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            油基鉆井液對水泥漿性能的影響及其機理
            博燃網● 2015-12-29

            摘 要:目前,油基鉆井液越來越多地被應用于特殊地質條件和特殊工藝井中,而鉆井液與水泥漿之間通常不具有相容性,二者摻混后會產生不同程度的接觸污染,可是,油基鉆井液對水泥漿性能影響及其機理的研究卻相對滯后。為此,實驗分析了油基鉆井液在不同摻混比例條件下,對水泥漿流動度、稠化時間、抗壓強度、膠結強度、孔隙度、滲透率等性能的影響。同時結合超聲波抗壓強度、XRD、熱重分析,初步探索了油基鉆井液摻混對水泥性能影響的機理。結果表明,油基鉆井液摻混不會大幅度影響水泥漿稠化時間,但會形成絮凝結構,降低水泥漿流動性和頂替效率;摻混后的水泥石抗壓強度和膠結強度降低,孔隙度和滲透率升高,影響水泥環封隔能力。油基鉆井液摻混對水泥漿性能影響的機理為:水泥漿與油基鉆井液摻混形成了乳化結構,造成水泥漿中自由水被束縛,導致水泥漿流動性降低;無法固結的油基鉆井液在水泥石中形成孔洞以及油相的潤滑作用是使得混漿水泥石強度降低、孔隙度和滲透率升高的主要原因。

            關鍵詞:油基鉆井液  水泥漿  接觸污染  流動度  強度  乳化結構  自由水

            Effects of oil-based drilling fluid on cement slurry performance and its mechanisms

            AbstractOil-based drilling fluid has been widely applied to wells with special geological or technological requirements,but contact contamination occurs while drilling fluid and cement slurry are mixed due to their incompatibilityHowever,researches on the effect of oil based drilling fluid on the performances of cement slurry and its affecting mechanism are relatively laggedTherefore,tests were conducted on the effect of oil based drilling fluids on cement slurry performances such as mobility,thickening time,compressive strength,bonding strength,porosity and permeability through the change of blending ratioIn addition,preliminary investigation was performed on the influencing mechanism of oil-based drilling fluid blending on cement slurry performances by means of ultrasonic compressive strength,XRD and TGA analysisIt is shown that oil-based drilling fluid blending does not significantly change the thickening time of cement slurry,but results in the formation of some flocculation structures which will reduce mobility and replacement efficiency of cement slurryThe isolating capacity of the mixed cement sheath drops greatly due to the decrease of compressive strength and bonding strength and the increase of porosity and the permeabilityTo sum up,the influencing mechanism of oil-based drilling fluid blending on cement slurry performances is as followsAn emulsion structure is formed after oil-based drilling fluid and cement slurry are mixedThen the mobility of cement slurry drops because its free water is constrained by the emulsion structureStrength reduction and porosity and permeability increase of set cement is mainly caused by lubrication effect of oil phase and by pores which are formed in set cement by unconsolidated oil-based drilling fluids

            KeywordsOil based drilling fluid;Cement slurry;Contamination;Mobility;Strength;Emulsion structure;Free water

            鉆井液與水泥漿是理化性質不同的兩種油氣井工作液,二者之間通常不具有相容性,摻混后會產生不同程度的接觸污染。與水泥漿和鉆井液相比,混漿的流動能力發生重要改變,主要表現為流動性變差,影響固井頂替效率;稠化時間急劇縮短,形成“插旗桿”“灌香腸”等工程事故隱患;水泥水化過程可能發生改變,使其固結物不具備層間封隔能力等[1-2]。對于水基鉆井液與水泥漿之間的接觸污染目前已經開展了大量研究并形成了一些解決辦法[3-9],對于油基鉆井液對水泥漿性能的影響及其機理研究卻相對滯后。油基鉆井液優良的抑制性、抗溫性和潤滑性,使其大量地應用于頁巖氣、鹽膏層、大位移、大斜度等特殊地質和特殊工藝井中[10-13]。伴隨著油基鉆井液使用范圍的擴大,因油基鉆井液與水泥漿接觸污染引起的事故復雜和固井質量問題也隨之增多,如塔里木克深某井在127.00mm尾管固井作業中發生“插旗桿”事故、四川長寧某頁巖氣水平井在127.00mm套管固井作業中發生灌香腸事故,對油基鉆井液與水泥漿之間的接觸污染問題開展研究成為一項迫切的工作。筆者以國內某油田在用高密度油基鉆井液和水泥漿體系為基礎,評價了不同摻混比例條件下,油基鉆井液對水泥漿流變性、稠化時間、抗壓強度、膠結強度、孔滲特性等關鍵性能的影響。同時結合超聲波強度、XRD、熱重等方法分析了油基鉆井液摻混對水泥漿水化過程的影響,初步分析了油基鉆井液對水泥性能影響的機理,以期為有效解決油基鉆井液與水泥漿之間的接觸污染問題提供參考。

