川渝地區(qū)深井超深井固井水泥漿防污染試驗(yàn)

摘 要

摘要：為解決深井、超深井固井水泥漿與鉆井液的相容性問題，在分析鉆井液對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響以及深井常用鉆井液處理劑與深井常用高溫水泥漿進(jìn)行混合流體的流變性能、高溫、
摘要：為解決深井、超深井固井水泥漿與鉆井液的相容性問題，在分析鉆井液對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響以及深井常用鉆井液處理劑與深井常用高溫水泥漿進(jìn)行混合流體的流變性能、高溫、高壓稠化時(shí)間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出將深井常用的聚磺、鉀聚磺兩種中高溫鉆井液體系與深井常用的高溫水泥漿體系進(jìn)行體系間混合流體相容性試驗(yàn)的方法。由此篩選出對(duì)水泥漿有促凝作用的鉆井液處理劑，來指導(dǎo)鉆井液處理劑的選擇；并對(duì)現(xiàn)有水泥漿相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和防污染工藝技術(shù)措施進(jìn)行了評(píng)價(jià)，總結(jié)出適合深井井下實(shí)際情況的水泥漿相容性試驗(yàn)方法和固井前鉆井液性能調(diào)整技術(shù)、偏心環(huán)空隔離液技術(shù)、提高套管居中度技術(shù)、水泥漿防污染等措施?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐結(jié)果表明，固井水泥漿防污染技術(shù)能確保深井、超深井固井作業(yè)的安全。最后建議根據(jù)不同地區(qū)特點(diǎn)建立一套較為全面的水泥漿防污染體系，以此來提高固井質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：深井；超深井；固井；水泥漿；防污染；鉆井液；相容性；工藝技術(shù)
    深井一般井深較大，井底溫度、壓力高，小間隙，封固段長，地層復(fù)雜、不穩(wěn)定，地層流體顯示活躍，井徑不規(guī)則，同一裸眼井段存在多個(gè)壓力層系，壓力安全窗口小，容易發(fā)生井漏、井涌、氣竄，這就大大增加了深井固井水泥漿防污染技術(shù)的難度。有時(shí)為了解決水泥漿與鉆井液的相容性問題，需要反復(fù)調(diào)節(jié)水泥漿配方、調(diào)整鉆井液性能，既延長了固井施工周期，又無法確保施工安全(如LG001-3井Φ127mm尾管插“旗桿”)，事倍功半。因此，有必要開展水泥漿防污染技術(shù)研究，找出因鉆井液與水泥漿不相容導(dǎo)致其混合流體稠化時(shí)間試驗(yàn)難以達(dá)標(biāo)的具體原因，并提出針對(duì)性的解決辦法，確保固井施工作業(yè)安全，同時(shí)提高固井質(zhì)量[1～2]。
1 中高溫常用鉆井液體系評(píng)價(jià)
    目前，川渝地區(qū)深井常用的聚磺、鉀聚磺兩種鉆井液體系和高溫水泥漿體系。其體系特點(diǎn)及應(yīng)用情況如下：
    1) 聚磺鉆井液是中、深井段應(yīng)用最廣的鉆井液體系，密度為1.06～2.40g/cm3，具有性能穩(wěn)定、抗高溫、抗膏鹽污染、防塌能力強(qiáng)等特點(diǎn)，常用于深井高溫、高壓段的易塌地層鉆進(jìn)。
    2) 鉀聚磺鉆井液，密度為1.26～2.50g/cm3，具有防塌能力強(qiáng)、抗高溫(可達(dá)150℃)、抗膏鹽污染、流變性易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于井深超過2500m的地層。
3) FS-31L+SD10水泥漿體系，密度為1.35～2.50g/cm3，具有抗高溫、失水量小、稠化時(shí)間易調(diào)整、過渡時(shí)間短、防氣竄性能好等特點(diǎn)，常用于深井尾管段井底循環(huán)溫度大于105℃條件下的固井。進(jìn)行3種流體的體系評(píng)價(jià)時(shí)，采用的常見配方見表1，其中鉆井液配方中處理劑加量按照中等加量添加。結(jié)合深井固井流體混漿模擬試驗(yàn)成果，混合流體比例按照水泥漿/鉆井液為70/30進(jìn)行，稠化時(shí)間試驗(yàn)條件為125℃×70MPa，試驗(yàn)結(jié)果見表1。
 
