石油与天然气化工  2014, Vol. 43 Issue (3): 297-301
单因素法分析钻井液处理剂对水泥浆性能的影响
李明 1, 王伟 1, 郑友志 2, 程小伟 1, 代斌 3, 郭小阳 1     
1. 油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学);
2. 中国石油西南油气田公司采气工程研究院;
3. 塔里木石油勘探开发指挥部第二勘探公司 50051钻井队
收稿日期：2013-10-25
基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“页岩气水平井钻完井关键基础研究”（2013CB228003）
作者简介：李明(1977-), 男, 博士, 讲师, 2011年获工学博士学位, 现从事固井工程及水泥浆体系研究。地址:(610500)成都市新都区西南石油大学国重B104。电话:028-83035412。E-mail:swpulm@126.com.
摘要：钻井液与水泥浆相容性差，混浆后易产生接触污染，即混浆段流体出现流动性恶化、水泥浆稠化时间缩短、水泥环强度降低等问题。实践表明，钻井液处理剂是造成接触污染的主要原因之一。为此，采用单因素法考察了13种钻井液处理剂对水泥浆性能的影响规律，利用红外光谱对处理剂进行了结构表征，用环境扫描电子显微镜对污染后的水泥石结构进行微观形貌分析。结果表明，生物增黏剂、聚丙烯酰胺钾盐能使水泥浆急剧变稠；SMT、SMP-1、JN-A能够缩短水泥浆稠化时间，但加量在1%（w）以内影响较小；其余钻井液处理剂加量在一定范围内对水泥浆性能影响较小。生物增黏剂和聚丙烯酰胺钾盐参与水泥水化、影响水泥浆结构形成过程是造成污染的重要原因；同时，高聚物大分子链发生卷曲、吸附架桥和电中和作用使水泥浆产生絮凝现象。污染机理的提出为钻井液合理选材、钻井液性能调整、减少钻井液与水泥浆的污染提供了理论依据。
关键词：钻井液    水泥浆    污染    机理    固井    
Impact of drilling fluid additives on performance of the cement slurry by single-factor
Li Ming1 , Wang Wei1 , Zheng Youzhi2 , Cheng Xiaowei1 , Dai Bin3 , Guo Xiaoyang1     
1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploration, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China;
2. Gas Production Engineering Research Institute, Petrochina Southwest Oil & Gasfield Company, Guanghan 618300, Sichuan, China;
3. Tarim Petroleum Exploration and Development Headquarte, Kuerl 841000, Xinjiang, China
Abstract: The compatibility of drilling fluid and cement slurry is poor, and pollution will occurs as long as they contact, namely liquidity deterioration of mix slurry fluid, shortage of slurry thickening time and decrease of the cement ring strength. This paper studied the impact of drilling fluid additives used in Sichuan and Chongqing on the performance of the cement slurry by single-factor. The composition of additives was characterized by infrared spectroscopy, and the structure of cement stone was analyzed by environmental scanning electron microscope. The results show that biological tackifier and polyacrylamide potassium(KPAM) can make the slurry thicken quickly; SMT, SMP-1 and JN-A will shorten the thickening time, while the effect is small within the dosage of less than 1%. The rest additives have less affect within a certain range. Then the pollution reason was analyzed. One of the important reasons is that some additives participate in cement hydration, and affect the process of slurry formation. Polymer macromolecular chains curled and adsorption bridging will make the cement slurry flocculate. The proposal of pollution mechanism provides a theoretical basis for reasonable selection of drilling fluid additives, and can reduce the pollution of drilling fluid and cement slurry.
Key Words: drilling fluid    cement slurry    pollution    mechanism    cementing    

固井中常用水泥浆直接顶替钻井液，钻井液与水泥浆是两种物理化学性能不同的流体，二者相容性较差，只要接触均存在不同程度的污染[1]：钻井液发生水泥侵后，浆体变稠、变黏甚至大段结块，不易于被顶替；而水泥浆受钻井液污染后，流变性能变差，影响顶替效率及固井质量，污染严重时会使水泥浆在几分钟或几十分钟之内瞬间稠化，造成“灌香肠”的工程事故，导致固井失败[2-4]。为了解决水泥浆与钻井液的污染问题，需反复调节水泥浆配方及钻井液性能，既延长了固井施工周期，又难以确保施工安全。目前，对两种流体接触污染的本质原因的研究还不够深入，有必要对此开展研究[5-9]。在分析两种流体成分的基础上，用单因素法考查了钻井液处理剂对水泥浆性能影响规律，分析了接触污染的本质原因，为钻井液性能调整、减缓钻井液与水泥浆接触污染提供理论依据[10-11]。

