固井二界面泥餅仿地成凝餅與凝灰?guī)r成巖的關(guān)聯(lián)性

顧 軍,楊衛(wèi)華,張玉廣,高玉堂,劉 霞,李天府

(1.中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院,湖北武漢430074;2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院,黑龍江大慶163453)

固井二界面泥餅仿地成凝餅與凝灰?guī)r成巖的關(guān)聯(lián)性

顧 軍1,楊衛(wèi)華1,張玉廣2,高玉堂2,劉 霞2,李天府2

(1.中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院,湖北武漢430074;2.大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院,黑龍江大慶163453)

為了解固井二界面泥餅仿地成凝餅(MTA)的地質(zhì)成巖作用,采用XRD、TG、SEM+EDX和XRF熒光分析測試技術(shù)對MTA與凝灰?guī)r火山沉積作用成巖反應(yīng)的關(guān)聯(lián)性進行研究。結(jié)果表明:泥餅改性劑在MTA成巖反應(yīng)中所起的作用與火山碎屑物質(zhì)在凝灰?guī)r成巖反應(yīng)中所起的作用相類似,且物相和化學(xué)組成基本一致;凝餅形成劑將凝灰?guī)r火山沉積作用成巖流體的緩慢形成過程直接化為一種現(xiàn)存成巖流體,加快了成巖反應(yīng)速度,控制了反應(yīng)產(chǎn)物的類型,二者的特征成巖現(xiàn)象和反應(yīng)產(chǎn)物均有相似性,且均存在FeS2垃圾礦物析晶現(xiàn)象;隨著養(yǎng)護時間延長,MTA凝餅的硅和鋁含量均降低,而鈣含量增加,即MTA的固化反應(yīng)過程與火山灰質(zhì)材料被堿激發(fā)后發(fā)生的“脫鋁—結(jié)硅—吸鈣”化學(xué)反應(yīng)模式相一致。

固井二界面;泥餅仿地成凝餅(MTA);凝灰?guī)r;成巖反應(yīng);關(guān)聯(lián)性

固井二界面竄流問題是長期困擾石油工程界且亟待解決的一個復(fù)雜性工程難題[1-4],難點是固井二界面不能實現(xiàn)整體固化膠結(jié)[5]。盡管泥漿轉(zhuǎn)化為水泥漿(MTC)與多功能鉆井液相結(jié)合可實現(xiàn)固井二界面整體固化膠結(jié)[6-7],但MTC硬化體存在嚴重的脆裂等問題[8-9],致使MTC僅局限于固表層套管和技術(shù)套管[10]。鑒于此,研究者提出了泥餅仿地成凝餅(MTA)解決固井二界面問題的科學(xué)構(gòu)想[11],獲得了MTA方法固井二界面整體固化膠結(jié)的試驗證據(jù)[12]。凝餅是以地學(xué)理論為基礎(chǔ)、以石油開采需要為目的,利用地殼上最豐富的硅鋁質(zhì)物料(組分上與礦渣類似)為主要原料配以少量由多種物質(zhì)復(fù)合成的材料,模仿大地造巖過程,采用微晶二元形成原理凝結(jié)而成的硅鋁基膠凝質(zhì)。MTA技術(shù)原理是鉆開封固段前50 m在鉆井液中加入1%～3%的泥餅改性劑(作用是對鉆井液泥餅進行改性)并維持此比例至鉆完井,固井施工時采用凝餅形成劑配置前置液3～4 m3(即保證此前置液與泥餅的接觸時間超過2 min),且此前置液注入后隨之注入水泥漿(作用是對鉆井液泥餅進行處理和修飾),該新技術(shù)不動水泥漿體系(常規(guī)水泥漿的作用是提供泥餅仿地成凝餅所需的水化離子)。MTA技術(shù)與MTC技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別是前者并未改變油井水泥這一國內(nèi)外公認的最佳固井材料,且MTA技術(shù)迄今已在3個油氣田試驗23口井,效果顯著。筆者以大慶油田相關(guān)樣品為基礎(chǔ),采用XRD、TG、SEM+EDX和XRF熒光分析測試技術(shù),對MTA與凝灰?guī)r火山沉積作用成巖反應(yīng)的關(guān)聯(lián)性進行研究。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用鉆井液為大慶油田南1-21-P026井乳液高分子鉆完井液+3%泥餅改性劑(自制),前置液配方、水泥漿配方和仿地井筒參數(shù)與文獻[12]相同。流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、晶質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r均選自中國地質(zhì)大學(xué)巖石庫。

