉆井液含量條件下抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

4.失水量測(cè)試

表8為不同鉆井液含量條件下的失水量測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)隨鉆井液含量的增加地聚合物的失水量呈逐漸減少趨勢(shì)，而硅酸鹽水泥的失水量呈增加的趨勢(shì)。針對(duì)地聚合物而言，當(dāng)鉆井液含量為5%時(shí)地聚合物的失水量為84.6 mL／30 min；當(dāng)鉆井液含量為10%時(shí)地聚合物的失水量為79.4 mL／30 min。因?yàn)殂@井液中含有含鋁和硅酸鹽的膨潤(rùn)土，在鉆井液和地聚合物的聚合過程中氫氧化鈉將會(huì)誘導(dǎo)鋁和硅酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成鋁硅酸鹽凝膠［12-13］，有助于減少水分流失。針對(duì)硅酸鹽水泥而言，當(dāng)鉆井液含量從5%增加到10%時(shí)硅酸鹽水泥的失水量從438 mL／30 min增加至520 mL／30 min。測(cè)試結(jié)果表明在含有鉆井液的條件下地聚合物比硅酸鹽水泥具有更低的失水率，并且鉆井液含量的變化對(duì)地聚合物的失水率具有正效應(yīng)，而對(duì)硅酸鹽水泥的失水率具有負(fù)效應(yīng)［14-15］。

5.稠化時(shí)間測(cè)試

表9為不同鉆井液含量條件下的稠化時(shí)間測(cè)試結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)隨鉆井液含量的增加，地聚合物和硅酸鹽水泥的稠化時(shí)間均呈逐漸升高的趨勢(shì)，但就總體而言在同樣鉆井液含量條件下，地聚合物的稠化時(shí)間仍明顯低于硅酸鹽水泥的稠化時(shí)間。這是由于地聚合物中含有的氫氧化鈉與硅酸鹽所生成的硅鹽酸凝膠，而硅酸鹽凝膠的產(chǎn)生導(dǎo)致了地聚合物的膠凝強(qiáng)度增加速率較快，從而致使了地聚合物的稠化時(shí)間的縮短。

表8 不同鉆井液含量條件下失水量測(cè)試結(jié)果

表9 不同鉆井液含量條件下稠化時(shí)間測(cè)試結(jié)果

三、結(jié)論

（1）隨鉆井液含量的增加，地聚合物的黏度和剪切應(yīng)力呈逐漸下降的趨勢(shì)，硅酸鹽水泥的黏度和剪切應(yīng)力呈逐漸增加趨勢(shì)。

（2）隨鉆井液含量的增加，地聚合物和硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度呈逐漸下降的趨勢(shì)。

（3）隨鉆井液含量的增加，地聚合物的失水量呈逐漸減少的趨勢(shì)，而硅酸鹽水泥的失水量呈增加的趨勢(shì)。

（4）地聚合物在含鉆井液條件下表現(xiàn)出比硅酸鹽水泥更好的性能，可以作為固井作業(yè)中硅酸鹽水泥的替代品。