泥饼质量改进剂及其对固井质量的影响

张健伟，王　鉴，李　欣，孟庆明，祝宝东

(东北石油大学化学化工学院，石油与天然气重点实验室，大庆　163318)



泥饼质量改进剂及其对固井质量的影响

张健伟，王鉴，李欣，孟庆明，祝宝东

(东北石油大学化学化工学院，石油与天然气重点实验室，大庆163318)

以增强油井固井界面胶结强度，提高固井质量为目的，从增强泥饼的强度、减小泥饼厚度、提高泥饼与固井水泥浆胶结力的角度出发，研制了一种新型的泥饼质量改进剂EA，考察了EA对固井界面胶结强度的增强效果，分析了EA的界面胶结增强机理。EA由磷酸钙矿物纤维、金红石粉和磺化丹宁组成，通过网状支撑和诱导作用增强泥饼强度，通过表面活性和静电排斥作用减薄泥饼厚度。将EA以1%的比例加入到钻井液中，泥饼强度和模拟固井二界面的胶结强度分别提高到原强度的19倍和8.5倍，油田现场应用结果表明油井的平均固井优质率可提高30%。

泥饼; 固井弱界面; 界面胶结; 固井质量

1　引　言

固井施工中，在固井界面上存在钻井液黏附层，在渗透性地层井壁上会形成1～5 mm厚的泥饼。由于这些黏附钻井液以及形成的泥饼具有明显的层状结构，不能与水泥浆良好地胶结，固化性很差，形成了固井胶结的弱界面，即骨架胶结的结构疏松、孔渗增大的环形水泥过渡带[1-3]。固井弱界面的存在，严重影响了固井界面的胶结强度，降低了固井质量[4]。针对固井弱界面现象，研究者先后研发出MTC固井技术[5-8]、多功能钻井液[9-14]、MTA泥饼仿地成凝饼技术[15-19]等。这些技术通过向钻井液中加入一些潜在的活性物质，促进泥饼的固化，使泥饼的强度变大，实现泥饼与水泥浆的整体固化，提高了界面胶结强度。

本文对上述固井技术进行了改进，研制了一种新型的泥饼质量改进剂EA，该泥饼质量改进剂在使用时可直接加入钻井液，无需在隔离液或冲洗液中加入激活剂，在增加泥饼强度的同时，还能减少泥饼的厚度，进一步加强界面处泥饼与井壁的亲和力，从而提高固井质量。

2　实　验

2.1实验材料

所研制的泥饼质量改进剂EA是一种固体颗粒，粒度低于100目，骨架密度为0.9 g/cm3。该泥饼质量改进剂EA由有机磷酸钙矿物纤维(MFS)、金红石粉(NTS)和磺化丹宁(LPS)三种物质充分混合组成，组成比例如下：45% MF+30% NPS+25% LPS。实验所用钻井液为坂土浆，组成为：500 g水+25 g膨润土+1.25 g碳酸钠，密度1.05 g/cm3，漏斗粘度33 s，滤失量9.20 mL。水泥为G级油井固井水泥，按照水灰比为0.8∶1的比例配制成固井水泥浆。

2.2实验方法

2.2.1泥饼制备及强度测试

在钻井液中加入一定量的EA 置于高速搅拌器中，于4000 r/min速度下搅拌 15 min，充分混合后，利用ZNS-5A型中压滤失仪在0.69 MPa下滤失30 min，制备出泥饼。除去泥饼表面的虚泥饼后，将其置于200 mL水泥滤液中，45℃下常压养护7 d。利用水流冲刷法测定泥饼被冲破的时间，利用沥青针入度仪测定泥饼的厚度，二者比值定义为泥饼的强度，单位为min/mm。

2.2.2钻井液性能测定

在钻井液中加入一定量的EA 置于高速搅拌器中，于4000 rpm速度下搅拌 15 min，充分混合后，利用YM-2密度计、MN-4型马氏漏斗粘度计、ZNN-D6B型六速旋转粘度计分别测定钻井液的密度、漏斗粘度和流变参数，考察EA对钻井液基本性能的影响。

