有機鹽鉆井液與水泥漿相容性的室內研究

謝　波，李　寧，陳　英

（1.西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室，四川成都610500；2.中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000）

有機鹽鉆井液與水泥漿相容性的室內研究

謝波*1，李寧2，陳英1

（1.西南石油大學“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室，四川成都610500；2.中石油塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆庫爾勒841000）

對三套克深區塊在用A、B、C水泥漿隔離液體系與有機鹽鉆井液進行配伍，根據API標準對其進行相容性分析，分別進行流變相容性測試，稠化時間相容性測試等。研究結果表明：有機鹽鉆井液與隔離液相容性好，與水泥漿相容性差，水泥漿隔離液體系B相容性最好。

有機鹽鉆井液；水泥漿；隔離液；相容性

有機鹽，是帶雜原子取代基的有機酸根陰離子與一價金屬離子（鉀離子、鈉離子、銨離子、叔銨離子、季銨離子等）所形成的鹽。該類有機鹽可用一通式XmRn （COO）1Mq表示，其中X為雜原子及雜原子基團，R為C0-C10的飽和烴基，COO為羧基，M為1價陽離子。有機鹽鉆井液具有流變性好、抑制性強、造壁性好、保護油氣層效果好的優點［1-2］，對鉆具無腐蝕、對環境污染小、相對成本不高，在國內外取得了廣泛的研究和運用［3-7］，但是對有機鹽鉆井液相容性的研究很少。有機鹽鉆井液的運用，在帶來快速優質鉆井、保護環境、降低鉆井成本的同時，卻給固井帶來新的挑戰。有機鹽鉆井液和現有水泥漿相容性差，只要水泥漿與有機鹽泥漿直接接觸，將發生較嚴重的污染。根據不完全統計，在15口有機鹽鉆井液固井中，按照水泥漿∶泥漿為7∶3的比例混合后，均出現了漿體變稠或稠化時間縮短的現象；還有的井就是尾管固井探塞后鉆塞時，返出混漿量很大，這給固井施工安全帶來極大隱患。

1　實驗儀器與樣品

1.1實驗儀器

本研究使用的主要儀器有電子天平、量筒、變頻高速攪拌機、六速旋轉粘度計、高溫高壓流變儀、稠化儀、常溫常壓稠度儀、高溫高壓濾失儀、抗壓試驗機。

1.2實驗樣品

（1）體系A。水泥漿的配方為：［阿G級水泥+60%高密度鐵礦粉（BWOC）+30%硅粉（BWOC）+1.9%防竄劑（BWOC）］固+3.5%降失水劑（BWOS）+1.8%分散劑（BWOS）+0.6%緩凝劑（BWOS）+0.1%消泡劑（BWOS）+3.5%鹽（BWOC）+25%H2O（BWOS）；液固比：0.348。

隔離液配方：淡水+1%懸浮劑+2.5%緩凝劑+15% 鹽+247%鐵礦粉。所有加量都是以淡水為基準。其中，鐵礦粉密度為4.8g/cm3，隔離液密度為2.27g/cm3。

（2）體系B。水泥漿配方為：［阿G級水泥+32%硅粉（BWOC）+54%鐵礦粉（BWOC）+7.5%微硅（BWOC）+ 54.5%加重鐵礦粉（BWOC）+1%防氣竄劑（BWOC）］固+4.8%降失水劑（BWOS）+3%緩凝劑（BWOS）+0.2%懸浮劑（BWOS）+2.4%分散劑（BWOS）+0.15%消泡劑（BWOS）+ 4.8%鹽（BWOS）+20%H2O（BWOS），液固比：0.342。

隔離液配方：淡水+226%鐵礦粉+54%錳礦粉+ 1.5%懸浮劑+12%緩凝劑+6%降失水劑+12.7%鹽。所有加量都是以淡水為基準。其中，鐵礦粉密度為4.8g/cm3，隔離液密度為2.27g/cm3。

