速溶硅酸鉀在克深區塊鉆水泥塞中的應用

祝學飛 馮 麗 嚴福壽中國石油川慶鉆探塔里木工程公司, 新疆 庫爾勒 841000

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速溶硅酸鉀在克深區塊鉆水泥塞中的應用

祝學飛 馮 麗 嚴福壽
中國石油川慶鉆探塔里木工程公司, 新疆 庫爾勒 841000

抗污染力;速溶硅酸鉀；鉆井液；鉆水泥塞;流變性；穩定性

0 前言

克深區塊位于塔里木盆地庫車坳陷克拉蘇構造帶,區塊特性[1]:山前構造、區塊內地層差異巨大、膏鹽層埋藏不一、斷層較多、完鉆井深6 000～8 000m、井身結構差異大、井底溫度130～175 ℃、目的層為高壓氣層、套壓100～130MPa。這些區塊特性對套管管串結構與固井質量[2]提出了較高要求。克深區塊水泥漿隔離液的處理劑與水基鉆井液不兼容[3],水泥漿運移段長易產生大量混漿;套管管串結構要求浮箍距離井底200～300m,形成長段水泥塞,尾管要求更高,水泥塞達500～700m,這些都是造成水基鉆井液嚴重污染的原因,尤其是高密度鉆井液,增加了水基鉆井液的抗水泥漿隔離液、混漿、水泥塞污染的難度。傳統鉆水泥塞處理方法不能滿足現場要求,故引入速溶硅酸鉀,利用其在水溶液中的膠凝沉淀效應與強抗污染能力[4],同時由于硅酸根離子與鈣離子反應生成硅酸鈣沉淀,使鉆井液保持較強的黏結性能,避免因鉆井液黏切較低至脫膠，不能滿足帶砂需要而發生卡鉆事故[5]。

1 傳統鉆水泥塞鉆井液技術

以往鉆水泥塞過程中,均采用兩種方法[6]：一是加入純堿進行預處理和維護處理；二是加入樹脂類抗鈣處理劑充分護膠增強其抗鈣能力。這兩種方法對隔離液量小、水泥塞較短的井比較容易處理,但對隔離液量大、水泥塞長、井底溫度高的井處理比較困難。純堿加量偏低或者偏高都容易造成鉆井液黏切偏低或者偏高,還容易造成鉆井液碳酸根后期污染[7],給鉆井液維護處理帶來麻煩;樹脂類處理劑價格昂貴,在上部聚合物鉆井液井段易受限制,而下步井段加量較大,增加了成本。

2 速溶硅酸鉀作用機理

速溶硅酸鉀是一種白色粉狀物并能快速溶于水的泡化堿，分子式K2O·nSiO2·H2O，其水溶液能有效抑制黏土的水化分散能力。穩定黏土的主要機理是尺寸較寬的硅酸離子通過吸附、擴散等途徑結合到黏土晶層端部,堵塞黏土層片之間的縫隙,鉀離子具有較強的抑制黏土水化作用,從而穩定黏土[8];在高溫長裸眼井段,硅酸鉀與黏土反應會改變黏土表面晶體結構,能與黏土進行化學反應產生無定形的、膠結能力強的物質,使黏土礦物等顆粒結成牢固的整體,使鉆井液黏切更穩定。

速溶硅酸鉀最基本的化學結構單元為硅氧四面體[9][SiO4],溶解于鉆井液中，遇到Ca2+生成沉淀,降低鉆井液中鈣離子濃度,減小其他處理劑與鈣離子反應機會,達到鉆井液性能更加穩定的效果。其化學反應方程式為:

3 速溶硅酸鉀室內評價

表1 速溶硅酸鉀不同加量對基漿流變性的影響

硅酸鉀/()密度/(g·cm-3)黏度/s塑黏/(mPa·s)屈服值/Pa初切力/Pa終切力/Pa失水量/mL高溫高壓失水量(160℃)/mL02 29685074102 0100 12 2968527 55132 0100 152 2970548 57162 1110 22 297558108 5202 1110 32 2990641413262 211

4 克深16井與克深904井鉆水泥塞情況

4.1 克深16井鉆水泥塞與處理

表2 克深16井五開、六開鉆水泥塞參數統計

開次鉆頭尺寸/mm型號鉆壓/t轉速/(r/min-1)泵壓/MPa排量/(L·s-1)塞長/m時間/h五開215 9HJT517G560172230024五開149 3HJT517G550211473850六開149 3CK406D450221232918 5六開104 78CK305250231052033

表3 克深16井五開、六開鉆水泥塞過程中鉆井液性能

開次井深/m密度/(g·cm-3)黏度/s塑黏/(mPa·s)屈服值/Pa初切力/Pa終切力/Pa失水量/mLpH高溫高壓失水量(160～175℃)/mL五開42722 1075558 558 541014五開45722 10755585941014五開53552 1073558 558 541014五開57002 106655103 51141014五開60932 10725395 51341014六開54162 2988521910251 21010六開55002 2986501810251 21010六開57442 2885501810251 21010六開57801 8564361031421010六開60001 866536931321010六開63001 85643592 51221011 注：五開高溫高壓測試溫度160℃，六開高溫高壓測試溫度175℃。

4.2 克深904井鉆水泥塞與處理

表4 克深904井三開鉆水泥塞參數統計

開次鉆頭尺寸/mm型號鉆壓/t轉速/(r·min-1)泵壓/MPa排量/(L·s-1)塞長/m時間/h三開333 38HAT127870174042720三開241 3MS1952SS4～655223623825

表5 克深904井三開鉆水泥塞過程中鉆井液性能

開次井深/m密度/(g·cm-3)黏度/s塑黏/(mPa·s)屈服值/Pa初切力/Pa終切力/Pa失水量/mLPH高溫高壓失水量(140℃)/mL三開35831 9061539282 410 510三開40101 90595181 552 410 510三開64371 905547512 52 410 514三開66751 90504530 51 52 410 516

4.3 兩口井鉆水泥塞黏切變化對比

由表3可看出,克深16井鉆井液經速溶硅酸鉀處理后，鉆水泥塞過程中黏度、初切力、終切力變化趨勢平穩,性能穩定。

由表5可看出,克深904井鉆井液經純堿處理后，鉆水泥塞過程中黏度、切力變化均呈下降趨勢,尤其初切力、終切力下降明顯,高溫高壓失水量增加,不能滿足現場鉆井要求。

5 結論

1)速溶硅酸鉀抗水泥塞污染能力強,經其處理的鉆井液在鉆水泥塞的過程中在深井(6 300m)、高溫(電測井底溫度173.3 ℃)、長段水泥塞(738m)、長時間(50h)條件下表現出良好的流變性與熱穩定性。

2)克深16井與克深904井鉆水泥塞過程中分別采用速溶硅酸鉀與純堿維護處理,通過對比井漿流變性,證明速溶硅酸鉀優于純堿。

3)在克深區塊,由于井深、密度高、井底溫度高、水泥塞較長,鉆水泥塞過程中應推廣使用速溶硅酸鉀,降低鉆水泥塞產生的工程風險，避免鉆井事故。

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2014-12-25

祝學飛(1983-),男,重慶人,工程師,本科，主要從事鉆井液技術工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.013