            1 實驗材料及方法

            11 實驗材料及儀器

            所用油基鉆井液為取自國內某油田X149.20mm井段完鉆油基鉆井液(哈里伯頓UMD 2柴油基鉆井液體系,密度1.85gcm3),水泥漿為該井137.00mm尾管固井水泥漿體系,配方為100%干灰(G級水泥+30%硅粉+5%微硅)+5%降失水劑+1%分散劑+2%緩凝劑+0.2%消泡劑+水,液固比0.45,水泥漿密度為1.90gcm3。實驗儀器如表1所示。

             

            12 實驗方法

            依據GBT 19139—2012《油井水泥石試驗方法》測試了水泥漿與油基鉆井液在1000、955、75255050的體積摻混比例條件下,油基鉆井液摻混對水泥漿性能的影響[14]。試驗過程為:將油基鉆井液按比例混入新配制好的水泥漿中,在4000rmin條件下混合均勻;②測試不同摻混比例條件下混漿的常溫和高溫(93℃)養護20min后的流動度以及稠化時間;③測試高溫高壓養護48h后混漿水泥石的抗壓強度和界面膠結強度;④測試高溫高壓養護48h后混漿水泥石的孔隙度和滲透率;⑤用水泥超聲波強度分析儀考察油基鉆井液摻混對水泥漿凝結過程的影響;⑥用X射線衍射儀和熱重分析儀考察油基鉆井液摻混后水泥石的物相變化。

            膠結強度測試方法為:選內徑為5cm,長度為8cm的碳鋼管模擬套管,實驗前刷洗干凈;向模擬套管內加入配置好的水泥漿或混漿,兩端蓋上密封蓋好后養護48h,再用壓力實驗機測出使水泥石與模擬套管之間發生相對運動時最大的力;③測出最大壓力之后再按下列兩式計算結果:界面膠結強度一壓力計讀數/水泥石膠結面積水泥石膠結面積一模擬套管內圓周長×模擬套管高度

            2 實驗結果與討論

            21 油基鉆井液摻混對水泥漿性能的影響

            油基鉆井液摻混對水泥漿流動度和稠化時間的影響見表2,摻混后混漿如圖1所示。

             

             

            由表2和圖1可知,在955的摻混條件下,混漿的常溫和高溫流動度有所增加,但混漿中出現了少量絮凝顆粒。當油基鉆井液摻混比例提高到7525時,混漿中出現了大量的絮凝結構,流動度大幅降低,初始稠度也隨之增加,這將嚴重地影響頂替效率和固井質量。當油基鉆井液的摻混比例達到5050時,混漿經高溫(93℃)養護后呈干稠狀并喪失流動能力,這在固井作業中可能引發嚴重的工程事故,造成固井失敗。稠化實驗結果表明,混漿的稠化時間沒有因油基鉆井液的摻混而急劇縮短,反而出現了延長。這與水基鉆井液與水泥漿接觸污染后流動度和稠化時間同時縮短的現象不同[1-6],表明實驗條件下油基鉆井液摻混對水泥漿的作用是增稠而不是促凝。

            油基鉆井液摻混后對水泥石性能的影響見表3。養護后水泥石的形貌如圖2所示。

             

             

            由表3可知,油基鉆井液摻混后的水泥石抗壓強度和膠結強度出現了較大幅度的降低,這表明混漿水泥石不具備層間封隔能力,如果出現竄槽和頂替不充分,將對固井質量和環空水力密封產生不利影響[15-16]。當摻混比例達到5050時,混漿雖已經凝結成形,但由于含有大量油分,結構松散,無法形成強度。同時油基鉆井液摻混后的水泥石孔隙度和滲透率急劇升高,從圖2中可以看出,水泥石與油基鉆井液7525摻混水泥石中形成了大量肉眼可見的孔洞,這可為井下流體竄流提供通道。

