川渝地区深井超深井固井水泥浆防污染试验_工程实践

摘要

摘要：为解决深井、超深井固井水泥浆与钻井液的相容性问题，在分析钻井液对水泥浆稠化时间的影响以及深井常用钻井液处理剂与深井常用高温水泥浆进行混合流体的流变性能、高温、

摘要：为解决深井、超深井固井水泥浆与钻井液的相容性问题，在分析钻井液对水泥浆稠化时间的影响以及深井常用钻井液处理剂与深井常用高温水泥浆进行混合流体的流变性能、高温、高压稠化时间试验的基础上，提出将深井常用的聚磺、钾聚磺两种中高温钻井液体系与深井常用的高温水泥浆体系进行体系间混合流体相容性试验的方法。由此筛选出对水泥浆有促凝作用的钻井液处理剂，来指导钻井液处理剂的选择；并对现有水泥浆相容性试验标准和防污染工艺技术措施进行了评价，总结出适合深井井下实际情况的水泥浆相容性试验方法和固井前钻井液性能调整技术、偏心环空隔离液技术、提高套管居中度技术、水泥浆防污染等措施。现场实践结果表明，固井水泥浆防污染技术能确保深井、超深井固井作业的安全。最后建议根据不同地区特点建立一套较为全面的水泥浆防污染体系，以此来提高固井质量。

关键词：深井；超深井；固井；水泥浆；防污染；钻井液；相容性；工艺技术

深井一般井深较大，井底温度、压力高，小间隙，封固段长，地层复杂、不稳定，地层流体显示活跃，井径不规则，同一裸眼井段存在多个压力层系，压力安全窗口小，容易发生井漏、井涌、气窜，这就大大增加了深井固井水泥浆防污染技术的难度。有时为了解决水泥浆与钻井液的相容性问题，需要反复调节水泥浆配方、调整钻井液性能，既延长了固井施工周期，又无法确保施工安全(如LG001-3井Φ127mm尾管插“旗杆”)，事倍功半。因此，有必要开展水泥浆防污染技术研究，找出因钻井液与水泥浆不相容导致其混合流体稠化时间试验难以达标的具体原因，并提出针对性的解决办法，确保固井施工作业安全，同时提高固井质量^[1～2]。

1 中高温常用钻井液体系评价

目前，川渝地区深井常用的聚磺、钾聚磺两种钻井液体系和高温水泥浆体系。其体系特点及应用情况如下：

1) 聚磺钻井液是中、深井段应用最广的钻井液体系，密度为1.06～2.40g/cm³，具有性能稳定、抗高温、抗膏盐污染、防塌能力强等特点，常用于深井高温、高压段的易塌地层钻进。

2) 钾聚磺钻井液，密度为1.26～2.50g/cm³，具有防塌能力强、抗高温(可达150℃)、抗膏盐污染、流变性易调节等优点，广泛应用于井深超过2500m的地层。

3) FS-31L+SD10水泥浆体系，密度为1.35～2.50g/cm³，具有抗高温、失水量小、稠化时间易调整、过渡时间短、防气窜性能好等特点，常用于深井尾管段井底循环温度大于105℃条件下的固井。进行3种流体的体系评价时，采用的常见配方见表1，其中钻井液配方中处理剂加量按照中等加量添加。结合深井固井流体混浆模拟试验成果，混合流体比例按照水泥浆/钻井液为70/30进行，稠化时间试验条件为125℃×70MPa，试验结果见表1。

表1的试验结果表明，在该试验条件下水泥浆与上述两类钻井液会发生污染，混合流体较纯水泥浆稠化时间最高缩短35%，在施工中应引起重视。水泥浆与钻井液接触污染问题是一个互相污染的过程，判断污染源可从2个方面出发：①根据混合流体的流变性能判别，如果混合流体流动度低则判别为钻井液抗钙性差，是由于钻井液中的黏土颗粒聚结造成的，即是水泥浆污染了钻井液的表现。如果混合流体的流变性能保持良好则说明钻井液的抗钙能力较强，水泥浆对钻井液基本没有不良影响；②根据混合流体的稠化时间来判别，如果混合流体稠化时间较水泥浆稠化时间缩短，说明是水泥浆受到钻井液污染后带来缓凝剂失效造成的。

2 部分单一钻井液处理剂对水泥浆性能的影响

为了进一步分析水泥浆受到钻井液污染后带来缓凝剂失效的原因，需要开展钻井液的处理剂对水泥浆的相容性试验。首先根据两种钻井液体系常用处理剂的使用情况，选取了降滤失剂(SHE-7、SMP-Ⅰ、RSTF、DR-Ⅱ、KHM)、防卡润滑剂(RLC-101、FRH A、FK-10、ZFRJ、DHD、PPL)、乳化剂(SP-80)、页岩抑制剂(NRH)、稀释剂(SMT)5大类15种处理剂进行评价。在进行单一钻井液处理剂对水泥浆的评价时，按两步来进行，一是通过混合流体的流变性能(常流、高流、初凝、终凝)试验，初步筛选出对水泥浆可能有促凝作用的钻井液处理剂；二是通过混合流体的高温、高压稠化时间试验，确定筛选出的这些钻井液处理剂是否对水泥浆真正具有促凝作用。

