钻井液处理剂对固井水泥浆的污染影响研究

孙 威

（大庆钻探工程公司钻井二公司，黑龙 江大庆 163413）

作为钻井作业中的一个施工环节，油气井的固井质量对油气资源的有效开发具有重要的作用。随着国内深井、超深井的持续开发，给固井质量的进一步提高带来了更多的挑战。由于水平井、深井、超深井等特殊工艺井的固井封固段长、压力层系多，固井的每个环节都显得尤为重要。钻井液处理剂对固井水泥浆的影响与固井质量密切相关，钻井液对固井水泥浆的污染会导致很多意外事故发生[1-2]。而钻井液是由多种处理剂组成，钻井液对固井质量的影响，也可细化为钻井液处理剂对固井质量的影响。因此，对钻井液处理剂和水泥浆之间的作用机理进行研究，对进一步提高固井质量、保障施工安全具有重要的意义。

1 国内外研究情况

国外对钻井液处理剂和水泥浆之间的影响关系研究开展的较早，早期的研究结果表明，即使少量的钻井液用聚合物等有机化合物也会对固井质量产生非常大的影响。哈里伯顿公司在水泥的顶替效率方面最早开展了相关研究[3]。研究成果表明，在固井过程中，一旦钻井液和水泥浆发生直接接触，就会产生严重的混浆现象，这种混浆的流变模式对固井质量非常不利。科伯特公司研究发现，使用甲酸盐盐水作为隔离液，可以有效避免钻井液对水泥浆的污染。

随着国内对固井质量的越来越重视，各大科研院所及专业服务公司也开展了大量的钻井液与水泥浆之间的影响研究。其中西南石油大学的研究成果认为水泥浆被污染的主要原因是钻井液中的处理剂和水泥浆发生了化学反应，导致水泥浆胶凝，进而大幅度影响稠化时间和强度。此外，水泥浆中存在的大量钙镁离子，也对钻井液的性能造成了严重破坏。川庆钻探公司的研究人员认为，水泥浆中的钙镁离子作用于钻井液所含的膨润土上后，因为盐侵作用，使粘土颗粒发生絮凝进而失去流动性，而钻井液中的有机化合物也会和水泥浆外加剂发生作用，最终影响水泥浆的稠化和强度[4]。

从施工方面来说，最佳的方法是使用隔离液来避免钻井液和水泥浆之间的直接接触。但有必要对钻井液处理剂和水泥浆之间的影响机理进行分析，从而弥补理论研究的不足，进一步提高固井质量。

2 常用钻井液处理剂对水泥浆的污染影响研究

2.1 聚丙烯酸钾对水泥浆性能的影响

聚丙烯酸钾是一种常用的钻井液处理剂，其具有较好的抑制性和降滤失性，其作为一种高分子聚合物，其对水泥浆的各项性能均有很大的影响。

水泥浆的流动度是衡量水泥浆性能的一个重要技术指标，在水泥浆中加入不同质量的聚丙烯酸钾后，其加量对水泥浆流动度（20℃，90℃）的影响见表1。

从表1中数据可以看出，随着聚丙烯酸钾含量的增加，水泥浆流动度明显降低，加量达到0.08%时，水泥浆的流动性非常差，已经不能满足现场固井要求了。

表1 聚丙烯酸钾对水泥浆流动度的影响

在水泥浆中加入不同质量的聚丙烯酸钾后，其加量对水泥浆稠化时间的影响见表2。

从表2中数据可以看出，随着聚丙烯酸钾含量的增加，水泥浆稠化时间明显缩短，加量达到0.1%时，稠化时间缩短到110min，已经无法满足现场固井施工对稠化时间的需求。

表2 聚丙烯酸钾对水泥浆稠化时间的影响

在水泥浆中加入不同质量的聚丙烯酸钾后，其加量对水泥浆API失水的影响见表3。

表3 聚丙烯酸钾对水泥浆API失水的影响

从表3中数据可以看出，随着聚丙烯酸钾含量的增加，水泥浆API失水逐步降低，分析原因认为是聚丙烯酸钾和水泥浆形成了交联结构，束缚了自由水，从而使失水大幅度降低。

在水泥浆中加入不同质量的聚丙烯酸钾后，其加量对水泥石抗压强度的影响见表4。

从表4中数据可以看出，聚丙烯酸钾含量的增加对短期内水泥石的抗压强度影响较大，但达到7d以后，聚丙烯酸钾掺混与否对水泥石的强度没有明显影响，说明聚丙烯酸钾具有一定的早强效果。

表4 聚丙烯酸钾对水泥石抗压强度的影响

2.2 褐煤树脂对水泥浆性能的影响

褐煤树脂是以褐煤为主要原料，经化学改性制成，在钻井液中主要用作降滤失剂，是一种抗温耐盐用途较为广泛的钻井液助剂。

在水泥浆中加入不同质量的褐煤树脂后，其加量对水泥浆流动度（20℃，90℃）的影响见表5。

表5 褐煤树脂对水泥浆流动度的影响

从表5中数据可以看出，褐煤树脂对水泥浆常温流动度的影响呈波浪形式，随掺混量的增加水泥浆高温流动度呈减小趋势，当加量达到1.0%时，水泥浆流动性非常差，不能满足现场使用需求。

在水泥浆中加入不同质量的褐煤树脂后，其加量对水泥浆稠化时间的影响见表6。

表6 褐煤树脂对水泥浆稠化时间的影响

从表6中数据可以看出，随着褐煤树脂掺混量的增加，水泥浆稠化时间明显延长，稠化时间的大幅度延长不利于水泥石强度的形成而且有可能引发油气窜，最终影响固井质量。

在水泥浆中加入不同质量的褐煤树脂后，其加量对水泥浆API失水的影响见表7。

表7 褐煤树脂对水泥浆API失水的影响

从表7中数据可以看出，随着褐煤树脂含量的增加，水泥浆API失水大幅度降低，分析原因认为是褐煤树脂作为一种降滤失剂在水泥浆体系里也能发挥一定的作用。

在水泥浆中加入不同质量的褐煤树脂后，其加量对水泥石抗压强度的影响见表8。

从表8中数据可以看出，褐煤树脂含量的增加对短期内水泥石的抗压强度影响较大，当加量超过0.8%以后，水泥石失去强度，但达到7d以后，褐煤树脂掺混与否对水泥石的强度没有明显影响。

表8 褐煤树脂对水泥石抗压强度的影响

3 结论及建议

（1）钻井液助剂和水泥浆之间的接触是造成水泥浆性能发生变化的直接原因，不同的处理剂造成的影响不同。

（2）水泥浆对聚丙烯酸钾比较敏感，即使加入微量也会大幅度影响水泥浆的流动度。

（3）褐煤树脂对水泥浆的性能影响相对较小，少量掺混不会影响其性能。

（4）本文仅考察了2种常用钻井液助剂对水泥浆的影响，下一步应该扩大研究范围，并对微观机理进行深入研究。