油基鉆井液下水泥漿抗污劑的研究與應用

鐘　聲

（中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽 457001）

油基鉆井液下水泥漿抗污劑的研究與應用

鐘聲

（中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽 457001）

鐘聲.油基鉆井液下水泥漿抗污劑的研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：84-87.

針對目前油基鉆井液下水泥漿易被污染，固井質量難以保證的問題，運用實驗方法結合理論分析，開展了抗污染水泥漿體系的研究。利用人工巖心法證實了油基鉆井液對固井質量有較大影響，特別是對二界面膠結強度影響最大。通過實驗分析了基礎水泥漿被油基鉆井液污染后性能的變化，研制出了一種主要成分為烷基酚聚氧乙烯醚的抗污染劑Anti-P。室內實驗結果表明，將1%抗污劑Anti-P加入水泥漿中，在水泥漿被少量油基鉆井液污染后（小于10%），水泥漿性能不受影響，保證了固井質量。將其在多口井進行應用，效果良好。該成果填補了目前抗污染水泥漿體系的空白，值得進一步研究推廣。

固井質量；水泥漿添加劑；抗污染；油基鉆井液

油基鉆井液的使用給固井帶來很多困難。前人已對油基鉆井液對固井質量的影響機理、前置液固井技術等進行了相關研究，并形成了相應的水泥漿體系。但還有較多困難需要克服，特別是目前關于抗油污染水泥漿研究還是一片空白，如何保證水泥漿在微量油基鉆井液污染后的固井質量是亟需解決的問題［1-6］。因此，筆者從油基鉆井液固井難點著手，開展了抗油污染水泥漿體系實驗研究。

1　油基鉆井液對二界面質量的影響

油基鉆井液對固井質量的影響主要反映在對頂替效率及第二界面膠結程度上，筆者采用人工巖心法進行評價。

1）實驗巖心和套管。人造巖心：先稱取500 g標準砂，將其與占砂重約12%～15%的環氧樹脂攪拌均勻，倒入PVC管與鋼管所形成的環形空間里，常溫養護12 h，待其自行固化后，取出模具即制得所需巖心，巖心形狀為圓柱環形，高度為50 mm左右，孔隙率為15%～20%左右。用金屬棒模擬套管，長度為50 mm，直徑為33 mm。

2）實驗材料及配方。鉆井液體系：濮深18-側1井白油鉆井液、衛383-FP2井柴油鉆井液，鉆井液密度分別為2.20、1.94 g/cm3，膠結實驗用水泥漿：G級水泥+促凝劑（水灰比為0.44）。

3）二界面膠結強度評價方法——人工巖心法。該方法用巖心代替井壁巖石，直接在人工巖心上做鉆井液濾失實驗。在每種鉆井液中浸泡2塊人工巖心和一塊金屬棒，各浸泡24 h，以在巖心表面形成濾餅，在金屬棒表面形成吸附膜。首先，從每種鉆井液中取出浸泡好的巖心和金屬棒各一塊，直接置入水泥漿固化模中心，然后注入水泥漿，候凝；另外取空白巖心和金屬棒（即未經鉆井液浸泡的巖心和金屬棒）各一塊，置入固化模與水泥漿膠結。在 60 ℃下養護48 h后，分別測試剪切膠結強度，并記錄數據（見表1）。

表1　不同鉆井液的膠結強度數據 MPa

可以看出，油基鉆井液環境下，水泥環一、二界面的膠結強度大幅度下降，特別是對二界面膠結強度影響更為嚴重，因此，清除界面油膜對提高界面膠結能力、保證固井質量至關重要。

2　抗油污染水泥漿體系的研制

2.1抗污機理分析

通過相關文獻調研，確定本次實驗抗污劑的主要成分是烷基酚聚氧乙烯醚（APEO），它是一種水潤濕劑，起潤濕、反轉作用，能使油潤轉變成水潤，同時，它能與改性PVA類降失水劑（M89L）及AMPS類降失水劑發生交聯、共聚反應［7-8］。在共聚物中引入具有鏈剛性基團的單體，使得共聚物在高溫、高含鹽的情況下仍然很穩定，不會鹽析，分子鏈斷裂的程度降低。同時引入了具有羧基、羥基、酰胺基等吸附基團的單體，保證了共聚物在水泥漿中的抗溫穩定性及水泥石強度的發展，因此能穩定水泥漿的性能，抗擊微量油基鉆井液的污染［9］。

2.2基礎水泥漿體系被污染后性能變化

根據油基鉆井液特點及固井難點，在水泥漿體系方面采用較為成熟的非滲透水泥漿體系作為基礎水泥漿體系。實驗分別將2種非滲透水泥漿體系進行污染實驗，水泥漿配方如下，油基鉆井液∶水泥漿的比例均為10∶90。實驗結果如表2。

