MTA方法固井二界面整体固化胶结实验

顾军,秦文政

(中国地质大学(武汉)资源学院)

MTA方法固井二界面整体固化胶结实验

顾军,秦文政

(中国地质大学(武汉)资源学院)

基于泥饼仿地成凝饼的科学构想,采用力学性能评价(如胶结强度)、微观结构分析(如X射线粉末衍射分析、热失重分析、环境扫描电子显微镜分析)和流体溶蚀实验等方法对MTA方法固井二界面整体固化胶结进行了实验研究。研究结果表明:随着养护时间的延长,用MTA方法得到的固井二界面胶结强度较目前提高了37.81%～1 606.31%;泥饼与水泥浆发生了局部的同步水化硬化反应,且生成了少量的团状水化硅酸钙(CSH(Ⅰ))凝胶和片沸石类凝胶,显示固井二界面整体固化胶结;流体溶蚀实验表明,采用目前方法,养护成型的样品浸泡28 d后,泥饼还原成了浑浊的稀钻井液,而用MTA方法得到的凝饼与水泥硬化体已胶结为一体,且凝饼未被溶蚀,表现为杯内流体仍清澈。这印证了两个事实:一是泥饼仿地成了凝饼,二是固井二界面已整体固化胶结。图6表1参16

固井二界面;泥饼仿地成凝饼(MTA);MTA方法;整体固化胶结;实验证据

0 引言

固井二界面问题是长期困扰石油工程界且亟待解决的一个复杂工程难题,其严重制约了石油天然气勘探开发的效果和效益已是不争的事实[1-4]。研究表明,流体窜流的通道是固井二界面[5,6],即只要有泥饼存在,不管多薄,水泥环与地层壁面之间都会存在不同程度的剥离而形成微裂缝,导致固井二界面胶结强度下降[7],给被圈闭于地层的流体创造窜流路径[8],因此影响固井二界面封隔失效的主要因素是界面缺陷和强度不足[9],原因是固井二界面不能实现整体固化胶结[10]。鉴于此,20世纪90年代初泥浆转化为水泥浆技术(简称MTC法)应运而生[11,12],若MTC法与多功能钻井液相结合便可实现固井二界面整体固化胶结。然而,早在1994年起就有学者对MTC技术提出质疑[13-15],认为MTC法的硬化体存在严重的脆裂问题[14],致使MTC法仅可用于固表层套管和技术套管[15],即MTC法的硬化体难以具备传统水泥硬化体的关键性能。

为此,笔者提出了泥饼仿地成凝饼(简称MTA)的科学构想[16],旨在实现非MTC方法固井二界面整体固化胶结。笔者以大庆油田封固段物性和相关样品为基础,采用力学性能评价、微观结构测试、流体溶蚀试验等方法,获得了MTA方法固井二界面整体固化胶结的实验证据。

1 MTA方法固井二界面整体固化胶结实验

1.1 实验材料与条件

实验用钻/完井液取自大庆油田南1-21-P026井,其配方为高分子钻/完井液+5%泥饼改性剂(自制)。实验用前置液配方为自来水+5%凝饼形成剂(自制)。水泥浆体系选用大庆油田调整井固井常用的水泥浆体系,其配方为API标准A级固井水泥(葛州坝水泥厂生产)+0.3%分散剂(自大庆油田)+46%自来水。自制仿地井筒的渗透率和孔隙度模拟大庆油田主要封固段,分别为450×10-3μm2和26%,内筒直径为33 mm,外筒直径为100 mm。

鉴于大庆油田调整井固井二界面胶结质量检测时间为15 d左右,因此选择的力学性能实验样品养护时间分布在 15 d前后 ,即1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d和63 d;养护方式为浴养;养护温度为38℃;养护压力为常压(通常为0.1 MPa);泥饼厚度为1.0～1.5 mm;前置液与泥饼的接触时间为2 min。

1.2 实验流程

本实验分为以下7步。

第1步:制备仿地井筒。具体做法是:①通过大量的模拟实验,确定相应的物料配比和需施加的恒压数值;②将黄沙和标准砂筛选即得到一定级配的仿地井筒用砂;③称取一定质量比例的物料,拌匀即得仿地井筒混合材料;④对 PVC管模具进行组合和定位;⑤将PVC管组合模具置于压力试验机座上,倒入拌匀后的混合材料;⑥用直径100 mm的钢制圆柱压头对混合材料表面缓慢加压至需加的恒压数值,并保持恒压3～5 min;⑦卸压,将仿地井筒与模具一起取出;⑧24 h后,将仿地井筒与模具置于电炉箱中加热,PVC管受热膨胀,自动剥离仿地井筒,即得到完整的仿地井筒(见图1)。

