固井弱界面增強(qiáng)劑及其對(duì)鉆井液性能的影響

何 軍，高 亮，張盛良，侯 兵，馮福平

（1.吉林油田分公司 鉆井工藝研究院，吉林 松原 138000；2.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

固井弱界面是引起固井質(zhì)量變差的重要原因之一，針對(duì)該問(wèn)題研究者進(jìn)行了大量的研究，開(kāi)發(fā)了很多改善固井弱界面的技術(shù)，如MTC固井技術(shù)[1-4]、MTA技術(shù)[5-9]、MCS技術(shù)[10-13]等。其中，MTA技術(shù)主要是鉆井時(shí)在鉆井液中加入一定量的泥餅改性劑（GM-Ⅱ），固井時(shí)在前置液中加入一定量的凝餅形成劑（GA-IA和GA-IB），前置液中的凝餅形成劑修飾泥餅表面，并與泥餅內(nèi)部的泥餅改性劑反應(yīng)生成類似水泥水化產(chǎn)物的凝膠類物質(zhì)，促使泥餅生成了硬而致密的凝餅，并實(shí)現(xiàn)了泥餅與水泥漿的整體固化膠結(jié)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，MTA技術(shù)適用井深不宜超過(guò)1500m，該技術(shù)在深井中的應(yīng)用可行性并未確定。針對(duì)深井井壁上泥餅強(qiáng)度較差的問(wèn)題，以MTA技術(shù)為指導(dǎo)，本文研制了一種可添加在鉆井液中的固井弱界面增強(qiáng)劑，該增強(qiáng)劑在高溫高壓下，可有效提高泥餅強(qiáng)度，減少固井弱界面現(xiàn)象，進(jìn)一步加強(qiáng)界面處泥餅與井壁的親和力，從而提高固井質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料及設(shè)備

所研發(fā)的固井弱界面增強(qiáng)劑是由含鈣鋁礦物纖維和有機(jī)胺組成的固體混合物，組成比例為7∶3，呈粉末狀；實(shí)驗(yàn)所用鉆井液為聚合物水基鉆井液，主要組成為6%土+1%Na2CO3+2%鉆井液用聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型復(fù)合銨鹽+1%聚丙烯酸鉀KPA+2%鉆井液用降濾失劑聚合鋁JS-2+3%鉆井液用防塌封堵劑乳化瀝青YK-H+1%乳化劑（LHR-Ⅱ）；水泥為G級(jí)油井固井水泥。

GGS-42型高溫高壓靜態(tài)濾失儀（青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司）；SZR-3型瀝青針入度儀（上海喆鈦機(jī)械制造有限公司）；ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)（青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司）；MRE-2型泥漿電阻率測(cè)量?jī)x（青島森欣機(jī)電設(shè)備有限公司）；YM-2密度計(jì)（青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司）；ZMN-2型馬氏漏斗粘度計(jì)（青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司）；ΣIGMA掃描電鏡（德國(guó)蔡司公司）；CMT5105型拉力測(cè)試機(jī)（天津市美特斯試驗(yàn)機(jī)廠）；101-A2型電子恒溫箱（101-A2型電子恒溫箱）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 泥餅制備及強(qiáng)度測(cè)試 在鉆井液中加入一定量的固井弱界面增強(qiáng)劑置于瓦楞攪拌器中，高速攪拌15min，利用高溫高壓濾失儀在3.5MPa、90℃下濾失30min，制備泥餅。用水沖去泥餅表面的浮泥后，將其置于200mL水泥濾液中，90℃下常壓養(yǎng)護(hù)7d。利用水流沖刷法測(cè)定泥餅被沖破的時(shí)間，利用瀝青針入度儀測(cè)定實(shí)泥餅的厚度，二者比值定義為泥餅的強(qiáng)度，單位為s·mm-1。

1.2.2 鉆井液性能測(cè)定 在鉆井液中加入一定量的固井弱界面增強(qiáng)劑置于瓦楞攪拌器中，高速攪拌15min，混合均勻。用ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、MRE-2型泥漿電阻率測(cè)量?jī)x、YM-2密度計(jì)、ZMN-2型馬氏漏斗粘度計(jì)分別測(cè)定鉆井液的流變參數(shù)、電阻率、密度、漏斗粘度和沉降穩(wěn)定性等參數(shù)，考察固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液基本性能的影響。

