油基钻井液下水泥浆抗污剂的研究与应用

钟　声

（中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳 457001）

油基钻井液下水泥浆抗污剂的研究与应用

钟声

（中原石油工程有限公司固井公司，河南濮阳 457001）

钟声.油基钻井液下水泥浆抗污剂的研究与应用［J］.钻井液与完井液，2016，33（5）：84-87.

针对目前油基钻井液下水泥浆易被污染，固井质量难以保证的问题，运用实验方法结合理论分析，开展了抗污染水泥浆体系的研究。利用人工岩心法证实了油基钻井液对固井质量有较大影响，特别是对二界面胶结强度影响最大。通过实验分析了基础水泥浆被油基钻井液污染后性能的变化，研制出了一种主要成分为烷基酚聚氧乙烯醚的抗污染剂Anti-P。室内实验结果表明，将1%抗污剂Anti-P加入水泥浆中，在水泥浆被少量油基钻井液污染后（小于10%），水泥浆性能不受影响，保证了固井质量。将其在多口井进行应用，效果良好。该成果填补了目前抗污染水泥浆体系的空白，值得进一步研究推广。

固井质量；水泥浆添加剂；抗污染；油基钻井液

油基钻井液的使用给固井带来很多困难。前人已对油基钻井液对固井质量的影响机理、前置液固井技术等进行了相关研究，并形成了相应的水泥浆体系。但还有较多困难需要克服，特别是目前关于抗油污染水泥浆研究还是一片空白，如何保证水泥浆在微量油基钻井液污染后的固井质量是亟需解决的问题［1-6］。因此，笔者从油基钻井液固井难点着手，开展了抗油污染水泥浆体系实验研究。

1　油基钻井液对二界面质量的影响

油基钻井液对固井质量的影响主要反映在对顶替效率及第二界面胶结程度上，笔者采用人工岩心法进行评价。

1）实验岩心和套管。人造岩心：先称取500 g标准砂，将其与占砂重约12%～15%的环氧树脂搅拌均匀，倒入PVC管与钢管所形成的环形空间里，常温养护12 h，待其自行固化后，取出模具即制得所需岩心，岩心形状为圆柱环形，高度为50 mm左右，孔隙率为15%～20%左右。用金属棒模拟套管，长度为50 mm，直径为33 mm。

2）实验材料及配方。钻井液体系：濮深18-侧1井白油钻井液、卫383-FP2井柴油钻井液，钻井液密度分别为2.20、1.94 g/cm3，胶结实验用水泥浆：G级水泥+促凝剂（水灰比为0.44）。

3）二界面胶结强度评价方法——人工岩心法。该方法用岩心代替井壁岩石，直接在人工岩心上做钻井液滤失实验。在每种钻井液中浸泡2块人工岩心和一块金属棒，各浸泡24 h，以在岩心表面形成滤饼，在金属棒表面形成吸附膜。首先，从每种钻井液中取出浸泡好的岩心和金属棒各一块，直接置入水泥浆固化模中心，然后注入水泥浆，候凝；另外取空白岩心和金属棒（即未经钻井液浸泡的岩心和金属棒）各一块，置入固化模与水泥浆胶结。在 60 ℃下养护48 h后，分别测试剪切胶结强度，并记录数据（见表1）。

表1　不同钻井液的胶结强度数据 MPa

可以看出，油基钻井液环境下，水泥环一、二界面的胶结强度大幅度下降，特别是对二界面胶结强度影响更为严重，因此，清除界面油膜对提高界面胶结能力、保证固井质量至关重要。

2　抗油污染水泥浆体系的研制

2.1抗污机理分析

通过相关文献调研，确定本次实验抗污剂的主要成分是烷基酚聚氧乙烯醚（APEO），它是一种水润湿剂，起润湿、反转作用，能使油润转变成水润，同时，它能与改性PVA类降失水剂（M89L）及AMPS类降失水剂发生交联、共聚反应［7-8］。在共聚物中引入具有链刚性基团的单体，使得共聚物在高温、高含盐的情况下仍然很稳定，不会盐析，分子链断裂的程度降低。同时引入了具有羧基、羟基、酰胺基等吸附基团的单体，保证了共聚物在水泥浆中的抗温稳定性及水泥石强度的发展，因此能稳定水泥浆的性能，抗击微量油基钻井液的污染［9］。

2.2基础水泥浆体系被污染后性能变化

根据油基钻井液特点及固井难点，在水泥浆体系方面采用较为成熟的非渗透水泥浆体系作为基础水泥浆体系。实验分别将2种非渗透水泥浆体系进行污染实验，水泥浆配方如下，油基钻井液∶水泥浆的比例均为10∶90。实验结果如表2。

1#嘉华D级水泥+0.3%膨胀剂G502+0.4%分散剂USZ+1.0%早强剂G401+5.0%降失水剂CPS2000+2%促凝剂G204

2#嘉华D级水泥+4.5%抗盐降失水剂G33S+0.4%缓凝剂GH-9

表2　非渗透水泥浆体系污染实验

可以看出，水泥浆被污染后，性能整体变差。具体而言：被污染的水泥浆密度略微降低；QAPI增加明显；析水量增加；抗压强度减弱；水泥石收缩明显；稠化时间缩短明显；初始稠度增加等。也就是说，水泥浆在被10%的油基钻井液污染后，性能已经发生了巨大变化，特别是水泥石收缩严重且疏松，抗压强度大幅度降低。此外，笔者还进行了20%、30%的污染实验，得到了基本一致的结论。因此，必须提高水泥浆体系性能，增强其抗污染能力。