1.2 試驗條件

試驗樣品養(yǎng)護時間為3、14和28 d,養(yǎng)護方式為浴養(yǎng),養(yǎng)護溫壓為38℃,常壓,泥餅厚度為1.0～1.5 mm,前置液與泥餅的接觸時間為2 min。

1.3 樣品制備方法

仿地井筒制備、仿真泥餅形成、前置液浸泡、水泥漿配制與灌注和試驗樣品養(yǎng)護等方法詳見文獻[12]。微觀結(jié)構(gòu)測試樣品在水泥硬化體、泥餅、凝餅及水泥硬化體-凝餅界面選取。

2 試驗結(jié)果分析

凝灰?guī)r發(fā)生火山沉積的成巖過程實際上要經(jīng)歷一個很漫長的地質(zhì)歷史時期,但若在大自然中出現(xiàn)某種地質(zhì)成巖環(huán)境的巧合,發(fā)生其快速成巖的地質(zhì)事件也可能出現(xiàn)[13]。MTA的科學(xué)構(gòu)想正是這樣一種假設(shè)的巧合地質(zhì)事件的抽象演繹。

2.1 M TA成巖得以實現(xiàn)的前提

泥餅的形成實質(zhì)是黏土礦物的膠凝體系在井內(nèi)壓差下不斷失水與不斷造壁的過程。國內(nèi)外有學(xué)者對這一過程描述為“黏土中的固相顆粒不斷向地層沉積的過程”。因此,泥餅形成過程與泥質(zhì)沉積物沉積壓實具有相似性。然而,泥餅并不能自身固結(jié)成巖,原因是在低溫低壓的淺層地質(zhì)環(huán)境下,缺乏可以快速成巖的膠結(jié)物成分,且泥餅黏土組分蒙脫石礦物是一種遇水極易膨脹軟化、容易遭受井底流體和地層流體破壞的軟弱物質(zhì)。此外,水泥漿水化產(chǎn)生的大量Ca(OH)2堿性濾液可溶蝕蒙脫石礦物的硅質(zhì)成分,進而破壞泥餅的內(nèi)部結(jié)構(gòu),導(dǎo)致無法固結(jié)。

泥餅改性劑含有較多的玻璃態(tài)物質(zhì),具有較大的潛在反應(yīng)活性,為凝餅?zāi)z結(jié)物的形成提供了成礦物源。泥餅改性劑在MTA成巖反應(yīng)中所起的作用與火山碎屑物質(zhì)在凝灰?guī)r成巖反應(yīng)中所起的作用相類似,對比測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同物質(zhì)的XRD譜圖和TG曲線Fig.1 XRD diagrams and TG curves of different material

由圖1(a)可以看出,火山碎屑物質(zhì)XRD譜中出現(xiàn)的礦物特征峰值基本以石英為主,并含少量的表層風(fēng)化且經(jīng)淺層作用水解后的礦物,如黏土礦物、方解石、長石、沸石等?；鹕剿樾嘉镔|(zhì)組成的主體是火山碎屑的玻璃體。

