新型可固化工作液的室內研究

孔衛開，徐可一，舒 智

（四川華鋒鉆探工程有限責任公司，四川成都 610091）

新型可固化工作液的室內研究

孔衛開，徐可一，舒 智

（四川華鋒鉆探工程有限責任公司，四川成都 610091）

針對難以堵漏的惡性漏失地層和水泥封固效果不良的垮塌層，開發出新型可固化工作液。該工作液以常規鉆井液為基礎，具有優良的懸浮能力、流變性和抗鹽能力，與鉆井液相容性良好，在一定條件下能固化達到一定強度。可作為堵漏液使用，也可在井壁失穩地層作為封固液使用，能有效提高堵漏成功率和對失穩地層的封固效果。

漏失;堵漏;封固;固化;工作液

0 引言

鉆探工作中常會遇到惡性漏失地層和井壁失穩現象。傳統的架橋堵漏方法難以準確掌握裂縫寬度、孔喉比等數據，因此不易優選和確定堵漏劑配方，降低了堵漏成功率。而且形成的封堵層通常抗壓能力較低，在下鉆過程中由于激動壓力的影響可能被重新壓漏，增加鉆井液密度時也可能將前期封堵層壓漏。起鉆和取心過程中，也可能由于抽汲壓力的影響使得部分堵漏材料脫離裂隙，封堵效果減弱，造成額外漏失。嚴重的井壁失穩地層中，有時會產生重復性坍塌，使得垮塌部位井徑不斷增大。在常規方法無效的情況下，一般會采用注水泥的辦法對垮塌層進行封固，但由于常規的鉆井液和水泥漿很難相容，兩相接觸時會發生膠凝現象，水泥漿對鉆井液的驅替不徹底，造成水泥漿污染，嚴重影響水泥漿的固化效果。為了減少水泥漿凝固的時間，一般還需加入膠凝材料、促凝劑等加速凝固，但配方的復雜化和對失水的要求使得注水泥施工過程中的可泵性、稠化時間、可操作性等存在一定的不確定性，施工安全存在隱患。因此，研究出一種可固化工作液，該工作液泵入井下后可在一定時間內固化并產生一定強度，既可起到堵漏作用，也可對垮塌嚴重地層進行有效封固。

1 實驗材料

流性改進劑類:鈉膨潤土（PR），羥丙基淀粉（HPS-1），纖維素HEC104和HEC，鈉羧甲基纖維素 CMC，生物膠 XC;稀釋劑類:SMC、SMT-1、FLCS、SXY-2;固化劑:KZ;激活劑:JH1、JH2、JH3;表面活性劑:L-50A。

2 工作液配方研究

2.1 流性改進劑優選

2.1.1 清水中的沉降穩定性

基漿配方:3%PR+流性改進劑+0.5%SXY-2。對流性改進劑進行復配，用重晶石將基漿加重到2.2 g/cm3后分別在常溫、50、70和90℃下靜置24 h，觀察其沉降和游離水。試驗后優選出沉降性較好的5個配方，見表1。

不同配方在不同溫度下清水中的沉降穩定性觀察結果見表2。

從表2可見，5個配方在清水中的沉降穩定性排序依次是3號＞4號＞5號=2號=1號。其流變參數見表3。

表1 優選配方

表2 優選配方在清水中的沉降穩定性

表3 優選配方的流變參數

2.1.2 抗鹽性能

對清水中5個懸浮性較好的基液配方進行鹽水中的懸浮穩定性試驗評價，鹽的加入百分比分別為6%、13%、20%、26%、33%（飽和），對不同試驗方案均用重晶石加重至2.2 g/cm。由于一般情況下溫度越高，沉降穩定性越差。為充分顯示不同配方在鹽水中的沉降穩定性，選擇在90℃下進行試驗，觀察結果見表4。

