存在鉆井液環境下地聚合物性能實驗研究

梁甲波

（中國海洋石油伊拉克有限公司油井作業中心）

梁甲波.存在鉆井液環境下地聚合物性能實驗研究.鉆采工藝，2019，42（5）：83-86

固井是完井作業過程中不可缺少的一個重要環節，油田固井時常用的固井材料為硅酸鹽水泥，使用硅酸鹽水泥進行固井作業時，水泥環可能存在的裂縫、縫隙等缺陷［1-3］。近年來新型固井材料地聚合物逐漸成為常規固井材料硅酸鹽水泥的替代品，國內諸多學者均對地聚合物的性能進行了實驗研究［4］，并將其與硅酸鹽水泥進行了性能對比。但在固井作業中鉆井液的存在使得鉆井液與地聚合物的混合成為不可避免的現象，而在鉆井液存在條件下地聚合物和硅酸鹽水泥的性能對比還缺少研究。本文以油田常用鉆井液、硅酸鹽水泥和地聚合物為研究對象，在含鉆井液條件下的地聚合物的性能進行了室內實驗研究。測試了存在鉆井液條件下地聚合物的黏度、剪切應力、抗壓強度等參數，并將測試結果與相同條件下硅酸鹽水泥的測試結果進行了對比。

一、實驗材料

為保證實驗的準確性，本文采用油田常用的硅酸鹽水泥和鉆井液，硅酸鹽水泥組分性質如表1，鉆井液性質如表2所示。地聚合物由粉煤灰、NaOH和Na2SiO3混合制成，粉煤灰的組分如表3所示。

表1 硅酸鹽水泥組分

表2 鉆井液性質

表3 粉煤灰組分

二、實驗結果與討論

1.地聚合物以及硅酸鹽水泥制備

地聚合物原料配比如表4所示。在室溫24℃和大氣壓條件下，在攪拌機中先加注自來水，然后加入粉煤灰，低速攪拌10 s。然后，加入NaOH和Na2SiO3混合的堿性溶液，低速攪拌10 s，再加入不同比例的鉆井液（0%、5%、10%）并高速攪拌30 s。將該漿料倒入立方體模中，固化24 h，用于實驗測試。

表4 地聚合物原料配比

以蒸餾水和硅酸鹽干水泥質量比38∶100為依據，進行硅酸鹽水泥制備。在攪拌機中加注蒸餾水，然后低速攪拌15 s后將硅酸鹽水泥加入攪拌機，將攪拌機蓋上，并在高速下繼續攪拌35 s，再加入不同比例的鉆井液（0%、5%、10%）低速攪拌30 s，用于實驗測試。

2.流變性測試

表5為不同鉆井液含量條件下地聚合物和硅酸水泥的黏度測試結果，表6為剪切應力測試結果。在室溫（24°C）條件下，鉆井液含量對地聚合物剪切應力的變化影響不大；而硅酸鹽水泥的剪切應力隨鉆井液含量的增加呈明顯上升的趨勢，這與黏度測試結果相吻合。當硅酸鹽水泥的剪切應力和黏度在鉆井液的影響下出現增加趨勢時，極易導致固井作業的失敗，從而引發安全風險［5-6］。這是由于當在地聚合物中加入鉆井液時，由于地聚合物組分中Na2SiO3及其復合物的存在導致極易發生復合溶解反應，從而導致了地聚合物的塑性黏度的降低和剪切降低。而在硅酸鹽水泥反應中，鉆井液的存在和含量的增加將會導致溶液中 CaO、CaCl2和Na（OH）2等濃度的增加，從而增加了Ca（OH）2等物質的濃度，造成了塑性黏度增加和剪切應力增加現象。

表5 不同鉆井液含量條件下黏度測試結果

3.抗壓強度測試

表7為不同鉆井液含量條件下，地聚合物和硅酸鹽水泥在1 d、3 d和7 d后的抗壓強度測試結果。實驗結果表明，隨時間的增加地聚合物和硅酸鹽水泥的抗壓強度增加；但隨鉆井液含量的增加，地聚合物和硅酸鹽水泥的抗壓強度都呈下降趨勢［7］。然而，當鉆井液含量為5%時，隨時間的延長硅酸鹽水泥的抗壓強度表現比地聚合物更好，在3 d后，硅酸鹽水泥的抗壓強度為23.72 MPa，7 d后為31.78 MPa；而地聚合物的抗壓強度在3 d后為16.06 MPa，7 d后為21.27 MPa。當鉆井液含量為10%時，隨時間的延長地聚合物的抗壓強度表現比硅酸鹽水泥更好，在3 d后，硅酸鹽水泥的抗壓強度為9.07 MPa，7 d后為11.11 MPa；而地聚合物的抗壓強度在3 d后為12.06 MPa，7 d后為12.93 MPa。與硅酸鹽水泥相比，地聚合物與鉆井液具有更好的相容性［8-10］。

