泥餅質(zhì)量改進(jìn)劑及其對固井質(zhì)量的影響

張健偉，王　鑒，李　欣，孟慶明，祝寶東

(東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，石油與天然氣重點實驗室，大慶　163318)

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泥餅質(zhì)量改進(jìn)劑及其對固井質(zhì)量的影響

張健偉，王鑒，李欣，孟慶明，祝寶東

(東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，石油與天然氣重點實驗室，大慶163318)

以增強油井固井界面膠結(jié)強度，提高固井質(zhì)量為目的，從增強泥餅的強度、減小泥餅厚度、提高泥餅與固井水泥漿膠結(jié)力的角度出發(fā)，研制了一種新型的泥餅質(zhì)量改進(jìn)劑EA，考察了EA對固井界面膠結(jié)強度的增強效果，分析了EA的界面膠結(jié)增強機理。EA由磷酸鈣礦物纖維、金紅石粉和磺化丹寧組成，通過網(wǎng)狀支撐和誘導(dǎo)作用增強泥餅強度，通過表面活性和靜電排斥作用減薄泥餅厚度。將EA以1%的比例加入到鉆井液中，泥餅強度和模擬固井二界面的膠結(jié)強度分別提高到原強度的19倍和8.5倍，油田現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明油井的平均固井優(yōu)質(zhì)率可提高30%。

泥餅; 固井弱界面; 界面膠結(jié); 固井質(zhì)量

1　引　言

固井施工中，在固井界面上存在鉆井液黏附層，在滲透性地層井壁上會形成1～5 mm厚的泥餅。由于這些黏附鉆井液以及形成的泥餅具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，不能與水泥漿良好地膠結(jié)，固化性很差，形成了固井膠結(jié)的弱界面，即骨架膠結(jié)的結(jié)構(gòu)疏松、孔滲增大的環(huán)形水泥過渡帶[1-3]。固井弱界面的存在，嚴(yán)重影響了固井界面的膠結(jié)強度，降低了固井質(zhì)量[4]。針對固井弱界面現(xiàn)象，研究者先后研發(fā)出MTC固井技術(shù)[5-8]、多功能鉆井液[9-14]、MTA泥餅仿地成凝餅技術(shù)[15-19]等。這些技術(shù)通過向鉆井液中加入一些潛在的活性物質(zhì)，促進(jìn)泥餅的固化，使泥餅的強度變大，實現(xiàn)泥餅與水泥漿的整體固化，提高了界面膠結(jié)強度。

本文對上述固井技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，研制了一種新型的泥餅質(zhì)量改進(jìn)劑EA，該泥餅質(zhì)量改進(jìn)劑在使用時可直接加入鉆井液，無需在隔離液或沖洗液中加入激活劑，在增加泥餅強度的同時，還能減少泥餅的厚度，進(jìn)一步加強界面處泥餅與井壁的親和力，從而提高固井質(zhì)量。

2　實　驗

2.1實驗材料

所研制的泥餅質(zhì)量改進(jìn)劑EA是一種固體顆粒，粒度低于100目，骨架密度為0.9 g/cm3。該泥餅質(zhì)量改進(jìn)劑EA由有機磷酸鈣礦物纖維(MFS)、金紅石粉(NTS)和磺化丹寧(LPS)三種物質(zhì)充分混合組成，組成比例如下：45% MF+30% NPS+25% LPS。實驗所用鉆井液為坂土漿，組成為：500 g水+25 g膨潤土+1.25 g碳酸鈉，密度1.05 g/cm3，漏斗粘度33 s，濾失量9.20 mL。水泥為G級油井固井水泥，按照水灰比為0.8∶1的比例配制成固井水泥漿。

2.2實驗方法

2.2.1泥餅制備及強度測試

在鉆井液中加入一定量的EA 置于高速攪拌器中，于4000 r/min速度下攪拌 15 min，充分混合后，利用ZNS-5A型中壓濾失儀在0.69 MPa下濾失30 min，制備出泥餅。除去泥餅表面的虛泥餅后，將其置于200 mL水泥濾液中，45℃下常壓養(yǎng)護(hù)7 d。利用水流沖刷法測定泥餅被沖破的時間，利用瀝青針入度儀測定泥餅的厚度，二者比值定義為泥餅的強度，單位為min/mm。