表4 優選配方在鹽水中的沉降穩定性

從表4可見，優選配方在鹽水中的沉降穩定性排序依次是3號＞4號＞5號=2號＞1號。

因此優選3號配方進行進一步評價。

2.2 稀釋劑優選

高效稀釋劑能改善工作液的流動性能，使得工作液流動性增強，降低工作液的觸變性和動切力，有利于進入、封堵漏失層和低壓下實現紊流驅替原鉆井液，提高封堵和封固質量。

通常使用的稀釋劑有褐煤類SMC、單寧類SMT-1、木質素磺酸鹽類FLCS和硅氟類SXY-2。對3號基漿在不同溫度下進行流動度評價，結果見表5。

表5 稀釋劑對3號基漿的流動度影響試驗

從表5可見，在不同溫度和加量下，SXY-2相比其他3種稀釋劑都具有更好的流動度，說明SXY-2的稀釋效果較優，因此選定SXY-2為稀釋劑。2.3 激活劑優選

2.3.1 單獨激活劑的固化效果

激活劑選擇 JH1、JH2、JH3。加入固化劑 KZ后，考察它們對3號配方基液的激活效果，結果見表6。

表6 單體激活劑的固化效果

從表6中可見:（1）溫度對最終固化效果有明顯影響，JH1的3號方案中50、70、90℃下48 h強度分別為 5.37、4.21、2.88 MPa，JH2的 6號方案中50、70、90 ℃ 下 48 h 強度分別為 2.34、3.15、2.91 MPa，由此說明不同激活劑在不同溫度下效果有較大差異;（2）分析JH1和JH2的強度發展可知，JH1方案的強度發展較快，24 h即接近最大強度，而JH2方案強度發展緩慢，但在10天后強度可達到11.24 MPa。圖1為3號方案在48 h/90℃條件下的固化照片，固化體表面呈現大量裂紋，圖2為6號方案在48 h/90℃條件下的固化照片。

圖1 3號方案在48 h/90℃下的固化體照片

圖2 6號方案在48 h/90℃下的固化體照片

由此說明JH2在基液中的激活能力不如JH1強，但JH1過強的激活能力導致了固化體的開裂，影響了可達到的最終強度。JH2最終固化性能優異，但時間過長。JH3方案的強度發展與JH2相似，但激活能力和最終強度都較JH2為弱，因此不再對JH3做進一步研究。為了同時兼有JH1和JH2的激活能力上的優點，因此接下來對JH1和JH2進行復配優化。

2.3.2 JH1與JH2復配激活的固化效果

對JH1和JH2按質量比1∶4、2∶3和1∶1進行試驗，所得結果見表7。

表7 JH1、JH2復配固化效果

由表7中可見，當JH1和JH2加量分別為5和20 g時，24 h/70℃強度可達到6.92 MPa，24 h/50℃也可達到6.78 MPa，90℃時裂紋較多，強度較低。因而選定1∶4為JH1和JH2的混合質量比。混合物記為JH。

2.4 固化劑加量對固化效果的影響

固化劑KZ的加量會影響工作液的流變性和固化效果。加量過多時固相含量增加會影響到工作液的流變性，影響進入漏層堵漏和對鉆井液的有效驅替。過少則會影響到固化體的膠結質量，表現為強度不足。因此需對固化劑加量進行評價，找到合理的平衡加量。試驗結果見表8。

表8 KZ加量對固化效果的影響

如表8中，KZ加量超過350 g后抗壓強度變化較小，加量小于350 g抗壓強度減小程度較大。因此選定350 g，即基漿質量的87.5%為KZ加量。

2.5 激活劑加量對固化效果的影響

為考察激活劑JH加量對固化效果的影響，對JH的加量進行細化，結果見表9。

表9 JH加量對固化效果的影響

從表9中可見，JH加量在22.5 g時，24 h三個溫度下的抗壓強度分別為6.12、6.00、3.64 MPa，明顯少于JH 加量為25 g時的6.78、6.92、4.17 MPa。而JH加量超過25 g后，抗壓強度沒有明顯增強的跡象。因此選定 JH加量為25 g，即基漿質量的6.25%。

3 密度對工作液固化效果的影響

3.1 調整密度范圍1（1.14～1.45 g/cm3）

按上述配方所配制成的添加有固化劑的工作液密度約為1.45 g/cm3。為適應更多工況的需要，需用減輕劑或加重劑對工作液進行減輕或加重。密度改變后最終固化效果受到影響，抗壓強度改變。減輕情況下的不同密度固化效果見表10。

表10 低密度工作液固化效果

由表10中可見，隨著密度的降低，固化體的抗壓強度急劇下降，密度為1.25 g/cm3時，50℃下抗壓強度只有2.64 MPa，70℃下只有2.33 MPa。密度為1.14 g/cm3時，工作液雖然有膠結但不能形成強度。根據一般堵漏和固化井壁的要求來看，2 MPa足以滿足要求，因此1.25 g/cm3密度下仍可應用。

3.2 調整密度范圍2（1.45～1.95 g/cm3）

同樣做加重情況下的工作液固化效果試驗，試驗結果見表11。

表11 高密度工作液固化效果

從表11中可見，密度低于1.65 g/cm3時，抗壓強度隨密度增加而有所增加，但之后抗壓強度隨密度增加而減小。其原因可能是重晶石粉加量小于90 g時，參與到膠結足夠的固化體結構中，起到了增加抗壓強度的作用。而加量大于90 g后，過多的加量造成了固化體結構的膠結不足，于是抗壓強度降低。但在密度為1.95 g/cm3時，90℃下抗壓強度依然有3.10 MPa，仍然可以滿足使用要求。

