改善水泥漿與CO2污染鉆井液的相容性技術措施

聶世均 馮 彬 劉世彬 孫 祥 張 軒 李 兵 高 揚

1．中國石油川慶鉆探工程公司井下作業(yè)公司 2．中國石化勝利油田渤海鉆探公司 3．中國石油海洋工程有限公司

資料表明水泥漿與鉆井液之間的接觸污染對固井頂替效率和施工安全影響巨大［1］。除水泥漿與鉆井液間化學不兼容性因素外，在川東現(xiàn)場固井施工作業(yè)中，CO2等酸性氣體對鉆井液的污染是固井水泥漿與鉆井液相容性惡化的主因之一。川渝氣田的天然氣中CO2含量一般為0．5%～10．4%，其中川東石炭系的天然氣CO2含量為1%～4．5%［2］。由于CO2對鉆井液的污染，使得水泥漿與鉆井液接觸后稠度急劇增加，井下形成了對固井質量和施工安全極為不利的作業(yè)環(huán)境，迫使固井準備期間不得不耗費大量人力物力來調整鉆井液性能，以滿足施工要求。文章結合川東地區(qū)固井實踐，對改善水泥漿與受CO2污染鉆井液的相容性技術措施進行了探討，希望對當前技術條件下完善天然氣井的固井準備提供一定的參考。

1 CO2對鉆井液的污染及其影響

川東地區(qū)大部分井的實鉆鉆井液中，從開鉆到完鉆都含有HCO3－和CO32－，尤以鉆穿嘉陵江組、飛仙關組和石炭系地層時含量最高，這些離子主要來自于地層中侵入鉆井液的CO2。當酸性氣體的CO2侵入水基鉆井液后，與水反應生成碳酸。由于碳酸的不穩(wěn)定性，容易電離出HCO3－和CO32－離子，因此鉆井液中CO2以H2CO3、HCO3－和CO32－3種形式存在［3－4］。

隨著CO2侵入量增大，鉆井液中的 HCO3－和CO32－濃度增加，OH－的濃度降低，使得鉆井液pH值下降，導致常用鉆井液處理劑尤其是稀釋劑不能發(fā)揮有效作用，從而使得鉆井液的性能發(fā)生變化。CO2對鉆井液的污染影響主要表現(xiàn)在［5－7］：

1）CO32－濃度增加使得黏土顆粒形成細分散，鉆井液黏度、切力大幅度上升。

2）鉆井液pH值降低，導致需要在堿性環(huán)境中才能有效發(fā)揮作用的鉆井液處理劑功效下降，鉆井液黏切控制困難。

3）未溶解以氣體狀態(tài)存在的CO2被鉆井液包裹，形成細分散微泡，進一步增大鉆井液切力，且初切與終切值接近，鉆井液流變性能惡化。

資料表明，CO2侵入鉆井液后，當 HCO3－和CO32－含量小于2 000mg／L時，對鉆井液性能不會產生大的影響，鉆井液仍能維持較低的黏度和切力；當HCO3－和CO32－含量大于2 400mg／L時，鉆井液黏度和切力增加；當 HCO3－和CO32－含量大于2 500 mg／L，pH值不大于9時，鉆井液黏度和切力劇增、濾失量增大，此時難以有效調整鉆井液性能。同時隨著井溫的升高，HCO3－和CO32－對鉆井液性能的影響程度加劇［8］。表1為川東地區(qū)3口井的鉆井液受CO2污染前后的性能變化，數(shù)據(jù)顯示鉆井液受CO2污染后黏度和切力上升、失水增大、pH值降低，且性能變化程度隨CO32－含量增加而加大。

表1 CO2污染后鉆井液性能變化情況表

2 水泥漿與CO2污染的鉆井液相容性實驗

相容性實驗主要包括水泥漿與鉆井液混合后的流動性和稠化時間測試。結合現(xiàn)場具體情況，流動性采用常溫和高溫兩種條件下的流動度表征，稠化時間則采用稠度和時間表征。

水泥漿水化過程中會產生Ca（OH）2并電離出Ca2＋。當水泥漿與鉆井液接觸后，Ca2＋的存在使黏土顆粒聚結并形成網狀結構，表現(xiàn)為生成黏稠團塊的絮凝物質，使混漿的流動性變差。當CO2污染的鉆井液與水泥漿混合后，相容性會變得更差，高溫養(yǎng)護條件下無流動性、干稠或者漿體形成的強度（表2）。對于污染嚴重的鉆井液，即使混入一定量的隔離液、先導液等（DT002－6井），也無法滿足設計要求。

稠化實驗結果表明，高溫條件下，CO2污染的鉆井液與水泥漿接觸后很快凝結，或稠化，或硬化，甚至部分漿體成形，無法滿足固井施工要求（表3）。

表2 水泥漿與污染鉆井液相容性實驗表

在對污染的鉆井液加水或用稀釋劑降黏度、切力，調整pH值，改變鉆井液性能等措施下，水泥漿與鉆井液污染稠化實驗仍不能滿足固井施工要求（表4），表現(xiàn)為只要污染的鉆井液與水泥漿接觸就可能發(fā)生絮凝，形成網狀結構而稠化。