表1的試驗(yàn)結(jié)果表明，在該試驗(yàn)條件下水泥漿與上述兩類鉆井液會(huì)發(fā)生污染，混合流體較純水泥漿稠化時(shí)間最高縮短35%，在施工中應(yīng)引起重視。水泥漿與鉆井液接觸污染問題是一個(gè)互相污染的過程，判斷污染源可從2個(gè)方面出發(fā)：①根據(jù)混合流體的流變性能判別，如果混合流體流動(dòng)度低則判別為鉆井液抗鈣性差，是由于鉆井液中的黏土顆粒聚結(jié)造成的，即是水泥漿污染了鉆井液的表現(xiàn)。如果混合流體的流變性能保持良好則說明鉆井液的抗鈣能力較強(qiáng)，水泥漿對(duì)鉆井液基本沒有不良影響；②根據(jù)混合流體的稠化時(shí)間來判別，如果混合流體稠化時(shí)間較水泥漿稠化時(shí)間縮短，說明是水泥漿受到鉆井液污染后帶來緩凝劑失效造成的。
2 部分單一鉆井液處理劑對(duì)水泥漿性能的影響
    為了進(jìn)一步分析水泥漿受到鉆井液污染后帶來緩凝劑失效的原因，需要開展鉆井液的處理劑對(duì)水泥漿的相容性試驗(yàn)。首先根據(jù)兩種鉆井液體系常用處理劑的使用情況，選取了降濾失劑(SHE-7、SMP-Ⅰ、RSTF、DR-Ⅱ、KHM)、防卡潤滑劑(RLC-101、FRH A、FK-10、ZFRJ、DHD、PPL)、乳化劑(SP-80)、頁巖抑制劑(NRH)、稀釋劑(SMT)5大類15種處理劑進(jìn)行評(píng)價(jià)。在進(jìn)行單一鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的評(píng)價(jià)時(shí)，按兩步來進(jìn)行，一是通過混合流體的流變性能(常流、高流、初凝、終凝)試驗(yàn)，初步篩選出對(duì)水泥漿可能有促凝作用的鉆井液處理劑；二是通過混合流體的高溫、高壓稠化時(shí)間試驗(yàn)，確定篩選出的這些鉆井液處理劑是否對(duì)水泥漿真正具有促凝作用。
2.1 流變性能試驗(yàn)
    試驗(yàn)過程如下：①配黏土含量為5%的鉆井液備用；②水泥漿配置同前；③將黏土含量為5%的鉆井液稀釋至3%，然后逐一加入單一鉆井液處理劑，按最大加量添加，充分?jǐn)嚢璺稚?，待用；④將水泥漿與配制好的鉆井液按不同的比例混合(水泥漿/鉆井液=100/0、90/10、70/30、50/50、30/70、10/90)進(jìn)行混合流體的常流、高流試驗(yàn)，并觀察其2h、4h的凝結(jié)情況。經(jīng)過上述試驗(yàn)可以得出，鉆井液處理劑SP 80、FK-10、DHD、ZFRJ、DR-Ⅱ、RSTF、SHE-7、RLC-101、NRH、KHM、FRH-A在該試驗(yàn)條件下表現(xiàn)出對(duì)水泥漿有促凝作用，且促凝主要發(fā)生在水泥漿/鉆井液=70/30、30/70的混合比例下。
2.2 稠化時(shí)間試驗(yàn)
    將在流變性能試驗(yàn)中表現(xiàn)出對(duì)水泥漿有促凝作用的鉆井液處理劑進(jìn)行高溫、高壓稠化時(shí)間試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)方法如下：①水泥漿配置同前；②將黏土含量為5%的鉆井液稀釋至3%含量，然后加入單一鉆井液處理劑(采用最大加量添加)，充分?jǐn)嚢璺稚?，待用；③按比例配置混合流體，進(jìn)行高溫、高壓稠化時(shí)間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以將這些處理劑按照對(duì)水泥漿促凝作用的強(qiáng)弱進(jìn)行歸類。具有促凝作用的有：FRH-A、KHM、NRH、RSTF、SP-80；而RLC-101、SHE-7、DR-Ⅱ、ZFRJ、DHD、FK-10沒有促凝作用。
3 相容性試驗(yàn)方法研究
3.1 API RP 10B與川渝地區(qū)深井固井相容性試驗(yàn)方法
    國外對(duì)井下流體相容性較重視，嚴(yán)格按照API RP 10B《油井水泥試驗(yàn)推薦做法》執(zhí)行。但在國內(nèi)一般采用配漿藥水或稀釋處理了的鉆井液作為隔離液，規(guī)范性差[3～5]。API RP 10B與川渝地區(qū)深井固井相容性試驗(yàn)方法的特點(diǎn)及區(qū)別見表3。
3.2 深井固井相容性試驗(yàn)推薦做法
