杜 歡

（中國(guó)石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊830011）

塔河油田鉆井液水泥鈣侵的預(yù)防與處理

杜 歡*

（中國(guó)石化西北油田分公司，新疆烏魯木齊830011）

新疆塔河油田在鉆井施工的下套管固井、水泥封井等作業(yè)中，鉆井液不可避免地會(huì)發(fā)生水泥對(duì)鉆井液的污染，使鉆井液性能發(fā)生改變，不能滿足正常鉆進(jìn)工作需要。針對(duì)這一問題，從水泥水化機(jī)理出發(fā)，結(jié)合粘土顆粒擴(kuò)散雙電層理論，分析了水泥對(duì)鉆井液污染的原因，并針對(duì)其鈣侵特點(diǎn)提出一套行之有效的解決方案，對(duì)后續(xù)的水泥固井、水泥封井施工的鉆井液處理和維護(hù)具有一定借鑒意義。

鉆井液；水泥鈣侵；鉆井液處理

在塔河油田深井鉆井鉆井施工過程中，鉆遇高含鈣的鹽膏層、鹽水層或是鉆水泥塞時(shí)，容易導(dǎo)致鉆井液鈣侵。鈣侵對(duì)鉆井液性能產(chǎn)生不好的影響，直接導(dǎo)致鉆井液性能惡化，加大鉆井液處理劑用量，可能影響后期鉆井作業(yè)，嚴(yán)重的還會(huì)影響到井下安全。隨著鉆探工作難度和深度的增加，處理事故時(shí)水泥封井，多開次井中途固井和封井后不可避免地鉆遇水泥塞。由于水泥凝固體中含有大量Ca2+，造成鉆井液鈣侵。本文以鉆遇水泥塞為例，分析鉆井液鈣侵原理、針對(duì)其可預(yù)見性開展預(yù)防和處理措施。

1 鉆井液水泥鈣侵原理

水泥的主要礦物成分為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣，水泥的凝結(jié)和硬化過程如下：

（1）3CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O+Ca(OH）2；

（2）2CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O+Ca(OH）2；

（3）3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O；

3CaO·Al2O3+3CaSO4·2 H2O+26H2O→3CaO· Al2O3·3CaSO4·32H2O；

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2[3CaO·Al2O3]+ 4H2O→3[3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O]

（4）4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3· 6H2O+CaO·Fe2O3·H2O。

在用水泥固井或封井后，水泥水化、凝固后會(huì)產(chǎn)生大量的Ca(OH）2，部分Ca(OH）2在水中電離成Ca2+和OH-，導(dǎo)致鉆井液鈣侵。

在鉆進(jìn)石膏層和水泥塞時(shí)，Ca2+離子進(jìn)入鉆井液，含量超過一定數(shù)值時(shí)，鉆井液性能遭到破壞，從而造成鈣侵。另一方面，受鉆井液配置用水的影響，鉆井液中蓄積一定濃度的Ca2+離子，當(dāng)坂土、固相含量上升到一定值時(shí)，鉆井液性能同樣會(huì)遭到破壞，從而造成鈣侵。

2 鉆井液水泥鈣侵的預(yù)防

Ca2+對(duì)鉆井液的污染主要是二價(jià)鈣離子易與鈉蒙脫石中的Na+發(fā)生離子交換，使鈉質(zhì)粘土變成鈣質(zhì)粘土，其ξ電位降低，分散程度顯著降低，水化膜變薄，聚結(jié)與分散平衡向著有利于聚結(jié)方向變化，致使鉆井液粘土顆粒變粗，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和加大，從而導(dǎo)致鉆井液的粘度、切力上升，濾失量增大。當(dāng)鈣侵到一定程度后，粘土顆粒繼續(xù)變粗而沉淀，此時(shí)粘土分散度明顯降低，粘度、切力轉(zhuǎn)而下降，濾失量繼續(xù)增大、泥餅變得虛厚。鈣侵導(dǎo)致的鉆井液性能惡化，會(huì)引起泥頁(yè)巖水化膨脹，甚至嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致井塌和卡鉆等各種井下復(fù)雜情況。因此，必須重視鉆井液的水泥鈣侵問題。

鉆井液鈣侵的預(yù)防措施主要有2條：

（1）物理方法，隔離法。即將混漿以及鉆塞所用鉆井液通過物理隔離的方法處理，在鉆完水泥塞后集中排出，使其不進(jìn)入鉆井液中。多用于淺層固井后，鉆井液以坂土漿為主。

（2）化學(xué)方法，通過預(yù)處理，向鉆井液中加入除鈣劑降低游離鈣的含量，引入抗鈣處理劑，提高鉆井液抗鈣能力，在遇到輕度鈣侵時(shí)，能保持鉆井液性能穩(wěn)定，或降低處理鈣侵的難度。