图1 仿地井筒

第2步:制作仿真泥饼。具体做法是:①将仿地井筒置于玻璃板或光滑木板上,同时用两面胶带和高温黄油等将仿地井筒底部密封;②用大型注射器向仿地井筒内轴向均匀地注入实验用钻井液,注入量应以与仿地井筒上表面平齐为准;③按照养护温度要求将其置于养护箱中静置2 h,再用自制工具去掉虚泥饼,即制得所需厚度的泥饼。

第3步:用前置液浸泡仿地井筒。具体做法是:将提前配制好的实验用前置液倒入已形成泥饼的仿地井筒内,浸泡2 min。

第4步:配制水泥浆并向仿地井筒内灌注。具体做法是:首先按API规范10配制实验用水泥浆,然后倒入已用前置液浸泡过泥饼的仿地井筒内,并使浆体液面略高于仿地井筒上表面,用搅拌棒插捣水泥浆数次,以确保水泥浆的密实性。

第5步:实验样品养护。具体做法是:先将已灌注水泥浆的准样品经特殊方法进行密闭、防湿处理,之后,将其移到预先加热到一定温度的水泥石强度养护箱内养护一段时间,养护箱可模拟地层油水对界面的扰动。图2为一养护成型的实验样品。

图2 养护成型的实验样品

第6步:固井二界面胶结强度测试。具体做法是:将养护一定时间的样品取出,自然冷却至室温后,在经过改装的压力试验机上测压脱值(F),同时量出仿地井筒的高度(h),则固井二界面胶结强度(P)可由下式算出:

式中 P——固井二界面胶结强度,MPa;F——压脱值,kN;h——仿地井筒的高度,cm;D——仿地井筒内径,本实验均为3.3 cm。

第7步:微观结构测试和流体溶蚀实验。具体做法是:从测完固井二界面胶结强度(养护时间为14 d)的样品中选取若干有代表性的样品。选中的样品中,部分在水泥硬化体、泥饼、凝饼及水泥硬化体-凝饼界面取样的样品用于进行X射线粉末衍射(XRD)、热失重(TG)和环境扫描电子显微镜(ESEM)测试;部分放入已装有矿泉水的洁净玻璃杯中用于观测流体对泥饼和凝饼的溶蚀情况。

2 结果与分析

2.1 力学性能证据

用目前方法和M TA方法得到的固井二界面胶结强度的结果见表1。可以看出,M TA方法的固井二界面胶结强度较目前方法平均提高了37.81%～1 606.31%,且M TA方法的固井二界面胶结强度随养护时间的延长而显著增大,而目前方法固井二界面胶结强度在0.1 MPa左右。其中,养护时间在14 d以上时,不仅固井二界面胶结强度提高了750%以上,而且胶结强度绝对值达到了0.67 MPa以上。

表1 目前方法和MTA方法固井二界面胶结强度对比

图3 凝饼的XRD谱图(图中数据为X射线衍射强度,cps)

2.2 微观结构证据

2.2.1 凝饼的X射线粉末衍射(XRD)分析

由凝饼的XRD图谱(见图3)可以看出:

①凝饼水化产物衍射特征峰仅出现少量的片沸石类矿物(X射线衍射强度2 723.8 cps)、杆沸石类矿物(2 051.8 cps、1 749.7 cps)和 CSH(Ⅰ)凝胶(3 096.3 cps、1 670.2 cps),其余均为方解石 (2 279.2 cps、1 928.2 cps)和石英 (2 454.5 cps、1 540.7 cps),还有蒙脱石、绿泥石、伊利石、高岭石等矿物。

②蒙脱石来源于配制钻井液基浆的膨润土和钻井过程中地层的黏土矿物,绿泥石、伊利石和高岭石来源于钻井过程中地层的黏土矿物,石英(SiO2)主要来源于钻井过程中破碎地层残留于钻井液的岩屑,方解石(CaCO3)主要来源于保护油气层的屏蔽暂堵剂(超细碳酸钙)。这些物质都是钻井/完井液的组分。

