韓 婧

(中國(guó)石化 華北石油工程有限公司技術(shù)服務(wù)公司,河南 鄭州 450000)

鄂爾多斯盆地劉家溝組地層抗破能力差，地層破碎，裂縫發(fā)育，漏失嚴(yán)重，當(dāng)鉆井至劉家溝地層位時(shí)，80%的井會(huì)發(fā)生井漏，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生失返性漏失。目前該區(qū)塊采用纖維水泥漿堵漏成功率較高，但在堵漏施工過(guò)程中堵漏水泥漿和鉆井液常會(huì)摻混而出現(xiàn)接觸污染，導(dǎo)致鉆井液性能發(fā)生改變，頻繁的堵漏作業(yè)致使泥漿性能波動(dòng)幅度大，容易誘發(fā)井下其它復(fù)雜情況。針對(duì)水泥漿與鉆井液接觸污染的現(xiàn)象，部分油田在MTC的基礎(chǔ)上采用礦渣作為膠凝材料制備堵漏漿。針對(duì)該區(qū)塊采用的纖維水泥漿與鉀銨基鉆井液開(kāi)展相容性實(shí)驗(yàn)研究，并針對(duì)以礦渣為膠凝材的堵漏漿與鉆井液開(kāi)展相容性實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步分析水泥漿與礦渣漿體與鉆井液的相容性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鉀銨基鉆井液：5%膨潤(rùn)土+0.3%碳酸鈉+0.3%大鉀+1.5%銨鹽+1.2%防蹋劑+1.5%樹(shù)脂+1.5%褐煤+2%超鈣；

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

恒速攪拌器、六速黏度計(jì)、API失水儀

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照GB/T 19139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》和GB/T 5005—2010《鉆井液材料規(guī)范》測(cè)定不同水泥含量的水泥漿、礦渣漿體與鉀銨基鉆井液在不同混合比例條件下的流變性能、失水性能；通過(guò)對(duì)比分析，探討水泥成分和礦渣成分與鉆井液的接觸污染程度和原因。

2 水泥漿、礦渣漿體與鉆井液的混漿實(shí)驗(yàn)

2.1 水泥漿對(duì)鉀銨基鉆井液流變性能的影響

水泥漿配方采用“G級(jí)水泥+減輕劑(漂珠、粉煤灰、微硅)+水”，其中水泥含量占30%～80%，水灰比根據(jù)干混物的需水量進(jìn)行計(jì)算。不同水泥含量的水泥漿配方分別編號(hào)1#～4#。分別采用1#～4#水泥漿與鉀銨基鉆井液按不同比例進(jìn)行混合，混合比例為1%～100%。具體操作如下：量取鉀銨基鉆井液200 mL,以鉆井液體積為基數(shù)，根據(jù)混合比例量取水泥漿的體積與鉆井液進(jìn)行混合(1%混合比例則稱取2 mL水泥漿)，測(cè)定各水泥漿與鉀銨基鉆井液的最大混合比例及相同混合比例條件下不同水泥漿與鉀銨基鉆井液混合液的流動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，含有水泥成分的水泥漿與鉀銨基鉆井液的相容性非常差，水泥漿中水泥組分含量80%時(shí)，水泥漿與鉀銨基鉆井液以1%比例混合，混合液失去流動(dòng)性；水泥漿中水泥組分30%時(shí)，水泥漿與鉀銨基鉆井液的混合比例達(dá)到4%時(shí)，混合液幾乎失去流動(dòng)性。隨著水泥含量的降低，水泥漿與鉀銨基鉆井液的混合比例逐漸增大，黏度增加逐漸緩慢。

