改善水泥漿與CO2污染鉆井液的相容性技術措施

摘 要

摘　要：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，其原因之一是來自于地層的CO2對鉆井液的污染導致水泥漿與鉆井液相容性惡化。為此，選擇了四川盆地川東

摘　要：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，其原因之一是來自于地層的CO2對鉆井液的污染導致水泥漿與鉆井液相容性惡化。為此，選擇了四川盆地川東地區3口井的水泥漿與CO2污染的鉆井液進行相容性實驗，結果表明，水泥漿與CO2污染的鉆井液混合后，漿體的流動性變差，稠化時間快速下降，僅靠簡單的對鉆井液降黏度切力、調整pH值技術措施已不能滿足固井施工作業的要求。按改善水泥漿與CO2污染鉆井液相容性的技術路線，研究總結出了固井前處理受CO2污染鉆井液的4個技術對策，包括部分或全部置換井筒受污染鉆井液、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，滿足了鉆井液與水泥漿的相容性實驗及生產要求，可有效地指導固井注水泥的安全施工。在目前國內外缺乏統一規范的相容性實驗方法情況下，川東地區固井前所采用的處理CO2污染鉆井液的技術做法對于進一步完善天然氣井固井準備的技術措施具有參考價值。

關鍵詞：固井  水泥漿  鉆井液  CO2污染  相容性  技術措施  四川盆地  川東地區

Technical measures for improving compatibility of cement slurry with CO2-contaminated drilling fluid：A case study

Abstract：The contact pollution between cement slurry and drilling fluid greatly reduces the cement displacement efficiencv and the construction safety·One of the causes is the deteriorated compatibility between cement slurry and drilling fluid contaminated by CO2 in the formation．To solve this problem，a compatibility experiment was conducted on the cement slurry and CO2-contaminated drilling fluid from 3 wells in the eastern Sichuan Basin，and the results showed that：with the cement slurry mixed with the CO2-contaminated drilling fluid，the fluidity decreased and the thickening time was shortened rapidly．Therefore，simple technical measures were no longer sufficient for the well cementing construction，such as viscosity and shear reduction as well as pH rcgulation．Following the technical route of improving the compatibility between cement slurry and CO2 eontaminated drilling fluid，four technical countermeasures were presented for treating CO2-contaminated drilling fluid before cementing，including：i)partially or compietely replacing the polluted wellbore drilling fluid；ii)treating the contaminated drilling fluid with over saturated Ca2+；iii)iniecting anti polluring agents into the drilling fluid；iv)using pad fluid in a proper quantity．Overall，these measures meet the reqLlirements of the compatibility experiment(on drilling fluid and cement slurry)and the production，and can effectively improve the cementing safety．At present,no unified specifications are available for the compatibility experiment at home and abroad，so this case study has a certain reference Value in further improving the teehnical measures of cementing prepararion for narural gas wells．

Key words：cementing，cement slurry，drilling fluid，CO2 contamination，compatibility，technical measures，Sichuan Basin，cast

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，在川東現場固井施工作業中，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％～l0.4％，其中川東石炭系的天然氣CO2含量為l％～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環境，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。由于碳酸的不穩定性，容易電離出HCO3-和CO32-離子，因此鉆井液中CO2以H2CO3、HCO3-和CO32-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揮有效作用，從而使得鉆井液的性能發生變化。CO2對鉆井液的污染影響主要表現在[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，導致需要在堿性環境中才能有效發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2000mg／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2400mg／L時，鉆井液黏度和切力增加；當HCO3-和CO32-含量大于2500mg／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l為川東地區3口井的鉆井液受CO2污染前后的性能變化，數據顯示鉆井液受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CO2含量增加而加大。

 

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)。

 

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)，表現為只要污染的鉆井液與水泥漿接觸就可能發生絮凝，形成網狀結構而稠化。

 

3　改善水泥漿與污染的CO2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。G00l-H5井固井前，井漿黏度和切力較高、循環壓耗大，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)。

 

 

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)。

 

 

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境，防止水泥漿絮凝[12-14]。

根據實踐，川東地區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，現場根據相容性實驗評價狀況，沒計足量的隔離液與沖洗液，提高前置液體積置換系數[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一規范的實驗方法，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。

 

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本文作者：聶世均  馮彬  劉世彬  孫祥  張軒  李兵  高揚

作者單位：中國石油川慶鉆探工程公司井下作業公司

  中國石化勝利油田渤海鉆探公司

  中國石油海洋工程有限公司