水泥和矿渣浆体与钾铵基钻井液相容性实验研究

时间：2024-07-28

韩婧

(中国石化华北石油工程有限公司技术服务公司,河南郑州 450000)

鄂尔多斯盆地刘家沟组地层抗破能力差，地层破碎，裂缝发育，漏失严重，当钻井至刘家沟地层位时，80%的井会发生井漏，严重时发生失返性漏失。目前该区块采用纤维水泥浆堵漏成功率较高，但在堵漏施工过程中堵漏水泥浆和钻井液常会掺混而出现接触污染，导致钻井液性能发生改变，频繁的堵漏作业致使泥浆性能波动幅度大，容易诱发井下其它复杂情况。针对水泥浆与钻井液接触污染的现象，部分油田在MTC的基础上采用矿渣作为胶凝材料制备堵漏浆。针对该区块采用的纤维水泥浆与钾铵基钻井液开展相容性实验研究，并针对以矿渣为胶凝材的堵漏浆与钻井液开展相容性实验研究，进一步分析水泥浆与矿渣浆体与钻井液的相容性。

1 实验方法

1.1 实验材料

钾铵基钻井液：5%膨润土+0.3%碳酸钠+0.3%大钾+1.5%铵盐+1.2%防蹋剂+1.5%树脂+1.5%褐煤+2%超钙；

1.2 实验仪器

恒速搅拌器、六速黏度计、API失水仪

1.3 实验方法

按照GB/T 19139—2012《油井水泥试验方法》和GB/T 5005—2010《钻井液材料规范》测定不同水泥含量的水泥浆、矿渣浆体与钾铵基钻井液在不同混合比例条件下的流变性能、失水性能；通过对比分析，探讨水泥成分和矿渣成分与钻井液的接触污染程度和原因。

2 水泥浆、矿渣浆体与钻井液的混浆实验

2.1 水泥浆对钾铵基钻井液流变性能的影响

水泥浆配方采用“G级水泥+减轻剂(漂珠、粉煤灰、微硅)+水”，其中水泥含量占30%～80%，水灰比根据干混物的需水量进行计算。不同水泥含量的水泥浆配方分别编号1#～4#。分别采用1#～4#水泥浆与钾铵基钻井液按不同比例进行混合，混合比例为1%～100%。具体操作如下：量取钾铵基钻井液200 mL,以钻井液体积为基数，根据混合比例量取水泥浆的体积与钻井液进行混合(1%混合比例则称取2 mL水泥浆)，测定各水泥浆与钾铵基钻井液的最大混合比例及相同混合比例条件下不同水泥浆与钾铵基钻井液混合液的流动性。实验结果如表1所示，实验数据表明，含有水泥成分的水泥浆与钾铵基钻井液的相容性非常差，水泥浆中水泥组分含量80%时，水泥浆与钾铵基钻井液以1%比例混合，混合液失去流动性；水泥浆中水泥组分30%时，水泥浆与钾铵基钻井液的混合比例达到4%时，混合液几乎失去流动性。随着水泥含量的降低，水泥浆与钾铵基钻井液的混合比例逐渐增大，黏度增加逐渐缓慢。

表1 不同水泥含量的水泥浆与钾铵基钻井液混合液的流变性能变化

2.2 矿渣浆体对钾铵基钻井液流变性能影响

在MTC技术的基础上，采用矿渣作为胶凝材料，以强碱作激活剂，以漂珠和微硅作为减轻填充材料，制备矿渣浆体，编号6#。为进行对比，采用4#配方去除水泥成分，按其他成分的需水量制备浆体，记作5#。分别采用5#、6#浆体分别与钾铵基钻井液按不同比例进行混合，测定混合液流变性。实验结果如表2所示。

实验结果表明，5#浆体不含水泥成分与钾铵基钻井液的混合比例能达到15%，相比4#浆体，混合比例增大了11%；对比说明，水泥成分是影响钾铵基钻井液流变性的主要因素，除去水泥成分，其他固相颗粒的掺入也会导致钻井液流变性变差，但影响较小。6#矿渣浆体与钾铵基钻井液以25%比例混合后，混合液流变性与混合前钻井液的流变性相差很小，动切力增大0.5 Pa；以100%比例混合后，钻井液的黏度增加，稠度系数k值从0.11增大至0.48，动切力从2.5 Pa增大至9.5 Pa；与水泥浆相比，矿渣浆体对钻井液的流变性影响较小。

表2 不含水泥的浆体与钾铵基钻井液混合液的流变性

对比分析1#～6#浆体与钾铵基钻井液以不同混合比例混合后的流变性变化，结合上述实验数据，以六速黏度计Φ600的数值为例，对比分析如图1所示。由图1可看出，矿渣浆体与钾铵基钻井液的混合比例最大，且对钻井液的流变性影响幅度最小。水泥含量越高，混合比例越小；随混合比例增大，六速黏度计Φ600读数增大的速率越大，流变性改变幅度越大，对钻井液的流变性影响幅度越大。