原始泥餅以蒙脫石礦物為主,可見明顯的蒙脫石礦物特征峰及部分石英、方解石等巖屑雜質(zhì)的礦物特征峰,但幾乎沒有玻璃體結(jié)構(gòu)。根據(jù)Thompson定律[14]可知,蒙脫石黏土礦物多為水解或風(fēng)化產(chǎn)物,屬于淺層地質(zhì)作用的結(jié)果,其鋁的配位結(jié)構(gòu)全是六位配位的八面體結(jié)構(gòu),因此不具備低溫低壓快速反應(yīng)所要求的活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征,也就無法實現(xiàn)自身固化。泥餅改性劑組成物質(zhì)基本為玻璃體結(jié)構(gòu),鮮見礦物特征峰值。相對晶體結(jié)構(gòu)而言,玻璃體結(jié)構(gòu)使得物質(zhì)具有更高的內(nèi)能,這與泥餅改性劑要求極強反應(yīng)活性組分相一致。

由圖1(b)可以看出,泥餅改性劑與火山碎屑物質(zhì)基本無明顯的熱失重現(xiàn)象,兩條曲線基本重合,只是在450℃出現(xiàn)微量的方解石受熱分解和600℃以上出現(xiàn)的沸石及凝膠物質(zhì)的失重現(xiàn)象。

泥餅改性劑主要成分的制備是堿土金屬類巖石在高溫融化狀態(tài)下,出現(xiàn)金屬相與非金屬相熔離,工業(yè)提取某些金屬相后將非金屬相進行快速水淬,水淬后的凝固體再進行磨細加工得到。凝灰?guī)r火山碎屑的成因方式是處于火山口的高溫熔融塑性巖漿會因后續(xù)巖漿氣液上涌所積蓄的壓力超過其塑性液-固結(jié)構(gòu)能而發(fā)生爆裂,這些爆裂火山碎屑隨高壓氣流沖向空氣中后,仍以較高的溫度降落在地表常溫水體中,發(fā)生晶屑與玻屑的淬裂,也將會發(fā)生水淬現(xiàn)象。因此,二者具有成因上的相似性,且物相和化學(xué)組成基本一致。二者的區(qū)別在于,泥餅改性劑是根據(jù)火山碎屑物質(zhì)反應(yīng)活性的本質(zhì)選擇,屬于玻璃體相且具SiO2、Al2O3活性組分的高度集合體,這為MTA快速成巖奠定了基礎(chǔ),同時也是MTA快速成巖得以實現(xiàn)的地質(zhì)學(xué)依據(jù)。

2.2 M TA成巖快速順利進行的關(guān)鍵

圖2為原始泥餅和MTA凝餅的ESEM測試結(jié)果?？梢钥闯?原始泥餅內(nèi)沒有凝膠類物質(zhì)生成,而MTA凝餅從水泥水化初期到凝餅養(yǎng)護3 d時泥餅內(nèi)發(fā)現(xiàn)有水化硅酸鈣(CSH)凝膠產(chǎn)生,14 d時CSH凝膠物質(zhì)減少,但生成了沸石類凝膠,28 d時生成了結(jié)晶度更好的沸石類凝膠。

圖2 原始泥餅和M TA凝餅的ESE M微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 ESEM microstructure diagram of originalmud cake and MTA agglomerated cake

天然沸石是地殼巖石圈上部廣泛分布且穩(wěn)定存在的三維網(wǎng)狀籠形鋁硅酸鹽巖體礦物,天然火山灰在低溫低壓條件下通過沉積變質(zhì)作用可轉(zhuǎn)變成各種長期穩(wěn)定存在的鋁硅酸鹽架狀結(jié)構(gòu)的沸石礦物。火山灰形成沸石的過程需要經(jīng)歷“火山灰化”(從地層中經(jīng)火山噴出帶有主要成分為黏土質(zhì)的物質(zhì),在噴出時這些物質(zhì)被充分加熱而完全脫水并引起化學(xué)變化)和“巖石化”(火山作用形成的各種火山碎屑物,堆積后經(jīng)多種成巖方式固結(jié)而成的巖石)兩個漫長的過程。根據(jù)地質(zhì)礦物學(xué)理論,玻璃質(zhì)火山灰在弱堿性(pH=7.5～8.1)條件下百萬年內(nèi)不發(fā)生變化,而在偏堿性(pH=9.1～9.9)條件下幾萬年就發(fā)生變化,即堿性成巖環(huán)境有助于加快成巖作用。

