武治強(qiáng)，岳家平，幸雪松，范白濤

（中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028）

在油氣井固井施工過程中，水泥漿要將鉆井液頂替出井筒，進(jìn)而封固地層。由于鉆井液與水泥漿存在有物理、化學(xué)等方面的差異性，導(dǎo)致二者在一定體積混漿時易出現(xiàn)絮凝、分層、增稠的現(xiàn)象，造成井內(nèi)混合流體流動性能惡化，影響頂替效率，降低固井膠結(jié)質(zhì)量，甚至增加固井施工安全風(fēng)險，造成施工安全事故[1-3]。

前置液使用的目的是解決固井膠結(jié)界面膠結(jié)質(zhì)量差、流體之間化學(xué)相容性差、固井頂替效率低等問題，提高注水泥頂替效率，改善固井質(zhì)量[4，5]。深固井施工過程中，前置液起到的作用至關(guān)重要，一種能夠解決水泥漿與鉆井液污染的前置液體系，是直接影響固井質(zhì)量和固井施工安全的關(guān)鍵因素。本文從前置液作用原理出發(fā)，研發(fā)了一種新型抗污染固井前置液體系，有效解決了現(xiàn)場前置液與鉆井液和水泥漿的相容性問題，確保了固井施工作業(yè)的安全，改善了固井質(zhì)量。

1 前置液體系的組成

通過表面活性劑優(yōu)選和材料評價，優(yōu)選出了前置液的組成配方。前置液的主要組成：水+20%的表面活性劑+1%的懸浮穩(wěn)定劑+3%的滲透劑+3%增溶劑+1%降失水劑。

該前置液體系設(shè)計的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）對鉆井液有較好的稀釋作用，能夠顯著改善沖洗液鉆井液混合層的流變性，實(shí)現(xiàn)對鉆井液的紊流沖洗和頂替；（2）優(yōu)選兩性表面活性劑，能夠在較短的接觸時間內(nèi)對鉆井液濾餅進(jìn)行有效滲透、剝離，提高鉆井液與水泥漿的配伍性；（3）通過對井壁和套管的沖刷，能夠顯著提高界面的水濕性，增強(qiáng)水泥漿與井壁及套管的親和力，提高第一界面膠結(jié)強(qiáng)度，改善第二界面膠結(jié)，從而改善封固質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 前置液抗污染性能評價

2.1.1 現(xiàn)場鉆井液與水泥漿污染評價 為評價前置液對井下流體的抗污染性能，首先需要對使用的鉆井液和水泥漿的污染性能進(jìn)行評價。采用某油田實(shí)際鉆井液與設(shè)計水泥漿配方在室內(nèi)不同比例混合后污染漿的外觀狀態(tài)，水泥漿與泥漿混合后有明顯的增稠觸變現(xiàn)象，混合基本失去流動性（見圖1、圖2）。從圖中現(xiàn)象分析認(rèn)為，化學(xué)接觸污染導(dǎo)致水泥漿流動性能惡化、水泥漿基體固化與界面膠結(jié)強(qiáng)度降低?，F(xiàn)場施工中，常常遇到流阻過大或循環(huán)壓耗劇增現(xiàn)象極易壓漏薄弱地層，引起井下復(fù)雜情況。

圖1 某油田鉆井液和水泥漿

圖2 水泥漿與泥漿混合的比例為7:3/5:5/3:7（從左到右）

2.1.2 相容性實(shí)驗(yàn)評價 為進(jìn)一步評價前置液抗污染性能，室內(nèi)針對水泥漿、前置液、鉆井液三種流體的配伍性開展了實(shí)驗(yàn)評價研究，分別選取水泥漿、前置液、鉆井液三種流體混合比例（體積比）8:1:1、7:2:1、6:1:3，測試了三種比例混合流體的六速旋轉(zhuǎn)黏度計讀數(shù)。混合流體養(yǎng)護(hù)前和養(yǎng)護(hù)后的流變測試結(jié)果（見表1、表2、圖3、圖4）。

圖3 常溫混合液體的流動狀態(tài)（從左至右混合比例分別為8:1:1、7:2:1、6:1:3）

圖4 75 ℃混合液體流動狀態(tài)（從左至右混合比例分別為8:1:1/7:2:1/6:1:3）

表1 水泥漿、前置液與鉆井液配伍性評價實(shí)驗(yàn)（常溫養(yǎng)護(hù)）

表2 水泥漿、前置液與鉆井液配伍性評價實(shí)驗(yàn)

表1 和圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水泥漿、前置液、鉆井液三種組分間各比例的配伍性能較好，不同混合比例下漿體的流變性都不影響泵送施工。當(dāng)前置液摻入量增多時，混合漿體流變性變好；當(dāng)混合漿體中水泥漿摻入較多時，混合漿體相對較稠。在混合漿體中只要保證混合溶液中混有一定比例的前置液，混合漿體的流變性能均較好。

