单因素法分析钻井液处理剂对水泥浆性能的影响①

李 明 王 伟 郑友志 程小伟 代 斌 郭小阳

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学))

(2.中国石油西南油气田公司采气工程研究院)

(3.塔里木石油勘探开发指挥部第二勘探公司50051钻井队)

固井中常用水泥浆直接顶替钻井液，钻井液与水泥浆是两种物理化学性能不同的流体，二者相容性较差，只要接触均存在不同程度的污染[1]：钻井液发生水泥侵后，浆体变稠、变黏甚至大段结块，不易于被顶替；而水泥浆受钻井液污染后，流变性能变差，影响顶替效率及固井质量，污染严重时会使水泥浆在几分钟或几十分钟之内瞬间稠化，造成“灌香肠”的工程事故，导致固井失败[2-4]。为了解决水泥浆与钻井液的污染问题，需反复调节水泥浆配方及钻井液性能，既延长了固井施工周期，又难以确保施工安全。目前，对两种流体接触污染的本质原因的研究还不够深入，有必要对此开展研究[5-9]。在分析两种流体成分的基础上，用单因素法考查了钻井液处理剂对水泥浆性能影响规律，分析了接触污染的本质原因，为钻井液性能调整、减缓钻井液与水泥浆接触污染提供理论依据[10-11]。

1 钻井液与水泥浆的区别

(1) 钻井液主要是由黏土、水、聚合物组成的钠基流体，有黏土胶体化学特性；水泥浆是水泥、外掺料、处理剂和水组成的强钙基流体，是有时变性特点的无机胶凝材料。

(2) 钻井液中黏土颗粒带负电，在黏土水化过程中正离子(Na+居多)以不同距离化学吸附在黏土颗粒的表面而中和负电荷，形成以Na+为水化中心的双电层结构，而水泥矿物C3S水化表面则形成一个缺钙的富硅层，其厚度约为50 Å，溶析出来的Ca2+通过化学吸附而吸附在富硅层的表面，形成以Ca2+为水化中心的双电层结构。

(3) 钻井液体系中处理剂种类多，大多都是聚合物，聚合物与黏土之间是物理化学吸附作用，处理剂通过黏土分子的吸附作用改变黏土颗粒水化特性，从而调节钻井液性能。Ca2+对黏土水化双电层结构和聚合物性能有重要影响；水泥浆水化过程复杂，聚合物类处理剂与无机盐对水化过程影响敏感，进而共同决定水泥浆性能[12]。

2 实验部分

2.1 实验材料

以四川地区某井Φ177.8 mm尾管固井为例开展室内研究，该井水泥浆配方为：G级水泥+2.0%(w)膨胀剂+1.4%(w)降失水剂+0.4%(w)分散剂+1.0%(w)纤维+0.12%(w)缓凝剂+0.2%(w)消泡剂，水灰比0.45，水泥浆密度为1.90 g/cm3，所用钻井液为该井在用钻井液，钻井液处理剂为川渝地区常用处理剂。

2.2 实验仪器

主要仪器包括YA-300型电子液压试验机、OWC-9350A常压稠化仪、FEI Quanta 450环境扫描电子显微镜、PKZ-5000电动抗折试验机、OWC-9508型高温高压失水仪、OWC-9040型高温高压稠化仪。

2.3 实验方法

采用单因素法考察单一钻井液处理剂对水泥浆流动度和稠化时间的影响规律，通过红外光谱分析钻井液处理剂成分，对污染之后的水泥浆浆体进行微观形貌分析，探讨污染机理。

3 实验结果及分析

钻井液与水泥浆污染实验见表1。

表1 钻井液与水泥浆污染实验结果

3.1 钻井液处理剂对水泥浆性能影响

以污染最严重的掺混比例(体积分数为70%的水泥浆+体积分数为30%的钻井液)开展钻井液处理剂对水泥浆的污染实验，水泥浆中钻井液处理剂的加量是根据体积分数为70%的水泥浆+体积分数为30%的钻井液掺混后流体中处理剂的有效含量进行添加。钻井液处理剂对水泥浆流动度的影响见表2，对水泥浆稠化时间的影响见表3。