2.2.3模拟二界面胶结强度测试

将直径7 cm、高度12 cm的圆柱形模拟岩心置于含有一定量EA的钻井液中于45℃下养护24 h。待模拟岩心表面形成一定厚度的泥饼后，取出，放在外径14 cm、内径12 cm、高度10 cm的钢套管中心部位，然后在二者构成的环形区域灌注油井水泥浆，室温下放置24 h后，置于45℃下常压养护7 d，利用 CMT5105型拉力测试机测定模拟岩心从水泥环中被压出的最大压力，该压力值与模拟岩心和水泥环的胶结面积的比值定义为模拟二界面胶结强度值，单位为MPa。

2.2.4EA增强机理分析

将自然干燥后的泥饼样品进行SEM电镜扫描分析(ΣIGMA扫描电镜)和XRD衍射分析(Rigaku D/max-2200 X-ray衍射分析仪)观察分析EA对泥饼微观结构和组成的影响。

3　结果与讨论

3.1EA用量对泥饼强度和厚度的影响

向一定量的钻井液中加入不同量的EA，考察EA用量对泥饼强度和厚度的影响，结果如图1所示。由图1可看出，当钻井液中EA添加量为0.0%时，泥饼的强度为0.35 min/mm，随着EA用量的增大，泥饼强度呈现先增大后减小的趋势，当EA的添加量为钻井液质量的1%时，泥饼强度达到最大，为6.49 min/mm，此时泥饼强度是未加EA泥饼样品的19倍，泥饼强度显著增强。当EA在钻井液中添加量在0.0%～1.4%变化时，泥饼的厚度随EA添加量的增大呈现先降低而后增大的趋势，当EA的添加量为钻井液质量的1%时，泥饼的厚度最小。

图2给出了钻井液在添加1% EA前后，制备出的泥饼经水泥滤液养护晾干后的宏观对比照片。由图2可以看出，EA的加入可显著减少泥饼的皴裂程度，韧性增强，有利于泥饼与井壁和套管壁的紧密胶结。

图1　EA添加量对泥饼强度和厚度的影响Fig.1　Influence of EA dosage on mud cake strength and thickness

图2　泥饼的宏观照片Fig.2　Pictures of mud cakes(a)without EA;(b)with EA

3.2EA对钻井液性能的影响

向一定量的钻井液中加入不同量的EA，根据API specification 13测定钻井液的基本性质，结果见表1。

表1　不同EA含量下钻井液的主要物理性质

All data were measured at (45±0.5)℃.

由表1可以看出，当EA在钻井液中的加入量为0%～1.2%时，钻井液的滤失量明显下降，而密度和马氏漏斗粘度没有发生显著变化。虽然流变参数AV、PV 和 YP随着EA用量的增加略有下降，但是降低趋势不显著。由此可以推断，EA有利于改善钻井液的流变性能和滤失性，但不会显著影响钻井液的密度等基本性质。

3.3EA对模拟固井二界面胶结强度的影响

向钻井液中加入1%的EA进行界面模拟实验，测试界面胶结强度，考察EA对模拟固井二界面胶结强度的影响，结果见表2。

表2　模拟固井二界面胶结强度测试结果

由表2可以发现，当EA以最佳用量加入到钻井液后，模拟固井二界面的胶结强度可提高到原强度的8.5倍，增强效果显著。由此表明，本文研制的EA可显著增强二界面的胶结强度。

3.4EA增强机理

为了进一步研究EA的泥饼增强作用机理，将自然干燥后的泥饼样品进行XRD衍射分析和SEM电镜扫描分析，结果见图3和图4。

图3　泥饼的XRD图谱Fig.3　XRD patterns of mud cakes

由图3可以看出，加有EA的泥饼中出现了大量的片状沸石、杆状沸石和水化硅酸钙凝胶(C-S-H)类物质[20,21]。这些沸石类和凝胶类物质，填充在泥饼粘土颗粒之间，可以提高泥饼的密实度，并起到粘结作用，有利于提高泥饼的强度和韧性。

