pH值和稀释剂对固井前甲酸盐钻井液性能的影响*

张举政，杨远光，孙勤亮，付家文，万浩东，谢应权

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（西南石油大学），四川 成都 610500；2.中国石油集团渤海钻探工程有限公司第二固井分公司，天津 300280）

甲酸盐钻井液具有较宽的密度调控范围、对储层伤害程度低和流动摩阻小等优点，常用于深层小井眼的钻进［1-4］。大港油田某井区深层尾管固井质量较差，现场甲酸盐钻井液的塑性黏度、动切力较大，且钻井液滤失量大、形成虚泥饼太厚，不能满足提高顶替效率和清除井壁泥饼的要求，严重影响水泥环的层间封隔能力。为提高环空钻井液顶替效率和井壁泥饼冲洗效率，钻井液与水泥浆之间应满足钻井液塑性黏度、动切力小于水泥浆的塑性黏度和动切力［5-7］，且在钻井液要求的滤失量范围内泥饼厚度尽量小。因此，笔者通过钻井液性能的测试、钻井液泥饼的制备及冲洗和扫描电子显微镜（SEM）等，研究了pH 值和稀释剂对钻该井区甲酸盐钻井液的性能［8-11］、井壁泥饼冲洗效率的影响规律及影响机理。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

甲酸盐钻井液，取自大港油田X32井3926 m处的现场钻井液，密度（循环温度90℃）1.63 g/cm3，主要成分为膨润土、复合甲酸盐、降滤失剂羧甲基纤维素钠（CMC）、磺化基酚醛树脂（SMP）、聚丙烯酸盐（PAC），增黏剂黄原胶（XC）等；油田现场固井用水泥浆，密度1.88 g/cm3，基本配方：G 级水泥+35%硅粉+4%降失水剂BZF-L1+2%缓凝剂BZR-L1+0.5%消泡剂D50+54%水，水泥浆材料均取自大港油田；pH 调节剂NaOH，工业级，成都科龙化工试剂厂；稀释剂磺化丹宁，工业级，成都川锋化学工程有限责任公司；模拟岩心，尺寸φ25.4 mm×50 mm，渗透率（6.0数 9.0）×10-3μm2。

XL300 型扫描电子显微镜，荷兰Philips 公司；ZNN-D6 型六速旋转黏度计，青岛恒泰达公司；OWC-9350A 型常温稠化仪，沈阳航空工业学院应用技术研究所；OWC-9710型高温高压滤失仪，沈阳航空工业学院应用技术研究所；PHS-3C型pH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；钻井液动态泥饼形成装置［12］、固井冲洗液评价装置［13］，西南石油大学固井实验室研制；OWC-118 型常温常压养护箱，沈阳航空工业学院应用技术研究所；DZE-300 型数字式抗压抗折试验机，无锡双牛建材仪器设备厂。

1.2 实验方法

（1）钻井液性能测定

参照国家标准GB/T 16783.1—2014《石油与天然气工业钻井液现场测试第1部分：水基钻井液》，利用六速旋转黏度计、高温高压滤失仪、常温稠化仪、pH 计等仪器设备对钻井液密度、pH 值、塑性黏度、动切力、滤失量及泥饼厚度等性能进行测试。

（2）钻井液泥饼的形成和泥饼冲洗效率测定

为更加真实地模拟井下泥饼冲洗过程，在90℃、3.5 MPa 和150 r/min 的条件下向钻井液动态泥饼形成装置中注入钻井液，在岩心表面形成钻井液泥饼。使用新型固井冲洗液评价装置（图1）进行泥饼的冲洗效率模拟实验，以冲洗液在不同转数下冲洗泥饼模拟对应不同环空返速下冲洗井壁泥饼的情形。该装置的设计原理是以固井环空壁面与评价装置内筒外壁面处二者剪切速率相等为理论依据［14］（图2）。该装置可以适应不同井身结构、不同排量的模拟。

图1 新型固井冲洗液评价装置基本结构图

图2 新型固井冲洗液评价装置基本原理图

本文的研究对象为某井区的油层尾管固井。固井时将直径139.7 mm尾管下入直径165.1 mm井眼，固井施工常用顶替排量为8数12 L/s。将井身结构和由顶替排量换算所得的环空平均返速代入公式（1），计算冲洗评价装置工作转速。