3 鉆井液水泥鈣侵的處理措施

處理水泥鈣侵的方法主要有：使用化學(xué)處理劑清除產(chǎn)生的大量Ca2+，另一種是提前轉(zhuǎn)化鉆井液體系為鈣處理鉆井液。這里主要討論水泥固井或水泥填井后鉆穿水泥時(shí)利用化學(xué)劑處理鉆井液水泥鈣侵的方法。

3.1 鈣侵后的現(xiàn)象

由于所使用的鉆井液體系不同，鉆井液遭受鈣侵后所表現(xiàn)出的現(xiàn)象也不完全相同，在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)靈活掌握和運(yùn)用。主要表現(xiàn)為：

（1）Ca2+離子濃度顯著增加；

（2）粘度和切力上升，流動(dòng)性變差，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生泡沫；當(dāng)Ca2+離子超過某個(gè)數(shù)值后，粘度、切力隨Ca2+離子增大而突然下降；

（3）濾失量顯著增大，濾餅變虛、變厚、變脆；（4）鉆石膏層時(shí)，pH值降低；（5）鉆水泥塞時(shí)，pH值升高。

3.2 Ca2+與OHˉ的清除

水泥污染會(huì)導(dǎo)致鉆井液pH值升高，一般根據(jù)鉆井液中Ca2+選擇加入適量碳酸氫鈉（NaHCO3）或碳酸鈉（Na2CO3），通過它們與Ca(OH）2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)從溶液中沉淀Ca2+，同時(shí)可以起到降低pH值的作用。加入NaHCO3的反應(yīng)式:

Ca2++OH-+NaHCO3=CaCO3↓+Na++H2O

鉆進(jìn)石膏層、水泥塞產(chǎn)生鈣侵時(shí)：

（1）根據(jù)鉆井實(shí)際情況，以一定比例的純堿、燒堿、抗鹽抗鈣降濾失劑復(fù)配成膠液，進(jìn)行處理，調(diào)整粘度、切力，特別注意慎用稀釋劑。

（2）補(bǔ)充抗鹽抗鈣降濾失劑和防塌劑，復(fù)配成膠液，按循環(huán)周處理，控制濾失量，提高防塌能力。

（3）鈣侵污染嚴(yán)重時(shí)，可按比例使用硫酸鈉進(jìn)行處理，以避免純堿加量過大，造成HCO-3和CO2-3的污染。

（4）加入適量護(hù)膠劑，保持鉆井液膠體穩(wěn)定性。（5）必要時(shí)，逐步轉(zhuǎn)化為抗鈣鉆井液體系。

（6）避免水泥污染最簡(jiǎn)單的方法是用清水鉆水泥塞或用鉆井液鉆水泥塞時(shí)，把污染的那段鉆井液放掉。

3.3 水泥鈣侵后鉆井液處理措施

鉆探中處理井內(nèi)事故時(shí)，常常需要填充水泥后進(jìn)行側(cè)鉆或利用水泥護(hù)壁，有時(shí)填充水泥井段較短，而下套管后水泥固井，水泥塞長(zhǎng)度一般也不長(zhǎng)，通常只有幾十米，這種情況下鉆穿水泥，濾液中的Ca2+、OH-濃度較低，對(duì)鉆井液性能影響相對(duì)較小。但當(dāng)處于長(zhǎng)段注水泥或掃水泥塞時(shí)，由于鉆井液中侵入的Ca2+、OH-濃度較高，對(duì)鉆井液性能影響很大，粘度急劇上升后迅速下降，導(dǎo)致過度絮凝，濾失量增大，泥餅虛厚，pH值上升，含砂量增大，給下一步施工帶來巨大隱患，因此必須對(duì)鉆井液鈣侵后的性能進(jìn)行調(diào)整與維護(hù)。當(dāng)鈣少量污染時(shí)鉆井液粘度迅速升高，流行變差，隨著污染程度加重鉆井液粘度迅速下降，粘土被過度絮凝下沉，穩(wěn)定性降低，懸浮力下降，加重劑極易下沉導(dǎo)致密度下降。此時(shí)應(yīng)向鉆井液中補(bǔ)充一定量的充分水化好的土粉漿，加入一定量的磺化酚醛樹脂干粉，增強(qiáng)鉆井液體系的穩(wěn)定性，同時(shí)能有效降低失水，改善泥餅質(zhì)量。SMP是一種水溶性的線性不規(guī)則聚合物，在降濾失的同時(shí)對(duì)粘土不絮凝，能起到整個(gè)體系的穩(wěn)定作用，且SMP的抗鹽抗鈣能力較好，其中SMP-2的抗Ca2+可達(dá)2000mg/L，此外SMP還能改善濾餅潤(rùn)滑性，對(duì)井壁有一定的穩(wěn)定作用；由于聚合物高分子鏈被破壞，導(dǎo)致液相粘度下降，可以補(bǔ)充一定量的高分子聚合物，提高鉆井液的抑制性和液相粘度。鈣污染后一般都會(huì)導(dǎo)致鉆井液起泡，可以加入一定量的油基潤(rùn)滑劑，能有效起到消泡的效果。

