鐘　聲

（中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽(yáng) 457001）

油基鉆井液下水泥漿抗污劑的研究與應(yīng)用

鐘聲

（中原石油工程有限公司固井公司，河南濮陽(yáng) 457001）

鐘聲.油基鉆井液下水泥漿抗污劑的研究與應(yīng)用［J］.鉆井液與完井液，2016，33（5）：84-87.

針對(duì)目前油基鉆井液下水泥漿易被污染，固井質(zhì)量難以保證的問(wèn)題，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合理論分析，開(kāi)展了抗污染水泥漿體系的研究。利用人工巖心法證實(shí)了油基鉆井液對(duì)固井質(zhì)量有較大影響，特別是對(duì)二界面膠結(jié)強(qiáng)度影響最大。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了基礎(chǔ)水泥漿被油基鉆井液污染后性能的變化，研制出了一種主要成分為烷基酚聚氧乙烯醚的抗污染劑Anti-P。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將1%抗污劑Anti-P加入水泥漿中，在水泥漿被少量油基鉆井液污染后（小于10%），水泥漿性能不受影響，保證了固井質(zhì)量。將其在多口井進(jìn)行應(yīng)用，效果良好。該成果填補(bǔ)了目前抗污染水泥漿體系的空白，值得進(jìn)一步研究推廣。

固井質(zhì)量；水泥漿添加劑；抗污染；油基鉆井液

油基鉆井液的使用給固井帶來(lái)很多困難。前人已對(duì)油基鉆井液對(duì)固井質(zhì)量的影響機(jī)理、前置液固井技術(shù)等進(jìn)行了相關(guān)研究，并形成了相應(yīng)的水泥漿體系。但還有較多困難需要克服，特別是目前關(guān)于抗油污染水泥漿研究還是一片空白，如何保證水泥漿在微量油基鉆井液污染后的固井質(zhì)量是亟需解決的問(wèn)題［1-6］。因此，筆者從油基鉆井液固井難點(diǎn)著手，開(kāi)展了抗油污染水泥漿體系實(shí)驗(yàn)研究。

1　油基鉆井液對(duì)二界面質(zhì)量的影響

油基鉆井液對(duì)固井質(zhì)量的影響主要反映在對(duì)頂替效率及第二界面膠結(jié)程度上，筆者采用人工巖心法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1）實(shí)驗(yàn)巖心和套管。人造巖心：先稱(chēng)取500 g標(biāo)準(zhǔn)砂，將其與占砂重約12%～15%的環(huán)氧樹(shù)脂攪拌均勻，倒入PVC管與鋼管所形成的環(huán)形空間里，常溫養(yǎng)護(hù)12 h，待其自行固化后，取出模具即制得所需巖心，巖心形狀為圓柱環(huán)形，高度為50 mm左右，孔隙率為15%～20%左右。用金屬棒模擬套管，長(zhǎng)度為50 mm，直徑為33 mm。

2）實(shí)驗(yàn)材料及配方。鉆井液體系：濮深18-側(cè)1井白油鉆井液、衛(wèi)383-FP2井柴油鉆井液，鉆井液密度分別為2.20、1.94 g/cm3，膠結(jié)實(shí)驗(yàn)用水泥漿：G級(jí)水泥+促凝劑（水灰比為0.44）。

3）二界面膠結(jié)強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法——人工巖心法。該方法用巖心代替井壁巖石，直接在人工巖心上做鉆井液濾失實(shí)驗(yàn)。在每種鉆井液中浸泡2塊人工巖心和一塊金屬棒，各浸泡24 h，以在巖心表面形成濾餅，在金屬棒表面形成吸附膜。首先，從每種鉆井液中取出浸泡好的巖心和金屬棒各一塊，直接置入水泥漿固化模中心，然后注入水泥漿，候凝；另外取空白巖心和金屬棒（即未經(jīng)鉆井液浸泡的巖心和金屬棒）各一塊，置入固化模與水泥漿膠結(jié)。在 60 ℃下養(yǎng)護(hù)48 h后，分別測(cè)試剪切膠結(jié)強(qiáng)度，并記錄數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）。

表1　不同鉆井液的膠結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù) MPa

可以看出，油基鉆井液環(huán)境下，水泥環(huán)一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度大幅度下降，特別是對(duì)二界面膠結(jié)強(qiáng)度影響更為嚴(yán)重，因此，清除界面油膜對(duì)提高界面膠結(jié)能力、保證固井質(zhì)量至關(guān)重要。