式中，N—新型冲洗装置外筒转速，r/min；V—实际环空平均返速，m/s；D—实际井眼直径，m；d—套管外径，m；R1—装置内筒半径，mm；R2—装置外筒内半径，mm。

φ165.1 mm×φ139.7 mm 环空条件下，当油田常用顶替排量为8、10、12 L/s时，对应的环空平均返速分别为1.32、1.64、1.97 m/s，计算得到对应的冲洗评价装置工作转速分别为533、566、799 r/min。

（3）胶结强度的测定

将冲洗结束后的模拟井壁的岩心或模拟套管的钢柱置于模具中心，再在其周围灌注满水泥浆，置于90℃常温养护箱中水浴养护24 h后取出模具，用抗压抗折试验机测定胶结界面的机械胶结强度。试验机读数与水泥环胶结面积的比值即为界面机械胶结强度。

（4）微观机理分析

用SEM观察钻井液pH值调节前后形成泥饼的微观形态，分析甲酸盐钻井液调节前后性能改变的机理。

2 结果与讨论

2.1 现场甲酸盐钻井液及水泥浆基本性能

现场甲酸盐钻井液和水泥浆（假设钻井液、水泥浆为宾汉流体）在常温和90℃条件下的性能参数见表1和表2。从表中数据可以看出，现场钻井液的pH 值比甲酸盐钻井液的正常pH 值范围（9.0数12.0）偏小；25℃下钻井液的塑性黏度（PV）、动切力（YP）、高温高压滤失量（FL（HTHP））和泥饼厚度均较大；90℃热滚后，钻井液的PV、YP降低，但钻井液的YP仍大于现场固井水泥浆的YP，不利于提高环空钻井液顶替效率［15］，且FL（HTHP）和泥饼厚度增加，既减小了环空的有效过流面积，又不利于顶替清除井壁泥饼。因此，需要在固井前对该井区现场甲酸盐钻井液性能进行调整，在改变钻井液流变性的同时降低滤失量和泥饼厚度，提高泥饼冲洗效率，获得良好的第二界面胶结质量。

表1 现场甲酸盐钻井液性能参数*

表2 现场固井用水泥浆常规性能*

2.2 pH值对甲酸盐钻井液体系性能的影响

用NaOH 溶液调节油田甲酸盐钻井液的pH 值分别为9.5、10.5、11.5、12.5。pH 值对现场甲酸盐钻井液的PV、YP、FL（HTHP）和泥饼厚度的影响见表3。pH 值为8.3数 11.5 时，甲酸盐钻井液的PV、YP、FL（HTHP）和泥饼厚度均随pH值的升高而降低；当pH值继续增至12.5时，甲酸盐钻井液的PV、YP、FL（HTHP）和泥饼厚度明显升高。这是由于甲酸盐钻井液中使用的化学处理剂如降滤失剂CMC、SMP、PAC 以及增黏剂 XC 等在较高 pH 值环境下部分基团发生变性［16］，减少了对黏土颗粒的吸附，从而降低降滤失效果，导致滤失量增大、泥饼变厚等情况的发生。因此控制甲酸盐钻井液的pH 值在11.5 左右可以有效改善钻井液流变性、减小滤失量和泥饼厚度，有利于环空钻井液的替净和泥饼的清除。

表3 pH值对现场甲酸盐钻井液相关性能的影响*

在不同的现场排量下，钻井液pH 值对模拟井壁（第二界面）泥饼冲洗效率和界面胶结强度的影响见图3。在pH 值为8.3数11.5 时，随甲酸盐钻井液pH 值升高，第二界面泥饼冲洗效率和胶结强度增加。pH 值为11.5 时的模拟井壁（岩心）表面泥饼比pH 为8.3 时明显减少且更为致密；在12 L/s 排量下，用清水冲洗模拟井壁（岩心）表面泥饼10 min，岩心表面只有局部地方存在少许泥饼，整体泥饼冲洗效率达到80.6%，第二界面胶结强度达到1.56 MPa。但当pH值继续增至12.5时，岩心表面的泥饼反而增厚，失水量增大，导致第二界面泥饼冲洗效率降低。

