西南石油大學(xué)固井實(shí)驗(yàn)室2012年9月聚合物鉆井液處理劑對(duì)水泥漿污染特性研究匯報(bào)人：郭小陽(yáng)、李明提綱引言鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法聚合物鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探結(jié)論與建議一、引言1、接觸污染的定義接觸污染指油氣井注水泥作業(yè)中，水泥漿與鉆井液接觸后，混漿段流體因化學(xué)不兼容，流動(dòng)性驟然惡化的現(xiàn)象接觸污染的危害混漿段流動(dòng)阻力增大，泵壓快速升高，壓漏薄弱層，造成注水泥“低返”與“漏封”混漿粘稠突變導(dǎo)致泵壓過(guò)高，“憋泵”造成“灌香腸”混漿高觸變性造成“插旗桿”混漿流動(dòng)性能惡化影響頂替效率混漿帶嚴(yán)重影響水泥凝結(jié)質(zhì)量和界面膠結(jié)能力，破壞水泥環(huán)密封完整性圖1某油田106井水泥漿與鉆井液接觸污染稠化曲線圖2某油田39井水泥漿與鉆井液接觸污染拆漿杯照片一、引言2、解決接觸污染是保證深井固井安全的必要前提接觸污染問(wèn)題在深井固井中尤為突出我國(guó)剩余油氣資源40%以上在深部復(fù)雜地層近5年發(fā)現(xiàn)的11個(gè)大型油氣田，復(fù)雜深層有8個(gè)接觸污染問(wèn)題在高溫、高壓、高密度固井施工中歷來(lái)表現(xiàn)極為突出消除接觸污染才能保證深井注水泥安全鉆井液與水泥漿組分設(shè)計(jì)必須滿足特定工程地質(zhì)要求，但卻是物理化學(xué)性能完全不同的兩種特殊流體接觸污染是深井注水泥事故的潛在誘因深井注水泥作業(yè)安全是保證固井質(zhì)量的前提注水泥質(zhì)量是油氣田開(kāi)發(fā)及油氣井生產(chǎn)壽命保障的關(guān)鍵所在高壓油氣層鹽膏巖層

縫洞層

疏松層

圖3復(fù)雜深井示意圖一、引言3、現(xiàn)有解決接觸污染的技術(shù)措施（1）開(kāi)展井下不同流體相容性試驗(yàn)，反復(fù)調(diào)節(jié)工作液體系配方表1APIRP10B規(guī)范與川渝地區(qū)深井固井水泥漿相容性試驗(yàn)方法（常溫常壓）類(lèi)別項(xiàng)目試驗(yàn)方法區(qū)別試驗(yàn)方法特點(diǎn)常規(guī)污染試驗(yàn)APIRP10B(旋轉(zhuǎn)粘度計(jì))混漿類(lèi)型及比例不同,測(cè)量方法不同,試驗(yàn)條件、儀器不同主要從流變性角度考察隔離液對(duì)鉆井液和水泥漿性能的影響，重點(diǎn)考察了隔離液與井下流體的化學(xué)兼容性，但未詳細(xì)考察井下三相接觸污染川渝地區(qū)深井污染試驗(yàn)(阿茲圓錐)考慮井下流體實(shí)際可能存在的混漿情況，能直觀反映鉆井液對(duì)水泥漿流動(dòng)性能的影響及隔離液對(duì)緩解接觸污染的作用效果

一、引言3、現(xiàn)有解決接觸污染的技術(shù)措施（1）開(kāi)展井下不同流體相容性試驗(yàn)，反復(fù)調(diào)節(jié)工作液體系配方表2APIRP10B與川渝地區(qū)深井固井水泥漿相容性試驗(yàn)方法對(duì)比（高溫高壓）類(lèi)別項(xiàng)目試驗(yàn)方法區(qū)別試驗(yàn)方法特點(diǎn)污染稠化試驗(yàn)APIRP10B考察目的與方法相同，但考慮因素重點(diǎn)不同，混漿類(lèi)型比例不同主要模擬井下高溫高壓條件，考察隔離液與水泥漿之間的化學(xué)兼容性川渝地區(qū)深井污染試驗(yàn)考慮井下流體實(shí)際可能存在的混漿情況，以確保施工安全為目的，系統(tǒng)考察鉆井液、隔離液、水泥漿三相流體摻混后，高溫高壓條件下的化學(xué)兼容性一、引言3、現(xiàn)有解決接觸污染的技術(shù)措施（2）使用隔離液與調(diào)整鉆井液性能（以磨溪1井與天東017－X3為例）