2　抗油污染水泥漿體系的研制

2.1抗污機(jī)理分析

通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，確定本次實(shí)驗(yàn)抗污劑的主要成分是烷基酚聚氧乙烯醚（APEO），它是一種水潤(rùn)濕劑，起潤(rùn)濕、反轉(zhuǎn)作用，能使油潤(rùn)轉(zhuǎn)變成水潤(rùn)，同時(shí)，它能與改性PVA類(lèi)降失水劑（M89L）及AMPS類(lèi)降失水劑發(fā)生交聯(lián)、共聚反應(yīng)［7-8］。在共聚物中引入具有鏈剛性基團(tuán)的單體，使得共聚物在高溫、高含鹽的情況下仍然很穩(wěn)定，不會(huì)鹽析，分子鏈斷裂的程度降低。同時(shí)引入了具有羧基、羥基、酰胺基等吸附基團(tuán)的單體，保證了共聚物在水泥漿中的抗溫穩(wěn)定性及水泥石強(qiáng)度的發(fā)展，因此能穩(wěn)定水泥漿的性能，抗擊微量油基鉆井液的污染［9］。

2.2基礎(chǔ)水泥漿體系被污染后性能變化

根據(jù)油基鉆井液特點(diǎn)及固井難點(diǎn)，在水泥漿體系方面采用較為成熟的非滲透水泥漿體系作為基礎(chǔ)水泥漿體系。實(shí)驗(yàn)分別將2種非滲透水泥漿體系進(jìn)行污染實(shí)驗(yàn)，水泥漿配方如下，油基鉆井液∶水泥漿的比例均為10∶90。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

1#嘉華D級(jí)水泥+0.3%膨脹劑G502+0.4%分散劑USZ+1.0%早強(qiáng)劑G401+5.0%降失水劑CPS2000+2%促凝劑G204

2#嘉華D級(jí)水泥+4.5%抗鹽降失水劑G33S+0.4%緩凝劑GH-9

表2　非滲透水泥漿體系污染實(shí)驗(yàn)

可以看出，水泥漿被污染后，性能整體變差。具體而言：被污染的水泥漿密度略微降低；QAPI增加明顯；析水量增加；抗壓強(qiáng)度減弱；水泥石收縮明顯；稠化時(shí)間縮短明顯；初始稠度增加等。也就是說(shuō)，水泥漿在被10%的油基鉆井液污染后，性能已經(jīng)發(fā)生了巨大變化，特別是水泥石收縮嚴(yán)重且疏松，抗壓強(qiáng)度大幅度降低。此外，筆者還進(jìn)行了20%、30%的污染實(shí)驗(yàn)，得到了基本一致的結(jié)論。因此，必須提高水泥漿體系性能，增強(qiáng)其抗污染能力。

2.3抗油污染劑的研究

1）抗污染劑加量及性能研究。根據(jù)上述研究，水泥漿被污染后性能急劇變差，如果在水泥漿中添加一種能使污染后水泥漿中的油基成分轉(zhuǎn)換成水基成分且不影響水泥漿性能的物質(zhì)就能阻止水泥漿性能變差。結(jié)合抗污機(jī)理，通過(guò)室內(nèi)研究，確定了一種抗污染劑Anti-P，實(shí)驗(yàn)以上述1#和2#配方為基礎(chǔ)水泥漿體系，分別加入1%、2%、3%、4%、5%的抗污劑Anti-P，測(cè)定水泥漿性能的變化，研究了抗污劑加量對(duì)水泥漿性能的影響（見(jiàn)表3）。

表3　Anti-P加量對(duì)水泥漿綜合性能影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在配方中加入（1%～5%）Anti-P后，水泥漿稠化時(shí)間、失水量及游離液幾乎沒(méi)有變化，但水泥漿抗壓強(qiáng)度隨其加量的增加略有增加。綜合考慮，抗污劑的加量為1%較為合理。

通過(guò)對(duì)加入1%Anti-P后的1#、2#配方進(jìn)行水泥漿抗污染能力實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表4）和強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖1、圖2）表明：抗污劑Anti-P最高能抗10%油基鉆井液的污染，當(dāng)油基鉆井液污染量大于10%時(shí)，水泥漿抗污染能力明顯下降。因此，Anti-P能抗10%油基鉆井液的污染。

