深井、高密度井鉆井液預(yù)處理技術(shù)研究

賈印霜，房偉超

（大慶鉆探鉆井三公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著國(guó)家能源需求的不斷增長(zhǎng)，近幾年深井、超深井、高密度井的數(shù)量也越來越多。在這類井的固井施工過程中，水泥漿常常會(huì)與鉆井液發(fā)生摻混污染，造成套管內(nèi)鉆井液流動(dòng)性變差或失去流動(dòng)性[1]，導(dǎo)致測(cè)聲幅儀器不能順利下入井底，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度[2]。為此從鉆井液與水泥漿的原理入手，逐項(xiàng)進(jìn)行分析研究，找出可能導(dǎo)致遇阻的原因，并在施工過程中進(jìn)行全過程管控，總結(jié)出較為有效地防止聲幅遇阻的鉆井液預(yù)處理措施，有效地降低了聲幅遇阻的概率。

1 深井、高密度井鉆井液失效分析

1.1 水泥的構(gòu)成、濾液及凝固原理分析

硅酸鹽水泥熟料主要是由硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、硅酸二鈣（β-2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）四種礦物組成。水泥的凝結(jié)和硬化，是一個(gè)復(fù)雜的物理—化學(xué)過程。按膠體理論認(rèn)為水化后生成大量的膠體物質(zhì)，這些膠體物質(zhì)由于外部干燥失水，或由于內(nèi)部未水化顆粒的繼續(xù)水化，于是產(chǎn)生“內(nèi)吸作用”而失水，從而使膠體硬化。為此查閱國(guó)內(nèi)外大量研究資料[3]，通常情況下，鉆井液用固井水泥濾液中各離子含量如表1所示。

表1 水泥漿濾液中主要金屬離子含量

從表1 可以看出，一般深井、高密度井的固井用水泥漿不但含有大量的鈣離子，還含有較多的鋁離子、鐵離子和鎂離子。因此，在研究固井水泥對(duì)鉆井液的污染時(shí)，不但要考慮鈣離子的影響，還應(yīng)該考慮高價(jià)鐵、鋁離子的影響。

為此，將各種離子按比例加入鉆井液中，所得流動(dòng)性如表2 所示。可以看出，各離子的影響因素Al3+>Fe3+>Ca2+>Mg2+。

表2 金屬離子對(duì)鉆井液流動(dòng)性的影響

可以看出，濾液中的Al3+、Fe3+離子對(duì)鉆井液的流動(dòng)能力造成的影響極大。造成該效果的因素可能是：水泥漿水化產(chǎn)生的Al3+、Fe3+等高價(jià)金屬離子與鉆井液中的羥基和羧基等基團(tuán)作用使聚合物分子鏈發(fā)生交聯(lián)生成凝膠，根據(jù)聚合物和金屬離子濃度的不同表現(xiàn)為凍膠、弱凝膠、膠態(tài)分散凝膠。凝膠一方面會(huì)大量包裹吸附混漿中自由水，使混漿中維持流動(dòng)性的自由水減少，造成流動(dòng)度急劇降低[4]。

通過以上對(duì)水泥漿原理的分析可知，為避免污染，不但要預(yù)防鈣離子污染，還要預(yù)防鐵、鋁離子的污染，同時(shí)還應(yīng)該為鉆井液內(nèi)提供大量自由水。

1.2 處理劑對(duì)水泥漿污染的研究

由于鉆井液內(nèi)含有各種處理劑，由于處理劑含量的不同，有可能會(huì)造成水泥早凝或者流動(dòng)性減小。為此查閱國(guó)內(nèi)外油田相關(guān)資料和數(shù)據(jù)得知[5]，發(fā)現(xiàn)影響因素如表3所示。

表3 常用處理劑對(duì)水泥漿流動(dòng)度的影響

通過表4 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：SMC、SMP-1、SLSP、RLC-101 等處理劑對(duì)水泥漿的流動(dòng)度及稠化時(shí)間兩者的影響都不大，而XC、KPAM 在含量極小（0.1%）時(shí)仍造成水泥漿流動(dòng)性惡化，其他處理劑雖有部分影響，但影響差別較小。

表4 常用的處理劑對(duì)水泥稠化時(shí)間的影響

為此，查閱國(guó)內(nèi)外油田相關(guān)資料和數(shù)據(jù)得知[6]，水泥漿與處理劑的X射線衍射圖譜及掃描電子顯微鏡下所呈形貌得知：

（1）X 射線衍射峰值特征基本一致，說明無新物質(zhì)生成。

（2）XC 和KPAM 與水泥漿摻混后，由于其本身具有高分子支鏈結(jié)構(gòu)，會(huì)吸附水泥漿，形成比較大的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時(shí)，鉆井液中自由水也會(huì)因?yàn)檫@種現(xiàn)象而被圈閉，混漿中的水分不斷減少，造成流動(dòng)性降低。

2 解決對(duì)策及分析

通過以上機(jī)理，提出以下解決對(duì)策，主要?dú)w結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）為減少Ca2+、Al3+、Fe3+等高價(jià)離子的影響，在鉆井液的日常維護(hù)及處理過程中，應(yīng)有意識(shí)地提高鉆井液的護(hù)膠程度，增加粘土水化膜厚度，使其抗污染能力提升。