從表2 和圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，水泥漿、前置液、鉆井液三者混合溶液在經(jīng)歷加熱養(yǎng)護(hù)后，黏度變得更低，說明溫度對混合漿體的流動性沒有不利影響，在一定溫度條件下混合漿體的流動性變得更好。

2.2 前置液體系沉降穩(wěn)定性能評價

性能優(yōu)良的前置液應(yīng)該具有良好的加重性能和沉降穩(wěn)定性，為評價開發(fā)的前置液體系的沉降穩(wěn)定性，室內(nèi)在不同溫度下對不同加重密度的前置液體系進(jìn)行了沉降穩(wěn)定性評價，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表3）。

表3 前置液的沉降穩(wěn)定性評價

從表3 評價結(jié)果可以看出，開發(fā)的前置液體系在不同范圍內(nèi)密度可調(diào)，最高可加重至2.20 g/cm3。室內(nèi)重點(diǎn)評價了2.00～2.20 g/cm3密度的前置液的沉降穩(wěn)定性，結(jié)果表明前置液體系均具有良好的沉降穩(wěn)定性，養(yǎng)護(hù)溫度由30 ℃升高到90 ℃，前置液的上下密度差值均小于0.02 g/cm3，說明前置液穩(wěn)定性能較好。

2.3 前置液沖洗性能評價

前置液的主要作用之一就是對井壁進(jìn)行有效沖洗。室內(nèi)研究開發(fā)的新型抗污染固井前置液是集沖洗與隔離雙功能于一體的前置液體系，為評價前置液對井下濾餅的沖洗性能，室內(nèi)模擬在0.5 m/s 的上返速度對鉆井液濾餅進(jìn)行沖洗模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見圖5～圖7）。

圖5 鉆井液濾餅

圖6 沖刷5 min

圖7 沖刷10 min

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，新型前置液在0.5 m/s 的上返速度下沖洗5 min 后，模擬的鉆井液濾餅明顯被剝離和沖洗干凈，但依然存在少量濾餅殘留；模擬沖洗10 min 后，鉆井液濾餅基本被沖洗干凈，有利于提高水泥漿的頂替效率和固井質(zhì)量。

2.4 前置液對水泥漿性能影響評價

前置液頂替鉆井液后，會有部分殘留前置液，可能會與水泥漿相接觸。因此，前置液不僅要求具有良好的沖洗性能，而且需要與水泥漿具有良好的配伍性。室內(nèi)為評價前置液對固井水泥漿性能的影響，在75 ℃條件下對水泥漿的稠化性能和抗壓強(qiáng)度影響進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果（見表4 和表5）。

表4 混漿的稠化時間評價

表5 混漿狀態(tài)下水泥石抗壓強(qiáng)度評價

前置液混入水泥漿中后，混漿的稠化曲線平滑，水泥漿稠化時間未出現(xiàn)縮短的現(xiàn)象，由于混漿中水泥漿含量減少，水泥漿稠化時間均有較長時間的延長。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，前置液對水泥漿稠化時間無明顯的不利影響。

從表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，水泥漿與前置液不同比例混漿48 h 養(yǎng)護(hù)后，混合漿體的抗壓強(qiáng)度均隨著前置液的混入量的增大而出現(xiàn)明顯下降的趨勢。但是當(dāng)40%前置液混入水泥漿時，混合漿體在經(jīng)歷48 h 養(yǎng)護(hù)后依然具有較高的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，前置液的侵入對水泥漿抗壓強(qiáng)度有一定的影響，但較高的侵入比例下水泥漿液有較高的抗壓強(qiáng)度。

2.5 現(xiàn)場應(yīng)用

研發(fā)的新型抗污染固井前置液技術(shù)在海外M 油田應(yīng)用效果良好，固井施工過程順利?，F(xiàn)場測井固井質(zhì)量表明：固井合格率100%，優(yōu)質(zhì)率85%，一二界面膠結(jié)質(zhì)量良好，具備良好的封隔性能（見圖8）。

圖8 使用該新型抗污染前置液前后固井質(zhì)量對比圖

3 結(jié)論與認(rèn)識

（1）新型前置液體系與入井流體具有良好的配伍性效果，水泥漿、前置液、鉆井液三種組分不同比例混合流體的流變性能均較好，在經(jīng)歷加熱養(yǎng)護(hù)后，混合流體黏度更低，流動性變得更好。

（2）新型前置液體系密度在1～2.2 g/cm3范圍內(nèi)可調(diào)，前置液在不同溫度下加重。

（3）新型前置液體系具有良好的沖洗性，在0.5 m/s的上返速度沖洗10 min 后沖洗效率能夠達(dá)到90%以上，有利于提高水泥漿頂替效率和固井質(zhì)量。

（4）新型前置液侵入水泥漿后，對水泥漿稠化時間無明顯的不利影響，影響水泥漿的抗壓強(qiáng)度，在較高的侵入比例下水泥漿液有較高的抗壓強(qiáng)度。