（1）鉆入水泥前，提前向鉆井液加入適量碳酸氫鈉或碳酸鈉進(jìn)行預(yù)處理，有效除掉一部分鈣離子，但切勿過量，過量則會(huì)形成HCO-3污染。

（2）鉆穿水泥塞后可以置換一部分新漿，能有效減輕鈣污染。

（3）鉆井液鈣侵嚴(yán)重不利于井壁穩(wěn)定，可根據(jù)地層特點(diǎn)選擇加入瀝青類防塌劑、聚合醇類防塌劑起到護(hù)壁作用。

4 塔河油田深井鉆井液工程實(shí)例

4.1 在TH12542井應(yīng)用

TH12542井在下三開套管至5100m后，采用水泥固井，固井后下塞長(zhǎng)達(dá)320m，掃塞完后鉆井液污染嚴(yán)重，其掃塞前后性能對(duì)比如表1所示。

如表1所示，鉆井液受污染嚴(yán)重，失水迅速上漲，泥餅質(zhì)量變得虛厚，粘度急劇下降，鉆井液穩(wěn)定性下降，加重劑下沉導(dǎo)致密度下降。再施工過程中掃賽前加入300kg純堿進(jìn)行預(yù)處理，但由于水泥塞過長(zhǎng)，受污染程度大，掃賽完成后置換新漿50m3，并向井漿中加入：0.1%純堿+3%水化坂土漿+0.5%酚醛樹脂+0.1%HVCMC+0.1%K-PAM+0.5%液體潤(rùn)滑劑，鉆井液性能得到明顯改善，氣泡逐漸消失，其處理前后鉆井液性能 對(duì)比如表2所示。

表1 掃水泥塞前后鉆井液性能對(duì)比

表2 處理前后鉆井液性能對(duì)比

鉆井液性能得到明顯改善，穩(wěn)定性得到增強(qiáng)，失水顯著下降，泥餅質(zhì)量得到改善。

4.2 在TK7236H井應(yīng)用

TK7236H井在直導(dǎo)眼井深4635m回填，分二次注水泥塞后塞面3975m，然后掃塞至4225m定向鉆進(jìn)，塞長(zhǎng)250m，雖然采用了物理方法排出混漿和化學(xué)與處理，但掃塞后，鉆井液鈣侵嚴(yán)重，處理前鉆井液性能如表3所示。

表3 掃水泥塞前后鉆井液性能對(duì)比

該井鉆井液受到嚴(yán)重鈣侵，但鉆井液性能較為穩(wěn)定，主要是在針對(duì)注水泥和鉆塞作業(yè)采取了有效措施。注水泥前，將鉆井液性能進(jìn)行優(yōu)化，增加了抗鹽聚合物的含量，控制鉆井液低固相、低坂含、低失水失，注水泥作業(yè)和探塞面時(shí)，及時(shí)排放被水泥漿污染的鉆井液。

該井處理多次水泥侵再施工過程中掃賽前加入300kg純堿進(jìn)行預(yù)處理，但由于水泥塞過長(zhǎng)，受污染程度大，掃賽完成后置換新漿50m3，并向井漿中加入：0.1%純堿+3%水化坂土漿+0.5%酚醛樹脂+0.1%HVCMC+0.1%K-PAM+0.5%液體潤(rùn)滑劑，鉆井液性能得到明顯改善，氣泡逐漸消失，其處理前后鉆井液性能對(duì)比如表4所示。

5 結(jié)論

表4 處理前后鉆井液性能對(duì)比

（1）鉆井施工過程中水泥在井內(nèi)水化產(chǎn)生大量的Ca2+與OH-，使鉆井液性能發(fā)生較大改變，不再適用于鉆探施工，通過添加適量的Na2CO3，沉淀鉆井液中的Ca2+，也可以起到降低pH值的作用。

（2）鉆井液受污染程度輕時(shí)，鉆井液粘度上升，結(jié)構(gòu)力增強(qiáng)，流型變差；若受污染程度大，鉆井液過度絮凝，結(jié)構(gòu)力減弱導(dǎo)致體系極不穩(wěn)定。受水泥塞污染后應(yīng)根據(jù)受污染程度及時(shí)作出相應(yīng)的處理。

（3）鉆井液經(jīng)過鈣侵污染處理后，原有體系性能受到較大破環(huán)，通過增加調(diào)整鉆井液流型，增加包被性能、抑制性能、抗污染性能等措施，可以恢復(fù)鉆井液體系的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，達(dá)到繼續(xù)鉆井施工的要求。

[1]鄢捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].中國(guó)石油大學(xué)出版社，2000.

[2]孫寧，等.鉆井工程技術(shù)進(jìn)展[M].石油工業(yè)出版社，2006.

[3]羅平亞，等.探井保護(hù)油氣層技術(shù)[M].石油工業(yè)出版社，2009.

TE256.9

A

1004-5716(2015）08-0024-03

2014-12-18

2014-12-19

杜歡（1984-），男（漢族），山東德州人，工程師，現(xiàn)從事石油鉆井技術(shù)工作。