摘 要：水泥浆与钻井液之间的接触污染对固井顶替效率和施工安全影响巨大，其原因之一是来自于地层的CO2对钻井液的污染导致水泥浆与钻井液相容性恶化。为此，选择了四川盆地川东地区3口井的水泥浆与CO2污染的钻井液进行相容性实验，结果表明，水泥浆与CO2污染的钻井液混合后，浆体的流动性变差，稠化时间快速下降，仅靠简单的对钻井液降黏度切力、调整pH值技术措施已不能满足固井施工作业的要求。按改善水泥浆与CO2污染钻井液相容性的技术路线，研究总结出了固井前处理受CO2污染钻井液的4个技术对策，包括部分或全部置换井筒受污染钻井液、对污染的钻井液进行过饱和Ca2+处理、加入钻井液抗污染处理剂和合理设计前置液用量，满足了钻井液与水泥浆的相容性实验及生产要求，可有效地指导固井注水泥的安全施工。在目前国内外缺乏统一规范的相容性实验方法情况下，川东地区固井前所采用的处理CO2污染钻井液的技术做法对于进一步完善天然气井固井准备的技术措施具有参考价值。
关键词：固井 水泥浆 钻井液 CO2污染 相容性 技术措施 四川盆地 川东地区
Technical measures for improving compatibility of cement slurry with CO2-contaminated drilling fluid：A case study
Abstract：The contact pollution between cement slurry and drilling fluid greatly reduces the cement displacement efficiencv and the construction safety·One of the causes is the deteriorated compatibility between cement slurry and drilling fluid contaminated by CO2 in the formation．To solve this problem，a compatibility experiment was conducted on the cement slurry and CO2-contaminated drilling fluid from 3 wells in the eastern Sichuan Basin，and the results showed that：with the cement slurry mixed with the CO2-contaminated drilling fluid，the fluidity decreased and the thickening time was shortened rapidly．Therefore，simple technical measures were no longer sufficient for the well cementing construction，such as viscosity and shear reduction as well as pH rcgulation．Following the technical route of improving the compatibility between cement slurry and CO2 eontaminated drilling fluid，four technical countermeasures were presented for treating CO2-contaminated drilling fluid before cementing，including：i)partially or compietely replacing the polluted wellbore drilling fluid；ii)treating the contaminated drilling fluid with over saturated Ca2+；iii)iniecting anti polluring agents into the drilling fluid；iv)using pad fluid in a proper quantity．Overall，these measures meet the reqLlirements of the compatibility experiment(on drilling fluid and cement slurry)and the production，and can effectively improve the cementing safety．At present,no unified specifications are available for the compatibility experiment at home and abroad，so this case study has a certain reference Value in further improving the teehnical measures of cementing prepararion for narural gas wells．
Key words：cementing，cement slurry，drilling fluid，CO2 contamination，compatibility，technical measures，Sichuan Basin，cast
资料表明水泥浆与钻井液之间的接触污染对固井顶替效率和施工安全影响巨大[1]。除水泥浆与钻井液间化学不兼容性因素外，在川东现场固井施工作业中，CO2等酸性气体对钻井液的污染是固井水泥浆与钻井液相容性恶化的主因之一。川渝气田的天然气中CO2含量一般为0.5％～l0.4％，其中川东石炭系的天然气CO2含量为l％～4.5％[2]。由于CO2对钻井液的污染，使得水泥浆与钻井液接触后稠度急剧增加，井下形成了对固井质量和施工安全极为不利的作业环境，迫使固井准备期间不得不耗费大量人力物力来调整钻井液性能，以满足施工要求。文章结合川东地区固井实践，对改善水泥浆与受CO2污染钻井液的相容性技术措施进行了探讨，希望对当前技术条件下完善天然气井的固井准备提供一定的参考。