1.2.3 模擬二界面膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試 將直徑7cm、高度12cm的圓柱形模擬巖心置于含有一定量固井弱界面增強(qiáng)劑的鉆井液中，于90℃下養(yǎng)護(hù)24h。待模擬巖心表面形成一定厚度的泥餅后，取出，放在外徑14cm、內(nèi)徑12cm、高度10cm的鋼套管中心部位，然后在二者構(gòu)成的環(huán)形區(qū)域灌注油井水鉆井液，室溫下放置24h后，置于90℃下常壓養(yǎng)護(hù)7d，利用CMT5105型拉力測(cè)試機(jī)測(cè)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(qiáng)度值，單位為MPa。

1.2.4 泥餅和二界面微觀形貌分析 將自然干燥后的泥餅樣品進(jìn)行SEM電鏡掃描分析，觀察分析固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)泥餅微觀形貌的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)泥餅強(qiáng)度及濾失量的影響

將固井弱界面增強(qiáng)劑以一定比例添加到聚合物鉆井液中制成泥餅，通過(guò)泥餅強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)定泥餅強(qiáng)度的變化，并記錄鉆井液濾失量，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)聚合物鉆井液泥餅強(qiáng)度及濾失量的影響Tab.1 Effect of the addtive content on mud cake strength and filter loss of silica-based drilling fluid

由表1可以看出，對(duì)于聚合物鉆井液，固井弱界面增強(qiáng)劑能顯著增強(qiáng)泥餅強(qiáng)度，當(dāng)其加量為0.7%時(shí)，泥餅強(qiáng)度最大為390MPa，泥餅厚度減小為0.4mm，鉆井液濾失量降低為2.7mL。與未加劑的情況對(duì)比分析，確定固井界面增強(qiáng)劑在明顯提高泥餅強(qiáng)度的同時(shí)，也會(huì)減小泥餅的厚度、降低鉆井液濾失量。但加量超過(guò)0.9%時(shí)，泥餅的厚度增加，說(shuō)明過(guò)高的加量不利于泥餅的減薄。綜上，確定固井弱界面增強(qiáng)劑在鉆井液中的最佳加量為0.7%（質(zhì)量比），與未加劑情況相比，泥餅的強(qiáng)度提高15倍，泥餅減薄20%，鉆井液濾失量降低10%。

2.2 固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液流變曲線的影響

將固井界面增強(qiáng)劑以0.7%的比例加入到鉆井液中，測(cè)量鉆井液的流變參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液流變曲線的影響Fig.1 Influence of the additive on drilling fluid rheological curve

由圖1可以看出，鉆井液中加入不同量的固井弱界面增強(qiáng)劑后，粘度有不同程度的下降；添加量越多，相同剪切速率下，粘度下降程度越明顯，說(shuō)明固井弱界面增強(qiáng)劑的加入增加了鉆井液的流動(dòng)性，降低其粘度。本文研發(fā)的固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液無(wú)增粘作用，可以添加到鉆井液中，滿足鉆井完井過(guò)程對(duì)鉆井液粘度的要求。

2.3 固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液密度、電阻率和漏斗粘度的影響

將固井弱界面增強(qiáng)劑以不同比例加入到鉆井液中，測(cè)定鉆井液的密度、電阻率和漏斗粘度，考察固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液密度、電阻率和漏斗粘度的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液密度、電阻率和漏斗粘度的影響Tab.2 Effect of the addtive content on performance parameters of silica-based drilling fluid

由表2可以看出，鉆井液中加入固井弱界面增強(qiáng)劑后，密度變化不明顯，電阻率增大，漏斗粘度顯著降低，在0.7%的加量下，電阻率增大7%，漏斗黏度降低了11%。說(shuō)明固井弱界面增強(qiáng)劑使鉆井液體系中的帶電離子數(shù)量減少，體系穩(wěn)定性增強(qiáng)；同時(shí)使鉆井液具有較低的漏斗黏度，具備較好的流動(dòng)性，有利于減少浮泥餅的厚度。

