井浆改造固井隔离液的评价与应用

周代生， 李茜， 张启根， 汪伟， 谢显涛

（1. 中国石油西南油气田公司工程技术研究院，成都610017；2. 中国石油西南油气田公司华油公司，成都610051；3. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司钻井液技术服务公司，成都610056）

固井时水泥浆与钻井液相容性差，严重影响了固井安全施工，极易出现固井注水泥浆时“灌香肠”、“插旗杆”等恶性安全事故的发生，严重制约油气开采速度。通过研究，形成了一套由现场井浆改造、对现场井浆性能影响小、不排放的固井抗污染隔离液GLJ技术，能解决水泥浆与钻井液接触污染，相容性差的问题，确保现场固井注水泥施工安全进行，施工完成后剩余隔离液GLJ和井筒中返排出的隔离液GLJ可继续作为钻井液使用，避免剩余隔离液GLJ的外排而带来的环境问题等，实现了清洁生产，从技术、环境、经济方面展现出较好的应用前景[1-10]。

1 隔离液GLJ的技术原理

水泥浆与钻井液接触污染因素：水泥浆中的Ca2+、Mg2+与钻井液膨润土及含钠离子处理剂等将产生离子交换反应，使钠质黏土转换为钙质黏土，网状结构增强，造成混合流体的黏度迅速上升；水泥浆水化产生的Fe3+、AI3+等高价金属离子对钻井液中聚合物XC、KPAM等发生交联生成凝胶，造成混合流体稠度快速增加、稠化时间大大缩短。同时钻井液中无机离子、聚合物XC、KPAM、钻井液处理剂与水泥外加剂相互作用等因素均会影响水泥水化，对水泥浆有促凝作用，使混浆稠度增加。

配制隔离液GLJ所用的隔离剂GLJ分子结构中含有强吸附的阳离子基团、—OH、高价离子等，以离子键和氢键的方式极易在黏土粒子端面吸附，提高黏土颗粒端面Zeta电位， 形成保护膜， 阻止黏土颗粒间形成“卡片房子”结构，同时也大大阻碍Ca2+压缩双电层的能力，进而提高抗钙污染的效果。另外，隔离剂GLJ中含有大量的—SO3-、SO42-等强水化基团，不受Ca2+的影响，进一步提高抗水泥污染能力，同时改善钻井液对水泥浆的促凝作用，防止水泥浆提前稠化，隔离液GLJ与钻井液、水泥浆良好相容，混合流体高温高压下不发生增稠、沉淀等现象，确保固井施工的顺利完成。

2 实验与药品

2.1 主要仪器与药品

常压稠化仪，7716型高温高压稠化仪、高温高压失水仪、六速旋转黏度计、恒速搅拌机、流动度测试仪、密度计、常压恒温水浴箱；隔离剂GLJ（自 制）、有机高分子络合剂（自制）、表面活性剂OP-10、G级嘉华水泥、高温稳定剂、缓凝剂、钛铁矿粉等。

2.2 隔离液GLJ配制方法

用清水将现场钻井液稀释20%（V钻井液∶V清水的比例为8∶2），搅拌混合均匀。依据隔离液GLJ设计密度加入重晶石，形成固井抗污染隔离液GLJ用钻井液，搅拌均匀后待用。在搅拌条件下，按计量缓慢加入隔离剂，搅拌2 h，确保隔离剂在钻井液中充分溶解；用烧碱NaOH调体系pH值。

2.3 隔离液GLJ效果的评价方法

GLJ隔离效果的评价方法采用GB/T 19139—2003《油井水泥试验方法》、SY/T 6544—2003《油井水泥浆性能要求》、美国石油学会API SPEC10《固井水泥浆水泥浆评价标准》中的方法及规定。将配制好的隔离液GLJ分别在不同环境条件下与水泥浆以不同的比例混合，按照标准中规定在高、低温下进行实验，并按规范与水泥浆、钻井液进行相容性实验，评价隔离液GLJ在井下各种环境下的性能。

3 隔离液GLJ性能评价

3.1 GLJ加量对隔离液抗污染效果的影响

评价了混合流体在126 ℃、60 MPa下的高温高压稠化实验，结果见表1。

表1 隔离剂加量对混合液稠化时间的影响

从表1可以看出， 用隔离剂将钻井液改造为隔离液GLJ后， 有效延长了隔离液GLJ、 钻井液、 水泥浆混合流体增稠、失去流动性的时间；隔离剂的加量大于8%后，水泥浆与隔离液GLJ以95∶5、7 0∶30体积比混合后高温高压稠化时间大于219 min，水泥浆、钻井液、隔离液GLJ以70∶20∶10比例混合，混合流体的高温高压稠化时间大于260 min，能确保固井注水泥浆施工安全。

3.2 不同钻井液体系改造形成的GLJ抗污染效果

根据川渝地区常用的钻井液体系，室内配制与钻井液体系密度相适应的水泥浆体系，通过室内实验评价不同钻井液体系与水泥浆的相容性，如果存在相互接触污染，对钻井液进行改造形成隔离液GLJ，再进行抗污染性能评价，高温高压稠化实验条件为120 ℃、70 MPa，实验数据见表2。从表2可知，目前常用的各类钻井液与四川地区常用的水泥浆相容性较差，存在不同程度的相互污染，相互接触形成的混合流体在46～95 min时间稠度超过60 Bc，失去泵注条件；通过向各类钻井液中加入隔离剂改造成隔离液GLJ后，改善了水泥浆与钻井液的污染情况，不同比例下的高温高压稠化时间都大于240 min，满足了现场注水泥浆的施工要求。

