存在钻井液环境下地聚合物性能实验研究

梁甲波

（中国海洋石油伊拉克有限公司油井作业中心）

梁甲波.存在钻井液环境下地聚合物性能实验研究.钻采工艺，2019，42（5）：83-86

固井是完井作业过程中不可缺少的一个重要环节，油田固井时常用的固井材料为硅酸盐水泥，使用硅酸盐水泥进行固井作业时，水泥环可能存在的裂缝、缝隙等缺陷［1-3］。近年来新型固井材料地聚合物逐渐成为常规固井材料硅酸盐水泥的替代品，国内诸多学者均对地聚合物的性能进行了实验研究［4］，并将其与硅酸盐水泥进行了性能对比。但在固井作业中钻井液的存在使得钻井液与地聚合物的混合成为不可避免的现象，而在钻井液存在条件下地聚合物和硅酸盐水泥的性能对比还缺少研究。本文以油田常用钻井液、硅酸盐水泥和地聚合物为研究对象，在含钻井液条件下的地聚合物的性能进行了室内实验研究。测试了存在钻井液条件下地聚合物的黏度、剪切应力、抗压强度等参数，并将测试结果与相同条件下硅酸盐水泥的测试结果进行了对比。

一、实验材料

为保证实验的准确性，本文采用油田常用的硅酸盐水泥和钻井液，硅酸盐水泥组分性质如表1，钻井液性质如表2所示。地聚合物由粉煤灰、NaOH和Na2SiO3混合制成，粉煤灰的组分如表3所示。

表1 硅酸盐水泥组分

表2 钻井液性质

表3 粉煤灰组分

二、实验结果与讨论

1.地聚合物以及硅酸盐水泥制备

地聚合物原料配比如表4所示。在室温24℃和大气压条件下，在搅拌机中先加注自来水，然后加入粉煤灰，低速搅拌10 s。然后，加入NaOH和Na2SiO3混合的碱性溶液，低速搅拌10 s，再加入不同比例的钻井液（0%、5%、10%）并高速搅拌30 s。将该浆料倒入立方体模中，固化24 h，用于实验测试。

表4 地聚合物原料配比

以蒸馏水和硅酸盐干水泥质量比38∶100为依据，进行硅酸盐水泥制备。在搅拌机中加注蒸馏水，然后低速搅拌15 s后将硅酸盐水泥加入搅拌机，将搅拌机盖上，并在高速下继续搅拌35 s，再加入不同比例的钻井液（0%、5%、10%）低速搅拌30 s，用于实验测试。

2.流变性测试

表5为不同钻井液含量条件下地聚合物和硅酸水泥的黏度测试结果，表6为剪切应力测试结果。在室温（24°C）条件下，钻井液含量对地聚合物剪切应力的变化影响不大；而硅酸盐水泥的剪切应力随钻井液含量的增加呈明显上升的趋势，这与黏度测试结果相吻合。当硅酸盐水泥的剪切应力和黏度在钻井液的影响下出现增加趋势时，极易导致固井作业的失败，从而引发安全风险［5-6］。这是由于当在地聚合物中加入钻井液时，由于地聚合物组分中Na2SiO3及其复合物的存在导致极易发生复合溶解反应，从而导致了地聚合物的塑性黏度的降低和剪切降低。而在硅酸盐水泥反应中，钻井液的存在和含量的增加将会导致溶液中 CaO、CaCl2和Na（OH）2等浓度的增加，从而增加了Ca（OH）2等物质的浓度，造成了塑性黏度增加和剪切应力增加现象。

表5 不同钻井液含量条件下黏度测试结果

3.抗压强度测试

表7为不同钻井液含量条件下，地聚合物和硅酸盐水泥在1 d、3 d和7 d后的抗压强度测试结果。实验结果表明，随时间的增加地聚合物和硅酸盐水泥的抗压强度增加；但随钻井液含量的增加，地聚合物和硅酸盐水泥的抗压强度都呈下降趋势［7］。然而，当钻井液含量为5%时，随时间的延长硅酸盐水泥的抗压强度表现比地聚合物更好，在3 d后，硅酸盐水泥的抗压强度为23.72 MPa，7 d后为31.78 MPa；而地聚合物的抗压强度在3 d后为16.06 MPa，7 d后为21.27 MPa。当钻井液含量为10%时，随时间的延长地聚合物的抗压强度表现比硅酸盐水泥更好，在3 d后，硅酸盐水泥的抗压强度为9.07 MPa，7 d后为11.11 MPa；而地聚合物的抗压强度在3 d后为12.06 MPa，7 d后为12.93 MPa。与硅酸盐水泥相比，地聚合物与钻井液具有更好的相容性［8-10］。

