鉆井液處理劑對固井水泥漿的污染影響研究

孫 威

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍 江大慶 163413）

作為鉆井作業中的一個施工環節，油氣井的固井質量對油氣資源的有效開發具有重要的作用。隨著國內深井、超深井的持續開發，給固井質量的進一步提高帶來了更多的挑戰。由于水平井、深井、超深井等特殊工藝井的固井封固段長、壓力層系多，固井的每個環節都顯得尤為重要。鉆井液處理劑對固井水泥漿的影響與固井質量密切相關，鉆井液對固井水泥漿的污染會導致很多意外事故發生[1-2]。而鉆井液是由多種處理劑組成，鉆井液對固井質量的影響，也可細化為鉆井液處理劑對固井質量的影響。因此，對鉆井液處理劑和水泥漿之間的作用機理進行研究，對進一步提高固井質量、保障施工安全具有重要的意義。

1 國內外研究情況

國外對鉆井液處理劑和水泥漿之間的影響關系研究開展的較早，早期的研究結果表明，即使少量的鉆井液用聚合物等有機化合物也會對固井質量產生非常大的影響。哈里伯頓公司在水泥的頂替效率方面最早開展了相關研究[3]。研究成果表明，在固井過程中，一旦鉆井液和水泥漿發生直接接觸，就會產生嚴重的混漿現象，這種混漿的流變模式對固井質量非常不利?？撇毓狙芯堪l現，使用甲酸鹽鹽水作為隔離液，可以有效避免鉆井液對水泥漿的污染。

隨著國內對固井質量的越來越重視，各大科研院所及專業服務公司也開展了大量的鉆井液與水泥漿之間的影響研究。其中西南石油大學的研究成果認為水泥漿被污染的主要原因是鉆井液中的處理劑和水泥漿發生了化學反應，導致水泥漿膠凝，進而大幅度影響稠化時間和強度。此外，水泥漿中存在的大量鈣鎂離子，也對鉆井液的性能造成了嚴重破壞。川慶鉆探公司的研究人員認為，水泥漿中的鈣鎂離子作用于鉆井液所含的膨潤土上后，因為鹽侵作用，使粘土顆粒發生絮凝進而失去流動性，而鉆井液中的有機化合物也會和水泥漿外加劑發生作用，最終影響水泥漿的稠化和強度[4]。

從施工方面來說，最佳的方法是使用隔離液來避免鉆井液和水泥漿之間的直接接觸。但有必要對鉆井液處理劑和水泥漿之間的影響機理進行分析，從而彌補理論研究的不足，進一步提高固井質量。

2 常用鉆井液處理劑對水泥漿的污染影響研究

2.1 聚丙烯酸鉀對水泥漿性能的影響

聚丙烯酸鉀是一種常用的鉆井液處理劑，其具有較好的抑制性和降濾失性，其作為一種高分子聚合物，其對水泥漿的各項性能均有很大的影響。

水泥漿的流動度是衡量水泥漿性能的一個重要技術指標，在水泥漿中加入不同質量的聚丙烯酸鉀后，其加量對水泥漿流動度（20℃，90℃）的影響見表1。

從表1中數據可以看出，隨著聚丙烯酸鉀含量的增加，水泥漿流動度明顯降低，加量達到0.08%時，水泥漿的流動性非常差，已經不能滿足現場固井要求了。

表1 聚丙烯酸鉀對水泥漿流動度的影響

在水泥漿中加入不同質量的聚丙烯酸鉀后，其加量對水泥漿稠化時間的影響見表2。

從表2中數據可以看出，隨著聚丙烯酸鉀含量的增加，水泥漿稠化時間明顯縮短，加量達到0.1%時，稠化時間縮短到110min，已經無法滿足現場固井施工對稠化時間的需求。

表2 聚丙烯酸鉀對水泥漿稠化時間的影響

在水泥漿中加入不同質量的聚丙烯酸鉀后，其加量對水泥漿API失水的影響見表3。

表3 聚丙烯酸鉀對水泥漿API失水的影響

從表3中數據可以看出，隨著聚丙烯酸鉀含量的增加，水泥漿API失水逐步降低，分析原因認為是聚丙烯酸鉀和水泥漿形成了交聯結構，束縛了自由水，從而使失水大幅度降低。

在水泥漿中加入不同質量的聚丙烯酸鉀后，其加量對水泥石抗壓強度的影響見表4。

從表4中數據可以看出，聚丙烯酸鉀含量的增加對短期內水泥石的抗壓強度影響較大，但達到7d以后，聚丙烯酸鉀摻混與否對水泥石的強度沒有明顯影響，說明聚丙烯酸鉀具有一定的早強效果。

表4 聚丙烯酸鉀對水泥石抗壓強度的影響

2.2 褐煤樹脂對水泥漿性能的影響

褐煤樹脂是以褐煤為主要原料，經化學改性制成，在鉆井液中主要用作降濾失劑，是一種抗溫耐鹽用途較為廣泛的鉆井液助劑。

在水泥漿中加入不同質量的褐煤樹脂后，其加量對水泥漿流動度（20℃，90℃）的影響見表5。

表5 褐煤樹脂對水泥漿流動度的影響

從表5中數據可以看出，褐煤樹脂對水泥漿常溫流動度的影響呈波浪形式，隨摻混量的增加水泥漿高溫流動度呈減小趨勢，當加量達到1.0%時，水泥漿流動性非常差，不能滿足現場使用需求。

在水泥漿中加入不同質量的褐煤樹脂后，其加量對水泥漿稠化時間的影響見表6。

表6 褐煤樹脂對水泥漿稠化時間的影響

從表6中數據可以看出，隨著褐煤樹脂摻混量的增加，水泥漿稠化時間明顯延長，稠化時間的大幅度延長不利于水泥石強度的形成而且有可能引發油氣竄，最終影響固井質量。

在水泥漿中加入不同質量的褐煤樹脂后，其加量對水泥漿API失水的影響見表7。

表7 褐煤樹脂對水泥漿API失水的影響

從表7中數據可以看出，隨著褐煤樹脂含量的增加，水泥漿API失水大幅度降低，分析原因認為是褐煤樹脂作為一種降濾失劑在水泥漿體系里也能發揮一定的作用。

在水泥漿中加入不同質量的褐煤樹脂后，其加量對水泥石抗壓強度的影響見表8。

從表8中數據可以看出，褐煤樹脂含量的增加對短期內水泥石的抗壓強度影響較大，當加量超過0.8%以后，水泥石失去強度，但達到7d以后，褐煤樹脂摻混與否對水泥石的強度沒有明顯影響。

表8 褐煤樹脂對水泥石抗壓強度的影響

3 結論及建議

（1）鉆井液助劑和水泥漿之間的接觸是造成水泥漿性能發生變化的直接原因，不同的處理劑造成的影響不同。

（2）水泥漿對聚丙烯酸鉀比較敏感，即使加入微量也會大幅度影響水泥漿的流動度。

（3）褐煤樹脂對水泥漿的性能影響相對較小，少量摻混不會影響其性能。

（4）本文僅考察了2種常用鉆井液助劑對水泥漿的影響，下一步應該擴大研究范圍，并對微觀機理進行深入研究。