表2 钻井液处理剂对水泥浆流动度的影响

表3 钻井液处理剂对水泥浆稠化时间的影响

由实验结果可知：①在一定加量范围内，SMC、KHM、HPS、SHR、MG-1、LS-2、YH-S、RLC-101能延长水泥浆稠化时间，且对流动度无不良影响，其中SMC、HPS、LS-2、YH-S加量超过1%(w)后，使浆体流动度小于18 cm；②生物增黏剂、KPAM能急剧缩短水泥浆稠化时间，且KPAM对浆体流动度影响也较大，加入到水泥浆中会使浆体瞬间不能流动；③SMT、SMP-1、JN-A能缩短水泥浆稠化时间，但加量在1%(w)以内影响较小。

综上所述，生物增黏剂和KPAM对水泥浆的污染比较严重(图1)。

3.2 污染机理分析

由实验结果可知，KPAM和生物增黏剂对水泥浆污染最严重，故选取这两种处理剂进行微观结构及污染机理分析。KPAM和生物增黏剂的红外光谱分析图见图2和图3。

KPAM即聚丙烯酰胺钾盐，由红外光谱分析图可知，其主要基团有羧基、羟基、胺基、酰胺基、磺酸基等许多具有吸附性能的官能团，吸附能力-SO3-> -COO-> -CONH2> -OH > -O-，它们能够吸附在不同的水泥颗粒上，当钻井液中的KPAM等与水泥浆接触时，一方面由于KPAM相对分子质量大、分子链较长，往往一条分子链上会同时吸附多个水泥颗粒并形成混合网状结构；另一方面水泥浆中的Ca2+会降低聚合物的溶解性，使分子链发生卷曲、吸附架桥和电中和作用，使得水泥浆产生絮凝现象，表现为浆体变稠、形成絮凝团状、失去流动性。

生物增黏剂是一种线型高分子聚合物，由图3可知，其主要有羟基、羧基、醛酮基、酯基等。其β主链上含有D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸。每8个残糖基、D-葡萄糖醛酸有一个甘露糖支链。每16个残糖基可能有1个1-羧基-亚乙基D-葡萄糖。丙酮酸以结构组分的形式同部分葡萄糖连接。当其在水中电离后，带有多个阴离子基团，如R-COO-水化基团，具有静电吸附作用，高分子长链对水泥浆颗粒可进行多点吸附，形成结构网，有利于提高黏粒的聚结稳定性。加入到水泥浆中会使浆体变稠。

对按列消元时，用四角规则只要计算第i行对角元以右元素所在列与第i列对角元以下元素所在行的交互点上的元素即可。而对按行消元方式，由于需根据多行和多列元素的交互点进行计算，四角规则的应用则更为复杂以致应用极为不便。

为了进一步分析产生污染的原因，生物增黏剂加入水泥浆后，将不同阶段的水泥浆迅速用液氮冷冻，使其不再继续发生反应，24 h后取出，利用环境扫描电子显微镜观察其微观形貌，对污染不同阶段的水泥石结构进行分析。图4为水泥净浆和加入0.5%(w)生物增黏剂后的水泥浆在不同时间段的SEM图(放大10 000倍)。

由图4可知，生物增黏剂加入水泥浆中，参与了水泥浆的水化过程，生成某种针状物质，随着养护时间的增加，针状物不断增多，吸附水化固相粒子聚合成网，形成比较大的网架结构，同时自由水分子因为这种反应而被圈闭，微观图像中孔洞也随之减少，直至稠化。这种微观上的变化，在宏观上表现为污染水泥浆中的水分不断减少，造成流动度不断降低，直至失去可泵性。

4 结论及建议

(1) 在一定加量范围内，对水泥浆性能影响较小的处理剂有SMC、KHM、HPS、SHR、MG-1、LS-2、YH-S、RLC-101；处理剂SMT、SMP-1、JN-A能够缩短水泥浆稠化时间，但加量在1%(w)以内影响较小；生物增黏剂、KPAM能够急剧缩短水泥浆稠化时间。

(2) KPAM、生物增黏剂对水泥浆造成污染的原因是：高聚物相对分子质量大、分子链较长，一条分子链上会同时吸附多个水泥颗粒并形成混合网状结构；大量吸附基团在水溶液中可与水分子进行氢键吸附；大分子链发生卷曲、吸附架桥和电中和作用使得水泥浆产生絮凝现象。

(3) 生物增黏剂会参与和促进水泥的水化反应，减少水泥石中的孔洞，吸附水化固相粒子聚合成网，进而反应形成比较大的网架结构，自由水被圈闭，宏观表现为水泥浆迅速变稠，失去可泵性。

参考文献

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