表2 不同钻井液体系形成的隔离液GLJ抗污染效果评价

3.3 隔离液GLJ的流变性能评价

在不同密度现场钻井液中加入8%的隔离剂改造成隔离液GLJ，按照GB/T 16783.1—2014《钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》测量常温（30℃）和120 ℃滚动16 h后隔离液GLJ的各项流变性能，结果见表3。从表3可以看出，将钻井液改造成的隔离液GLJ具有较好的流变性能，常温和高温老化后动切力能保持较高值，避免因隔离液GLJ中重晶石沉淀而导致泵压升高或电测遇阻的情况发生，塑性黏度和n、K值也表现出较好的流态，流体在井筒中容易以紊流或塞流的形式流动，提高隔离液GLJ对井筒中钻井液的顶替效果和对泥饼的冲刷作用，提高固井质量。

表3 隔离液GLJ流变性能

3.4 隔离液GLJ抗温性能评价

将密度为2.36 g/cm3的钻井液改造成隔离液GLJ以不同温度恒温滚动老化16 h，冷却至室温测量隔离液GLJ的流变参数及n、K值，同时将老化后的隔离液GLJ在90 ℃恒温静置2 h，测量隔离液GLJ对重晶石的悬浮稳定性（密度差），其结果见表4。从表4可知，隔离液GLJ经高温老化后高温高压滤失量保持较低值，能保持较好的流变性能，具有较好的黏度、切力值，高温老化未使隔离液GLJ黏度、切力大幅下降，90 ℃条件下静置养护2 h后体系各部位密度差小于0.02 g/cm3，说明隔离液GLJ具有良好的抗高温能力和沉降稳定性。

表4 隔离液GLJ抗温能力评价

3.5 隔离液GLJ对钻井液性能的影响

将密度为2.36 g/cm3的隔离液GLJ与钻井液以不同比例混合，将混合流体在常温及120 ℃滚动16 h，分别测量混合流体的各流变参数及120 ℃高温高压滤失量，结果见表5。

表5 隔离液GLJ对钻井液性能的影响

从表5可知，GLJ与钻井液不同比例混合后，仍具有较好的流变性能，高温高压滤失量较低，隔离液GLJ可作为钻井液继续使用，避免剩余隔离液GLJ及井筒中返出的隔离液GLJ进入污水池，减少现场废弃液的排放及处理量，减轻现场环保压力，实现了清洁生产。

3.6 隔离液GLJ对水泥浆性能影响

固井注水泥浆用隔离液要求与水泥浆、钻井液具有良好配伍性，将隔离液GLJ与水泥浆、钻井液以不同比例混合，评价了常温流动度、高温养护后的流动度、高温高压稠化实验（111 ℃、压力60 MPa），及对水泥浆强度的影响，其结果见表6。从表6可以看出，钻井液与水泥浆相容性较差，隔离液GLJ与水泥浆2者的混合流体或隔离液GLJ与钻井液、水泥浆3者的混合流体都具有较好的流动度，混合流体稠度大于40 Bc的高温高压稠化时间由空白样的65 min延长到最短274 min，说明隔离液GLJ能解决钻井液与水泥浆接触污染、相容性差的问题；水泥浆强度随隔离液GLJ量的增加而降低，这主要是因为钻井液不能凝固。

表6 隔离液GLJ对水泥浆性能的影响

4 隔离液GLJ的现场应用

以隔离剂改造现场井浆形制成的隔离液GLJ在川渝地区磨溪-高石梯区块完成了13井次（磨溪39井、磨溪41井、磨溪206井、磨溪103井、高石001-X1井等）的现场应用，解决了注水泥浆过程中水泥浆与钻井液相容性差的问题，整个注水泥浆过程泵压平稳，未出现泵压激增、憋泵现象的发生，施工安全顺利完成。施工结束后循环罐中剩余隔离液GLJ与井筒中返出的隔离液GLJ继续作为钻井液使用，实现了废弃液的零排放，清洁生产。

高石001-X1井φ177.8 mm套管固井时井深为5 105 m，井底温度为139 ℃，密度为2.18 g/cm3，钻井液与水泥浆相容性较差。水泥浆为密度为2.30 g/cm3的加砂防气窜水泥浆体系，水灰比为0.3。水泥浆与钻井液以70∶30（V/V）混合后高温高压稠化70 min时，混合流体稠度达到60 Bc，因此需要配制隔离液解决钻井液与水泥浆相容性差的问题。

在稠化实验温度为112 ℃，升温时间为50 min，稠化实验压强为70～80 MPa条件下，将水泥浆、 井浆、 隔离液GLJ进行污染稠化实验， 其结果见表7。

表7 水泥浆、井浆、隔离液GLJ污染稠化数据

5 结论及建议

1.固井抗污染隔离液GLJ现场配制简单、方便，只需将隔离剂直接加入现场钻井液中即可改造成固井抗污染隔离液GLJ，可减少新增液体量、钻井液加重剂等材料用量，减轻现场储存压力。

2.固井抗污染隔离液GLJ具有较好的流变性、悬浮稳定性，可根据现场施工对GLJ的流变性能参数要求进行调整，具有良好的抗温性能，井筒中长时间静置不会导致隔离液GLJ重晶石沉淀。

3.隔离液GLJ与水泥浆具有良好的配伍性，各种比例混合流体的高温高压稠化实验240 min内体系稠度值不大于40 Bc，满足固井注水泥浆安全施工要求。

4.隔离液GLJ与钻井液具有良好的配伍性，不同比例混合后对钻井液流变性和滤失量影响较小，施工完成后剩余的隔离液GLJ和井筒中返排出的隔离液GLJ，可混入现场井浆中作为钻井液继续使用，减少现场废弃液的排放及处理量，减轻现场环保压力，实现了清洁生产。