固井水泥漿與鉆井液接觸污染的作用機理

韋彥旭(中國油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450)

0 引言

近年來在社會經(jīng)濟的高速發(fā)展之下、煤炭、天然氣等能源在諸多行業(yè)發(fā)展過程中凸顯出了非常重要的利用價值，所以很多礦井開采企業(yè)投入了大量的資金、技術(shù)、人力及物力進行了資源開采工作，以期開采出較多的能源在滿足市場發(fā)展需要的同時，可以增加企業(yè)效益。但是對于現(xiàn)如今部分地方的資源開采工作進行全面地研究分析，發(fā)現(xiàn)在固井工程作業(yè)中存在著問題，即固井水泥漿與鉆井液發(fā)生了接觸污染，如果該問題遲遲得不到解決，給礦井作業(yè)造成的危害較大，那么就需要礦井企業(yè)可以借助于的儀器設(shè)備、試劑、方法對造成該污染問題的作用機理進行系統(tǒng)地分析研究，提出相應(yīng)的應(yīng)對措施，便可以保證礦井作業(yè)工作取得滿意的結(jié)果。

1 固井水泥漿與鉆井液接觸污染概述

礦井開采作業(yè)過程中需要通過固井工程對于作業(yè)區(qū)域進行加固處理，促使開采鉆井區(qū)域的安全性高，地層層間封隔效果非常好，不會輕易發(fā)生問題，為后續(xù)該區(qū)域的井下作業(yè)工作有效開展打下了良好的基礎(chǔ)。所以礦井企業(yè)作業(yè)人員要對固井工程涉及內(nèi)容進行良好地把握，促使該工程作業(yè)質(zhì)量高，相應(yīng)的價值可以完工后充分地凸顯出來。但施工人員使用水泥材料進行固井工程作業(yè)過程中，在井眼、施工操作不當?shù)纫蛩赜绊懼拢沟盟嗖牧先菀缀豌@井作業(yè)過程中使用的鉆井液發(fā)生混合。由于這兩種材料性能差別大且互相不兼容，會造成接觸性污染，最終使得固井工程施工建設(shè)時會發(fā)生混合漿料流動性大大降低，引起固井操作效率低的問題，而且鉆井操作期間也容易發(fā)生卡鉆問題，影響鉆入工作的良好開展。

對固井水泥漿與鉆井液發(fā)生接觸性污染的危害進行總結(jié)分析，主要包括以下內(nèi)容：首先，混合漿料流行性降低，導致礦井作業(yè)區(qū)域的頂替效率發(fā)生了較大的改變，泵壓運動速度加快，導致部分地層較為薄弱的區(qū)域有著非常高的風險，出現(xiàn)水泥低返、漏封的問題；其次，混合漿料凝固性差，當兩種發(fā)生接觸性污染情況后，會導致作業(yè)區(qū)域的材料發(fā)生早凝情況，或者鉆入設(shè)備在施工區(qū)域進行施工作業(yè)時會出現(xiàn)鉆入設(shè)備被水泥材料完全包裹住的情況，導致鉆入設(shè)備無法順利前行，影響鉆入有效性，使得礦井鉆入作業(yè)效率顯著降低；再次，混合漿料附著在礦井作業(yè)面上，使得這一區(qū)域設(shè)置的水泥環(huán)膠結(jié)質(zhì)量受到影響，發(fā)生了明顯下降情況，施工安全性無法得到保障。結(jié)合這些危害，需要礦井開采企業(yè)的技術(shù)人員對固井水泥漿與鉆井液接觸污染機理加強研究，并且結(jié)合研究成果提供處理策略，使得該污染問題發(fā)生率和之前相比較有著顯著地下降[1]。

2 固井水泥漿與鉆井液接觸污染作用機理分析

2.1 作用機理分析

2.1.1 試驗準備

本文選擇某處礦井工程為研究對象，對其開采作業(yè)期間的固井水泥漿與鉆井液接觸污染發(fā)生情況進行調(diào)查分析，之后準備了相應(yīng)的材料與儀器進行檢測試驗研究。該試驗操作過程中，需要工作人員準備研究礦井的水泥、分散劑、膨脹劑、混凝劑、生物聚合物增粘劑、鉆井液等材料，其中水泥漿材料依照研究礦井使用水泥材料的標準配置比例配置好后，需要對其性能進行檢測，可知水泥漿材料的水灰比為0.50，水泥漿的密度為1.9 g/m3，鉆井液中主要包括膨潤土、水等材料，并在其中加入了一定量的改性樹脂、聚丙烯酰胺鉀鹽等處理劑；準備的實驗材料主要包括常壓稠化儀、增壓養(yǎng)護釜、增壓稠化儀、原子吸收分光光度計、顯微鏡、紅外光譜、X射線衍射儀等。