图3 不同排量下钻井液pH值对第二界面泥饼冲洗效率（a）和界面胶结强度（b）的影响

2.3 稀释剂和pH值共同作用对甲酸盐钻井液性能的影响

由表3和图3可以看出，调整该井区甲酸盐钻井液pH值至11.5后，钻井液的流变性、失水造壁性、第二界面泥饼冲洗效率和界面胶结强度得到了较大程度的改善，但PV、FL（HTHP）和泥饼厚度等仍偏大，且第二界面泥饼冲洗效率不高。因此，需要选择稀释剂进一步调整优化该甲酸盐钻井液的各项性能。稀释剂磺化丹宁加量对现场甲酸盐钻井液性能的影响见表4。稀释剂加量越大，甲酸盐钻井液的PV、YP、FL（HTHP）和泥饼厚度越小；但稀释剂加量大于0.3%后，各项性能改善不明显。综合考虑井壁稳定性的情况［17］，选择稀释剂加量为0.3%的钻井液进行pH值的调整。

表4 稀释剂加量对甲酸盐钻井液性能的影响*

稀释剂加量为0.3%时，pH 值对现场甲酸盐钻井液性能的影响见表5。钻井液pH 值对不同排量下第二界面泥饼冲洗效率和界面胶结强度的影响见图4。加入稀释剂后甲酸盐钻井液各项性能的变化趋势与原甲酸盐钻井液的相似，pH值约为11.5时的PV、YP、泥饼厚度趋于最小，第二界面泥饼冲洗效率和界面胶结强度达到最大。与表3数据相比，在pH 值相同的条件下，加入0.3%稀释剂的甲酸盐钻井液的PV、YP、泥饼厚度降低。在10 L/s排量下，用清水冲洗模拟井壁（岩心）表面泥饼10 min，岩心表面几乎无残留泥饼，第二界面胶结强度提高至2.02 MPa。说明稀释剂的加入可以进一步优化甲酸盐钻井液的性能，更有利于环空钻井液的顶替和井壁泥饼的冲洗清除。

表5 稀释剂加量为0.3%时pH值对现场甲酸盐钻井液性能的影响*

图4 稀释剂加量为0.3%时钻井液pH值对第二界面泥饼冲洗效率（a）和界面胶结强度（b）的影响

2.4 甲酸盐钻井液性能调节机理

对调整前（pH值为8.3）与调整后（pH值11.5，稀释剂加量0.3%）钻井液在岩心上形成的泥饼进行取样作SEM 微观分析，结果见图5。调整后钻井液在岩心上形成的泥饼的致密性好于调整前泥饼，泥饼表面极少存在类似于调整前泥饼表面“絮凝状”强度极低的虚泥饼。这是由于随着钻井液pH值的升高，黏土颗粒表面所带负电荷逐渐增多，黏土颗粒之间的斥力逐渐增大，导致黏土颗粒的分散性提高，从而改变了钻井液的流变性和泥饼质量，提高了环空钻井液顶替效率和泥饼可冲刷性［18］，有效地改善了固井界面胶结质量较差的问题。另外稀释剂磺化丹宁由于静电作用吸附于黏土颗粒端面，增加了黏土颗粒端面的负电荷数量和水化层厚度，拆散了原本造成钻井液结构黏度增加的空间网架结构，进一步优化了甲酸盐钻井液的流变性能和失水造壁性［19］。

图5 钻井液调整前（a）后（b）形成泥饼的SEM照片

3 结论

pH 值和稀释剂对现场甲酸盐钻井液的流变性和失水造壁性的影响较大。调节甲酸盐钻井液的pH值为10.5数11.5时，可以有效改善甲酸盐钻井液的流变性和失水造壁性，有利于提高环空钻井液的顶替效率和井壁泥饼的冲洗效率。稀释剂的加入可以进一步优化甲酸盐钻井液的流变性和失水造壁性，但应严格控制加量，防止可能会出现的滤失量升高而引起井壁不稳定。