MTA凝餅的成巖流體包括凝餅形成劑(凝餅形成劑是以高鉀、鈉、硅為主,并含有部分Ca2+、SO42-、Na+等離子,以及這些離子與泥餅形成劑和黏土礦物發(fā)生離子交換作用置換出的Mg2+,Fe2+等離子,因此其組成具有高含量的堿及堿土金屬元素的堿性溶液特征)與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2,均可提供高pH值強堿性環(huán)境。凝灰?guī)r成巖流體的形成過程則要經(jīng)過堿、堿土金屬溶解—堿性水體環(huán)境的形成—堿性水溶液交代(交代是指化學(xué)成分和礦物成分發(fā)生變化的作用,即MTA過程中,泥餅與侵入體發(fā)生物質(zhì)交換,代入某些新的化學(xué)組分,代出一些原有的化學(xué)組分,從而使泥餅的化學(xué)組成和礦物組成發(fā)生變化,形成新物質(zhì))火山碎屑物質(zhì)的水巖反應(yīng)過程。由于溶解受到水體溫度,堿性環(huán)境受到水體封閉性和水體自身鹽堿性的影響,以及所溶解的堿質(zhì)成分,如Na+、K+的含量也約束了堿交代的能力,因此凝灰?guī)r發(fā)生火山沉積成巖要經(jīng)歷相當(dāng)漫長的時期。

凝餅形成劑正是將凝灰?guī)r火山沉積作用成巖流體的緩慢形成過程直接化為一種現(xiàn)存成巖流體,改進了成巖流體成分,保證了有利的成巖環(huán)境,加快了成巖反應(yīng)速度,同時也控制了反應(yīng)產(chǎn)物的類型,從而成為保證MTA成巖快速順利進行的關(guān)鍵。

隨著反應(yīng)的不斷進行,孔隙水的堿環(huán)境逐漸減弱,早期強堿性環(huán)境下無法形成晶體礦物的元素組分此時開始析出固體晶體礦物(如硫化鐵),而被堿溶蝕的流體中多余的硅質(zhì)也析出石英晶體或石英的膠狀物。圖3為析出FeS2(S元素來源于改性泥餅)黃鐵礦晶體的ESEM結(jié)構(gòu)圖,圖4為圖3中自生礦物FeS2(“+”)的EDXA圖。從圖3可以看出,火山碎屑沉積巖反應(yīng)生成了FeS2,MTA凝餅養(yǎng)護14 d同樣也反應(yīng)生成了FeS2,這就證明MTA凝餅發(fā)生了堿交代及垃圾礦物析晶現(xiàn)象。

圖3 火山碎屑沉積巖和M TA凝餅養(yǎng)護14 d的ESEM微觀結(jié)構(gòu)圖(目標礦物FeS2)Fig.3 ESEM microstructure diagram of pyroclastic sedimentary rock andM TA agglomerated cake that curing time is 14 d(targetmineral is FeS2)