③形成凝饼的主要胶结物是片沸石类矿物(CaO·Al2O3·7SiO2·6H2O)、杆沸石类矿物(2Na2O·CaO·3Al2O3·6SiO2·8H2O)和团状水化硅酸钙(CSH(Ⅰ))凝胶。尽管3种胶结物的衍射峰均相对较弱,但这些无定形凝胶状的沸石类水化产物和团状CSH(Ⅰ)凝胶呈径向分布至地层壁面并充填于泥饼内的蒙脱石、绿泥石、伊利石、高岭石等矿物和钻井液处理剂残留物之间,很好地起到了将各种分散的粒状矿物胶结在一起的作用,使得凝饼内部及水泥硬化体-凝饼-地层壁面间彼此紧密结合,相互间无大的孔隙或裂缝,实现了固井二界面整体固化胶结的目的。

2.2.2 水泥硬化体、泥饼、凝饼和水泥硬化体-凝饼界面的热失重(TG)分析

由水泥硬化体、泥饼、凝饼和水泥硬化体-凝饼界面的 TG测试结果(见图4)可以看出:

图4 水泥硬化体、泥饼、凝饼和水泥硬化体-凝饼界面的 TG曲线

①室温至200℃区间。这一温度区间主要是物理吸附水的失去和无定形CSH(Ⅰ)凝胶分解失水。从图4中可以看出,水泥硬化体和水泥硬化体-凝饼界面的TG曲线几乎重合,表明水泥硬化体-凝饼界面与水泥浆发生了同步的水化硬化反应,且均有明显的质量损失,失重量约为4.6%,表明水泥硬化体-凝饼界面生成了大量的CSH(Ⅰ)凝胶和片沸石类凝胶,水泥硬化体与凝饼已固化胶结为一个整体;凝饼的 TG曲线虽高于水泥硬化体及其与凝饼界面的 TG曲线,但也有较明显的质量损失(3.2%),也表明凝饼与水泥硬化体-凝饼界面和水泥浆发生了局部的同步水化硬化反应,这充分说明凝饼内部生成了少量的CSH(Ⅰ)凝胶和片沸石类凝胶,正是这少量的CSH(Ⅰ)凝胶和片沸石类凝胶使得泥饼仿地成了凝饼,从而实现了固井二界面整体固化胶结;而泥饼的 TG曲线则比较平缓,无明显的质量损失,总失重量还不到1%,这表明泥饼仅失去了物理吸附水,无CSH(Ⅰ)凝胶或片沸石类凝胶生成。对于水泥硬化体和水泥-凝饼界面的 TG曲线,此后的一段温度区间样品出现缓慢的质量损失是高温养护过程中生成的结晶度不同的CSH(Ⅰ)凝胶逐渐失水的结果。

②450～480℃区间。这一温度区间出现的集中失重是水泥水化生成的CH晶体分解失水的表现,表明形成了大量的CH晶体。由图4可见,仅水泥硬化体的TG曲线有此集中失重的明显特征(有突现的失重台阶),失重量约为1.3%,而泥饼、凝饼和水泥硬化体-凝饼界面则无此明显的失重台阶。泥饼无此台阶是显而易见的,凝饼无此台阶是因为没有CH形成,而水泥硬化体-凝饼界面的 TG曲线则应该有此明显失重的台阶,但曲线却较为平缓,原因是:一方面,水泥硬化体-凝饼界面的水泥含量较低,相对生成的CH晶体较少;另一方面,水泥硬化体-凝饼界面反应生成的CH基本被泥饼改性剂的火山灰效应所消耗,二者导致水泥硬化体-凝饼界面样品中游离的CH很少,达不到 TG能检出的极限量。