1 钻井液与水泥浆的区别

(1) 钻井液主要是由黏土、水、聚合物组成的钠基流体，有黏土胶体化学特性；水泥浆是水泥、外掺料、处理剂和水组成的强钙基流体，是有时变性特点的无机胶凝材料。

(2) 钻井液中黏土颗粒带负电，在黏土水化过程中正离子(Na+居多)以不同距离化学吸附在黏土颗粒的表面而中和负电荷，形成以Na+为水化中心的双电层结构，而水泥矿物C3S水化表面则形成一个缺钙的富硅层，其厚度约为50Å，溶析出来的Ca2+通过化学吸附而吸附在富硅层的表面，形成以Ca2+为水化中心的双电层结构。

(3) 钻井液体系中处理剂种类多，大多都是聚合物，聚合物与黏土之间是物理化学吸附作用，处理剂通过黏土分子的吸附作用改变黏土颗粒水化特性，从而调节钻井液性能。Ca2+对黏土水化双电层结构和聚合物性能有重要影响；水泥浆水化过程复杂，聚合物类处理剂与无机盐对水化过程影响敏感，进而共同决定水泥浆性能[12]。

2 实验部分
2.1 实验材料

以四川地区某井Φ177.8 mm尾管固井为例开展室内研究，该井水泥浆配方为：G级水泥+2.0%(w)膨胀剂+1.4%(w)降失水剂+0.4%(w)分散剂+1.0%(w)纤维+0.12%(w)缓凝剂+0.2%(w)消泡剂，水灰比0.45，水泥浆密度为1.90 g/cm3，所用钻井液为该井在用钻井液，钻井液处理剂为川渝地区常用处理剂。

2.2 实验仪器

主要仪器包括YA-300型电子液压试验机、OWC-9350A常压稠化仪、FEI Quanta 450环境扫描电子显微镜、PKZ-5000电动抗折试验机、OWC-9508型高温高压失水仪、OWC-9040型高温高压稠化仪。

2.3 实验方法

采用单因素法考察单一钻井液处理剂对水泥浆流动度和稠化时间的影响规律，通过红外光谱分析钻井液处理剂成分，对污染之后的水泥浆浆体进行微观形貌分析，探讨污染机理。

在评价单一钻井液处理剂对水泥浆的污染时，主要考察单一钻井液处理剂对水泥浆流动性及稠化时间的影响。其原因在于：首先考察处理剂对水泥浆流动性的影响，如果加入处理剂之后水泥浆流动性较差，即使处理剂对水泥浆的稠化时间影响不大，也不能保证固井施工安全，因为水泥浆流动性差不利于现场泵送，还可能造成混合流体在入井过程中发生憋泵事故。而流动性较好的混合流体不一定能满足稠化时间的要求，所以筛选出对水泥浆流动性能影响较小的处理剂后再进行稠化试验，考察处理剂对水泥浆稠化时间的影响大小。

3 实验结果及分析

钻井液与水泥浆污染实验见表 1。

表 1    钻井液与水泥浆污染实验结果 Table 1    Experimental results of drilling fluid and cement slurry contamination

由表 1可知，钻井液与水泥浆严重不相容，隔离液能减轻污染，但稠化时间仍不能满足施工要求。

3.1 钻井液处理剂对水泥浆性能影响

以污染最严重的掺混比例(体积分数为70%的水泥浆+体积分数为30%的钻井液)开展钻井液处理剂对水泥浆的污染实验，水泥浆中钻井液处理剂的加量是根据体积分数为70%的水泥浆+体积分数为30%的钻井液掺混后流体中处理剂的有效含量进行添加。钻井液处理剂对水泥浆流动度的影响见表 2，对水泥浆稠化时间的影响见表 3。

表 2    钻井液处理剂对水泥浆流动度的影响 Table 2    Influence of drilling fluid additive on fluidity of cement slurry

表 3    钻井液处理剂对水泥浆稠化时间的影响 Table 3    Influence of drilling fluid additive on thickening time of cement slurry