綜上所述：抗污劑Anti-P加入水泥漿配方中，在水泥漿被少量油基鉆井液污染后，水泥漿稠化時(shí)間、稠度、失水量、游離液幾乎不受影響；水泥石致密，不收縮，抗壓強(qiáng)度不降低。即被少量油基鉆井液污染后水泥漿的綜合性能得到了穩(wěn)定，說(shuō)明Anti-P的加入明顯增加了水泥漿的抗污能力，具有抗擊10%以內(nèi)油基鉆井液污染的能力，這基本能保證固井過(guò)程中水泥漿不被污染。

表4　水泥漿中加入1%Anti-P后抗污染性能實(shí)驗(yàn)

圖1　1#配方水泥石被污染前（左）后（右）對(duì)比圖

圖2　2#配方水泥石被污染前（左）后（右）對(duì)比圖

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該研究成果在衛(wèi)68-FP1、衛(wèi)383-FP2、陜北延頁(yè)平1井、順9CH井等4口使用油基鉆井液的井應(yīng)用，采用已有的清油型高效沖洗隔離液及四級(jí)沖洗工藝［10］，合理配制Anti-P抗油污染水泥漿體系，固井頂替效率高，施工順利，固井質(zhì)量良好（見(jiàn)表5）。特別是位于順托果勒2號(hào)構(gòu)造上的順9CH井，其為西北局第1口使用油基鉆井液的井。該井完鉆井深為5 769 m，下φ177.80 mm套管。固井施工難點(diǎn)為超深井、重疊段間隙小而導(dǎo)致頂替效率較差，裸眼段長(zhǎng)期浸泡產(chǎn)生油膜等。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)使用1%Anti-P抗油污染水泥漿體系，限制了油基鉆井液的污染，保證了優(yōu)質(zhì)的固井質(zhì)量。

表5　Anti-P抗油污染水泥漿體系現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果

4　結(jié)論

1.采用人工巖心法，證實(shí)了油基鉆井液環(huán)境下，水泥環(huán)一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度大幅度下降，特別是對(duì)二界面膠結(jié)強(qiáng)度影響更為嚴(yán)重。

2.研發(fā)了抗油污水泥漿添加劑Anti-P，具有抗10%以內(nèi)油基鉆井液污染的能力，使水泥漿在微量油基鉆井液污染下仍具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，保證了固井質(zhì)量。

3.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，研制的抗油污水泥漿在衛(wèi)68-FP1、衛(wèi)383-FP2、陜北延頁(yè)平1井、新疆順9CH井等4口井使用性能良好，為同類(lèi)井固井提供了經(jīng)驗(yàn)。

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Study and Application of Anti-contamination Agent for Cement Slurry in Wells Drilled with Oil Base Drilling Fluids

ZHONG Sheng
（Cementing Branch of Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd.， Sinopec， Puyang， Henan 457001）

Wells drilled with oil base drilling fluid always have poor cementing job quality because of the contamination to the cement slurry by the oil base drilling fluid. Studies on the cement slurries that are resistant to contamination have been conducted using experimental method and theoretical analysis. In laboratory experiments with artificial cores， the effects of oil base drilling fluid on the cementing job quality， especially the effects of oil base drilling fluid to the bonding of the cement sheath and the borehole wall，have been proved. Anti-P （main component being alkylphenolpolyethoxylate）， an anti-contamination agent for cement slurry was developed by studying the change of the properties of base cement slurry before and after being contaminated with oil base drilling fluid. Laboratory studies showed that cement slurry treated with Anti-P can stand the contamination by oil base drilling fluid of less than 10%， the properties of the cement slurry was not affected， and the cementing job quality satisfied the requirements. The application of Anti-P in several wells has gotten good results. This technology has filled the gap of anti-contamination cement slurry and is well worth further study and application.

Well cementing job quality； Cement slurry additive； Anti-contamination； Oil base drilling fluid

TE256.6

A

1001-5620（2016）05-0084-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.018

中原石油勘探局科技攻關(guān)項(xiàng)目“鉆井液、固井及環(huán)保技術(shù)研究”（2012307）、“抗溫260 ℃鉆井液體系研究”（2013101）、“2.80 g/cm3超高密度水泥漿研究與應(yīng)用”（2013123）。

鐘聲，工程師，1987年生，2009年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油工程專(zhuān)業(yè)，主要從事固井工藝技術(shù)相關(guān)研究。電話 13943330626；E-mail：zhongs1987@126.com。

（2016-4-29；HGF=1604N9；編輯 王小娜）