在保證井下安全的前提下，盡量降低鉆井液的粘切，包括塑性粘度、動(dòng)切力和靜切力，減小觸變性的影響，增加對(duì)虛濾餅的沖洗作用，降低固井作業(yè)期間的循環(huán)壓耗，防止頂替過(guò)程中出現(xiàn)高泵壓

增強(qiáng)鉆井液抗鈣能力，改善與水泥漿的相容性，盡量使用抗鈣能力強(qiáng)的處理劑進(jìn)行調(diào)節(jié)，并適當(dāng)提高pH值（發(fā)揮鉆井液處理劑效能），破壞鉆井液的膠凝結(jié)構(gòu)，有效提高頂替效率和界面膠結(jié)質(zhì)量一、引言3、現(xiàn)有解決接觸污染的技術(shù)措施（2）使用隔離液與調(diào)整鉆井液性能（以磨溪1井與天東017－X3為例）隔離液設(shè)計(jì)原則:密度：ρ鉆井液﹤ρ隔離液﹤ρ水泥漿；用量：7～10min紊流接觸時(shí)間；流變性：或Φ100鉆井液﹤Φ100隔離液﹤Φ100水泥漿

表3試驗(yàn)井高密度隔離液基本性能井號(hào)ρg/cm3溫度FVsAVmPa·sPVmPa·sYPPanKPa·snG10”/10’Pa/Pa磨溪12.27常溫7581.56516.860.730.536.13/8.1890℃-58.54612.780.720.415.11/7.15天東017-X31.98常溫789572230.690.823/690℃-534490.770.263.5/7一、引言3、現(xiàn)有解決接觸污染的技術(shù)措施（2）使用隔離液與調(diào)整鉆井液性能（以磨溪1井與天東017－X3為例）

圖4磨溪1井固井作業(yè)返出流體照片

圖5天東017-X3井固井作業(yè)返出流體照片返出流體照片一、引言4、現(xiàn)有技術(shù)措施存在的不足（1）某些聚合物處理劑在摻混量極小情況下，仍會(huì)造成水泥漿流動(dòng)性惡化，導(dǎo)致隔離液與調(diào)整鉆井液性能的應(yīng)用效果受限

圖6加入JY-1稠化曲線和拆漿杯照片

圖7加入RLC-101后稠化曲線和拆漿杯照片

圖8加入DR-2后稠化曲線和拆漿杯照片圖9加入SP-80后拆漿杯照片一、引言4、現(xiàn)有技術(shù)措施存在的不足（2）現(xiàn)有井下流體相容性評(píng)價(jià)方法難以確定造成接觸污染的鉆井液處理劑種類(lèi)現(xiàn)用接觸污染評(píng)價(jià)方法的不足常壓流變性較好的混合流體，不一定滿足高溫高壓稠化試驗(yàn)的要求（混合流體入井后受高溫高壓影響，可能出現(xiàn)可泵性驟變引起憋泵等事故）流變性較差但高溫高壓稠化試驗(yàn)過(guò)關(guān)并不能一定保證固井施工的安全，若混合流體常壓下流變性較差，可能引起其在入井過(guò)程中就因初始稠度大發(fā)生高泵壓情況

圖10川渝地區(qū)可靠鉆井液處理劑評(píng)價(jià)方法一、引言5、建立鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法的必要性鉆井液處理劑種類(lèi)繁多，包括無(wú)機(jī)物、小分子有機(jī)物和聚合物，只有建立科學(xué)的鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法，才能夠?yàn)殂@井液處理劑合理選材奠定基礎(chǔ)

深入探討鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的影響機(jī)制和作用機(jī)理，才能為根本上避免接觸污染發(fā)生，找到合理解決的途徑和方法鉆井液和水泥漿體系中那些組分會(huì)引起接觸污染導(dǎo)致流變性能惡化？水泥石抗壓強(qiáng)度降低？水泥漿稠化時(shí)間嚴(yán)重縮短？