圖4 圖3中自生礦物FeS2(“+”)的EDXA圖Fig.4 EDXA diagram of authigenic mineral(FeS2) in Fig.3

2.3 M TA凝餅形成后反應(yīng)模式的印證

為了比較MTA凝餅與凝灰?guī)r的元素組成,進行了XRF測試,結(jié)果如圖5～7所示。可以看出,凝灰?guī)r類的整體元素中硅鋁含量占80%以上,其中硅質(zhì)含量明顯偏高,而MTA凝餅中硅鋁元素也是主要成分,其中MTA凝餅養(yǎng)護3 d時硅元素的質(zhì)量分數(shù)和原子數(shù)分數(shù)分別為52.76%和58.99%,鋁元素的質(zhì)量分數(shù)和原子數(shù)分數(shù)分別為18.11%和21.08%,養(yǎng)護28 d時硅元素的質(zhì)量分數(shù)和原子數(shù)分數(shù)分別為35.63%和43.45%,鋁元素的質(zhì)量分數(shù)和原子數(shù)分數(shù)分別為13.05%和16.57%。隨著養(yǎng)護時間延長,MT A凝餅的硅含量和鋁含量均降低,而鈣含量增加(質(zhì)量分數(shù)和原子數(shù)分數(shù)由養(yǎng)護3 d的5.76%和4.51%分別增加到養(yǎng)護28 d的30.28%和25.87%),這與火山灰質(zhì)材料被堿激發(fā)后所發(fā)生“脫鋁—結(jié)硅—吸鈣”的化學(xué)反應(yīng)模式相一致。

3 結(jié) 論

(1)在滿足特定地質(zhì)條件下,MTA可實現(xiàn)快速成巖,其中泥餅改性劑和凝餅形成劑起著至關(guān)重要的作用,是MTA快速成巖不可或缺的兩大關(guān)鍵。

(2)MTA仿地成巖實現(xiàn)了非MTC方法固井二界面整體固化膠結(jié),可有效緩解或解決固井二界面問題,延長油氣井壽命,提高油氣田勘探開發(fā)效益。

(3)固井二界面泥餅仿地成凝餅的地質(zhì)成巖反應(yīng)與凝灰?guī)r火山沉積作用成巖反應(yīng)具有很好的一致性。

[1] GU Jun,YANG Wei-hua,Q IN Wen-zheng,et al.Cement-formation interface system and its effect on the petroleum engineering:the papers of IEEE International Conference on Engineering,Services and Knowledge Management,Shanghai,China,September 21-25,2007[C].Piscata way,USA:IEEE,2007.

[2] 劉立平,任戰(zhàn)利,胡光,等.薄淺層稠油砂冷采開采工藝技術(shù)研究[J].西北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,38(2):290-294,300.L IU Li-ping,REN Zhan-li,HU Guang,et al.Research and application of cold heavy oil production with sand technology[J].Journal of Northwest University(Natural Science Edition),2008,38(2):290-294,300.

[3] LADVA H K J,CRASTER B,JONES T G J.The cement-to-formation interface in zonal isolation[R].SPE 88016,2004.

[4] 顧軍,楊衛(wèi)華,秦文政,等.固井二界面封隔能力評價方法研究[J].石油學(xué)報,2008,29(3):451-454.GU Jun,YANG Wei-hua,Q IN Wen-zheng,et al.Evaluation method for isolation ability of cement-formation interface[J].Acta Petrolei Sinica,2008,29(3):451-454.

[5] 黃河福,步玉環(huán),田輝,等.MTC固井液二界面膠結(jié)強度實驗研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,30(6):46-50.HUANG He-fu,BU Yu-huan,T IAN Hui,et al.Bonding strength experiment of mud to cement fluid on the second interface[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2006,30(6):46-50.

[6] COWN K M,HALE A H,NAHM J J.Conversion of drilling fluid to cements with blast furnace slag:performance properties and applications for well cementing[R].SPE 24575,1992.

[7] 王瑞和,姜林林,步玉環(huán).礦渣MTC水化機理實驗研究[J].石油學(xué)報,2008,29(3):442-446.WANG Rui-he,J IANG Lin-lin,BU Yu-huan.Experimental study on hydration mechanism of slagMTC[J].Acta Petrolei Sinica,2008,29(3):442-446.

[8] BENGE O G,WEBSTER W W.Evaluation of blast furnace slag slurries for oilfield applications[R].SPE 27449,1994.