表6 不同钻井液含量条件下剪切应力测试结果

根据抗压强度测试结果，以空白组为参考对地聚合物和硅酸盐水泥的抗压强度下降情况进行了计算。1 d后，含有5%和10%钻井液的地聚合物抗压强度分别下降8%和20%；但相同条件下，硅酸盐水泥的抗压强度分别下降了9%和34%。3 d后，含有5%和10%钻井液的自聚合物抗压强度分别下降8.5%和23.9%；但相同条件下，硅酸盐水泥的抗压强度分别下降了38.4%和59.2%。7 d后，含有5%和10%钻井液的地聚合物抗压强度分别下降22.1%和38.6%；但相同条件下，硅酸盐水泥的抗压强度分别下降了47.8%和63.4%。从抗压强度下降情况计算结果可以发现，地聚合物相较与硅酸盐水泥具有较好的强度保持性［11］，能在钻井液的影响下保持较高的抗压强度，不易出现较大的强度损失现象。这是由于当地聚合物和硅酸盐水泥中加入钻井液后，Ca2+和OH-从地聚合物和硅酸盐水泥中渗出，从而降低了地聚合物和硅酸盐水泥中的Ca（OH）2含量，进而降低了地聚合物和硅酸盐水泥的抗压强度，但在相同条件下由于地聚合物的组分和硬化过程与硅酸盐水泥存在一定的差异，导致这一过程对地聚合物的影响并不明显。

表7 不同钻井液含量条件下抗压强度测试结果

4.失水量测试

表8为不同钻井液含量条件下的失水量测试结果。从测试结果可以发现随钻井液含量的增加地聚合物的失水量呈逐渐减少趋势，而硅酸盐水泥的失水量呈增加的趋势。针对地聚合物而言，当钻井液含量为5%时地聚合物的失水量为84.6 mL／30 min；当钻井液含量为10%时地聚合物的失水量为79.4 mL／30 min。因为钻井液中含有含铝和硅酸盐的膨润土，在钻井液和地聚合物的聚合过程中氢氧化钠将会诱导铝和硅酸盐发生化学反应形成铝硅酸盐凝胶［12-13］，有助于减少水分流失。针对硅酸盐水泥而言，当钻井液含量从5%增加到10%时硅酸盐水泥的失水量从438 mL／30 min增加至520 mL／30 min。测试结果表明在含有钻井液的条件下地聚合物比硅酸盐水泥具有更低的失水率，并且钻井液含量的变化对地聚合物的失水率具有正效应，而对硅酸盐水泥的失水率具有负效应［14-15］。

5.稠化时间测试

表9为不同钻井液含量条件下的稠化时间测试结果。从测试结果可以发现随钻井液含量的增加，地聚合物和硅酸盐水泥的稠化时间均呈逐渐升高的趋势，但就总体而言在同样钻井液含量条件下，地聚合物的稠化时间仍明显低于硅酸盐水泥的稠化时间。这是由于地聚合物中含有的氢氧化钠与硅酸盐所生成的硅盐酸凝胶，而硅酸盐凝胶的产生导致了地聚合物的胶凝强度增加速率较快，从而致使了地聚合物的稠化时间的缩短。

表8 不同钻井液含量条件下失水量测试结果

表9 不同钻井液含量条件下稠化时间测试结果

三、结论

（1）随钻井液含量的增加，地聚合物的黏度和剪切应力呈逐渐下降的趋势，硅酸盐水泥的黏度和剪切应力呈逐渐增加趋势。

（2）随钻井液含量的增加，地聚合物和硅酸盐水泥的抗压强度呈逐渐下降的趋势。

（3）随钻井液含量的增加，地聚合物的失水量呈逐渐减少的趋势，而硅酸盐水泥的失水量呈增加的趋势。

（4）地聚合物在含钻井液条件下表现出比硅酸盐水泥更好的性能，可以作为固井作业中硅酸盐水泥的替代品。