（2）由于深井及高密度固井水泥濾液中存在Ca2+、Al3+、Fe3+等離子，可在固井前預(yù)處理的鉆井液中加入金屬螯合物或C032-、OH-等成分，減少Ca2+、Al3+、Fe3+的含量。

（3）由于膠凝作用會(huì)導(dǎo)致自由水被包裹，預(yù)處理的鉆井液應(yīng)在避免沉降的前提下，適當(dāng)多地補(bǔ)充自由水含量。

（4）深井完鉆后，由于電測(cè)、井壁取芯等項(xiàng)目較多，在頻繁通井循環(huán)鉆井液時(shí)，應(yīng)以加自由水為主，避免大量加入KPAM 膠液等大分子聚合物，導(dǎo)致具有活度的聚合物與水泥漿結(jié)合，影響鉆井液流動(dòng)性。

3 深井、高密度井鉆井液室內(nèi)模擬混漿實(shí)驗(yàn)

在此對(duì)策基礎(chǔ)上，選取3 口井，按照機(jī)理及對(duì)策分析，在鉆進(jìn)過程中，有針對(duì)性地維護(hù)了鉆井液，并取該井的完井液進(jìn)行室內(nèi)小型實(shí)驗(yàn)。

考慮到固井候凝結(jié)束后，直接進(jìn)行測(cè)聲幅作業(yè)——井筒內(nèi)鉆井液處于高溫且長(zhǎng)時(shí)間不流動(dòng)狀態(tài)。為此在模擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行時(shí)，采取如下實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）配制好的實(shí)驗(yàn)漿體放入熱滾爐內(nèi)，150℃加溫，不熱滾。

（2）靜止加熱24h后開爐取出。

（3）取出漿體罐后迅速使其降溫至80℃左右，隨即打開罐體。

（4）對(duì)罐內(nèi)漿體采用肉眼觀察和插入玻璃棒模擬纜測(cè)下放的方式，判斷混漿是否能保證電測(cè)儀器順利下入井底。

以下是選取XXX-1 井、XXX-2 井、XXX-3 井3 口井的完井液進(jìn)行的小型實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)組一：XXX-1井

基本情況：本井井深4516m，完鉆鉆井液密度1.43g/cm3,粘度83s，塑性粘度58，動(dòng)切力6.5，切力1.5/8.5，濾失量3.6mL，具體試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 XXX-1井完鉆鉆井液配方

結(jié)論分析：XXX-1井因鉆井液護(hù)膠較差，且前期鈣離子加量多，導(dǎo)致粒度分布偏大，易受高價(jià)離子污染。

3.2 實(shí)驗(yàn)組二：XXX-2井

基本情況：本井井深3743m，完鉆鉆井液密度2.05g/cm3,粘度66s，塑性粘度65，動(dòng)切力18，切力1.5/9，濾失量3.4mL，具體試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 XXX-2井完鉆鉆井液配方

結(jié)論分析：XXX-2井護(hù)膠材料加量足，pH也高，故加有緩凝劑和純堿的配方能減少水泥中高價(jià)離子的，效果較好。

3.3 實(shí)驗(yàn)組三：XXX-3井

基本情況：本井井深5252m，完鉆鉆井液密度1.41g/cm3,粘度52s，塑性粘度28，動(dòng)切力12.5，切力3.5/12，濾失量3.4mL，具體試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 XXX-3井完鉆鉆井液配方

結(jié)論分析：本井護(hù)膠較好，但完井作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，多次通井補(bǔ)充燒堿水，鉆井液已有較強(qiáng)堿性，故實(shí)驗(yàn)配方加燒堿的效果差，有純堿的效果好。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過以上3組實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)可以看出：經(jīng)過對(duì)原理的提升和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的不斷總結(jié)，后期實(shí)驗(yàn)井的施工難度均明顯升高，但實(shí)驗(yàn)成功率卻有著顯著的提升，同時(shí)也驗(yàn)證了機(jī)理分析的正確性。

在現(xiàn)場(chǎng)固井施工中，除第一組實(shí)驗(yàn)井XXX-1 井懸掛尾管的大小膠塞復(fù)合不好，導(dǎo)致尾管內(nèi)殘存大量水泥外，其余井組聲幅施工均正常，為公司在深井、高密度井的完井施工上提供了保障。

4 結(jié)論

（1）系統(tǒng)地建立了深井及高密度井固井聲幅遇阻原因的理論原因分析。

（2）混漿凝結(jié)的原因是由于某些因素，產(chǎn)生絮凝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致自由水被吸附、包裹，導(dǎo)致混漿的流動(dòng)性變差。同時(shí)，KAPM等高分子聚合物的吸附架橋作用也使得水泥漿與鉆井液發(fā)生交聯(lián)，形成空間結(jié)構(gòu)，使其流動(dòng)性急劇變差。

（3）在對(duì)策及小型實(shí)驗(yàn)上，可提高鉆井液的護(hù)膠能力；在預(yù)處理的鉆井液中加入CO32-、OH-等物質(zhì)，可以有效地去除高價(jià)離子的影響；在后期鉆井液的維護(hù)時(shí)，減少KAPM 等高分子處理劑的加量，也能明顯減少混漿流動(dòng)性變差的程度。

（4）上述措施在多口井的施工過程中成功應(yīng)用，保證了固井聲幅的安全、順利進(jìn)行。