2.2.2鉆井液性能測定

在鉆井液中加入一定量的EA 置于高速攪拌器中，于4000 rpm速度下攪拌 15 min，充分混合后，利用YM-2密度計、MN-4型馬氏漏斗粘度計、ZNN-D6B型六速旋轉(zhuǎn)粘度計分別測定鉆井液的密度、漏斗粘度和流變參數(shù)，考察EA對鉆井液基本性能的影響。

2.2.3模擬二界面膠結(jié)強度測試

將直徑7 cm、高度12 cm的圓柱形模擬巖心置于含有一定量EA的鉆井液中于45℃下養(yǎng)護(hù)24 h。待模擬巖心表面形成一定厚度的泥餅后，取出，放在外徑14 cm、內(nèi)徑12 cm、高度10 cm的鋼套管中心部位，然后在二者構(gòu)成的環(huán)形區(qū)域灌注油井水泥漿，室溫下放置24 h后，置于45℃下常壓養(yǎng)護(hù)7 d，利用 CMT5105型拉力測試機測定模擬巖心從水泥環(huán)中被壓出的最大壓力，該壓力值與模擬巖心和水泥環(huán)的膠結(jié)面積的比值定義為模擬二界面膠結(jié)強度值，單位為MPa。

2.2.4EA增強機理分析

將自然干燥后的泥餅樣品進(jìn)行SEM電鏡掃描分析(ΣIGMA掃描電鏡)和XRD衍射分析(Rigaku D/max-2200 X-ray衍射分析儀)觀察分析EA對泥餅微觀結(jié)構(gòu)和組成的影響。

3　結(jié)果與討論

3.1EA用量對泥餅強度和厚度的影響

向一定量的鉆井液中加入不同量的EA，考察EA用量對泥餅強度和厚度的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出，當(dāng)鉆井液中EA添加量為0.0%時，泥餅的強度為0.35 min/mm，隨著EA用量的增大，泥餅強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)EA的添加量為鉆井液質(zhì)量的1%時，泥餅強度達(dá)到最大，為6.49 min/mm，此時泥餅強度是未加EA泥餅樣品的19倍，泥餅強度顯著增強。當(dāng)EA在鉆井液中添加量在0.0%～1.4%變化時，泥餅的厚度隨EA添加量的增大呈現(xiàn)先降低而后增大的趨勢，當(dāng)EA的添加量為鉆井液質(zhì)量的1%時，泥餅的厚度最小。

圖2給出了鉆井液在添加1% EA前后，制備出的泥餅經(jīng)水泥濾液養(yǎng)護(hù)晾干后的宏觀對比照片。由圖2可以看出，EA的加入可顯著減少泥餅的皴裂程度，韌性增強，有利于泥餅與井壁和套管壁的緊密膠結(jié)。

圖1　EA添加量對泥餅強度和厚度的影響Fig.1　Influence of EA dosage on mud cake strength and thickness

圖2　泥餅的宏觀照片F(xiàn)ig.2　Pictures of mud cakes(a)without EA;(b)with EA

3.2EA對鉆井液性能的影響

向一定量的鉆井液中加入不同量的EA，根據(jù)API specification 13測定鉆井液的基本性質(zhì)，結(jié)果見表1。

表1　不同EA含量下鉆井液的主要物理性質(zhì)

All data were measured at (45±0.5)℃.