處理劑物理化學(xué)本質(zhì)與混合物物化特性之間存在何種相互干涉關(guān)系？接觸污染發(fā)生的機(jī)理與無(wú)機(jī)化學(xué)及有機(jī)化學(xué)反應(yīng)原理用何種分析手段判定？二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法1、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿污染的單因素排除法初探好好差好差差差好好不同加量的鉆井液處理劑典型深井水泥漿體系流變性能實(shí)驗(yàn)以0.1%為加量高溫高壓稠化實(shí)驗(yàn)以0.1%為加量流變性能實(shí)驗(yàn)污染較大的處理劑鉆井液處理劑可靠高溫高壓稠化實(shí)驗(yàn)高溫高壓稠化實(shí)驗(yàn)存在不造成污染的處理劑加量范圍探明不造成污染的處理劑加量范圍差圖11基于井下流體相容性，鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法1、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿污染的單因素排除法初探常規(guī)密度水泥漿實(shí)驗(yàn)中所用常規(guī)密度水泥漿為L(zhǎng)002-4井177.8mm套管固井緩凝水泥漿配方。常規(guī)密度水泥漿配方為：夾江G級(jí)高抗油井水泥+2.0%SDP-1+1.4%SD18+0.4%SXY-2+1.0%SD66+0.12%SD21+0.2%SD52，水灰比0.45，水泥漿密度為1.90g/cm3，稠化時(shí)間300min高密度水泥漿實(shí)驗(yàn)中所用高密度水泥漿為L(zhǎng)104井Φ127mm尾管固井緩凝水泥漿配方：（夾江G級(jí)高抗油井水泥︰石英砂︰鐵礦粉=520:80:400）+2.5%SDP-1+6.0%SD10+1.2%SD32+0.1%SD21+0.4%PN+0.3%MN＋4%WG，水灰比為0.3，水泥漿密度為2.30g/cm3，稠化時(shí)間320min鉆井液處理劑現(xiàn)場(chǎng)取樣，共14種常用鉆井液處理劑實(shí)驗(yàn)材料二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法2、鉆井液處理劑對(duì)常規(guī)密度水泥漿流動(dòng)性的影響

序號(hào)鉆井液處理劑加量常流（cm）高流（cm）1降粘劑SMT3%很稠－1.5%稠－1.2%18131%20120.8%1918.50.1%24242磺化褐煤SMC3%15.5－2%21241%19.5240.523200.1%25203SMP-13%24很稠2%25很稠1%25180.5%24180.3%23200.1%2525表4單一鉆井液處理劑對(duì)常規(guī)密度水泥漿流變性能的影響（水泥漿流動(dòng)度為25、22cm）二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法2、鉆井液處理劑對(duì)常規(guī)密度水泥漿流動(dòng)性的影響

表4單一鉆井液處理劑對(duì)常規(guī)密度水泥漿流變性能的影響（續(xù)）序號(hào)鉆井液處理劑加量常流（cm）高流（cm）4KHM3%很稠－1%22240.3%23180.1%24205降濾失劑HPS0.3%18.5190.1%24246降濾失劑SHR3%24241%25250.3%25257降粘劑JN-A1%22190.3%25250.1%24＞258降濾失劑MG-10.3%2017.50.1%＞25＞259聚合物降濾失劑LS-20.4%18210.2%＞25＞250.1%25＞25二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法2、鉆井液處理劑對(duì)常規(guī)密度水泥漿流動(dòng)性的影響

表4單一鉆井液處理劑對(duì)常規(guī)密度水泥漿流變性能的影響（續(xù)）序號(hào)鉆井液處理劑加量常流（cm）高流（cm）10生物增粘劑2%25干稠0.5%25150.3%＞25180.2%＞25150.1%＞25＞2511防塌劑KPAM0.6%干稠－0.3%干稠－0.1%干稠－12前置液防稠劑KR-1020.1%＞25＞2513YH-S5%干稠－3%稠－1%21180.3%＞25230.1%＞25＞2514降濾失劑RLC-1013%18151%25250.1%2525二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法2、鉆井液處理劑對(duì)常規(guī)密度水泥漿流動(dòng)性的影響

加入0.1%KPAM水泥漿

加入生物增粘劑后水泥漿

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)常規(guī)密度水泥漿流變性能無(wú)影響或影響甚微的鉆井液處理劑包括HPS、SHR、JN-A、MG-1、LS-2、KR102、RLC-101等7類(lèi)對(duì)常規(guī)密度水泥漿流變性能影響較大的鉆井液處理劑包括SMP-1、KHM、KPAM、YH-S等4類(lèi)，其在水泥漿中的比例應(yīng)分別控制在1%、1%、0%、1%以?xún)?nèi)對(duì)常規(guī)密度水泥漿流變性能有一定影響的鉆井液處理劑包括SMT、SMC、生物增粘劑等3類(lèi)，其在水泥漿中的比例應(yīng)分別控制在1.2%、2%、0.5%以?xún)?nèi)二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法3、鉆井液處理劑對(duì)高密度水泥漿流動(dòng)性的影響

