井漿改造固井隔離液的評價與應用

周代生， 李茜， 張啟根， 汪偉， 謝顯濤

（1. 中國石油西南油氣田公司工程技術研究院，成都610017；2. 中國石油西南油氣田公司華油公司，成都610051；3. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆井液技術服務公司，成都610056）

固井時水泥漿與鉆井液相容性差，嚴重影響了固井安全施工，極易出現固井注水泥漿時“灌香腸”、“插旗桿”等惡性安全事故的發生，嚴重制約油氣開采速度。通過研究，形成了一套由現場井漿改造、對現場井漿性能影響小、不排放的固井抗污染隔離液GLJ技術，能解決水泥漿與鉆井液接觸污染，相容性差的問題，確保現場固井注水泥施工安全進行，施工完成后剩余隔離液GLJ和井筒中返排出的隔離液GLJ可繼續作為鉆井液使用，避免剩余隔離液GLJ的外排而帶來的環境問題等，實現了清潔生產，從技術、環境、經濟方面展現出較好的應用前景[1-10]。

1 隔離液GLJ的技術原理

水泥漿與鉆井液接觸污染因素：水泥漿中的Ca2+、Mg2+與鉆井液膨潤土及含鈉離子處理劑等將產生離子交換反應，使鈉質黏土轉換為鈣質黏土，網狀結構增強，造成混合流體的黏度迅速上升；水泥漿水化產生的Fe3+、AI3+等高價金屬離子對鉆井液中聚合物XC、KPAM等發生交聯生成凝膠，造成混合流體稠度快速增加、稠化時間大大縮短。同時鉆井液中無機離子、聚合物XC、KPAM、鉆井液處理劑與水泥外加劑相互作用等因素均會影響水泥水化，對水泥漿有促凝作用，使混漿稠度增加。

配制隔離液GLJ所用的隔離劑GLJ分子結構中含有強吸附的陽離子基團、—OH、高價離子等，以離子鍵和氫鍵的方式極易在黏土粒子端面吸附，提高黏土顆粒端面Zeta電位， 形成保護膜， 阻止黏土顆粒間形成“卡片房子”結構，同時也大大阻礙Ca2+壓縮雙電層的能力，進而提高抗鈣污染的效果。另外，隔離劑GLJ中含有大量的—SO3-、SO42-等強水化基團，不受Ca2+的影響，進一步提高抗水泥污染能力，同時改善鉆井液對水泥漿的促凝作用，防止水泥漿提前稠化，隔離液GLJ與鉆井液、水泥漿良好相容，混合流體高溫高壓下不發生增稠、沉淀等現象，確保固井施工的順利完成。

2 實驗與藥品

2.1 主要儀器與藥品

常壓稠化儀，7716型高溫高壓稠化儀、高溫高壓失水儀、六速旋轉黏度計、恒速攪拌機、流動度測試儀、密度計、常壓恒溫水浴箱；隔離劑GLJ（自 制）、有機高分子絡合劑（自制）、表面活性劑OP-10、G級嘉華水泥、高溫穩定劑、緩凝劑、鈦鐵礦粉等。

2.2 隔離液GLJ配制方法

用清水將現場鉆井液稀釋20%（V鉆井液∶V清水的比例為8∶2），攪拌混合均勻。依據隔離液GLJ設計密度加入重晶石，形成固井抗污染隔離液GLJ用鉆井液，攪拌均勻后待用。在攪拌條件下，按計量緩慢加入隔離劑，攪拌2 h，確保隔離劑在鉆井液中充分溶解；用燒堿NaOH調體系pH值。

2.3 隔離液GLJ效果的評價方法

GLJ隔離效果的評價方法采用GB/T 19139—2003《油井水泥試驗方法》、SY/T 6544—2003《油井水泥漿性能要求》、美國石油學會API SPEC10《固井水泥漿水泥漿評價標準》中的方法及規定。將配制好的隔離液GLJ分別在不同環境條件下與水泥漿以不同的比例混合，按照標準中規定在高、低溫下進行實驗，并按規范與水泥漿、鉆井液進行相容性實驗，評價隔離液GLJ在井下各種環境下的性能。