川渝地區(qū)深井固井相容性試驗(yàn)簡(jiǎn)單易行，測(cè)試數(shù)據(jù)直觀，能宏觀反映混合流體的流動(dòng)性能，最大限度地考慮了井下流體摻混的復(fù)雜情況，但是無法指導(dǎo)施工摩阻計(jì)算。API RP 10B中井下流體相容性試驗(yàn)考慮了井下流體接觸順序，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算混合流體的流變性能，能夠指導(dǎo)施工摩阻計(jì)算。因此，可考慮結(jié)合兩相標(biāo)準(zhǔn)，取長補(bǔ)短，為相容性試驗(yàn)提供參考依據(jù)。
 
   流動(dòng)性能試驗(yàn)方面：增加水泥漿、鉆井液、隔離液的旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試，為流變學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù)；增加鉆井液與隔離液的流動(dòng)性能試驗(yàn)(70/30、30/70)兩組；當(dāng)循環(huán)溫度低于90℃時(shí)，“高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)大于注水泥施工作業(yè)總時(shí)間”，循環(huán)溫度高于90℃時(shí)，高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間取120min。
   稠化時(shí)間試驗(yàn)方面：當(dāng)封固段上下溫差較大時(shí)，可采取模擬井下升降溫過程進(jìn)行水泥漿、鉆井液、隔離液混合流體的稠化時(shí)間試驗(yàn)；當(dāng)混合流體的流動(dòng)性能試驗(yàn)不能滿足設(shè)計(jì)要求而稠化時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，視為相容性試驗(yàn)合格。
4 結(jié)論
    1) 防污染工藝技術(shù)的關(guān)鍵就是采取一系列的工藝技術(shù)措施，“提高頂替效率，防止或減少接觸污染”(圖1)。
    2) 水泥漿與鉆井液相容性差是由兩者相互作用引起的。水泥漿污染鉆井液是因?yàn)樗酀{中的Ca2+與鉆井液中黏土的Na+發(fā)生離子交換，導(dǎo)致鉆井液中的黏土顆粒聚結(jié)形成絮凝物質(zhì)，鉆井液失去可泵性；鉆井液污染水泥漿是因?yàn)殂@井液的某些處理劑引起水泥漿緩凝劑部分或者全部失效甚至反向，導(dǎo)致水泥漿稠化時(shí)間急劇縮短，水泥漿失去可泵性。
    3) 目前川渝地區(qū)深井超深井常用鉆井液處理劑按照對(duì)水泥漿有促凝作用的強(qiáng)弱進(jìn)行歸類，具有促凝作用的有FRH-A、KHM、NRH、RSTF、SP 80；沒有促凝作用的有RLC-101、SHE-7、DR-Ⅱ、ZFRJ、DHD、FK-10。
    4) 良好的深井井下條件是避免水泥漿被污染的必要前提，鉆井液性能調(diào)整、隔離液技術(shù)、提高套管居中度等措施是解決水泥漿與鉆井液相容性最直接的手段。
    5) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，川渝地區(qū)現(xiàn)行井下流體相容性試驗(yàn)方法是從深井固井井下條件復(fù)雜出發(fā)，注重水泥漿、鉆井液、隔離液三相混合流體的稠化時(shí)間試驗(yàn)，是宏觀的評(píng)價(jià)方法；API RP 1OB中井下流體相容性試驗(yàn)認(rèn)為隔離液能夠有效隔離鉆井液與水泥漿，二者接觸機(jī)會(huì)很小，注重水泥漿、鉆井液兩相相容性試驗(yàn)，是微觀的評(píng)價(jià)方法。因此，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)特點(diǎn)建立一套較為全面的水泥漿防污染技術(shù)。
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(本文作者：劉世彬1 鄭錕1 張弛2 曾凡坤1 冷永紅1 唐煒1 王純?nèi)?sup>1 1.川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司；2.中國石化西南石油局西南油氣分公司工程技術(shù)處)