（3）體系C。水泥漿配方為：［阿G級水泥+35%硅粉（BWOC）+110%加重鐵礦粉（BWOC）+12%微硅（BWOC）］固+3.9%降失水劑（BWOS）+2.7%緩凝劑（BWOS）+1%減阻劑（BWOS）+0.14%消泡劑（BWOS）+ 4.34%鹽（BWOS）+25.6%H2O（BWOS），液固比：0.379。

隔離液配方：淡水+1%懸浮劑+2.5%緩凝劑+15% 鹽+247%鐵礦粉。所有加量都是以淡水為基準。其中，鐵礦粉密度為4.8g/cm3，隔離液密度為2.27g/cm3。

（4）有機鹽鉆井液。鉆井液為BH-WEI體系，取自克深8-2井，井深6612m處，其基礎配方為：膨潤土（1.5%～3%）+燒堿（0.2%～0.5%）+抗鹽提切劑（0.5%～1%）+抗鹽抗溫降濾失劑（0.8%～1.2%）+抑制防塌劑（1%～3%）+復合有機鹽（10%～40%）+氯化鉀（3%～5%）+抑制潤滑劑（1%～3%）+加重劑（重晶石）。

鉆井液密度為2.2，粘度75。

2　實驗結果與分析

2.1流變相容性測試

用高溫高壓流變儀分別測試不同比例的水泥漿、隔離液、鉆井液兩兩混合的流變性相容性。預制條件為：135℃×120MPa×70min。

測試結果：鉆井液與隔離液、隔離液與水泥漿的流變性相容比水泥漿與鉆井液的流變相容性好，體系A的水泥漿與鉆井液部分比例混合后，高溫高壓流變儀的測試結果很大，超出量程，如表1～表3所示。

表1　體系A的隔離液與鉆井液流變性相容性測試結果（135℃×120MPa）

表2　體系B的隔離液與水泥漿流變性相容性測試結果（135℃×120MPa）

表3　鉆井液與體系A的水泥漿流變性相容性測試結果（135℃×120MPa）

從表3測試結果可以看出，當水泥漿逐漸加入到鉆井中，當兩者體積比為1∶1時，流變儀的刻度值增加較為明顯，當135℃時，高溫高壓流變儀讀數以超過其量程。當隨著水泥漿漿體繼續增加時，高溫高壓流變儀的讀數逐漸降低。因此，分析表明鉆井液與水泥漿相容性差。

2.2稠化時間相容性測試

通過測量水泥漿和隔離液按不同比例混合后的稠化時間來評定二者的相容性，測試結果見表4。

由表4結果可知，隨著水泥漿中混入隔離液，其稠化時間在增加，因此，水泥漿與隔離液相容性較好。而當70%水泥漿∶30%鉆井液混合后，在高溫高壓條件下進行稠化時間測試，體系A的稠化時間僅為27min；在當70%水泥漿∶20%鉆井液∶10%隔離液時，稠化時間也只有70min。因此，鉆井液與體系A的水泥漿稠化時間相容性最差，三者的混合物相容性也不好。

2.3抗壓強度相容性實驗

抗壓強度相容性測結果如表5所示，實驗條件為150℃×21MPa×48h。

表5中數據表明，少量隔離液的混入（混入量5%），對水泥石的抗壓強度有一定影響，抗壓強度為13.32MPa。當隔離液的混入量增大達到25%時，水泥石抗壓強度也有所降低，但抗壓強度也大于10MPa，也滿足水泥石頂部抗壓強度的需求。當25%鉆井液∶50%隔離液∶25%水泥漿時，水泥石未凝固。因此，從抗壓強度而言，隔離液與水泥漿是相容的。

從表6實驗結果表明，純水泥漿形成的水泥石強度為17.96MPa，隨著隔離液混入的增加，所形成的水泥石強度逐漸降低。當75%水泥漿∶25%隔離液條件下形成的水泥石的抗壓強度也有13.26MPa，其強度遠遠滿足頂部抗壓強度的要求。因此，從抗壓強度相容性評價結果表明，鉆井液與隔離液是相容的。