由实验结果可知：①在一定加量范围内，SMC、KHM、HPS、SHR、MG-1、LS-2、YH-S、RLC-101能延长水泥浆稠化时间，且对流动度无不良影响，其中SMC、HPS、LS-2、YH-S加量超过1%(w)后，使浆体流动度小于18 cm；②生物增黏剂、KPAM能急剧缩短水泥浆稠化时间，且KPAM对浆体流动度影响也较大，加入到水泥浆中会使浆体瞬间不能流动；③SMT、SMP-1、JN-A能缩短水泥浆稠化时间，但加量在1%(w)以内影响较小。

综上所述，生物增黏剂和KPAM对水泥浆的污染比较严重(图 1)。

图 1     污染后水泥浆照片 Figure 1     Picture of cement slurry thicken quickly

3.2 污染机理分析

由实验结果可知，KPAM和生物增黏剂对水泥浆污染最严重，故选取这两种处理剂进行微观结构及污染机理分析。KPAM和生物增黏剂的红外光谱分析图见图 2和图 3。

图 2     KPAM红外光谱分析图 Figure 2     IR spectrum of KPAM

图 3     生物增黏剂红外光谱分析图 Figure 3     IR spectrum of biological tackifier

KPAM即聚丙烯酰胺钾盐，由红外光谱分析图可知，其主要基团有羧基、羟基、胺基、酰胺基、磺酸基等许多具有吸附性能的官能团，吸附能力-SO3- > -COO- > -CONH2 > -OH > -O-，它们能够吸附在不同的水泥颗粒上，当钻井液中的KPAM等与水泥浆接触时，一方面由于KPAM相对分子质量大、分子链较长，往往一条分子链上会同时吸附多个水泥颗粒并形成混合网状结构；另一方面水泥浆中的Ca2+会降低聚合物的溶解性，使分子链发生卷曲、吸附架桥和电中和作用，使得水泥浆产生絮凝现象，表现为浆体变稠、形成絮凝团状、失去流动性。

生物增黏剂是一种线型高分子聚合物，由图 3可知，其主要有羟基、羧基、醛酮基、酯基等。其β主链上含有D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸。每8个残糖基、D-葡萄糖醛酸有一个甘露糖支链。每16个残糖基可能有1个1-羧基-亚乙基D-葡萄糖。丙酮酸以结构组分的形式同部分葡萄糖连接。当其在水中电离后，带有多个阴离子基团，如R-COO-水化基团，具有静电吸附作用，高分子长链对水泥浆颗粒可进行多点吸附，形成结构网，有利于提高黏粒的聚结稳定性。加入到水泥浆中会使浆体变稠。

为了进一步分析产生污染的原因，生物增黏剂加入水泥浆后，将不同阶段的水泥浆迅速用液氮冷冻，使其不再继续发生反应，24 h后取出，利用环境扫描电子显微镜观察其微观形貌，对污染不同阶段的水泥石结构进行分析。图 4为水泥净浆和加入0.5%(w)生物增黏剂后的水泥浆在不同时间段的SEM图(放大10 000倍)。

图 4     不同阶段水泥浆SEM图片（放大10 000倍） Figure 4     Structure of cement slurry by environmental Scanning Electron Microscope(x10000)

由图 4可知，生物增黏剂加入水泥浆中，参与了水泥浆的水化过程，生成某种针状物质，随着养护时间的增加，针状物不断增多，吸附水化固相粒子聚合成网，形成比较大的网架结构，同时自由水分子因为这种反应而被圈闭，微观图像中孔洞也随之减少，直至稠化。这种微观上的变化，在宏观上表现为污染水泥浆中的水分不断减少，造成流动度不断降低，直至失去可泵性。

4 结论及建议

(1) 在一定加量范围内，对水泥浆性能影响较小的处理剂有SMC、KHM、HPS、SHR、MG-1、LS-2、YH-S、RLC-101；处理剂SMT、SMP-1、JN-A能够缩短水泥浆稠化时间，但加量在1%(w)以内影响较小；生物增黏剂、KPAM能够急剧缩短水泥浆稠化时间。

(2) KPAM、生物增黏剂对水泥浆造成污染的原因是：高聚物相对分子质量大、分子链较长，一条分子链上会同时吸附多个水泥颗粒并形成混合网状结构；大量吸附基团在水溶液中可与水分子进行氢键吸附；大分子链发生卷曲、吸附架桥和电中和作用使得水泥浆产生絮凝现象。

(3) 生物增黏剂会参与和促进水泥的水化反应，减少水泥石中的孔洞，吸附水化固相粒子聚合成网，进而反应形成比较大的网架结构，自由水被圈闭，宏观表现为水泥浆迅速变稠，失去可泵性。

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