提高二界面胶结质量的矿渣钻井液滤饼可固化技术

梅雨堃， 李明， 刘璐， 张冠华， 郭小阳（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500）

梅雨堃等.提高二界面胶结质量的矿渣钻井液滤饼可固化技术[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：68-72.



提高二界面胶结质量的矿渣钻井液滤饼可固化技术

梅雨堃， 李明， 刘璐， 张冠华， 郭小阳
（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500）

梅雨堃等.提高二界面胶结质量的矿渣钻井液滤饼可固化技术[J].钻井液与完井液，2016，33（1）：68-72.

摘要难以固化的滤饼直接导致固井第二界面胶结质量差。为提高第二界面胶结质量，基于矿渣受碱激发特性，提出矿渣钻井液滤饼可固化技术，并进行了研究，考察了矿渣钻井液滤饼对第二界面胶结性能的影响；对该技术配套冲洗液进行研究；通过XRD测试分析滤饼物相组成及作用机理。结果表明，矿渣钻井液滤饼可固化技术有助于提高第二界面胶结强度，改善第二界面胶结形貌；配套冲洗液显著提高上述技术效果；矿渣钻井液滤饼具有潜在固化活性，经冲洗液渗透、预激活，并与水泥浆成分交换，共同水化，生成C—S—H凝胶，包覆、连接固相颗粒，填充结构孔隙，实现滤饼、水泥环整体固化，第二界面胶结强度提高。研究表明，矿渣钻井液滤饼可固化技术与配套冲洗液技术有助于提高第二界面胶结质量，该研究对无机矿物凝胶材料在钻井液中的应用，特别是工业废料的环境保护再利用，具有科学的理论指导意义。

关键词矿渣钻井液；滤饼可固化技术；冲洗液

Solidification of Slag Mud Cake that Improves Cementation Quality of the Second Bonding Interface

MEI Yukun, LI Ming, LIU Lu, ZHANG Guanhua, GUO Xiaoyang
(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500, China)

Abstract Poor solidification of filter cake results in poor cementation quality of the second bonding interface (between filter cake and cement sheath). Technology for the solidification of slag mud cake is presented to try to improve the cementation quality of the second bonding interface. This technology is based on the characteristics of slag, which can be activated by alkali. Several studies have been conducted, including: effects of slag mud cake on the cementation performance of the second bonding interface; flushing fluid for this technology; and phase composition and functioning mechanism of filter cake inspected using XRD. The studies show that the slag mud cake solidification technology helps improve the cementation quality and the cementation morphology of the second bonding interface. The flushing fluid further improves the cementation quality. Slag mud cake, having the potential of being solidified, after penetration and pre-activation by the flushing fluid, exchanges matters with cement slurry. Both the slag mud cake and the cement during this course hydrate simultaneously, producing C-S-H gels which encapsulate and link solid particles and fill the spaces among cement particles, making the filter cake and cement sheath solidify as a whole. It has been proved that this technology, when used in combination with the designed flushing fluid, is beneficial to the improvement of the cementation quality of the second bonding interface. These studies are of importance to the use of inorganic gel materials in drilling fluids, especially the recycling of industrial wastes.

Key words Slag drilling fluid; Filter cake solidification technology; Flushing fluid

钻井液中的固相在循环过程中经吸附、沉积作用附着在井壁，形成滤饼。滤饼不能固化，是阻隔水泥浆与井壁形成一体化胶结，导致第二界面胶结强度下降的主要原因。为降低滤饼对第二界面胶结质量的影响，目前通常采用物理冲洗、化学清除、生物降解等清洗技术，但清除效果差、效率低，且易冲蚀和腐蚀套管。为此，人们提出MTC（Mud to Cement）和MTA（Mud Cake to Agglomerated Cake）等滤饼固化技术 。MTC技术钻井液固化剂含量大，性能调控困难。MTA技术受钻井液中黏土加量影响，固化效果有限，且添加剂对钻井液体系适配性较差[1-7]。结合MTC和MTA技术的优势和不足，基于成熟的矿渣碱激发理论[8-11]，提出了在钻井液中加入少量矿渣固化剂，既能满足钻井液工程性能，又能在井壁形成一层可固化滤饼，通过冲洗液对滤饼的渗透、预激活，滤饼能够在固井作业与水泥浆接触的过程中同步水化，生成C—S—H凝胶，实现水泥浆、滤饼的一体化胶结，从根本上解决滤饼对第二界面胶结质量的不良影响。此外，矿渣作为冶金工业废料在石油天然气领域中的有效利用，对于推行绿色环境保护理念，降低能耗，减少成本具有重要应用价值和意义。