表3 污染的鉆井液與水泥漿稠化實驗表

表4 G005－H1井處理后鉆井液與水泥漿稠化實驗表

3 改善水泥漿與CO2污染的鉆井液相容性技術措施

針對鉆井液受CO2酸性氣體污染嚴重井，固井前采用合理的技術措施調整鉆井液性能，改善水泥漿與鉆井液間的相容性，是保證固井施工安全，提高固井質量的關鍵。

3．1 新漿置換

在CO2對鉆井液污染嚴重的情況下，為保證固井施工安全，有條件的情況下可以對鉆井液進行全井或部分置換，防止鉆井液與水泥漿間接觸而提前稠化，影響固井施工安全。G001－H5井固井前，井漿黏度和切力較高、循環(huán)壓耗大，在多次處理鉆井液不能滿足固井施工要求情況下，利用儲備鉆井液處理后對原井漿進行全井替換，并配置抗鈣新鉆井液作為隔離液，滿足了兩相或多相相容性實驗要求（表5、6）。

3．2 鉆井液性能調整

在CO2對鉆井液污染較嚴重的情況下，采取補充Ca2＋的方法使其生成CaCO3沉淀。而Ca2＋通常以石灰或石膏的形式加入，如果用石膏，則需要石灰或燒堿同時加入，以保證 HCO3－轉變成 CO32－，否則HCO3－與 Ca2＋不起反應［7，9－10］。

TD017－H4井固井前，對污染的鉆井液加入生石灰進行過飽和高鈣處理，同時配制先導液和隔離液，較好滿足鉆井液與水泥漿之間的相容性實驗要求（表7、8）。

表5 G001－H5井新配鉆井液與水泥漿相容性實驗表

表6 G001－H5井新配鉆井液、隔離液、沖洗液與水泥漿稠化實驗表

表7 TD017－H4井處理后鉆井液與水泥漿相容性實驗表

3．3 鉆井液抗污染處理劑

鉆井液受CO2污染影響較嚴重，但在調整鉆井液性能后兩者相容性實驗仍無法滿足固井施工要求，同時井場又不具備替換全部或部分井筒鉆井液條件，可采用抗Ca2＋污染處理劑對鉆井液進行處理［11］，本研究采用了KR－XX類鉆井液抗污染處理劑。由于該類處理劑中部分基團對Ca2＋有很強螯合能力的特點，形成易吸附于水泥顆粒表面的螯合物，降低水泥水化速度，保證水泥漿與鉆井液之間的相容性實驗達到固井施工要求，DT002－6井在調整后的鉆井液中加入2．5%的KR－XX處理劑，較好地滿足了相容性實驗要求（表9、10）。

表8 TD017－H4井處理后鉆井液、先導液、隔離液和水泥漿稠化實驗表

3．4 抗污染前置液

廣義上來說，固井前置液不僅包括隔離液和沖洗液，還包括一定優(yōu)質的先導液（性能良好的鉆井液，泵注于隔離液之前）。固井前置液用于降低井筒溫度，降低鉆井液與水泥漿的直接接觸程度，改善水泥漿對井壁的固結環(huán)境，防止水泥漿絮凝［12－14］。

表9 DT002－6井水泥漿與隔離液、先導液等相容性實驗表

表10 DT002－6水泥漿與隔離液、先導液等稠化實驗表

根據(jù)實踐，川東地區(qū)固井隔離液可以是無污染鉆井液加重后調整性能，也可以是用生物聚合物或膨潤土粉配置新的加重抗污染鉆井液，還可以是專用的高低密度隔離液體系。同時，現(xiàn)場根據(jù)相容性實驗評價狀況，設計足量的隔離液與沖洗液，提高前置液體積置換系數(shù)［14］，減少鉆井液與水泥漿直接接觸的可能性，增大隔離液與井壁接觸時間，改善頂替效果，保證了固井施工安全（表11）。

4 結論與建議

CO2對鉆井液的污染是川東地區(qū)固井水泥漿與鉆井液相容性惡化的主要原因之一。通過置換井筒污染鉆井液、對污染的鉆井液進行過飽和Ca2＋處理，加入鉆井液抗污染處理劑和合理設計前置液用量等技術措施，有效滿足鉆井液與水泥漿間的相容性實驗要求，保證了固井施工安全和固井質量。但由于目前國內外在相容性、污染稠化方面缺乏統(tǒng)一規(guī)范的實驗方法，特別是針對復雜、高含酸性氣體的天然氣井來說，上述4種現(xiàn)場作法對于完善天然氣井的固井準備具有一定的參考和借鑒價值。

表11 川東地區(qū)3井次固井抗污染前置液使用情況表

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