由表1可以看出，當(dāng)EA在鉆井液中的加入量為0%～1.2%時，鉆井液的濾失量明顯下降，而密度和馬氏漏斗粘度沒有發(fā)生顯著變化。雖然流變參數(shù)AV、PV 和 YP隨著EA用量的增加略有下降，但是降低趨勢不顯著。由此可以推斷，EA有利于改善鉆井液的流變性能和濾失性，但不會顯著影響鉆井液的密度等基本性質(zhì)。

3.3EA對模擬固井二界面膠結(jié)強度的影響

向鉆井液中加入1%的EA進(jìn)行界面模擬實驗，測試界面膠結(jié)強度，考察EA對模擬固井二界面膠結(jié)強度的影響，結(jié)果見表2。

表2　模擬固井二界面膠結(jié)強度測試結(jié)果

由表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)EA以最佳用量加入到鉆井液后，模擬固井二界面的膠結(jié)強度可提高到原強度的8.5倍，增強效果顯著。由此表明，本文研制的EA可顯著增強二界面的膠結(jié)強度。

3.4EA增強機理

為了進(jìn)一步研究EA的泥餅增強作用機理，將自然干燥后的泥餅樣品進(jìn)行XRD衍射分析和SEM電鏡掃描分析，結(jié)果見圖3和圖4。

圖3　泥餅的XRD圖譜Fig.3　XRD patterns of mud cakes

由圖3可以看出，加有EA的泥餅中出現(xiàn)了大量的片狀沸石、桿狀沸石和水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)類物質(zhì)[20,21]。這些沸石類和凝膠類物質(zhì)，填充在泥餅粘土顆粒之間，可以提高泥餅的密實度，并起到粘結(jié)作用，有利于提高泥餅的強度和韌性。

泥餅和水泥漿固化體的SEM圖(圖4)對比分析，發(fā)現(xiàn)不加EA的泥餅內(nèi)部存在大量片狀的粘土礦物顆粒，顆粒之間存在很多縫隙，孔隙度較大(圖4a)。如此松散的內(nèi)部結(jié)構(gòu)必然導(dǎo)致泥餅強度較弱。而加有EA的泥餅內(nèi)部除了粘土顆粒以外，還生成了大量的與水泥石本體成分相似的物質(zhì)(圖4b和圖4c)，結(jié)合XRD衍射分析結(jié)果，推斷新生成的棒狀物質(zhì)為水化硅酸鈣凝膠[22,23]。該物質(zhì)的生成使泥餅內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與水泥石本體的結(jié)構(gòu)非常相似(圖4b和圖4c)，有助于提高泥餅與水泥環(huán)的界面膠結(jié)性能，進(jìn)而提高固井質(zhì)量[24]。

圖4　泥餅和水泥漿固化體的SEM圖Fig.4　SEM images of mud cakes and set cement(a)mud cake without EA;(b)mud cake with EA;(c)set cement

上述分析結(jié)果表明，EA有助于在泥餅內(nèi)部生成沸石類物質(zhì)和水化硅酸鈣凝膠(C-S-H) ，其作用機理推導(dǎo)如下：

EA中的納米級的金紅石粉與鉆井液中的粘土顆粒接觸后，會進(jìn)入到粘土顆粒之間的空隙或者吸附在粘土顆粒表面，這些納米顆粒會吸引水泥濾液中的硅酸根和鈣離子擴散進(jìn)入泥餅內(nèi)部，與泥餅內(nèi)部的吸附水進(jìn)一步水化，生成水化硅酸鈣凝膠，增強泥餅的強度。

EA中的有機磷酸鈣礦物纖維，起到骨架支撐作用，其交織而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為粘土顆粒和生成的水化硅酸鈣提供了有效的空間并將這些物質(zhì)牢牢緊密的鎖定在一起，從而提高泥餅的密實度和硬度。

EA中的磺化丹寧(LPS)使粘土顆粒表面帶有大量的負(fù)電荷，顆粒之間的排斥力增大，鉆井液流動性增強。另外，磺化丹寧與鉆井液內(nèi)部的吸附水作用，在粘土顆粒表面生成一層溶劑化水膜，該水膜具有潤滑作用，阻止了粘土顆粒之間的進(jìn)一步吸附以及粘土顆粒在井壁上的二次吸附，從而減少泥餅的厚度。

