钻井液处理剂对固井水泥浆的污染影响研究

钻井液处理剂对固井水泥浆的污染影响研究

刘金明

中石化胜利石油工程有限公司海洋钻井公司 山东东营 257000

摘要：作为钻井作业中的一个施工环节，油气井的固井质量对油气资源的有效开发具有重要的作用。随着国内深井、超深井的持续开发，给固井质量的进一步提高带来了更多的挑战。由于水平井、深井、超深井等特殊工艺井的固井封固段长、压力层系多，固井的每个环节都显得尤为重要。钻井液处理剂对固井水泥浆的影响与固井质量密切相关，钻井液对固井水泥浆的污染会导致很多意外事故发生。而钻井液是由多种处理剂组成，钻井液对固井质量的影响，也可细化为钻井液处理剂对固井质量的影响。因此，对钻井液处理剂和水泥浆之间的作用机理进行研究，对进一步提高固井质量、保障施工安全具有重要的意义。

关键词：钻井液处理剂；固井水泥浆；污染影响

引言

近年来，随着社会经济的迅速发展，煤炭、天然气和其他能源在许多工业的发展中具有非常重要的用途价值，因此许多采矿企业在资源开采方面投入了大量资金、技术、人力和物质资源，以便然而，对该国某些地区的资源开采情况进行的深入研究和分析表明，钻井作业存在一个问题，即泥浆和钻井液之间的接触污染。如果这一问题不能随着时间的推移得到解决，而且采矿活动面临的风险更大，则有必要系统地分析污染问题的运作机制，利用各种工具、试剂和方法，采矿公司可以利用这些工具、试剂和方法提出适当的应对措施，保证矿井作业工作取得满意的结果。

1国内外研究情况

国外对钻井液处理剂和水泥浆之间的影响关系研究开展的较早，早期的研究结果表明，即使少量的钻井液用聚合物等有机化合物也会对固井质量产生非常大的影响。在固井过程中，一旦钻井液和水泥浆发生直接接触，就会产生严重的混浆现象，这种混浆的流变模式对固井质量非常不利。科伯特公司研究发现，使用甲酸盐盐水作为隔离液，可以有效避免钻井液对水泥浆的污染。随着国内对固井质量的越来越重视，各大科研院所及专业服务公司也开展了大量的钻井液与水泥浆之间的影响研究。其中西南石油大学的研究成果认为水泥浆被污染的主要原因是钻井液中的处理剂和水泥浆发生了化学反应，导致水泥浆胶凝，进而大幅度影响稠化时间和强度。此外，水泥浆中存在的大量钙镁离子，也对钻井液的性能造成了严重破坏。川庆钻探公司的研究人员认为，水泥浆中的钙镁离子作用于钻井液所含的膨润土上后，因为盐侵作用，使粘土颗粒发生絮凝进而失去流动性，而钻井液中的有机化合物也会和水泥浆外加剂发生作用，最终影响水泥浆的稠化和强度。

2钻井液中常见的污染影响

2.1硫化氢

硫化氢渗入土壤层，高温钻井液处理剂分解或氧化还原，可能导致钻井液受到硫化氢的污染。硫化氢水溶液的酸度较低，从而在一定程度上降低了钻井溶液的PH值，使钻井溶液不再具有胶合性质，严重影响了钻井溶液的性能。同时，硫化氢还可能导致钻井工具腐蚀。硫化氢很容易在H+、HS等带电离子溶液中电离。H2S和HS促使阴极氢原子不结合形成氢分子，因此钻具上吸附的氢原子继续在钻具内扩散，而钻具的裂纹和孔隙中的氢原子则被组合成氢分子，它们 导致低强度钢形成氢泡或脱盐，而高强度钢的强度较低，当阳极反应并使金属沿玻璃边缘或沿钻具裂纹而转化为硫化物时，这种情况很容易发生，这就是应力腐蚀的表现。