序號(hào)鉆井液處理劑加量常流（cm）高流（cm）1降粘劑磺化單寧SMT3%很稠－1.5%稠－0.6%1818.50.3%20202磺化褐煤SMC3%13－1%18160.519193磺甲基酚醛樹(shù)脂SMP-10.5%18160.3%19184鉆井液用腐植酸鉀KHM3%很稠很稠1%18160.3%19145降濾失劑HPS0.3%18140.1%18186降濾失劑特種樹(shù)脂SHR1%20190.3%20180.1%2020表5單一鉆井液處理劑對(duì)高密度水泥漿流變性能的影響（流動(dòng)度為20、19cm）

二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法3、鉆井液處理劑對(duì)高密度水泥漿流動(dòng)性的影響

序號(hào)鉆井液處理劑加量常流（cm）高流（cm）7降粘劑JN-A1%19160.3%19180.1%20208降濾失劑MG-10.3%20180.1%20219聚合物降濾失劑LS-20.4%20170.2%19190.1%211910生物增粘劑2%干稠干稠0.5%干稠干稠0.3%16很稠0.2%18120.1%201811防塌劑聚丙烯酰胺鉀鹽KPAM0.6%干稠干稠0.3%干稠干稠0.1%干稠干稠12前置液防稠劑KR1021%20150.5%19150.3%1917表5單一鉆井液處理劑對(duì)高密度水泥漿流變性能的影響（續(xù)）

二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法3、鉆井液處理劑對(duì)高密度水泥漿流動(dòng)性的影響

加入0.1%KPAM

加入2%生物增粘劑

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析鉆井液處理劑對(duì)高密度水泥漿流變性能的影響規(guī)律與常規(guī)密度相比較，變化不大

高密度水泥漿與常規(guī)密度水泥漿所用油井水泥、油井水泥外加劑相同，其差異主要在于高密度水泥漿的固相含量高，液固比較低，水泥漿流動(dòng)性較差。應(yīng)更加重視鉆井液處理劑對(duì)高密度水泥漿流動(dòng)性的影響規(guī)律研究二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法4、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

表6單一鉆井液處理劑對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響（水泥漿稠化時(shí)間300min）

序號(hào)鉆井液處理劑加量稠化時(shí)間（min）1降粘劑磺化單寧SMT1%1700.8%2080.5%2380.1%2562磺化褐煤SMC1%3900.5%420min未稠0.1%2953磺甲基酚醛樹(shù)脂SMP-11%2200.5%1060.3%4540.1%2744鉆井液用腐植酸鉀KHM1%480min未稠0.3%3780.1%3385降濾失劑HPS0.3%340min未稠0.1%4206降濾失劑特種樹(shù)脂SHR1%360min未稠0.3%4620.1%459二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法4、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響

表6單一鉆井液處理劑對(duì)水泥漿稠化時(shí)間的影響（水泥漿稠化時(shí)間300min）

序號(hào)鉆井液處理劑加量稠化時(shí)間（min）7降粘劑JN-A1%2550.3%3230.1%4518降濾失劑MG-10.3%373min未稠0.1%3369聚合物降濾失劑LS-20.4%5140.2%3170.1%43710生物增粘劑0.5%630.3%1150.2%1680.1%23111前置液防稠劑KR1025%420min未稠0.5%3850.3%2050.1%14812YH-S1%493min未稠0.3%363min未稠二、鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染評(píng)價(jià)方法5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

單一鉆井液處理劑對(duì)水泥漿性能影響規(guī)律在一定加量范圍內(nèi)，SMC、KHM、HPS、SHR、MG-1、LS-2、YH-S、RLC-101等8類(lèi)處理劑能延長(zhǎng)水泥漿稠化時(shí)間，且對(duì)流動(dòng)度無(wú)不良影響KPAM、生物增粘劑、JD-6等3類(lèi)處理劑能夠急劇縮短水泥漿稠化時(shí)間，即使加量為0.1%時(shí)影響也較大SMT、SMP-1、JN-A等3類(lèi)處理劑能夠縮短水泥漿稠化時(shí)間，但影響可控。其加量應(yīng)控制在0.5%、0.3%、0.3%以?xún)?nèi)三、聚合物鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探1、研究方法