2.4 固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液沉降穩(wěn)定性的影響

將加有不同含量固井弱界面增強(qiáng)劑的鉆井液攪拌混合均勻后，倒入100mL量筒中至滿刻線。室溫下放置4h，測(cè)定量筒上、中、下部的密度，考察固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液沉降穩(wěn)定性的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 弱界面增強(qiáng)劑對(duì)聚合物鉆井液沉降穩(wěn)定性的影響Tab.3 Effect of the addtive content on stability of silica-based drilling fluid

由表3可以看出，加入固井弱界面增強(qiáng)劑后，鉆井液的密度稍有增加，當(dāng)添加量為0.7%時(shí)，鉆井液的密度為1.34g·cm-3，與空白鉆井液相比，密度變化不大，并且在相同加量的情況下，量筒上、中、下部的密度相同，說(shuō)明固井弱界面增強(qiáng)劑不會(huì)影響鉆井液的沉降穩(wěn)定性。

2.5 固井弱界面增強(qiáng)劑界面增強(qiáng)效果評(píng)價(jià)

在鉆井液中加入0.7%的固井弱界面增強(qiáng)劑，進(jìn)行界面模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)試界面膠結(jié)強(qiáng)度，評(píng)價(jià)其界面增強(qiáng)效果，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 模擬固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.4 Cementing strengths at the interfaces of well cementation

由表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)固井弱界面增強(qiáng)劑以最佳用量加入到鉆井液后，模擬固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度可提高到原強(qiáng)度的9.4倍，增強(qiáng)效果顯著。因此，本文研制的固井弱界面增強(qiáng)劑可顯著增強(qiáng)二界面的膠結(jié)強(qiáng)度。

2.6 泥餅的宏觀和微觀形貌

為考察在鉆井液中加入固井弱界面增強(qiáng)劑后，泥餅宏觀和微觀形貌的變化，拍照并進(jìn)行SEM電鏡掃描分析，結(jié)果見(jiàn)圖2、3。

圖2 泥餅宏觀形貌圖Fig.2 Pictures of mud cakes

由圖2可以看出，空白泥餅較厚，且表面不光滑，而在鉆井液中加入固井弱界面增強(qiáng)劑后，泥餅表面的變得平整，致密性增強(qiáng)。說(shuō)明固井弱界面增強(qiáng)劑可有效改善泥餅的外觀性能。

圖3 泥餅SEM圖Fig.3 SEM images of mud cakes

由圖3可以看出，空白泥餅中含有大量的片狀粘土層，而加入固井弱界面增強(qiáng)劑后，泥餅中粘土顆粒生成了大量的羽翼狀膠體物質(zhì)，顆粒之間更加緊密，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[13,14]推測(cè)，該物質(zhì)為水化硅酸鈣凝膠，水化硅酸鈣凝膠是水泥硬化體的主要成分，是水泥石硬度的主要貢獻(xiàn)者。因此，可以推斷，固井弱界面增強(qiáng)劑促進(jìn)了泥餅內(nèi)部水化硅酸鈣凝膠的生成，進(jìn)而提高了泥餅的強(qiáng)度，改善泥餅與水泥石膠結(jié)效果，有利于提高界面膠結(jié)強(qiáng)度。

3 結(jié)論

為了提高油氣井固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度，改善井壁穩(wěn)定性，研發(fā)了一種固井弱界面增強(qiáng)劑，評(píng)價(jià)了固井弱界面增強(qiáng)劑的界面增強(qiáng)效果，考察了固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液主要性能的影響，結(jié)論如下：

（1）固井弱界面增強(qiáng)劑是由含鈣鋁礦物纖維和有機(jī)胺按照7∶3組成的固體混合物，將其以0.7%的質(zhì)量百分含量加入到聚合物水基鉆井液中，高溫高壓下制備的泥餅的強(qiáng)度可提高到原強(qiáng)度的15倍，模擬固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度可提高到原強(qiáng)度的9.4倍，固井弱界面增強(qiáng)劑可顯著增強(qiáng)泥餅強(qiáng)度和固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度。

（2）固井弱界面增強(qiáng)劑對(duì)鉆井液的濾失量、密度和沉降穩(wěn)定性的影響不明顯，但可增大鉆井液的電阻率，改善鉆井液的流動(dòng)性，降低其粘度。

（3）固井弱界面增強(qiáng)劑有利于泥餅內(nèi)部生成水化硅酸鈣凝膠類物質(zhì)，提高了泥餅強(qiáng)度。

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