泥饼和水泥浆固化体的SEM图(图4)对比分析，发现不加EA的泥饼内部存在大量片状的粘土矿物颗粒，颗粒之间存在很多缝隙，孔隙度较大(图4a)。如此松散的内部结构必然导致泥饼强度较弱。而加有EA的泥饼内部除了粘土颗粒以外，还生成了大量的与水泥石本体成分相似的物质(图4b和图4c)，结合XRD衍射分析结果，推断新生成的棒状物质为水化硅酸钙凝胶[22,23]。该物质的生成使泥饼内部的结构与水泥石本体的结构非常相似(图4b和图4c)，有助于提高泥饼与水泥环的界面胶结性能，进而提高固井质量[24]。

图4　泥饼和水泥浆固化体的SEM图Fig.4　SEM images of mud cakes and set cement(a)mud cake without EA;(b)mud cake with EA;(c)set cement

上述分析结果表明，EA有助于在泥饼内部生成沸石类物质和水化硅酸钙凝胶(C-S-H) ，其作用机理推导如下：

EA中的纳米级的金红石粉与钻井液中的粘土颗粒接触后，会进入到粘土颗粒之间的空隙或者吸附在粘土颗粒表面，这些纳米颗粒会吸引水泥滤液中的硅酸根和钙离子扩散进入泥饼内部，与泥饼内部的吸附水进一步水化，生成水化硅酸钙凝胶，增强泥饼的强度。

EA中的有机磷酸钙矿物纤维，起到骨架支撑作用，其交织而成的网状结构为粘土颗粒和生成的水化硅酸钙提供了有效的空间并将这些物质牢牢紧密的锁定在一起，从而提高泥饼的密实度和硬度。

EA中的磺化丹宁(LPS)使粘土颗粒表面带有大量的负电荷，颗粒之间的排斥力增大，钻井液流动性增强。另外，磺化丹宁与钻井液内部的吸附水作用，在粘土颗粒表面生成一层溶剂化水膜，该水膜具有润滑作用，阻止了粘土颗粒之间的进一步吸附以及粘土颗粒在井壁上的二次吸附，从而减少泥饼的厚度。

总之，EA通过骨架支撑、纳米诱导、静电排斥和溶剂化水膜共同作用，在提高泥饼强度的同时，减少了泥饼的厚度，促使界面处形成薄而硬的泥饼，进而提高固井界面胶结强度，改善固井质量。

3.5EA现场应用

为了进一步考察EA在油田中的实际应用效果，在大庆油田选取485口油井经行现场钻井固井实验。现场实际使用的钻井液为聚合物钻井液，基本配方组成为：5%膨润土+0.4% NPAN+2% SPNH+0.3% FA-368+0.2% XY-28+0.9%有机硅腐钾+0.4%纯碱+0.05% KOH。固井水泥浆基本配方组成为：70%G级水泥+2%ZJ202+15%漂珠+1%SXY-2+12%DDZQ，水灰比为0.8，密度为1.50 g/cm3。结果表明钻井液中加入EA后，油井的平均固井优质率达到76%，与原有的46%相比，提高了30%。因此，EA具有较好的现场应用效果，可以显著提高固井质量。

4　结　论

为了改善固井弱界面现象，本文研制了一种泥饼质量改进剂EA，考察了EA的的增强效果，并分析了EA的作用机理，得到的结论如下。

(1)EA以1%的比例加入到钻井液后，泥饼的强度可提高到原强度的19倍，模拟固井二界面的胶结强度可提高到原强度的8.5倍，现场应用结果表明油井的平均固井优质率可提高30%。EA具有显著的泥饼增强效果和界面增强效果；

(2)EA有利于降低钻井液的滤失量，改善钻井液的流变性质，但不会显著影响密度、粘度等等基本性质。因此，EA不影响钻井液的正常使用；

(3)EA通过诱导作用有效促进了沸石物质及水化硅酸钙凝胶物质在泥饼的内部生成，结合矿物晶须的网状支撑作用，显著增强了泥饼的强度。同时，通过低分子极性聚合物的表面活性作用和静电斥力作用，加强了粘土颗粒的分散性，阻碍了粘土颗粒在泥饼或井壁上的二次吸附，有利于形成较薄的泥饼。

[1]Jun G,Pei Z,Chun S,et al.Effect of interface defects on shear strength and fluid channeling at cement-interlayer interface[J].J. Petrol. Sci. Eng.,2013,100:117-122.

[2]Mushtaq W.Experimental study of cement-formation bonding[P].Dissertation,Norwegian University of SEAnce and Technology,2013.