            22 油基鉆井液摻混對水泥漿水化過程的影響

            利用水泥超聲波強度分析儀考察了不同油基鉆井液摻混比例條件下混漿的凝結過程,實驗結果如圖3所示。

             

            由圖3可知,雖然油基鉆井液的摻混影響了水泥石強度的最終強度,但是未摻混的凈漿和摻混后的混漿約在10h出現了一個水泥快速水化、強度迅速升高的過程,說明油基鉆井液的摻入沒有影響水泥石的水化過程,這與稠化實驗結果相對應。不同摻混比例水泥石的XRD分析結果(4)表明,油基鉆井液摻混后除了引入加重劑重晶石外,混漿水泥石中沒有物相的消失和新物相的生成。不同摻混比例水泥石的熱重分析(5)結果表明,混漿水泥石中的特征水化產物氫氧化鈣含量沒有發生較大變化。以上分析實驗結果表明,化學干涉不是造成油基鉆井液與水泥漿接觸污染的主要原因。

             

            23 油基鉆井液與水泥漿接觸污染機理分析

            油基鉆井液與水泥漿的潤濕性完全相反,二者之間不能互溶。如圖6所示,在攪拌等外力作用下,油基水泥漿以油滴或油帶的形式分散在水泥漿中,近似地形成了一種以水泥漿為連續相的“水包油”乳化結構。除了會形成“水包油”的結構外,油基鉆井液還會包裹水泥漿中的自由水,形成“水包油包水”多重乳化結構,從而對水泥漿中的自由水產生了束縛作用。在低摻混條件下,混漿中水包油包水多重乳化結構的數量是有限的,因此對水泥漿性能的影響是有限的。但在較高的油基鉆井液摻混比例條件下,會形成大量的“水包油包水”多重乳化結構,使得水泥漿中自由水被大量束縛,導致混漿流動性降低甚至喪失。與此不同的是,李明等[5-6]指出水基鉆井液中的生物增黏劑等聚合物與水泥漿中的Al3+、Fe3+等高價金屬離子形成凝膠并大量包裹自由水是造成水基鉆井液對水泥漿產生接觸污染后混漿流動度明顯降低的直接原因。此外,Skalle[17]Aughenbaugh[18]指出,由于油基鉆井液中的分散相為鹽度較高的CaCl2溶液,油水界面相當于半透膜,當與水泥漿接觸時,水泥漿中的鹽度較低的自由水會在內外鹽度差的作用下向內部遷移,這會進一步導致水泥漿流動能力降低。

             

            水泥石的強度不僅與水泥本身的水化程度和水化產物組成有關,還與水泥石的孔隙率、孔結構等因素有關[19-20],其中,水泥石孔洞越多,其力學強度越差。由于油基鉆井液油滴或油帶不具有固結能力,會在水泥石中形成孔洞,破壞水泥石骨架的連續性和結構完整性。同時油相還可在水泥石骨架顆粒之間起到潤滑作用,使得水泥石在受外力作用時骨架顆粒之間更易發生滑移變形[21]。因此,由油基鉆井液摻混而形成的孔洞和油相的潤滑作用使得摻混后的水泥石強度降低,孔隙度和滲透率升高。

            3 結論

            1)油基鉆井液摻混會對水泥漿的流動度、抗壓強度、膠結強度、孔隙度、滲透率等性能產生不良影響,降低固井頂替效率及層間封隔能力,破壞水泥環完整性。

            2)由于水泥漿與油基鉆井液之間不具有相容性,二者摻混形成乳化結構以及鹽度差作用是造成水泥漿的自由水被束縛,流動性能降低的主要原因;無法固結的油基鉆井液在水泥石中形成孔洞以及油相在水泥石骨架顆粒之間的潤滑作用則是使得油基鉆井液摻混后的水泥石強度降低、孔隙度和滲透率升高的主要原因。

             

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            本文作者:李早元  辜濤  郭小陽  康鎖柱  李明  歐紅娟  柳洪華

            作者單位:“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學

              中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司

             

             

             

             

             

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