2.1.2 試驗方法

試驗人員具體進行試驗操作期間，需要對相關(guān)部門頒布實施的《鉆井液材料規(guī)范》《油井水泥試驗方法》中關(guān)于試驗的相關(guān)內(nèi)容進行系統(tǒng)地研究分析與掌握，依照相應(yīng)的內(nèi)容進行標準化、規(guī)范化的試驗操作，研究鉆井液對水泥漿性能、水泥漿對鉆井液造成的影響，綜合相關(guān)的結(jié)果分析得出，兩種材料相互之間發(fā)生接觸污染的作用機理，主要需要測量混合漿料的流動度、膠結(jié)強度、抗壓強度、稠化時間及抗壓強度等參數(shù)。

2.1.3 試驗結(jié)果

首先鉆井液對水泥漿性能造成的影響，試驗人員需要參考試驗得到的流動度參數(shù)，來得出相應(yīng)的結(jié)論。試驗人員選取了5種鉆井液在水泥漿中進行添加處理，其中SMC、SLSP鉆井液處理劑加入到水泥漿中后，使得混合漿料的稠化時間顯著地增加，但是流動度受到的影響相對小，在混合漿料中分別加入了一定量的SMT、XC、KPAM鉆井液處理劑，則導致混合漿料出現(xiàn)了不同的變化：第一種鉆井液處理劑加入使得漿料稠化時間縮短，但是整體的時間縮短表現(xiàn)的表位緩慢且變化的幅度相對較??；第二種鉆井液處理劑置入混合漿料之中后，使得混合材料的稠化時間非常顯著地加快；第三種鉆井液處理劑加入后的混合漿料主要表現(xiàn)為材料的稠化時間基本無法檢測得到，而且材料流動性變得非常差。由此可以看出不同類型鉆井液處理劑置入混合漿料會對其性能產(chǎn)生相應(yīng)的影響，需要后續(xù)礦井固井水泥漿與鉆井液接觸污染研究人員可基于這一特性進行相應(yīng)處理辦法的尋求與使用[2]。

其次水泥漿對于鉆井液處理劑產(chǎn)生影響，水泥漿中含有較多的金屬離子，這些離子與鉆井液之間產(chǎn)生一定的作用，便會對鉆井液處理劑產(chǎn)生一定程度的影響，進而會影響鉆井液處理劑的使用效果。那么研究人員要從水泥漿金屬離子出發(fā)，來對金屬離子對鉆井液處理劑造成影響加以分析研究。具體分析水泥漿材料對鉆井液處理劑造成影響，主要為：在鉆井液處理劑溶液之中添加一定量的水泥濾液，該濾液當中包含有金屬離子，之后觀察鉆井液處理劑溶液的變化情況，發(fā)現(xiàn)溶液出現(xiàn)了流動度的顯著下降表現(xiàn)，對溶液的流動指數(shù)進行研究分析，也隨之發(fā)生了降低變化情況。其中基于XC和KPAM鉆井液處理劑的流動度變化顯著的，究其原因為這兩種鉆井液處理劑側(cè)鏈中包含有酰胺基、羧基，那么與水泥材料中的金屬離子發(fā)生作用后，會導致鉆井液處理劑發(fā)生凝膠作用，其中含有較多的水，使得鉆具鉆頭與之接觸后發(fā)生了無法有效向前鉆入的情況[3]。