1#嘉華D級水泥+0.3%膨脹劑G502+0.4%分散劑USZ+1.0%早強劑G401+5.0%降失水劑CPS2000+2%促凝劑G204

2#嘉華D級水泥+4.5%抗鹽降失水劑G33S+0.4%緩凝劑GH-9

表2　非滲透水泥漿體系污染實驗

可以看出，水泥漿被污染后，性能整體變差。具體而言：被污染的水泥漿密度略微降低；QAPI增加明顯；析水量增加；抗壓強度減弱；水泥石收縮明顯；稠化時間縮短明顯；初始稠度增加等。也就是說，水泥漿在被10%的油基鉆井液污染后，性能已經發生了巨大變化，特別是水泥石收縮嚴重且疏松，抗壓強度大幅度降低。此外，筆者還進行了20%、30%的污染實驗，得到了基本一致的結論。因此，必須提高水泥漿體系性能，增強其抗污染能力。

2.3抗油污染劑的研究

1）抗污染劑加量及性能研究。根據上述研究，水泥漿被污染后性能急劇變差，如果在水泥漿中添加一種能使污染后水泥漿中的油基成分轉換成水基成分且不影響水泥漿性能的物質就能阻止水泥漿性能變差。結合抗污機理，通過室內研究，確定了一種抗污染劑Anti-P，實驗以上述1#和2#配方為基礎水泥漿體系，分別加入1%、2%、3%、4%、5%的抗污劑Anti-P，測定水泥漿性能的變化，研究了抗污劑加量對水泥漿性能的影響（見表3）。

表3　Anti-P加量對水泥漿綜合性能影響

實驗結果表明：在配方中加入（1%～5%）Anti-P后，水泥漿稠化時間、失水量及游離液幾乎沒有變化，但水泥漿抗壓強度隨其加量的增加略有增加。綜合考慮，抗污劑的加量為1%較為合理。

通過對加入1%Anti-P后的1#、2#配方進行水泥漿抗污染能力實驗（見表4）和強度實驗（見圖1、圖2）表明：抗污劑Anti-P最高能抗10%油基鉆井液的污染，當油基鉆井液污染量大于10%時，水泥漿抗污染能力明顯下降。因此，Anti-P能抗10%油基鉆井液的污染。

綜上所述：抗污劑Anti-P加入水泥漿配方中，在水泥漿被少量油基鉆井液污染后，水泥漿稠化時間、稠度、失水量、游離液幾乎不受影響；水泥石致密，不收縮，抗壓強度不降低。即被少量油基鉆井液污染后水泥漿的綜合性能得到了穩定，說明Anti-P的加入明顯增加了水泥漿的抗污能力，具有抗擊10%以內油基鉆井液污染的能力，這基本能保證固井過程中水泥漿不被污染。

表4　水泥漿中加入1%Anti-P后抗污染性能實驗

圖1　1#配方水泥石被污染前（左）后（右）對比圖

圖2　2#配方水泥石被污染前（左）后（右）對比圖

3　現場應用

該研究成果在衛68-FP1、衛383-FP2、陜北延頁平1井、順9CH井等4口使用油基鉆井液的井應用，采用已有的清油型高效沖洗隔離液及四級沖洗工藝［10］，合理配制Anti-P抗油污染水泥漿體系，固井頂替效率高，施工順利，固井質量良好（見表5）。特別是位于順托果勒2號構造上的順9CH井，其為西北局第1口使用油基鉆井液的井。該井完鉆井深為5 769 m，下φ177.80 mm套管。固井施工難點為超深井、重疊段間隙小而導致頂替效率較差，裸眼段長期浸泡產生油膜等。現場通過使用1%Anti-P抗油污染水泥漿體系，限制了油基鉆井液的污染，保證了優質的固井質量。

表5　Anti-P抗油污染水泥漿體系現場應用結果

4　結論

1.采用人工巖心法，證實了油基鉆井液環境下，水泥環一、二界面的膠結強度大幅度下降，特別是對二界面膠結強度影響更為嚴重。

2.研發了抗油污水泥漿添加劑Anti-P，具有抗10%以內油基鉆井液污染的能力，使水泥漿在微量油基鉆井液污染下仍具有較強的穩定性，保證了固井質量。

3.現場試驗表明，研制的抗油污水泥漿在衛68-FP1、衛383-FP2、陜北延頁平1井、新疆順9CH井等4口井使用性能良好，為同類井固井提供了經驗。

［1］邸偉娜，閆娜，葉海超.國外頁巖氣鉆井液技術新進展［J］.鉆井液與完井液，2014，31（6）：76-81.

DI Weina，YAN Na，YE Haichao.Overseas new progresses in nano drilling fluid technology for shale drilling［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2014，31（6）：76-81.

［2］朱定偉，丁文龍，鄧禮華，等.中揚子地區泥頁巖發育特征與頁巖氣形成條件分析［J］.特種油氣藏，2012，19（1） ：79-83.

ZHU Dingwei，DING Wenlong，DENG Lihua，et al. Development characteristics of mud shale and shale gas formation conditions in the middle Yangtze region［J］. Special Oil & Gas Reservoirs，2012，19（1） ：79-83.