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明JD-6、生物增粘劑、KPAM等3種聚合物鉆井液處理劑對(duì)水泥漿有嚴(yán)重的污染影響，以這3種聚合物類(lèi)鉆井液處理劑為例，對(duì)處理劑污染水泥漿機(jī)理進(jìn)行探討

材料的結(jié)構(gòu)決定了材料的性質(zhì)，從鉆井處理劑作為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)處理劑、水泥漿進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，從而對(duì)污染發(fā)生的機(jī)理進(jìn)行探討，從材料科學(xué)的角度出發(fā)，分別采用紅外，掃描電鏡等微觀分析方法，對(duì)鉆井液處理劑吸附性官能團(tuán)，水泥漿微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究三、聚合物鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探2、JD-6與KPAM對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探

KPAM紅外光譜分析圖

JD-6紅外光譜分析圖三、聚合物鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探2、JD-6與KPAM對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探

◆由上圖可知，KPAM與JD-6分子主鏈上具有羧基、羥基、胺基、酰胺基、磺酸基等許多具有吸附性能的官能團(tuán)。從吸附性能看，上述官能團(tuán)的吸附能力為–SO3―>–COO―>–CONH2>–OH>–O–，它們能夠吸附在不同的水泥顆粒上◆當(dāng)鉆井液中的KPAM和JD-6等與水泥漿接觸時(shí)，一方面由于KPAM與JD-6等聚合物分子量大、分子鏈較長(zhǎng)，往往一條分子鏈上會(huì)同時(shí)吸附多個(gè)水泥顆粒并形成混合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；另一方面水泥漿中的Ca2+會(huì)降低聚合物的溶解性，使分子鏈發(fā)生卷曲、吸附架橋和電中和作用上述兩方面的作用使得水泥漿產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象，表現(xiàn)為漿體變稠、形成絮凝團(tuán)狀、失去流動(dòng)性

三、聚合物鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探3、生物增粘劑對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探

純水泥漿（90℃下養(yǎng)護(hù)15min)

加入0.5%生物增粘劑后的水泥漿（90℃下養(yǎng)護(hù)4min）

生物增粘劑對(duì)水泥漿微觀結(jié)構(gòu)的影響

加入0.5%生物增粘劑后的水泥漿（90℃下養(yǎng)護(hù)7min）

加入0.5%生物增粘劑后的水泥漿（90℃下養(yǎng)護(hù)10min）

三、聚合物鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探3、生物增粘劑對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探

上圖為實(shí)驗(yàn)中使用FEIQuanta450環(huán)境掃描電子顯微鏡考察了生物增粘劑對(duì)水泥漿微觀結(jié)構(gòu)的影響，水泥凈漿和加入0.5%生物增粘劑后的水泥漿在不同時(shí)間段的SEM圖（放大10000倍）由圖分析可知：生物增粘劑加入水泥漿中，參與了水泥漿的水化過(guò)程，生成某種絮狀物質(zhì)，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加絮狀物不斷增多，吸附水化固相粒子聚合成網(wǎng)，形成比較大的團(tuán)絮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時(shí)自由水分子因?yàn)檫@種反應(yīng)而被圈閉，微觀圖像中孔洞也隨之減少，直至稠化。這種微觀上的變化，在宏觀上的表現(xiàn)即是污染水泥漿中的水分不斷減少，造成流動(dòng)度不斷降低，直至失去可泵性三、聚合物鉆井液處理劑對(duì)水泥漿的污染機(jī)理初探4、開(kāi)展聚合物處理劑對(duì)水泥漿的影響機(jī)理研究意義重大

聚合物對(duì)水泥水化的影響：聚合物在水泥水化過(guò)程中不僅存在吸附及成膜等物理作用，聚合物中的各種活性基團(tuán)與水泥水化產(chǎn)物中的某些離子發(fā)生反應(yīng)，形成特殊的橋鍵作用，或與凝膠納米結(jié)構(gòu)相互作用提高硅聚合度，改變水化過(guò)程聚合物對(duì)水泥微觀結(jié)構(gòu)的影響：聚合物在水泥表面的吸附情況、聚合物成膜過(guò)程、水化產(chǎn)物的