1　实验材料、仪器及方法

1.1 实验材料和仪器

矿渣，成都川锋化学工程有限责任公司，S95级矿渣固化剂，成分及碱度见表1；渗透剂，SDS，AEO-9，激活剂（Na2SiO3），NaOH，CaCl2，分析纯，成都科龙化学试剂厂。7A-300电子液压式压力试验机，北京海智科技开发中心；滤饼制备及模拟冲洗装置，研究室自制；Quanta450环境扫描显微镜，复纳科学仪器（上海）有限公司；DX1000型X射线衍射仪，丹东方圆仪器有限公司。

钻井液 2%膨润土+0.2%NaOH+4%SMP-2+ 1.5%SPNH+1%DYFT-2+1%LL-JLC+3%KCl+1%润滑剂+0.3%包被抑制剂+0.5%SMT+重晶石

水泥浆 700 g阿克苏G级油井水泥+4%微硅+30%普通铁矿粉+44%水+4%降滤失剂806L+ 1.5%缓凝剂606L+2%分散剂906L+消泡剂19L

1.2 实验方法

1.2.1 滤饼制备及模拟冲洗

人造岩心模拟地层，釜体模拟温度压力。注入钻井液，制备滤饼；注入冲洗液，模拟冲洗液与第二界面接触。装置示意图见图1，测试方法见图2。

图1　滤饼制备及模拟冲洗装置示意图

图2　第二界面胶结强度测试方法示意图

1.2.2 二界面胶结强度评价

剪切力测试法[12]：1）岩心-钻井液-固结模反向模拟环空；2）矿渣钻井液模拟冲洗，制备仿真滤饼；3）模拟冲洗液冲洗；4）充填水泥浆，水浴养护；5）在岩心上端施加轴向力，通过岩心与水泥环滑脱时受到的剪切力和胶结面面积计算界面胶结强度。评价方法如图2，计算方法如下。

式中，P为胶结强度，MPa；F为下压力，kN；h为胶结面高度，m；D为岩心直径，m。

2　矿渣水化机理分析

研究表明，高炉水淬矿渣经高温煅烧储能，具有很高的潜在活性，具有受碱激发特性：矿渣活性主要来自玻璃体中富硅相和富钙相在碱激发环境中的反应。富钙相为连续相，稳定性差，在碱性激活剂作用下，OH-首先克服富钙相的分解活化能，使激活剂中的Na+、K+替换玻璃体中的Ca2+、Mg2+，连接在Si—O键或Al—O键上，破坏玻璃体结构[13]；随后，富硅相在碱质中分解、水化，生成C—S—H凝胶，根据水化过程不同，C—S—H凝胶有颗粒状和网架状2种形态：

3　矿渣钻井液可固化滤饼第二界面胶结强度

考察矿渣钻井液可固化滤饼第二界面胶结强度，分别考察不同循环时间下普通钻井液和矿渣钻井液滤饼对第二界面胶结强度的影响，结果见表2，通过XRD分析滤饼物相组成，结果见图3。

表2　不同循环时间下钻井液滤饼对二界面胶结强度的影响

图3　钻井液/矿渣钻井液滤饼XRD分析

由表2和图3可知，普通钻井液滤饼第二界面胶结强度随时间增加变化不大；矿渣钻井液滤饼第二界面胶结强度较普通钻井液滤饼有一定提高，且随循环时间增加而增加。未经冲洗液冲洗的矿渣钻井液滤饼，其组分与普通钻井液基本相同，主要成分为SiO2（2θ为26°）、CaSiO4（2θ为30°、33°等）和BaSO4（2θ为25°、26°、29°、43°等）。这说明，矿渣水化需在强碱环境中进行，钻井液不能满足其充分水化的条件；仅靠水泥浆水化产生的碱性环境，激活效果也不明显。

4　渗透型冲洗液

为提高可固化滤饼的固化性能，使滤饼在固井作业接触水泥浆之前就具有较高的水化活性。为此设计一种冲洗液，在钻井液循环后，先于水泥浆注入井筒，对井壁可固化滤饼进行冲洗激活。为进一步提高激活效率，在冲洗液中加入渗透剂，以提高滤饼表面活性，扩大物质交换孔道。

4.1 激活剂和渗透剂的优选

选用矿渣常用激活剂Na2SiO3、NaOH、CaCl2以及渗透剂SDS、AEO-9进行研究，结果见表3。由表3可知，3种激活剂复配加入冲洗液后，第二界面胶结强度显著提高；激活效果依次为NaOH、CaCl2、Na2SiO3。综合考虑工作液外加剂配伍性、激活效果等因素，确定Na2SiO3、NaOH和CaCl2加量分别为10%、2%和5%。