綜上所述，該工作液體系在密度范圍1.25～1.96 g/cm3內均可使用。

4 溫度對工作液固化效果的影響

在前面的實驗中已經發現工作液在不同溫度下表現出的固化效果有較大差異。為進一步了解溫度對工作液固化效果的影響，應用密度為1.45 g/cm3時的工作液基漿做不同溫度下的固化效果評價。試驗結果見圖3。

圖3 溫度對工作液固化效果的影響

由圖3可見，工作液在60℃條件下固化效果最好，常溫下只有2.90 MPa。由此說明60℃條件下激活劑對KZ的激活效果最好，低溫時不利于發揮激活能力，而更高溫度下強度變差的原因可能是由于傳熱過程的不均勻造成了激活程度的差異性，使得固化體各處激活速度不均，在其內部產生內應力，從而影響了最終抗壓強度。

5 工作液與鉆井液的相容性

對不添加固化劑的工作液基液加重至1.5 g/cm3，選用基液:3%PR+0.5%G30+0.3%CMC+0.5%SXY-2+0.5%LP-50A+6%JH+1%FB，加重至1.5 g/cm3;鉆井液:3.5%PR+0.8%CMC-1+1.5%XC+0.2%PAM+0.4%FCLS+0.8%DAS，加重至1.4 g/cm3。在常溫下進行相容性試驗，試驗結果見表12。

表12 工作液與鉆井液的相容性試驗

從表12可以看出，工作液與鉆井液混合后，不會產生膠凝現象，流動性有所改善，有利于鉆井液被驅替。

6 工作液與鉆井液混合后的固化效果

雖然工作液與鉆井液基礎配方是一樣或接近的，不會像水泥漿一樣接觸后產生膠凝現象，驅替效率比水泥漿也有所提高。但是仍然需要考慮驅替不凈時的情況，因此對工作液和鉆井液按不同體積比做混合抗壓強度試驗。其結果見圖4。

圖4 工作液與鉆井液混合后的固化效果

由圖4可見，當鉆井液體積所占比重加大時，最終固化強度受到的影響程度逐漸加大，鉆井液占到40%時，混合液無法形成強度。因此在井下垮塌特別嚴重，鉆井液驅替難度增大時，可以考慮適當增大固化劑KZ和激活劑JH的加量，彌補驅替不良造成的固化效果減弱。

7 結論

（1）通過實驗確定了新型可固化工作液的基本配方，使其具有優異的懸浮能力、抗鹽能力，能適應攜帶固化劑的需要以及含鹽地層的性能要求。

（2）工作液具有良好的流動能力，容易形成紊流對鉆井液及封固空間內的滯留物進行驅替作用。

（3）工作液的工作密度在一定范圍內可調，在常溫到90℃范圍內都能形成一定強度，適應不同工況的實際需要。

（4）工作液與鉆井液有良好的相容性，不會在接觸后形成絮凝，而且對鉆井液有一定的稀釋作用，能增強鉆井液的流動性。工作液與鉆井液按一定比例條件混合后仍能形成強度。

（5）工作液可用于傳統方法難以堵漏的地層進行堵漏作業。該工作液的流變性有利于進入漏失地層，靜止一定時間后能形成足夠強度，對地層進行有效封堵。

（6）工作液可在垮塌嚴重地層對井壁進行加固，在井眼內可對鉆井液及井內絮凝物、附著物進行有效驅替，減少或消除鉆井液污染的問題，靜止一定時間后形成的強度可對井壁進行有效加固。

（7）可固化工作液中涉及的主要材料如流性改進劑、稀釋劑、固化劑等均容易取得。用量最大的固化劑KZ原料主要為高爐礦渣，實際成本與水泥接近;其他處理劑為通用鉆井液處理劑，激活劑本身成本也不高。同時，其實際應用中不需要額外設備、工具或特殊工藝措施支持，因此可應用于地質勘探鉆孔施工領域，并具有較好的應用前景和社會經濟效益。

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Laboratory Study on a New Settable Working Fluid

KONG Wei-kai，XU Ke-yi，SHU Zhi（Sichuan Huafeng Drilling ＆Engineering Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610091，China）

According to the collapsing formation which is difficult to control the severe leakage and can not be effectively cemented，a new settable working fluid was developed.It is based on the conventional drilling fluid with good suspension capacity，rheological property，salt-resistant ability and good compatibility of drilling fluid，its suitable solidification intensity can be reached under certain conditions and can be used as sealing fluid or as cementing fluid in borehole instability formations to improve the sealing and cementing effect.

leakage;sealing;concretion;solidification;working fluid

P634.6+4

A

1672-7428（2012）07-0009-05

2011-12-27;

2012-06-18

孔衛開（1975-），男（漢族），安徽定遠人，四川華鋒鉆探工程有限責任公司副總經理、工程師，探礦工程專業，從事地質巖心鉆探施工管理工作，四川省成都市青羊區廣富路218號青羊工業總部基地G區8C棟，kwk163@163.com。