3 隔離液GLJ性能評價

3.1 GLJ加量對隔離液抗污染效果的影響

評價了混合流體在126 ℃、60 MPa下的高溫高壓稠化實驗，結果見表1。

表1 隔離劑加量對混合液稠化時間的影響

從表1可以看出， 用隔離劑將鉆井液改造為隔離液GLJ后， 有效延長了隔離液GLJ、 鉆井液、 水泥漿混合流體增稠、失去流動性的時間；隔離劑的加量大于8%后，水泥漿與隔離液GLJ以95∶5、7 0∶30體積比混合后高溫高壓稠化時間大于219 min，水泥漿、鉆井液、隔離液GLJ以70∶20∶10比例混合，混合流體的高溫高壓稠化時間大于260 min，能確保固井注水泥漿施工安全。

3.2 不同鉆井液體系改造形成的GLJ抗污染效果

根據川渝地區常用的鉆井液體系，室內配制與鉆井液體系密度相適應的水泥漿體系，通過室內實驗評價不同鉆井液體系與水泥漿的相容性，如果存在相互接觸污染，對鉆井液進行改造形成隔離液GLJ，再進行抗污染性能評價，高溫高壓稠化實驗條件為120 ℃、70 MPa，實驗數據見表2。從表2可知，目前常用的各類鉆井液與四川地區常用的水泥漿相容性較差，存在不同程度的相互污染，相互接觸形成的混合流體在46～95 min時間稠度超過60 Bc，失去泵注條件；通過向各類鉆井液中加入隔離劑改造成隔離液GLJ后，改善了水泥漿與鉆井液的污染情況，不同比例下的高溫高壓稠化時間都大于240 min，滿足了現場注水泥漿的施工要求。

表2 不同鉆井液體系形成的隔離液GLJ抗污染效果評價

3.3 隔離液GLJ的流變性能評價

在不同密度現場鉆井液中加入8%的隔離劑改造成隔離液GLJ，按照GB/T 16783.1—2014《鉆井液現場測試第1部分：水基鉆井液》測量常溫（30℃）和120 ℃滾動16 h后隔離液GLJ的各項流變性能，結果見表3。從表3可以看出，將鉆井液改造成的隔離液GLJ具有較好的流變性能，常溫和高溫老化后動切力能保持較高值，避免因隔離液GLJ中重晶石沉淀而導致泵壓升高或電測遇阻的情況發生，塑性黏度和n、K值也表現出較好的流態，流體在井筒中容易以紊流或塞流的形式流動，提高隔離液GLJ對井筒中鉆井液的頂替效果和對泥餅的沖刷作用，提高固井質量。

表3 隔離液GLJ流變性能

3.4 隔離液GLJ抗溫性能評價

將密度為2.36 g/cm3的鉆井液改造成隔離液GLJ以不同溫度恒溫滾動老化16 h，冷卻至室溫測量隔離液GLJ的流變參數及n、K值，同時將老化后的隔離液GLJ在90 ℃恒溫靜置2 h，測量隔離液GLJ對重晶石的懸浮穩定性（密度差），其結果見表4。從表4可知，隔離液GLJ經高溫老化后高溫高壓濾失量保持較低值，能保持較好的流變性能，具有較好的黏度、切力值，高溫老化未使隔離液GLJ黏度、切力大幅下降，90 ℃條件下靜置養護2 h后體系各部位密度差小于0.02 g/cm3，說明隔離液GLJ具有良好的抗高溫能力和沉降穩定性。

表4 隔離液GLJ抗溫能力評價

3.5 隔離液GLJ對鉆井液性能的影響

將密度為2.36 g/cm3的隔離液GLJ與鉆井液以不同比例混合，將混合流體在常溫及120 ℃滾動16 h，分別測量混合流體的各流變參數及120 ℃高溫高壓濾失量，結果見表5。

