水基钻井液泥饼增强剂及作用机理研究

＊李忠诚 陈栗 何宇 徐小红 梁梦娜

(1.中国石油吉林油田勘探开发研究院 吉林 138000 2.东北石油大学石油工程学院 黑龙江 163318）

随着勘探开发的逐步深入，非常规致密油藏逐渐成为开发的热点。对于这些油藏的开采，一般采用水平井固井后，射孔加大型压裂的完井工艺[1-4]，而固井质量又是其中至关重要的因素，直接影响到后期压裂的效果。吉林油田水平井裸眼段和水平段越来越长，出现顶替效率差、二界面泥饼厚且胶结强度低、固井弱界面严重等问题，严重影响固井质量评 价[5-6]。目前，针对固井弱界面问题，已经出现了泥浆转化水泥浆技术[7]、泥饼仿地成凝饼技术（MTA）[8]、泥饼固化技术（MCS）[9]等。其中，MTA和MCS技术在众多油田得到了广泛的应用，解决了泥饼无法固化引起的固井弱界面问题，提高了界面胶结强度。但上述两种技术仅报道应用于中浅直井，未见其在垂深3000m以上水平井中应用。

本文针对吉林油田水平井水平段顶替效率差、二界面泥饼厚且胶结强度低的问题，研制了一种新型的泥饼增强剂，该泥饼增强剂基于火山灰反应、骨架变形及纳米填充作用，可以提高泥饼的强度、降低泥饼的厚度、提高泥饼的致密性，进而改善泥饼的性质，减少固井弱界面问题，提高固井界面胶结强度，为后续的压裂提供良好的井筒环境。

1.实验

(1)实验材料

所研制的界面增强剂由硅酸盐矿物颗粒、无机纳米颗粒和高分子聚合物组成，各组分的比例为：硅酸盐矿物80%～90%，无机纳米颗粒20%～40%，高分子聚合物10%～20%，其中硅酸盐矿物自加工，无机纳米颗粒和高分子聚合物购自上海凯茵化工有限公司。实验所用钻井液为聚合物钻井液，水泥为G级油井固井水泥，均取自吉林油田。

(2)实验方法

①泥饼制备及性能测试。在钻井液中加入泥饼增强剂，充分搅拌混合后，利用高温高压滤失仪制备出泥饼。清水冲洗去除表面的虚泥饼，然后将其置于200mL水泥滤液中，90℃下常压养护7天。利用冲刷法测定泥饼的强度，利用针入度法测定泥饼的厚度，利用压缩系数法评价泥饼的韧性，压缩系数越小泥饼的韧性越好[10]。

②钻井液性能测定。在钻井液中加入泥饼增强剂，充分混合后，利用YM-2密度计、MN-4型马氏漏斗黏度计、ZNN-D6B型六速旋转黏度计分别测定钻井液的密度、漏斗黏度和流变参数，考察泥饼增强剂对钻井液基本性能的影响。

2.结果与讨论

(1)泥饼增强剂对泥饼性能的影响

将泥饼增强剂以一定的比例加入到钻井液中，高温高压滤失制备泥饼，测定泥饼的强度、厚度和压缩性能，结果见图1。

图1 泥饼增强剂对聚合物钻井液泥饼性能的影响

由图1可以看出，泥浆中加入泥饼增强剂后，泥饼的强度显著提升、厚度和压缩系数也明显减小；随着泥饼增强剂加量的增大，泥饼的强度先增大后减小，而厚度和压缩系数则先减小后增大；当泥饼增强剂加量为0.7%～1.0%时，泥饼的性能最好，与空白泥饼相比，强度增大到原强度的29～33倍、厚度减小37%～39%、韧性增加15%～17%。泥饼增强剂具有良好的泥饼性能改善效果。

(2)泥饼增强剂对钻井液性能参数的影响

为了评价泥饼增强剂与钻井液的配伍性，向钻井液中加入不同比例的泥饼增强剂，测定钻井液的基本性质，结果见表1。

表1 泥饼增强剂对钻井液主要性能参数的影响

由表1可以看出，在泥浆中加入泥饼增强剂后，滤失量和漏斗黏度明显下降，说明泥饼增强剂有利于提升泥浆的滤失性能和流动性，促进致密泥饼的生成；泥饼增强剂对泥浆六速参数的影响不明显，说明泥浆的流变性不受泥饼增强剂的影响。