2.2聚丙烯酸钾对水泥浆性能的影响

聚丙烯酸钾是一种常用的钻井液处理剂，其具有较好的抑制性和降滤失性，其作为一种高分子聚合物，其对水泥浆的各项性能均有很大的影响。水泥浆的流动度是衡量水泥浆性能的一个重要技术指标，在水泥浆中加入不同质量的聚丙烯酸钾后，其加量对水泥浆流动度（20℃，90℃）的影响。从数据可以看出，随着聚丙烯酸钾含量的增加，水泥浆流动度明显降低，加量达到0.08%时，水泥浆的流动性非常差，已经不能满足现场固井要求了。在水泥浆中加入不同质量的聚丙烯酸钾后，其加量对水泥浆稠化时间的影响。随着聚丙烯酸钾含量的增加，水泥浆稠化时间明显缩短，加量达到0.1%时，稠化时间缩短到110min，已经无法满足现场固井施工对稠化时间的需求。随着聚丙烯酸钾含量的增加，水泥浆API失水逐步降低，分析原因认为是聚丙烯酸钾和水泥浆形成了交联结构，束缚了自由水，从而使失水大幅度降低。在水泥浆中加入不同质量的聚丙烯酸钾后，其加量对水泥石抗压强度的影响。数据可以看出，聚丙烯酸钾含量的增加对短期内水泥石的抗压强度影响较大，但达到7d以后，聚丙烯酸钾掺混与否对水泥石的强度没有明显影响，说明聚丙烯酸钾具有一定的早强效果。

2.3二氧化碳

二氧化碳是钻井液中最常见的污染来源，其主要来源是:第一，钻井液纸浆或加工过程中过量的CO2；二、固体控制中空气中二氧化碳溶解于钻井液中；第三，一些生物体在高温下分解二氧化碳；第四，随着底层流体的侵入，土层中的二氧化碳进入钻井液。二氧化碳在水和油中具有很高的溶解度，在钻井过程中引入二氧化碳将提高HCO3在钻井液中的浓度，并扩大泥岩水解的范围，从而提高钻井液的粘度。此外，二氧化碳水溶液酸度低，还可能加剧钻井工具和管道的腐蚀。

2.4褐煤树脂对水泥浆性能的影响

褐煤树脂是以褐煤为主要原料，经化学改性制成，在钻井液中主要用作降滤失剂，是一种抗温耐盐用途较为广泛的钻井液助剂。褐煤树脂对水泥浆常温流动度的影响呈波浪形式，随掺混量的增加水泥浆高温流动度呈减小趋势，当加量达到1.0%时，水泥浆流动性非常差，不能满足现场使用需求。随着褐煤树脂掺混量的增加，水泥浆稠化时间明显延长，稠化时间的大幅度延长不利于水泥石强度的形成而且有可能引发油气窜，最终影响固井质量。随着褐煤树脂含量的增加，水泥浆API失水大幅度降低，分析原因认为是褐煤树脂作为一种降滤失剂在水泥浆体系里也能发挥一定的作用。在水泥浆中加入不同质量的褐煤树脂后，其加量对水泥石抗压强度的影响。数据可以看出，褐煤树脂含量的增加对短期内水泥石的抗压强度影响较大，当加量超过0.8%以后，水泥石失去强度，但达到7d以后，褐煤树脂掺混与否对水泥石的强度没有明显影响。

3改进对策

采矿者对这些措施进行分析，然后选择一种或多种处理方法，并在采矿过程中混合材料污染的具体情况下加以使用，可以解决污染问题。首先添加膨润土和绝缘液，即矿山操作人员必须在固体井施工期间所布置的泥浆材料中添加适量的膨润土，然后添加绝缘液。应当指出的是，绝缘液的使用相对较大，一旦材料完全添加完毕，操作人员必须均匀混合，以便在以后使用水泥材料时达到理想的绝缘效果，可以将其与钻井液隔离开来，并尽量减少二者之间的混合。但是，采用这种方法需要添加大量绝缘液，大大增加了解决污染问题的费用，需要操作人员的注意。第二，可以通过有效减少高水泥浆金属离子的处理来实现最终处理效果，以避免再次出现冻结的情况。

结束语

在钻井过程中，应通过选择适当的钻井工具来加强钻井平台的污染，并应在彻底分析污染原因的基础上，制定既经济又有效的措施，以提高钻井平台的承受力。

参考文献

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