表1 不同水泥含量的水泥漿與鉀銨基鉆井液混合液的流變性能變化

2.2 礦渣漿體對(duì)鉀銨基鉆井液流變性能影響

在MTC技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用礦渣作為膠凝材料，以強(qiáng)堿作激活劑，以漂珠和微硅作為減輕填充材料，制備礦渣漿體，編號(hào)6#。為進(jìn)行對(duì)比，采用4#配方去除水泥成分，按其他成分的需水量制備漿體，記作5#。分別采用5#、6#漿體分別與鉀銨基鉆井液按不同比例進(jìn)行混合，測(cè)定混合液流變性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，5#漿體不含水泥成分與鉀銨基鉆井液的混合比例能達(dá)到15%，相比4#漿體，混合比例增大了11%；對(duì)比說(shuō)明，水泥成分是影響鉀銨基鉆井液流變性的主要因素，除去水泥成分，其他固相顆粒的摻入也會(huì)導(dǎo)致鉆井液流變性變差，但影響較小。6#礦渣漿體與鉀銨基鉆井液以25%比例混合后，混合液流變性與混合前鉆井液的流變性相差很小，動(dòng)切力增大0.5 Pa；以100%比例混合后，鉆井液的黏度增加，稠度系數(shù)k值從0.11增大至0.48，動(dòng)切力從2.5 Pa增大至9.5 Pa；與水泥漿相比，礦渣漿體對(duì)鉆井液的流變性影響較小。

表2 不含水泥的漿體與鉀銨基鉆井液混合液的流變性

對(duì)比分析1#～6#漿體與鉀銨基鉆井液以不同混合比例混合后的流變性變化，結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以六速黏度計(jì)Φ600的數(shù)值為例，對(duì)比分析如圖1所示。由圖1可看出，礦渣漿體與鉀銨基鉆井液的混合比例最大，且對(duì)鉆井液的流變性影響幅度最小。水泥含量越高，混合比例越??；隨混合比例增大，六速黏度計(jì)Φ600讀數(shù)增大的速率越大，流變性改變幅度越大，對(duì)鉆井液的流變性影響幅度越大。

2.3 水泥漿、礦渣漿體對(duì)鉀銨基鉆井液失水性能影響

采用1#～6#漿體分別按照上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的最大混合比例與鉀銨基鉆井液進(jìn)行混合，測(cè)定混合液的API失水性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明：1#～4#漿體含有不同含量的水泥成分，以其各自的最大混合比例與鉀銨基鉆井液混合后，混合液的API失水相比混合前鉆井液的API失水增大45%～56%；5#漿體不含水泥成分，其余成分與4#一致，15%比例的混合液API失水性能與混合前鉆井液失水性能相差很小，增幅僅有3%。6#礦渣漿體與鉀銨基鉆井液25%比例混合的混合液API失水相比混合前增幅11%；1#～5# 漿體混合后的對(duì)比說(shuō)明，水泥是影響鉆井液API失水性能的主要因素，礦渣漿體對(duì)鉀銨基鉆井液的API失水性能影響極小。

表3 不同水泥含量的水泥漿與鉀銨基鉆井液混合液的API失水量變化

3 水泥漿、礦渣漿體與鉀銨基鉆井液相容性原因分析

3.1 水泥漿與鉆井液不相容原因分析

李明、李早元等人認(rèn)為，水泥漿對(duì)鉆井液鈣侵的影響較小，除鈣侵外，水泥漿水化產(chǎn)生的Fe3+、Al3+等高價(jià)金屬離子與鉆井液中的XC及KPAM等聚合物類處理劑接觸發(fā)生交聯(lián)生成凝膠。當(dāng)水泥漿與鉆井液的摻混比例很小時(shí)(例如摻混比例為95%：5%)，XC和KPAM在水泥漿中的含量為0.01%～0.015%和0.015%～0.05%，此時(shí)接觸污染可能還不嚴(yán)重[1-2]。本文實(shí)驗(yàn)中,水泥漿與鉀銨基鉆井液的混合比例最大為100 ∶4，結(jié)合李明、李早元等人的結(jié)論，此時(shí)XC和KPAM在水泥漿中的含量小于0.015%和0.05%，接觸污染不嚴(yán)重；但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示水泥含量30%的4#水泥漿與鉀銨基鉆井液混合比例100 ∶4摻混后，鉆井液性能改變較為明顯，黏度和切力成倍增高，API失水增大48%。

本文采用4#水泥漿與土漿進(jìn)行了相容性實(shí)驗(yàn)，土漿配方為“水+5%膨潤(rùn)土”，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，以土漿體積的2%稱取4#水泥漿，與土漿進(jìn)行混合，混合液的流變性變化明顯，動(dòng)切力增大2倍。結(jié)合本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為水泥與鉆井液不相容的主要原因仍是水泥漿中的水泥水化造成鈣侵，水泥漿隨水化進(jìn)行，產(chǎn)生一定量的Ca2+、Mg2+等金屬離子，其中Ca2+、Mg2+與鉆井液中Na+發(fā)生離子交換，使鈉質(zhì)黏土變成鈣質(zhì)黏土，致使鉆井液流變性能變差。除去水泥鈣侵的影響，隨著混合比例增大，水泥漿中的其他固相顆粒也會(huì)造成鉆井液流變性變差，但對(duì)API失水性能影響較小。