(3)泥饼增强剂作用机理

为明确泥饼增强剂作用机理，对加入泥饼增强剂前后的泥饼进行XRD衍射分析、SEM电镜扫描和TG分析，分析泥饼在化学组成、微观结构和热性能方面的变化，结果见图2～图4。

图2 泥饼的XRD图谱(a)0.8%;(b)0.5%;(b)0%

图3 泥饼的SEM图(a)0%；(b)0.8%

图4 泥饼TG图(a)空白泥饼；(b)加泥饼增强剂

对比加入泥饼增强剂前后泥饼的XRD图（图2）可知，泥饼中加入泥饼增强剂后，生成了水化硅酸钙及其凝胶类物质，这些产物与SEM图（图3b）中出现的羽翼状或纤维状的物质相对应。水化硅酸钙及凝胶（C-S-H）为泥饼提供了硬化源，填充在泥饼黏土颗粒之间，通过提供硬化体和胶结作用，提高泥饼的强度和致密性。

图4的热重曲线也可以看出，100℃以前，主要是自由水和松散吸附水分解失重，100～300℃主要是紧密吸附水分解引失重，300℃以前加入泥饼增强剂前后泥饼的失重率区别不明显；300～550℃时，主要是C-S-H凝胶物质分解引起的失重，此温度范围内，b线对应的失重率为11.51%，远高于a线失重率（3.68%），这也说明，加入增强剂后，泥饼内部生成了大量的C-S-H，该物质的生成有助于提高泥饼的强度；550～ 700℃区间出现的失重主要是Ca(OH)2分解失水、黏土矿物脱水分解、CaCO3晶体分解所致，此区间二者失重区别不大。由此，泥饼增强剂的加入，促进了泥饼内部C-S-H的大量生成。

基于上述微观表征分析，结合泥饼增强剂成分的化学性质，推导泥饼增强剂的作用机理（图5）如下：通过水化反应在泥饼内部生成大量的C-S-H，为泥饼提供大量硬化体，提高泥饼强度；通过高分子聚合物的分散变形能力，提高黏土颗粒的分散性，防止大颗粒的聚集，并结合无机纳米材料的孔隙填充作用，提高泥饼的韧性和致密性，并降低了泥饼的厚度。

图5 泥饼增强剂作用机理

(3)泥饼增强剂现场应用

为进一步考察泥饼增强剂在油田的实际应用效果，选取吉林油田2口井进行现场试验，井深平均为3500m。测井结果表明，两口井的固井二界胶结质量合格率为100%，中等以上占比分别为92.4%和99.5%。该区块其它未使用界面增强剂的采油井的固井二界胶结质量平均合格率为89.7%、中等以上占比平均为63.5%。使用泥饼增强剂后，固井界面胶结质量显著提升，中等以上占比提升约32个百分点，远远高于中石油规定的固井质量红线要求（固井二界面胶结强度质量中等以上井段长度大于封固井标段长度75%以上），现场应用效果良好。与MTA技术应用于浅井相比，本文中的泥饼增强剂在深井中也体现了良好的界面增强效果。

3.结论

针对水平井水平段井壁泥饼质量差、固井弱界面现象严重的问题，本文研制了一种可有效增强泥饼性能的泥饼增强剂，通过室内试验和现场应用，评价了该泥饼增强剂的作用效果，结论如下：（1）泥饼增强剂由硅酸盐矿物颗粒、无机纳米颗粒和高分子聚合物组成，在钻井液中的适宜加量为0.7%～1.0%，此条件下，与空白泥饼相比，泥饼强度增大到原强度的29～33倍、厚度减小37%～39%、韧性增加15%～17%。泥饼增强剂具有良好的泥饼性能改善效果。（2）泥饼增强剂可改善钻井液的滤失性、降低钻井液的黏度，但对流变性影响不显著，泥饼增强剂与钻井液的匹配性良好。（3）泥饼增强剂应用于油田两口水平井后，固井界面胶结质量显著提升，中等以上占比超过92%，提升约32个百分点，现场应用效果良好。