表6 不同鉆井液含量條件下剪切應力測試結果

根據抗壓強度測試結果，以空白組為參考對地聚合物和硅酸鹽水泥的抗壓強度下降情況進行了計算。1 d后，含有5%和10%鉆井液的地聚合物抗壓強度分別下降8%和20%；但相同條件下，硅酸鹽水泥的抗壓強度分別下降了9%和34%。3 d后，含有5%和10%鉆井液的自聚合物抗壓強度分別下降8.5%和23.9%；但相同條件下，硅酸鹽水泥的抗壓強度分別下降了38.4%和59.2%。7 d后，含有5%和10%鉆井液的地聚合物抗壓強度分別下降22.1%和38.6%；但相同條件下，硅酸鹽水泥的抗壓強度分別下降了47.8%和63.4%。從抗壓強度下降情況計算結果可以發現，地聚合物相較與硅酸鹽水泥具有較好的強度保持性［11］，能在鉆井液的影響下保持較高的抗壓強度，不易出現較大的強度損失現象。這是由于當地聚合物和硅酸鹽水泥中加入鉆井液后，Ca2+和OH-從地聚合物和硅酸鹽水泥中滲出，從而降低了地聚合物和硅酸鹽水泥中的Ca（OH）2含量，進而降低了地聚合物和硅酸鹽水泥的抗壓強度，但在相同條件下由于地聚合物的組分和硬化過程與硅酸鹽水泥存在一定的差異，導致這一過程對地聚合物的影響并不明顯。

表7 不同鉆井液含量條件下抗壓強度測試結果

4.失水量測試

表8為不同鉆井液含量條件下的失水量測試結果。從測試結果可以發現隨鉆井液含量的增加地聚合物的失水量呈逐漸減少趨勢，而硅酸鹽水泥的失水量呈增加的趨勢。針對地聚合物而言，當鉆井液含量為5%時地聚合物的失水量為84.6 mL／30 min；當鉆井液含量為10%時地聚合物的失水量為79.4 mL／30 min。因為鉆井液中含有含鋁和硅酸鹽的膨潤土，在鉆井液和地聚合物的聚合過程中氫氧化鈉將會誘導鋁和硅酸鹽發生化學反應形成鋁硅酸鹽凝膠［12-13］，有助于減少水分流失。針對硅酸鹽水泥而言，當鉆井液含量從5%增加到10%時硅酸鹽水泥的失水量從438 mL／30 min增加至520 mL／30 min。測試結果表明在含有鉆井液的條件下地聚合物比硅酸鹽水泥具有更低的失水率，并且鉆井液含量的變化對地聚合物的失水率具有正效應，而對硅酸鹽水泥的失水率具有負效應［14-15］。

5.稠化時間測試

表9為不同鉆井液含量條件下的稠化時間測試結果。從測試結果可以發現隨鉆井液含量的增加，地聚合物和硅酸鹽水泥的稠化時間均呈逐漸升高的趨勢，但就總體而言在同樣鉆井液含量條件下，地聚合物的稠化時間仍明顯低于硅酸鹽水泥的稠化時間。這是由于地聚合物中含有的氫氧化鈉與硅酸鹽所生成的硅鹽酸凝膠，而硅酸鹽凝膠的產生導致了地聚合物的膠凝強度增加速率較快，從而致使了地聚合物的稠化時間的縮短。

表8 不同鉆井液含量條件下失水量測試結果

表9 不同鉆井液含量條件下稠化時間測試結果

三、結論

（1）隨鉆井液含量的增加，地聚合物的黏度和剪切應力呈逐漸下降的趨勢，硅酸鹽水泥的黏度和剪切應力呈逐漸增加趨勢。

（2）隨鉆井液含量的增加，地聚合物和硅酸鹽水泥的抗壓強度呈逐漸下降的趨勢。

（3）隨鉆井液含量的增加，地聚合物的失水量呈逐漸減少的趨勢，而硅酸鹽水泥的失水量呈增加的趨勢。

（4）地聚合物在含鉆井液條件下表現出比硅酸鹽水泥更好的性能，可以作為固井作業中硅酸鹽水泥的替代品。