表3　冲洗液中激活剂对滤饼第二界面胶结强度的影响

选用了SDS、AEO-9渗透剂，考察了渗透剂对滤饼第二界面胶结强度的影响，结果见表4。由表4可知，加入不同比例的SDS、AEO-9后，胶结强度提高，增幅为29%～69%；当SDS、AEO-9加量分别为0.6%、0.4%时，第二界面胶结强度提升效果最好。

表4　冲洗液中渗透剂对滤饼二界面胶结强度的影响

4.2 机理分析

冲洗液在压差作用下进入滤饼，激活剂向滤饼中迁移，而渗透剂能够扩大滤饼表面物质交换通道，扩大黏土插层缝隙，提高冲洗液中激活剂对滤饼的渗透效率，为矿渣水化提供充足的激活成分[14]。冲洗后的滤饼XRD分析见图4。通过SEM观察不同滤饼的第二界面胶结形貌，结果见图5。

图4　经冲洗液冲洗后的矿渣钻井液滤饼XRD分析

图5　不同钻井液滤饼与水泥浆的胶结形貌

由图4和图5可知，经冲洗液冲洗20 min，滤饼中的物相组成中除BaSO4外，出现了水化硅酸钙C—S—H，此外还有水化铝酸四钙C4AH13和钙铝黄长石C2ASH8。其中，Ca6Si3O12¨H2O为Ⅱ型C—S—H，钙硅比为2，通常呈网状结构，以粒子为结点交织生长，最终构成连续的三维网状结构，促使滤饼固化，并产生强度。此外，矿渣受激活剂激活，生成了C4AH13和C2ASH8[15]，反应过程如下。

矿渣中玻璃体和矿渣结晶体在NaOH强碱环境中加速解体，硅氧结构破坏，生成含水硅酸胶粒。含水硅酸胶粒与钙离子反应，生成C—S—H凝胶。水化硅酸钙呈无定型网络或纤维发散形态，大量吸附在黏土矿物表面，包覆形成一层由钠碱和硅酸胶粒组成的黏结薄膜；以固相颗粒为结点，硅酸胶粒之间通过缩合作用产生带支链的长—Si—O—Si—链，交错形成黏结桥，连接分散的矿渣水化产物颗粒，形成致密网状胶凝体。Na2SiO3和CaCl2反应生成的Ca（OH）2，与黏土中的硅氧化物反应生成C—S—H凝胶颗粒，填充矿物骨架孔隙，强化滤饼结构。由图5可以看到，普通钻井液滤饼与水泥石之间产生明显裂缝，界面间无胶结，而矿渣钻井液滤饼与水泥石界面不明显，胶结紧密。这是由于矿渣钻井液滤饼与水泥浆接触的过程中，组分发生迁移。水泥水化产物Ca（OH）2与冲洗液留在滤饼中的Na2SiO3反应，在界面生成C—S—H凝胶。

矿渣受碱激活，水化产物沿固相颗粒表面形成絮状包覆，随后呈网状或发散状连接固相颗粒；颗粒水化产物充填网架结构。

5　结论及建议

1.矿渣钻井液可固化滤饼能够提高第二界面胶结强度，但钻井液难以有效激活滤饼中的矿渣，有必要配合使用冲洗液。冲洗液中的激活剂能够直接或间接对矿渣进行预先激活，使滤饼在接触水泥浆之前就具有较高的活性，激活剂Na2SiO3、NaOH、CaCl2的加量分别为10%、2%、5%；冲洗液中的渗透剂能够扩大滤饼表面的物质交换孔道，提高激活剂向滤饼内部迁移的渗透率，渗透剂SDS、AEO-9加量分别为0.6%、0.4%。

2.可固化滤饼的固化分为2个阶段：与水泥浆接触前，滤饼中的矿渣与冲洗液中的激活剂反应；与水泥浆接触后，组分相互渗透，水泥浆自发水化硬化的同时，矿渣与其水化产物发生水化反应，产物均为C—S—H凝胶。C—S—H凝胶对固相颗粒包覆、连接，形成网状胶连，增强界面结构，强化界面过渡区；颗粒状C—S—H凝胶填充结构骨架，实现第二界面胶结强度的提高。

参 考 文 献

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收稿日期（2015-11-02；HGF=1601C14；编辑 王超）

作者简介：第一梅雨堃，硕士研究生，1990年生，毕业于西南石油大学材料科学与工程专业，现从事固井工程材料及技术研究工作。电话18581839430；E-mail：393616488@qq.com。

基金项目：塔里木油田公司局级项目“工艺安全与钻完井工程基础研究”（TLM2011JT05）。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.014

中图分类号：TE256.6

文献标识码：A

文章编号：1001-5620（2016）01-0068-05