[3]Opedal NT,Malin T,Torbjrn V,et al.Potential Leakage Paths along Cement-formation Interfaces in Wellbores:Implications for CO2Storage[J].Energy Procedia.,2014,51:56-64.

[4]Ladva H K J,Craster B,Jones T G J,et al.The cement-to-formation interface in zonal isolation[J].SPE Drilling and Completion.,2005,20(3):186-197.

[5]Miller G L and Barthel H F.Drilling mud-cement composition for well cementing compositions[P].US3887009,1975.

[6]Tare U A,Takach N E,Miska S Z,et al.Investigation of drilling fluids containing blast furnace slag for their potential impact on formation damage-a laboratory study[J].J. Energy Res. Techn.,1999,121(3):149-153.

[7]周世良,牟德刚,杜辉强,等.推广矿渣MTC技术提高固井质量[J].石油钻探技术,2002,30(6):26-28.

[8]黄河福,步玉环,田辉,王瑞和.MTC固井液二界面胶结强度实验研究[J].中国石油大学学报(自然科学版).2006,30(6):46-50.

[9]路宁,马祥林,杨小环.多功能钻井液可提高固井质量[J].石油钻采工艺,1999,21(1):29-32.

[10]杨振杰,叶海超,龚保强,等．固井液与多功能钻井液泥饼整体固化胶结的可行性探讨[J].钻井液与完井液,2002,19(5):1-7.

[11]Karagüzel C,Etinel T,Boylu F,et al.Activation of (Na,Ca)-bentonites with soda and MgO and their utilization as drilling mud[J].Appl.Clay Sci.,2010,48(3):398-404.

[12]孙晓宏,谢凤臣,刘志明,等. LPS多元硅钻井液提高二界面胶结强度的研究[J].钻井液与完井液. 2002,19(2):6-8.

[13]Lili Y,Cheng B W,Bo X,et al.Preparation of a novel amphiphilic comb-like terpolymer as viscosifying additive in low-solid drilling fluid[J].Mater. Lett.,2013,105(15):232-235.

[14]顾军,李新宏,先花等.油井水钻井液与多功能钻井液泥饼界面离子扩散阻碍机理[J].石油学报,2013,34(2):359-364.

[15]顾军.固井二界面问题与泥饼仿地成凝饼科学构想[J].石油天然气学报:江汉石油学院学报,2009,31(1):71-74.

[16]顾军，秦文政.MTA方法固井二界面整体固化胶结实验[J].石油勘探与开发,2010,37(2):226-231.

[17]顾军,杨卫华,张玉广,等.固井二界面泥饼仿地成凝饼与凝灰岩成岩的关联性[J].中国石油大学学报:自然科学版,2011,35(2):64-68.

[18]顾军,杨亚馨,张鹏伟,等.MTA防窜固井技术原理及现场应用分析[J].石油钻探技术,2012,40(1):17-21.

[19]顾军,何吉标,谯世均,等.MTA方法防气窜固井技术在涩北气田的应用.天然气工业,2014,34(4):83-88.

[20]王智,王林龙,王应.单矿物粘土对水泥砂浆性能及水泥水化的影响[J].硅酸盐通报,2014,33(12):3067-3074.

[21]何吉标.固井二界面活化机理研究[D].北京：中国地质大学学位论文，2014.

[22]雷永胜,韩涛,王慧奇,等.水热合成水化硅酸钙(C-S-H)的制备与表征[J].硅酸盐通报,2014,33(3):465-469.

[23]Marcos A S A,Antonio E M,Dulce M A,et al.Hydration of oil well cement containing sugarcane biomass waste as a function of curing temperature and pressure[J].J. Petrol. Sci. Eng.,2013,109:291-297.

[24]Mileva R,Arome O.Experimental evaluation of wellbore cement-formation shear bond strength in presence of drilling fluid contamination. 5th International Conference on Porous Media and Their Applications in SEAnce[J].Engineering and Industry.2014,6:22-27.

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

东北石油大学校内青年基金项目(NEPUQN2014-12)

张健伟(1980-)，女，硕士研究生，副教授.主要从事油田化学及钻井液方面的研究.

TD985

A

1001-1625(2016)02-0623-05