［3］李勝，王顯光， 李舟軍，等.白-平2HF井回收油基鉆井液的優化研究及應用［J］.特種油氣藏2013，20（6） ：112-115.

LI Sheng，WANG Xianguang，LI Zhoujun，et al.Optimization and application of reclaimed oil-base drilling fluid of Well Bai-Ping 2HF［J］.Special Oil & Gas Reservoirs，2013，20（6） ：112-115.

［4］韓秀貞，王顯光，李勝，等.一種低黏高切油基鉆井液體系［J］.鉆井液與完井液，2015，32（3）：16-19.

HAN Xiuzhen，WANG Xianguang，LI Sheng，et al.A low viscosity high gel strength oil-base drilling fluid［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid，2015，32（3）：16-19.

［5］單高軍，崔茂榮，馬勇，等.油基鉆井液性能與固井質量研究［J］.天然氣工業，2005，25（6）：70-71.

SHAN Gaojun，CUI Maorong，MA Yong，et al.Relation between oil-base drilling fluid performance and cenent job quality［J］.Natural Gas Industry，2005，25（6）：70-71.

［6］童杰，李明，魏周勝，等.油基鉆井液鉆井的固井技術難點與對策分析［J］.鉆采工藝，2014，37（ 6） ：17-20.

TONG Jie，LI Ming，WEI Zhousheng，et al.Difficulties and countermeasures of cementing technology in oilbase drilling fluid drilling［J］.Drilling & Production Technology，2014，37（6）：17 -20.

［7］ 張潔輝，鄭邦乾， 張莉蓉.烷基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯共聚物表面活性劑的合成與性質［J］.精細石油化工，1998（ 03） ：14-19.

ZHANG Jiehui，ZHENG Bangqian，ZHANG Lirong. Synthesis and properties on the copolymer surfactant of poly（oxylethylene alkylphenyl ether）acrylate［J］. Speciality Petrochemicals，1998（ 03） ：14-19.

［8］楊曉鵬，郭東紅，辛浩川.脂肪醇/烷基酚聚氧乙烯醚磺酸鹽的合成工藝［J］.精細石油化工，2009（5） ：8-11.

YANG Xiaopeng，GUO Donghong，XIN Haochuan，et al.Preparation of aliphatic alcohol/alkyl phenol polyoxyethylene ether sulphonates［J］.Speciality Petrochemicals，2009（5）：8-11.

［9］黃志宇，陳士元，張太亮.烯烴加成法合成烷基酚聚氧乙烯醚磺酸鹽［J］.精細石油化工，2011（1） ：50-53.

HUANG Zhiyu，CHEN Shiyuan，ZHANG Tailiang，et al.Synthesis of alkylphenolpolyoxyethyleneethersulfonate by addition reaction of alkenes［J］.Speciality Petrochemicals，2011（1） ：50-53.

［10］李韶利，姚志翔，李志民，等.基于油基鉆井液下固井前置液的研究及應用［J］.鉆井液與完井液，2014，31（3）：57-60.

LI Shaoli，YAO Zhixiang，LI Zhimin，et al.Research and application of cementing ahead fluid in wells drilled with oil-base drilling fluid［J］.Drilling Fluid & Completion Fluid，2014，31（3）：57-60.

Study and Application of Anti-contamination Agent for Cement Slurry in Wells Drilled with Oil Base Drilling Fluids

ZHONG Sheng
（Cementing Branch of Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd.， Sinopec， Puyang， Henan 457001）

Wells drilled with oil base drilling fluid always have poor cementing job quality because of the contamination to the cement slurry by the oil base drilling fluid. Studies on the cement slurries that are resistant to contamination have been conducted using experimental method and theoretical analysis. In laboratory experiments with artificial cores， the effects of oil base drilling fluid on the cementing job quality， especially the effects of oil base drilling fluid to the bonding of the cement sheath and the borehole wall，have been proved. Anti-P （main component being alkylphenolpolyethoxylate）， an anti-contamination agent for cement slurry was developed by studying the change of the properties of base cement slurry before and after being contaminated with oil base drilling fluid. Laboratory studies showed that cement slurry treated with Anti-P can stand the contamination by oil base drilling fluid of less than 10%， the properties of the cement slurry was not affected， and the cementing job quality satisfied the requirements. The application of Anti-P in several wells has gotten good results. This technology has filled the gap of anti-contamination cement slurry and is well worth further study and application.

Well cementing job quality； Cement slurry additive； Anti-contamination； Oil base drilling fluid

TE256.6

A

1001-5620（2016）05-0084-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.018

中原石油勘探局科技攻關項目“鉆井液、固井及環保技術研究”（2012307）、“抗溫260 ℃鉆井液體系研究”（2013101）、“2.80 g/cm3超高密度水泥漿研究與應用”（2013123）。

鐘聲，工程師，1987年生，2009年畢業于西南石油大學石油工程專業，主要從事固井工藝技術相關研究。電話 13943330626；E-mail：zhongs1987@126.com。

（2016-4-29；HGF=1604N9；編輯 王小娜）