當水泥漿與鉆井液處理劑進行接觸后，會生成混合漿料，此時會產(chǎn)生氫氧化鐵、氫氧化鋁等金屬離子。這些金屬離子均為高價離子，如果此時使用的鉆井液處理劑為XC和KPAM鉆井液處理劑時，那么這些鉆井液會和高價離子發(fā)生作用，進而使得相應(yīng)的基團受到影響出現(xiàn)凝膠情況，例如：羧基、羥基，最終在凝膠情況持續(xù)一段時間過后，會導致混合漿料中的水被凝膠大量的包裹起來，混合漿料流動性和常規(guī)的漿料流動性做以對比存在著明顯地降低表現(xiàn)。所以一方面使得水泥材料無法有效地在相應(yīng)的施工區(qū)域進行固結(jié)，影響作業(yè)地方的穩(wěn)定性，另一方面使得鉆井液中流動速度變得緩慢，后續(xù)鉆入設(shè)備在巖體當中的鉆入難度顯著地增加，礦井井下作業(yè)過程中鉆入工作成效開展不佳，最終影響整個礦井作業(yè)工作的質(zhì)量與效率，提示礦井作業(yè)單位需要高度關(guān)注該種污染問題，盡快利用有效辦法處理問題，防止兩種物質(zhì)接觸引發(fā)的污染問題繼續(xù)發(fā)生發(fā)展[4]。

最后生物增黏劑與聚丙烯胺添加劑中具備的長鏈分子物理吸附固井水泥漿內(nèi)部水泥離子的能力，在此基礎(chǔ)上也會形成一種混合性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對水泥漿自身性能也會造成較大程度的影響。因此生物增黏劑的應(yīng)用，還會導致固井水泥漿自身的顆粒團粘稠程度進一步增加，對于后續(xù)作業(yè)內(nèi)容產(chǎn)生較大危害。

2.2 改進對策

總結(jié)目前很多學者關(guān)于礦井固井水泥漿及鉆井液接觸污染機理研究的文章成果，發(fā)現(xiàn)可以下列措施進行污染問題的良好處理解決，要求礦井作業(yè)人員能夠?qū)@些措施進行分析研究，之后結(jié)合本礦井作業(yè)期間混合材料污染發(fā)生的具體情況，從中選擇一種或者多種處理辦法及加以利用，可以使得該種污染問題得到良好解決。首先加入膨潤土、隔離液，即礦井作業(yè)人員在進行固井工程建設(shè)期間，需要在配置的水泥漿材料中加入適量的膨潤土，之后在加入隔離液。需要注意隔離液材料的使用量要相對多一些，待這些材料全部加入其中后，作業(yè)人員要對其進行均勻的攪拌處理，使得水泥材料后續(xù)使用過程中的隔離效果理想，可以與鉆井液進行良好地隔離處理，最大化地避免兩者之間的混合。但是此法應(yīng)用過程中需要加入大量的隔離液，這就使得污染問題解決的成本大大提高，該缺陷需要引起作業(yè)人員的重視。其次對于水泥漿高價金屬離子進行良好地降低處理，便可以達到最終的處理效果，避免凝膠情況再次出現(xiàn)[5]。

此外就固井水泥將于鉆井液接觸作用機理入手，在結(jié)合現(xiàn)有污染機理情況下，做好以下工作：(1)固井水泥漿在與鉆井液發(fā)生接觸后，會對水泥漿性能造成較大影響，因此可以通過抗鈣導漿處理方式，減少固井水泥漿與鉆井液的接觸；(2)結(jié)合水泥漿受到鉆井液的影響評價結(jié)果，尋找能夠替代鉆井液的處理劑，但是該處理方案的可行性比較低，需要我國相關(guān)技術(shù)人員加強對該方面工作的研究力度；(3)通過降低固井水泥業(yè)與鉆井液中鐵離子等高價金屬離子濃度的方式，通過螯合劑的使用能夠與高價金屬離子直接進行反應(yīng)，從而形成螯合環(huán)，減少鉆井液中高價金屬離子對固井水泥液性能造成影響。

3 結(jié)語

綜上所述，在固井水泥漿中進行分散劑的添加，會導致水泥中絮凝結(jié)構(gòu)被破壞，釋放出絮凝結(jié)構(gòu)中的水分子，使得水泥溶液擁有一定的流動性。只有對固井水泥漿與鉆井液接觸的作用機理進行明確，在此基礎(chǔ)上選取合理優(yōu)化措施，減少作業(yè)中對固井水泥漿性能造成的影響，促進固井工程施工質(zhì)量與效益進一步提高。