表5 隔離液GLJ對鉆井液性能的影響

從表5可知，GLJ與鉆井液不同比例混合后，仍具有較好的流變性能，高溫高壓濾失量較低，隔離液GLJ可作為鉆井液繼續使用，避免剩余隔離液GLJ及井筒中返出的隔離液GLJ進入污水池，減少現場廢棄液的排放及處理量，減輕現場環保壓力，實現了清潔生產。

3.6 隔離液GLJ對水泥漿性能影響

固井注水泥漿用隔離液要求與水泥漿、鉆井液具有良好配伍性，將隔離液GLJ與水泥漿、鉆井液以不同比例混合，評價了常溫流動度、高溫養護后的流動度、高溫高壓稠化實驗（111 ℃、壓力60 MPa），及對水泥漿強度的影響，其結果見表6。從表6可以看出，鉆井液與水泥漿相容性較差，隔離液GLJ與水泥漿2者的混合流體或隔離液GLJ與鉆井液、水泥漿3者的混合流體都具有較好的流動度，混合流體稠度大于40 Bc的高溫高壓稠化時間由空白樣的65 min延長到最短274 min，說明隔離液GLJ能解決鉆井液與水泥漿接觸污染、相容性差的問題；水泥漿強度隨隔離液GLJ量的增加而降低，這主要是因為鉆井液不能凝固。

表6 隔離液GLJ對水泥漿性能的影響

4 隔離液GLJ的現場應用

以隔離劑改造現場井漿形制成的隔離液GLJ在川渝地區磨溪-高石梯區塊完成了13井次（磨溪39井、磨溪41井、磨溪206井、磨溪103井、高石001-X1井等）的現場應用，解決了注水泥漿過程中水泥漿與鉆井液相容性差的問題，整個注水泥漿過程泵壓平穩，未出現泵壓激增、憋泵現象的發生，施工安全順利完成。施工結束后循環罐中剩余隔離液GLJ與井筒中返出的隔離液GLJ繼續作為鉆井液使用，實現了廢棄液的零排放，清潔生產。

高石001-X1井φ177.8 mm套管固井時井深為5 105 m，井底溫度為139 ℃，密度為2.18 g/cm3，鉆井液與水泥漿相容性較差。水泥漿為密度為2.30 g/cm3的加砂防氣竄水泥漿體系，水灰比為0.3。水泥漿與鉆井液以70∶30（V/V）混合后高溫高壓稠化70 min時，混合流體稠度達到60 Bc，因此需要配制隔離液解決鉆井液與水泥漿相容性差的問題。

在稠化實驗溫度為112 ℃，升溫時間為50 min，稠化實驗壓強為70～80 MPa條件下，將水泥漿、 井漿、 隔離液GLJ進行污染稠化實驗， 其結果見表7。

表7 水泥漿、井漿、隔離液GLJ污染稠化數據

5 結論及建議

1.固井抗污染隔離液GLJ現場配制簡單、方便，只需將隔離劑直接加入現場鉆井液中即可改造成固井抗污染隔離液GLJ，可減少新增液體量、鉆井液加重劑等材料用量，減輕現場儲存壓力。

2.固井抗污染隔離液GLJ具有較好的流變性、懸浮穩定性，可根據現場施工對GLJ的流變性能參數要求進行調整，具有良好的抗溫性能，井筒中長時間靜置不會導致隔離液GLJ重晶石沉淀。

3.隔離液GLJ與水泥漿具有良好的配伍性，各種比例混合流體的高溫高壓稠化實驗240 min內體系稠度值不大于40 Bc，滿足固井注水泥漿安全施工要求。

4.隔離液GLJ與鉆井液具有良好的配伍性，不同比例混合后對鉆井液流變性和濾失量影響較小，施工完成后剩余的隔離液GLJ和井筒中返排出的隔離液GLJ，可混入現場井漿中作為鉆井液繼續使用，減少現場廢棄液的排放及處理量，減輕現場環保壓力，實現了清潔生產。