2.3 水泥浆、矿渣浆体对钾铵基钻井液失水性能影响

采用1#～6#浆体分别按照上述实验结果中的最大混合比例与钾铵基钻井液进行混合，测定混合液的API失水性能。实验结果对比表明：1#～4#浆体含有不同含量的水泥成分，以其各自的最大混合比例与钾铵基钻井液混合后，混合液的API失水相比混合前钻井液的API失水增大45%～56%；5#浆体不含水泥成分，其余成分与4#一致，15%比例的混合液API失水性能与混合前钻井液失水性能相差很小，增幅仅有3%。6#矿渣浆体与钾铵基钻井液25%比例混合的混合液API失水相比混合前增幅11%；1#～5# 浆体混合后的对比说明，水泥是影响钻井液API失水性能的主要因素，矿渣浆体对钾铵基钻井液的API失水性能影响极小。

表3 不同水泥含量的水泥浆与钾铵基钻井液混合液的API失水量变化

3 水泥浆、矿渣浆体与钾铵基钻井液相容性原因分析

3.1 水泥浆与钻井液不相容原因分析

李明、李早元等人认为，水泥浆对钻井液钙侵的影响较小，除钙侵外，水泥浆水化产生的Fe3+、Al3+等高价金属离子与钻井液中的XC及KPAM等聚合物类处理剂接触发生交联生成凝胶。当水泥浆与钻井液的掺混比例很小时(例如掺混比例为95%：5%)，XC和KPAM在水泥浆中的含量为0.01%～0.015%和0.015%～0.05%，此时接触污染可能还不严重[1-2]。本文实验中,水泥浆与钾铵基钻井液的混合比例最大为100 ∶4，结合李明、李早元等人的结论，此时XC和KPAM在水泥浆中的含量小于0.015%和0.05%，接触污染不严重；但实验结果显示水泥含量30%的4#水泥浆与钾铵基钻井液混合比例100 ∶4掺混后，钻井液性能改变较为明显，黏度和切力成倍增高，API失水增大48%。

本文采用4#水泥浆与土浆进行了相容性实验，土浆配方为“水+5%膨润土”，实验数据如表4所示，实验结果显示，以土浆体积的2%称取4#水泥浆，与土浆进行混合，混合液的流变性变化明显，动切力增大2倍。结合本文的实验数据，认为水泥与钻井液不相容的主要原因仍是水泥浆中的水泥水化造成钙侵，水泥浆随水化进行，产生一定量的Ca2+、Mg2+等金属离子，其中Ca2+、Mg2+与钻井液中Na+发生离子交换，使钠质黏土变成钙质黏土，致使钻井液流变性能变差。除去水泥钙侵的影响，随着混合比例增大，水泥浆中的其他固相颗粒也会造成钻井液流变性变差，但对API失水性能影响较小。

表4 6#水泥浆与土浆混合液流变性变化

3.2 矿渣堵漏浆与钻井液相容性原因分析

矿渣中的Si主要以硅氧四面体的形式存在,在空间结构上以正硅酸、焦硅酸为主及少量的架状结构形式存在：一部分A1以四配位的形式存在,一部分A1以五配位的形式存在,更多的A1以六配位的形式存在；O大部分以桥氧形式存在,少部分O以非桥氧的形式存在[3]。

碱对矿渣的激发作用主要包括以下几个方面：在OH-离子和水分子的作用下,矿渣的离子键和共价键破坏,促使矿渣结构快速解体分解成简单的结构单元,形成碱溶胶及铝硅酸盐。不同结构单元在R+离子(Ca2+、Mg2-粒子等)的作用下形成稳定存在的中间络合物,借助于硅烷基吸附水之间的氢键作用及硅酸的自聚合作用,结构的聚合度增加,形成碱性铝硅酸盐水化物[4-5]。矿渣与水接触时,在OH-的极化作用下,矿渣颗粒表面的Si-0键、A1-O键及Ca-O键会断裂,并以(H2SiO4)2-、(HSiO4)-、(H4AlO4)-及Ca2+的形式进入于水中。由于Ca-O键比Si-O键和A1-O键要弱得多,水中Ca2+浓度远高于(H2Si04)2-、(HSi04)-、(H4A104)-；因矿渣需要碱激活，浆体中含有部分纯碱和烧碱，可参与离子反应，使多余的Ca2+生成CaCO3沉淀，或与钙质黏土发生离子交换，生成钠质黏土和CaCO3沉淀，可有效改善黏土的水化分散性能，使混合浆的滤失量增加减弱。因此，矿渣堵漏浆与钾铵基钻井液相容性较好。

对比分析4#～6#浆体与钾铵基钻井液以不同混合比例混合后的动切力变化，如图2所示。由图2可看出，6#矿渣浆体与钾铵基钻井液的混合比例最大，混合比例<10%时，动切力随混合比例的增大而缓慢增大，增大速率明显小于4#、5#浆体；10%<混合比例<25%时，动切力随着混合比例的增大而减小，此阶段可能是因为随着矿渣浆体的掺入量增加，纯碱和烧碱的含量增加，更多的参与离子反应，改善了混合液的流变性；25%<混合比例<100%时，动切力随着混合比例的增大而持续缓慢增大；6#浆体中除了矿渣，同时含有部分其他固相颗粒(与5#浆体的固相颗粒一致)，随着6#浆体的掺入量增加，混合液中的其他固相颗粒也逐渐增加，导致流变性变差。