總之，EA通過骨架支撐、納米誘導(dǎo)、靜電排斥和溶劑化水膜共同作用，在提高泥餅強度的同時，減少了泥餅的厚度，促使界面處形成薄而硬的泥餅，進(jìn)而提高固井界面膠結(jié)強度，改善固井質(zhì)量。

3.5EA現(xiàn)場應(yīng)用

為了進(jìn)一步考察EA在油田中的實際應(yīng)用效果，在大慶油田選取485口油井經(jīng)行現(xiàn)場鉆井固井實驗?，F(xiàn)場實際使用的鉆井液為聚合物鉆井液，基本配方組成為：5%膨潤土+0.4% NPAN+2% SPNH+0.3% FA-368+0.2% XY-28+0.9%有機硅腐鉀+0.4%純堿+0.05% KOH。固井水泥漿基本配方組成為：70%G級水泥+2%ZJ202+15%漂珠+1%SXY-2+12%DDZQ，水灰比為0.8，密度為1.50 g/cm3。結(jié)果表明鉆井液中加入EA后，油井的平均固井優(yōu)質(zhì)率達(dá)到76%，與原有的46%相比，提高了30%。因此，EA具有較好的現(xiàn)場應(yīng)用效果，可以顯著提高固井質(zhì)量。

4　結(jié)　論

為了改善固井弱界面現(xiàn)象，本文研制了一種泥餅質(zhì)量改進(jìn)劑EA，考察了EA的的增強效果，并分析了EA的作用機理，得到的結(jié)論如下。

(1)EA以1%的比例加入到鉆井液后，泥餅的強度可提高到原強度的19倍，模擬固井二界面的膠結(jié)強度可提高到原強度的8.5倍，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明油井的平均固井優(yōu)質(zhì)率可提高30%。EA具有顯著的泥餅增強效果和界面增強效果；

(2)EA有利于降低鉆井液的濾失量，改善鉆井液的流變性質(zhì)，但不會顯著影響密度、粘度等等基本性質(zhì)。因此，EA不影響鉆井液的正常使用；

(3)EA通過誘導(dǎo)作用有效促進(jìn)了沸石物質(zhì)及水化硅酸鈣凝膠物質(zhì)在泥餅的內(nèi)部生成，結(jié)合礦物晶須的網(wǎng)狀支撐作用，顯著增強了泥餅的強度。同時，通過低分子極性聚合物的表面活性作用和靜電斥力作用，加強了粘土顆粒的分散性，阻礙了粘土顆粒在泥餅或井壁上的二次吸附，有利于形成較薄的泥餅。

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Additive to Improve Mud Cake Quality and Its Influence on Cementing Quality

ZHANG Jian-wei,WANG Jian,LI Xin,MENG Qing-ming,ZHU Bao-dong

(Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Chemical Technology,College of Chemistry and Chemical Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

A new enhancing addtive (EA) added into fresh water-based drilling fluid to improve the shearing strength and the well cementing quality was researched from the piont of increasing the mud cake strength,decreasing the mud cake thickness and improving the shearing strength at the cement-formation interface. Besides the effect of EA on the shearing strength and its action mechanism were studied. EA was composed of calcium phosphate mineral fibers,rutile powders and sulfonated tannin. Calcium phosphate mineral fibers and rutile powders in EA played the role of supporting and induction respectively thus the mud cake strength was increased. On the other side sulfonated tannin could decrease the mud cake thickness through surface-active action. The mud cake strength and the cementing strength between casing-cement and borehole wall were increased to 19 times and 8.5 times respectively when 1% (weight) of EA was added into the drilling fluid. The application of the EA in Daqing Oilfield showed that the cementing perfection rate could be increased by 30%.

mud cake;cracks in cement-formation interface;interfacial cementation;cementing quality

東北石油大學(xué)校內(nèi)青年基金項目(NEPUQN2014-12)

張健偉(1980-)，女，碩士研究生，副教授.主要從事油田化學(xué)及鉆井液方面的研究.

TD985

A

1001-1625(2016)02-0623-05