表4 6#水泥漿與土漿混合液流變性變化

3.2 礦渣堵漏漿與鉆井液相容性原因分析

礦渣中的Si主要以硅氧四面體的形式存在,在空間結(jié)構(gòu)上以正硅酸、焦硅酸為主及少量的架狀結(jié)構(gòu)形式存在：一部分A1以四配位的形式存在,一部分A1以五配位的形式存在,更多的A1以六配位的形式存在；O大部分以橋氧形式存在,少部分O以非橋氧的形式存在[3]。

堿對(duì)礦渣的激發(fā)作用主要包括以下幾個(gè)方面：在OH-離子和水分子的作用下,礦渣的離子鍵和共價(jià)鍵破壞,促使礦渣結(jié)構(gòu)快速解體分解成簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元,形成堿溶膠及鋁硅酸鹽。不同結(jié)構(gòu)單元在R+離子(Ca2+、Mg2-粒子等)的作用下形成穩(wěn)定存在的中間絡(luò)合物,借助于硅烷基吸附水之間的氫鍵作用及硅酸的自聚合作用,結(jié)構(gòu)的聚合度增加,形成堿性鋁硅酸鹽水化物[4-5]。礦渣與水接觸時(shí),在OH-的極化作用下,礦渣顆粒表面的Si-0鍵、A1-O鍵及Ca-O鍵會(huì)斷裂,并以(H2SiO4)2-、(HSiO4)-、(H4AlO4)-及Ca2+的形式進(jìn)入于水中。由于Ca-O鍵比Si-O鍵和A1-O鍵要弱得多,水中Ca2+濃度遠(yuǎn)高于(H2Si04)2-、(HSi04)-、(H4A104)-；因礦渣需要堿激活，漿體中含有部分純堿和燒堿， 可參與離子反應(yīng)，使多余的Ca2+生成CaCO3沉淀，或與鈣質(zhì)黏土發(fā)生離子交換，生成鈉質(zhì)黏土和CaCO3沉淀，可有效改善黏土的水化分散性能，使混合漿的濾失量增加減弱。因此，礦渣堵漏漿與鉀銨基鉆井液相容性較好。

對(duì)比分析4#～6#漿體與鉀銨基鉆井液以不同混合比例混合后的動(dòng)切力變化，如圖2所示。由圖2可看出，6#礦渣漿體與鉀銨基鉆井液的混合比例最大，混合比例<10%時(shí)，動(dòng)切力隨混合比例的增大而緩慢增大，增大速率明顯小于4#、5#漿體；10%<混合比例<25%時(shí)，動(dòng)切力隨著混合比例的增大而減小，此階段可能是因?yàn)殡S著礦渣漿體的摻入量增加，純堿和燒堿的含量增加，更多的參與離子反應(yīng)，改善了混合液的流變性；25%<混合比例<100%時(shí)，動(dòng)切力隨著混合比例的增大而持續(xù)緩慢增大；6#漿體中除了礦渣，同時(shí)含有部分其他固相顆粒(與5#漿體的固相顆粒一致)，隨著6#漿體的摻入量增加，混合液中的其他固相顆粒也逐漸增加，導(dǎo)致流變性變差。

4 結(jié)論

1)水泥堵漏漿堵漏過(guò)程中造成鉆井液性能變化的主要因素是水泥成分含量較大，鈣侵影響使?jié){體生成絮凝結(jié)構(gòu)，流變性能急劇降低，失水增大。通過(guò)降低水泥成分含量可有效降低鈣侵影響，或通過(guò)純堿和燒堿對(duì)污染的鉆井液進(jìn)行處理。

2)礦渣漿體與鉆井液相容性較好，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)礦渣漿體與鉀銨基鉆井液1 ∶1的混合比例條件下，對(duì)鉆井液的性能改變幅度小于50%。通過(guò)調(diào)整礦渣漿體的固化性能及稠化時(shí)間，并加入適量的堵漏材料，可較好的實(shí)現(xiàn)堵漏能力，堵漏過(guò)程對(duì)鉆井液的污染影響較小，節(jié)省后期治理鉆井液性能的時(shí)間和成本。