2.1 流变性能试验

试验过程如下：①配黏土含量为5%的钻井液备用；②水泥浆配置同前；③将黏土含量为5%的钻井液稀释至3%，然后逐一加入单一钻井液处理剂，按最大加量添加，充分搅拌分散，待用；④将水泥浆与配制好的钻井液按不同的比例混合(水泥浆/钻井液=100/0、90/10、70/30、50/50、30/70、10/90)进行混合流体的常流、高流试验，并观察其2h、4h的凝结情况。经过上述试验可以得出，钻井液处理剂SP 80、FK-10、DHD、ZFRJ、DR-Ⅱ、RSTF、SHE-7、RLC-101、NRH、KHM、FRH-A在该试验条件下表现出对水泥浆有促凝作用，且促凝主要发生在水泥浆/钻井液=70/30、30/70的混合比例下。

2.2 稠化时间试验

将在流变性能试验中表现出对水泥浆有促凝作用的钻井液处理剂进行高温、高压稠化时间试验时，试验方法如下：①水泥浆配置同前；②将黏土含量为5%的钻井液稀释至3%含量，然后加入单一钻井液处理剂(采用最大加量添加)，充分搅拌分散，待用；③按比例配置混合流体，进行高温、高压稠化时间试验，试验结果见表2。根据试验结果可以将这些处理剂按照对水泥浆促凝作用的强弱进行归类。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没有促凝作用。

3 相容性试验方法研究

3.1 API RP 10B与川渝地区深井固井相容性试验方法

国外对井下流体相容性较重视，严格按照API RP 10B《油井水泥试验推荐做法》执行。但在国内一般采用配浆药水或稀释处理了的钻井液作为隔离液，规范性差^[3～5]。API RP 10B与川渝地区深井固井相容性试验方法的特点及区别见表3。

3.2 深井固井相容性试验推荐做法

川渝地区深井固井相容性试验简单易行，测试数据直观，能宏观反映混合流体的流动性能，最大限度地考虑了井下流体掺混的复杂情况，但是无法指导施工摩阻计算。API RP 10B中井下流体相容性试验考虑了井下流体接触顺序，根据试验结果可计算混合流体的流变性能，能够指导施工摩阻计算。因此，可考虑结合两相标准，取长补短，为相容性试验提供参考依据。

流动性能试验方面：增加水泥浆、钻井液、隔离液的旋转黏度测试，为流变学设计提供依据；增加钻井液与隔离液的流动性能试验(70/30、30/70)两组；当循环温度低于90℃时，“高温养护时间应大于注水泥施工作业总时间”，循环温度高于90℃时，高温养护时间取120min。

稠化时间试验方面：当封固段上下温差较大时，可采取模拟井下升降温过程进行水泥浆、钻井液、隔离液混合流体的稠化时间试验；当混合流体的流动性能试验不能满足设计要求而稠化时间满足设计要求时，视为相容性试验合格。

4 结论

1) 防污染工艺技术的关键就是采取一系列的工艺技术措施，“提高顶替效率，防止或减少接触污染”(图1)。

2) 水泥浆与钻井液相容性差是由两者相互作用引起的。水泥浆污染钻井液是因为水泥浆中的Ca²⁺与钻井液中黏土的Na⁺发生离子交换，导致钻井液中的黏土颗粒聚结形成絮凝物质，钻井液失去可泵性；钻井液污染水泥浆是因为钻井液的某些处理剂引起水泥浆缓凝剂部分或者全部失效甚至反向，导致水泥浆稠化时间急剧缩短，水泥浆失去可泵性。

3) 目前川渝地区深井超深井常用钻井液处理剂按照对水泥浆有促凝作用的强弱进行归类，具有促凝作用的有FRH-A、KHM、NRH、RSTF、SP 80；没有促凝作用的有RLC-101、SHE-7、DR-Ⅱ、ZFRJ、DHD、FK-10。

4) 良好的深井井下条件是避免水泥浆被污染的必要前提，钻井液性能调整、隔离液技术、提高套管居中度等措施是解决水泥浆与钻井液相容性最直接的手段。

5) 现场实践表明，川渝地区现行井下流体相容性试验方法是从深井固井井下条件复杂出发，注重水泥浆、钻井液、隔离液三相混合流体的稠化时间试验，是宏观的评价方法；API RP 1OB中井下流体相容性试验认为隔离液能够有效隔离钻井液与水泥浆，二者接触机会很小，注重水泥浆、钻井液两相相容性试验，是微观的评价方法。因此，应根据不同地区特点建立一套较为全面的水泥浆防污染技术。

参考文献

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(本文作者：刘世彬¹ 郑锟¹ 张弛² 曾凡坤¹ 冷永红¹ 唐炜¹ 王纯全¹ 1.川庆钻探工程有限公司井下作业公司；2.中国石化西南石油局西南油气分公司工程技术处)