2.3抗油污染剂的研究

1）抗污染剂加量及性能研究。根据上述研究，水泥浆被污染后性能急剧变差，如果在水泥浆中添加一种能使污染后水泥浆中的油基成分转换成水基成分且不影响水泥浆性能的物质就能阻止水泥浆性能变差。结合抗污机理，通过室内研究，确定了一种抗污染剂Anti-P，实验以上述1#和2#配方为基础水泥浆体系，分别加入1%、2%、3%、4%、5%的抗污剂Anti-P，测定水泥浆性能的变化，研究了抗污剂加量对水泥浆性能的影响（见表3）。

表3　Anti-P加量对水泥浆综合性能影响

实验结果表明：在配方中加入（1%～5%）Anti-P后，水泥浆稠化时间、失水量及游离液几乎没有变化，但水泥浆抗压强度随其加量的增加略有增加。综合考虑，抗污剂的加量为1%较为合理。

通过对加入1%Anti-P后的1#、2#配方进行水泥浆抗污染能力实验（见表4）和强度实验（见图1、图2）表明：抗污剂Anti-P最高能抗10%油基钻井液的污染，当油基钻井液污染量大于10%时，水泥浆抗污染能力明显下降。因此，Anti-P能抗10%油基钻井液的污染。

综上所述：抗污剂Anti-P加入水泥浆配方中，在水泥浆被少量油基钻井液污染后，水泥浆稠化时间、稠度、失水量、游离液几乎不受影响；水泥石致密，不收缩，抗压强度不降低。即被少量油基钻井液污染后水泥浆的综合性能得到了稳定，说明Anti-P的加入明显增加了水泥浆的抗污能力，具有抗击10%以内油基钻井液污染的能力，这基本能保证固井过程中水泥浆不被污染。

表4　水泥浆中加入1%Anti-P后抗污染性能实验

图1　1#配方水泥石被污染前（左）后（右）对比图

图2　2#配方水泥石被污染前（左）后（右）对比图

3　现场应用

该研究成果在卫68-FP1、卫383-FP2、陕北延页平1井、顺9CH井等4口使用油基钻井液的井应用，采用已有的清油型高效冲洗隔离液及四级冲洗工艺［10］，合理配制Anti-P抗油污染水泥浆体系，固井顶替效率高，施工顺利，固井质量良好（见表5）。特别是位于顺托果勒2号构造上的顺9CH井，其为西北局第1口使用油基钻井液的井。该井完钻井深为5 769 m，下φ177.80 mm套管。固井施工难点为超深井、重叠段间隙小而导致顶替效率较差，裸眼段长期浸泡产生油膜等。现场通过使用1%Anti-P抗油污染水泥浆体系，限制了油基钻井液的污染，保证了优质的固井质量。

表5　Anti-P抗油污染水泥浆体系现场应用结果

4　结论

1.采用人工岩心法，证实了油基钻井液环境下，水泥环一、二界面的胶结强度大幅度下降，特别是对二界面胶结强度影响更为严重。

2.研发了抗油污水泥浆添加剂Anti-P，具有抗10%以内油基钻井液污染的能力，使水泥浆在微量油基钻井液污染下仍具有较强的稳定性，保证了固井质量。

3.现场试验表明，研制的抗油污水泥浆在卫68-FP1、卫383-FP2、陕北延页平1井、新疆顺9CH井等4口井使用性能良好，为同类井固井提供了经验。

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Study and Application of Anti-contamination Agent for Cement Slurry in Wells Drilled with Oil Base Drilling Fluids

ZHONG Sheng
（Cementing Branch of Zhongyuan Petroleum Engineering Ltd.， Sinopec， Puyang， Henan 457001）

Wells drilled with oil base drilling fluid always have poor cementing job quality because of the contamination to the cement slurry by the oil base drilling fluid. Studies on the cement slurries that are resistant to contamination have been conducted using experimental method and theoretical analysis. In laboratory experiments with artificial cores， the effects of oil base drilling fluid on the cementing job quality， especially the effects of oil base drilling fluid to the bonding of the cement sheath and the borehole wall，have been proved. Anti-P （main component being alkylphenolpolyethoxylate）， an anti-contamination agent for cement slurry was developed by studying the change of the properties of base cement slurry before and after being contaminated with oil base drilling fluid. Laboratory studies showed that cement slurry treated with Anti-P can stand the contamination by oil base drilling fluid of less than 10%， the properties of the cement slurry was not affected， and the cementing job quality satisfied the requirements. The application of Anti-P in several wells has gotten good results. This technology has filled the gap of anti-contamination cement slurry and is well worth further study and application.

Well cementing job quality； Cement slurry additive； Anti-contamination； Oil base drilling fluid

TE256.6

A

1001-5620（2016）05-0084-04

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.05.018

中原石油勘探局科技攻关项目“钻井液、固井及环保技术研究”（2012307）、“抗温260 ℃钻井液体系研究”（2013101）、“2.80 g/cm3超高密度水泥浆研究与应用”（2013123）。

钟声，工程师，1987年生，2009年毕业于西南石油大学石油工程专业，主要从事固井工艺技术相关研究。电话 13943330626；E-mail：zhongs1987@126.com。

（2016-4-29；HGF=1604N9；编辑 王小娜）