1 CO2对钻井液的污染及其影响
川东地区大部分井的实钻钻井液中，从开钻到完钻都含有HCO3-和CO32-，尤以钻穿嘉陵江组、飞仙关组和石炭系地层时含量最高，这些离子主要来自于地层中侵入钻井液的CO2当酸性气体的CO2侵入水基钻井液后，与水反应生成碳酸。由于碳酸的不稳定性，容易电离出HCO3-和CO32-离子，因此钻井液中CO2以H2CO3、HCO3-和CO32-种形式存在[3-4]。
随着CO2侵入量增大，钻井液中的HCO3-和CO32-浓度增加，OH-的浓度降低，使得钻井液pH值下降，导致常用钻井液处理剂尤其是稀释剂不能发挥有效作用，从而使得钻井液的性能发生变化。CO2对钻井液的污染影响主要表现在[5-7]：
1)CO32-浓度增加使得黏土颗粒形成细分散，钻井液黏度、切力大幅度上升。
2)钻井液pH值降低，导致需要在碱性环境中才能有效发挥作用的钻井液处理剂功效下降，钻井液黏切控制困难。
3)未溶解以气体状态存在的CO2被钻井液包裹，形成细分散微泡，进一步增大钻井液切力，且初切与终切值接近，钻井液流变性能恶化。
资料表明，CO2侵入钻井液后，当HCO3-和CO32-含量小于2000mg／L时，对钻井液性能不会产生大的影响，钻井液仍能维持较低的黏度和切力；当HCO3-和CO32-含量大于2400mg／L时，钻井液黏度和切力增加；当HCO3-和CO32-含量大于2500mg／L，pH值不大于9时，钻井液黏度和切力剧增、滤失量增大，此时难以有效调整钻井液性能。同时随着井温的升高，HCO3-和CO32-对钻井液性能的影响程度加剧[8]。表l为川东地区3口井的钻井液受CO2污染前后的性能变化，数据显示钻井液受CO2污染后黏度和切力上升、失水增大、pH值降低，且性能变化程度随CO2含量增加而加大。
2 水泥浆与CO2污染的钻井液相容性实验
相容性实验主要包括水泥浆与钻井液混合后的流动性和稠化时间测试。结合现场具体情况，流动性采用常温和高温两种条件下的流动度表征，稠化时间则采用稠度和时间表征。
水泥浆水化过程中会产生Ca(OH)2并电离出Ca2+。当水泥浆与钻井液接触后，Ca2+的存在使黏土颗粒聚结并形成网状结构，表现为生成黏稠团块的絮凝物质，使混浆的流动性变差。当CO2污染的钻井液与水泥浆混合后，相容性会变得更差，高温养护条件下无流动性、干稠或者浆体形成的强度(表2)。对于污染严重的钻井液，即使混入一定量的隔离液、先导液等(DT002-6井)，也无法满足设计要求。
稠化实验结果表明，高温条件下，CO2污染的钻井液与水泥浆接触后很快凝结，或稠化，或硬化，甚至部分浆体成形，无法满足固井施工要求(表3)。
在对污染的钻井液加水或用稀释剂降黏度、切力，调整pH值，改变钻井液性能等措施下，水泥浆与钻井液污染稠化实验仍不能满足固井施工要求(表4)，表现为只要污染的钻井液与水泥浆接触就可能发生絮凝，形成网状结构而稠化。
3 改善水泥浆与污染的CO2钻井液相容性技术措施
针对钻井液受CO2酸性气体污染严重井，固井前采用合理的技术措施调整钻井液性能，改善水泥浆与钻井液间的相容性，是保证固井施工安全，提高固井质量的关键。
3．1 新浆置换
在CO2对钻井液污染严重的情况下，为保证固井施工安全，有条件的情况下可以对钻井液进行全井或部分置换，防止钻井液与水泥浆间接触而提前稠化，影响固井施工安全。G00l-H5井固井前，井浆黏度和切力较高、循环压耗大，在多次处理钻井液不能满足固井施工要求情况下，利用储备钻井液处理后对原井浆进行全井替换，并配置抗钙新钻井液作为隔离液，满足了两相或多相相容性实验要求(表5、6)。
3．2 钻井液性能调整
在CO2对钻井液污染较严重的情况下，采取补充Ca2+的方法使其生成CaCO3沉淀。而Ca2+通常以石灰或石膏的形式加入，如果用石膏，则需要石灰或烧碱同时加入，以保证HCO3-转变成CO32-，否则HCO3-与Ca2+不起反应[7,9-10]。
TD017-H4井固井前，对污染的钻井液加入生石灰进行过饱和高钙处理，同时配制先导液和隔离液，较好满足钻井液与水泥浆之间的相容性实验要求(表7、8)。
3．3 钻井液抗污染处理剂
钻井液受CO2污染影响较严重，但在调整钻井液性能后两者相容性实验仍无法满足固井施工要求，同时井场又不具备替换全部或部分井筒钻井液条件，可采用抗Ca2+污染处理剂对钻井液进行处理[11]，本研究采用了KR-XX类钻井液抗污染处理剂。由于该类处理剂中部分基团对Ca2+有很强螯合能力的特点，形成易吸附于水泥颗粒表面的螯合物，降低水泥水化速度，保证水泥浆与钻井液之间的相容性实验达到固井施工要求，DT002-6井在调整后的钻井液中加入2.5％的KR-XX处理剂，较好地满足了相容性实验要求(表9、10)。
3．4 抗污染前置液
广义上来说，固井前置液不仅包括隔离液和冲洗液，还包括一定优质的先导液(性能良好的钻井液，泵注于隔离液之前)。固井前置液用于降低井筒温度，降低钻井液与水泥浆的直接接触程度，改善水泥浆对井壁的固结环境，防止水泥浆絮凝[12-14]。
根据实践，川东地区固井隔离液可以是无污染钻井液加重后调整性能，也可以是用生物聚合物或膨润土粉配置新的加重抗污染钻井液，还可以是专用的高低密度隔离液体系。同时，现场根据相容性实验评价状况，没计足量的隔离液与冲洗液，提高前置液体积置换系数[14]，减少钻井液与水泥浆直接接触的可能性，增大隔离液与井壁接触时间，改善顶替效果，保证了固井施工安全(表11)。
4 结论与建议
CO2对钻井液的污染是川东地区固井水泥浆与钻井液相容性恶化的主要原因之一。通过置换井筒污染钻井液、对污染的钻井液进行过饱和Ca2+处理，加入钻井液抗污染处理剂和合理设计前置液用量等技术措施，有效满足钻井液与水泥浆间的相容性实验要求，保证了固井施工安全和固井质量。但由于目前国内外在相容性、污染稠化方面缺乏统一规范的实验方法，特别是针对复杂、高含酸性气体的天然气井来说上述4种现场作法对于完善天然气井的固井准备具有一定的参考和借鉴价值。
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本文作者：聂世均 冯彬 刘世彬 孙祥 张轩 李兵 高扬
作者单位：中国石油川庆钻探工程公司井下作业公司
中国石化胜利油田渤海钻探公司
中国石油海洋工程有限公司
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