[9] 彭志剛,何育榮,劉崇建,等.礦渣MTC固化體開裂的本質(zhì)原因分析[J].天然氣工業(yè),2005,25(5):72-74.PENG Zhi-gang,HE Yu-rong,L IU Chong-jian,et al.Basic causes analysis of cracking of MTC solidified body with cinder[J].Natural Gas Industry,2005,25(5):72-74.

[10] 肖志興,吳梅芬,徐明,等.高爐礦渣水化過程中晶核誘導(dǎo)機理[J].石油學(xué)報,1998,19(4):117-121.X IAO Zhi-xing,WU Mei-fen,XU Ming,et al.The induced mechanism of crystal during hydrate of blast furnace slag[J].Acta Petrolei Sinica,1998,19(4):117-121.

[11] 顧軍.固井二界面問題與泥餅仿地成凝餅科學(xué)構(gòu)想[J].石油天然氣學(xué)報,2009,19(1):117-121.GU Jun.Isolation problems of cement-formation interface and scientific conception of mud cake to agglomerated cake[J].Journal of Oil and Gas Technology,2009,31(1):71-74.

[12] 顧軍,秦文政.MTA方法固井二界面整體固化膠結(jié)實驗[J].石油勘探與開發(fā),2010,37(2):226-231.GU Jun,Q IN Wen-zheng.Experimentson integrated solidification and cementation of the cement-formation interface based on mud cake to agglomerated cake(MTA)method[J].Petroleum Exploration and Development,2010,37(2):226-231.

[13] 鄭浚茂,龐明.碎屑儲集巖的成巖作用研究[M].武漢:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1989:37-69.

[14] 葉大年.Thompson定律在地質(zhì)學(xué)及硅酸鹽工學(xué)中的重大意義[J].硅酸鹽學(xué)報,1983,11(2):159-164.YE Da-nian.Application of Thompson low in geology and silicate technology[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,1983,11(2):159-164.

(編輯 李志芬)

Association between tuff diagenesis and mud cake to agglomerated cake(M TA)at cement-formation interface

GU Jun1,YANG Wei-hua1,ZHANG Yu-guang2,GAO Yu-tang2,LIU Xia2,LI Tian-fu2

(1.Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences, Wuhan430074,China;2.Research Institute of Oil Production Engineering,Daqing Oilfield Company Limited,Daqing163453,China)

In order to investigate the geologic diagenesis of mud cake to agglomerated cake(MTA)at cement-formation interface,the analysis and testing technology such as X-ray diffraction(XRD),thermogravimetric analysis(TG),scanning electron microscope&EDX(SE M&EDX)and X-ray fluorescence(XRF)were used to study the association ofMTA and diagenetic reaction of tuff volcanic process.The results show that,the effect of mud cake modifier in the MTA diagenetic reaction is similar to that of pyroclastic material in the tuff diagenetic reaction,and the phases and chemical compositions are basically consistent.The forming agent of agglomerated cake is similar to the fluid of diagenetic reaction of tuff volcanic process,so the velocity of diagenetic reaction can be accelerated and the reaction products can be controlled,too.The characteristic diagenetic phenomenon and reaction products of the two are similar,and the crystallization phenomenon of FeS2occurred in both,which is a kind of rubbish mineral.The silicon content and aluminum content in the agglomerated cake decreased while the calcium content increased with time.The curing reaction process ofMTA is consistent with alkali-activated pozzolanic materials chemical reaction model,in which the chemical reaction model is dealuminization,junction silicon and calcium absorption.

cement-formation interface;mud cake to agglomerated cake(MTA);tuff;diagenesis;association

TE 324

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.02.011

2010-05-20

國家自然科學(xué)基金項目(50774071和40972103);國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2007AA06Z205)

顧軍(1966-),男(漢族),云南大理人,教授,博士,研究方向為固井完井工程與防止環(huán)空竄流。

1673-5005(2011)02-0064-05