表4　稠化時間相容性測試結果

表6　體系B的抗壓強度相容性測試結果

從表7可以看出，純水泥漿形成的水泥石的抗壓強度為16.52MPa，隔離液比例提高至5%和25%時，抗壓強度分別為14.54MPa和12.60MPa。該水泥石強度均滿足頂部強度。因此，從抗壓強度角度出發，水泥漿與隔離液的相容性較好。

2.4固相懸浮及膠凝強度相容性實驗

表7　體系C的抗壓強度相容性測試結果

表8　體系A的固相懸浮及靜膠凝強度相容性測試結果

表9　體系B的固相懸浮及靜膠凝強度相容性測試結果

表10　體系C的固相懸浮及靜膠凝強度相容性測試結果

通過測量水泥漿和隔離液按不同比例混合后的停機實驗來評定固相懸浮及靜膠凝強度相容性，測試結果見表8～表10。

從表8～表10數據可見，對于純水泥漿，當稠化70min并停10min后再啟動攪拌時，稠度值的增加不大；而當稠化到一半的稠化時間并停10min后再啟動攪拌時，稠度增值也不大。當混入隔離液后，每次停機后再啟動攪拌時，稠度增加值都不是很大。因此，從沉降穩定性及靜膠凝強度而言，隔離液與水泥漿是相容的。

2.5失水量相容性測試

通過測量水泥漿和隔離液按不同比例混合后的失水量來評定二者的相容性，測試結果見表11。

表中數據表明，水泥漿本身失水量較小，當隔離液混入時，失水量增加，但是最高的也只有48mL/30min，仍能滿足施工要求。所以，就失水量而言，頂替領漿和隔離液是相容的。

3　結論

（1）鉆井液與隔離液是相容的。在135℃條件下的流變性相容性表明，從鉆井液到混合物再到隔離液，各液體是逐漸增稠的。從頂替角度而言，對于低速層流頂替，這種漿體稠度的順序，是符合一般的頂替要求的。通過對比可以發現，在89℃與135℃條件下，體系B均要好于A與C。

（2）隔離液與水泥漿總體上是相容的。稠化時間、抗壓強度、沉降穩定性及靜膠凝強度、濾失量諸相容性均表明，隔離液與水泥漿是相容的。但高溫高壓流變性表明，從頂替要求出發，二者的相容性較好。但隔離液、水泥漿及鉆井液，三者的流變性搭配可能需要改善，使之符合通常的有利于提高頂替效率的要求。具體是，可能需要在固井時進一步降低鉆井液的動塑比，再適當降低隔離液的動塑比（但要大于鉆井液的），再增加水泥漿的動塑比。在135℃條件下，體系B也要好于A與C。

（3）鉆井液與水泥漿不相容。在135℃條件下流變性相容性表明，鉆井液與水泥漿是不相容的，但在135℃條件下，體系B的性能最好；鉆井液與水泥漿混合后，兩者混合后的動塑比較大，可能會達到不能流動的程度，因此，在實際施工時可能會導致中途憋泵的情況。

（4）鉆井液、隔離液及水泥漿的相容性。三種混合漿體的流變相容性較好，體系B的相容性最優。

表11　失水量相容性測試結果

［1］江興林，朱法銀，朱仁宏，等.油氣勘探與開發［M］.東營：石油大學出版社，2002.

［2］周建東，李在均，鄒盛禮，等.有機鹽鉆井液在塔里木東河油田DH1-8-6井的應用［J］.鉆井液與完井液，2002，19（4）：21-23.

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TE54

A

1004-5716（2016）02-0080-05

2015-02-09

2015-02-10

謝波（1985-），男（漢族），廣東連平人，西南石油大學國家重點實驗室油氣井工程在讀研究生，研究方向：固井。