③480～700℃区间。这一温度区间出现连续失重现象,是黏土矿物的脱水分解(与生产油井水泥高温煅烧中的预热干燥除去有机物质很相似)和CaCO3晶体分解所致。从图中可见,泥饼和凝饼出现了集中的失重现象,前者的失重量为 14.6%,后者的失重量为14.3%,原因显然是泥饼和凝饼中均含有大量的黏土矿物和超细CaCO3(来自于保护油气层的屏蔽暂堵剂)。那么,为什么凝饼的失重量比泥饼的小?原因是凝饼中形成的CSH(Ⅰ)凝胶和片沸石类凝胶的量较少,正是这少量的CSH(Ⅰ)凝胶和片沸石类凝胶把凝饼中相对大量的黏土矿物等胶结在一起,使得泥饼仿地成了凝饼,即从物质组分来讲,凝饼中仍存在较多的黏土矿物和超细CaCO3等。水泥硬化体-凝饼界面的TG曲线则相对比较平缓,曲线位置比水泥硬化体 TG曲线的位置靠下,前者的失重量比后者的失重量大,原因是水泥硬化体-凝饼界面显然存在少量的黏土矿物和超细CaCO3;400℃以上样品的失重速率增加,形成连续的曲线,这是结晶程度不同的CSH结晶相的脱水效应引起的;在610～680℃,水泥硬化体和水泥硬化体-凝饼界面的 TG曲线出现一个明显的失重台阶(失重量约为1.5%)则是CaCO3的分解效应所致(水泥硬化体样品中的CaCO3可能是在制样过程中由CH和CSH(Ⅰ)碳化生成,其结晶程度较差;而水泥硬化体-凝饼界面样品中的CaCO3则主要是来源于保护油气层的屏蔽暂堵剂,有少量是由CH和CSH(Ⅱ)碳化生成,其结晶程度较差),而在此区间泥饼和凝饼的 TG曲线却无此明显失重的台阶,原因可能是泥饼和凝饼中所含的CaCO3数量较大,因此难以形成明显的失重台阶。

④700℃以上区间。这一温度区间的连续失重是黏土矿物的继续脱水分解和CaCO3晶体继续分解所致。从图中可以看出,水泥硬化体、泥饼、凝饼和水泥硬化体-凝饼界面的TG曲线均比较平缓,水泥硬化体和水泥硬化体-凝饼界面的失重量约为1.8%(综合平均值),前者较小,为1.7%;后者较大,为1.9%。原因是后者的黏土矿物和CaCO3晶体比前者多。泥饼和凝饼的失重量约为2.5%(综合平均值),前者较大,为2.6%,后者较小,为2.4%。原因是前者的黏土矿物和CaCO3晶体含量比后者大,凝饼的 TG曲线位置比泥饼的 TG曲线靠下,则表明凝饼形成过程中的生成物大多数是稳定性较好的低碱性CSH凝胶,即结晶程度较高的团状CSH(Ⅰ)凝胶。仔细观察 TG曲线还可知,水泥硬化体和水泥硬化体-凝饼界面的TG曲线一直比较平缓,而泥饼和凝饼的 TG曲线则在900℃后出现明显失重现象,原因是泥饼和凝饼中所含的大量结晶程度较差的超细碳酸钙(石灰石)分解为CaO和CO2,这与生产油井水泥的高温煅烧使石灰石分解成氧化钙的过程很相似。

2.2.3 水泥硬化体-凝饼界面环境扫描电镜(ESEM)分析

由于泥饼与水泥硬化体是分离的,因此无法获得界面胶结样品。图5为水泥硬化体-凝饼界面的ESEM测试结果。图中界面(见图5中虚线)两侧分别为凝饼和水泥硬化体。由图可见,凝饼表面形成了一层均匀的硬化体,凝饼与水泥硬化体已紧密地胶结为一个整体,结构致密,孔洞很少,且凝饼与水泥硬化体两部分之间有少量相互渗透,界面处没有裂缝,表明凝饼与水泥硬化体两部分的体积变化系数基本相同,在干燥过程中能够协同变形,从而保证了凝饼与水泥硬化体的良好粘接性能。此外,还可以看出,凝饼中均匀分布着黏土颗粒,且被水化产物所包裹(见图5c)。这些都说明凝饼与水泥硬化体两部分已经实现了整体固化胶结,用肉眼观察和用简单的物理方法已难以从结合界面处将业已胶结为一体的两部分分辨开来。

图5 水泥硬化体-凝饼界面的ESEM图

2.3 流体溶蚀证据

为了直观地验证泥饼仿地成凝饼和固井二界面整体固化胶结,进行了流体溶蚀实验,图6为流体溶蚀实验结果。由图可以看出,采用目前方法,养护成型的样品浸泡28 d后,泥饼已消失,即泥饼还原成为浑浊的稀钻井液(见图6a);而采用MTA 方法,泥饼仿地成了凝饼,表现为杯内自来水清澈且凝饼与水泥硬化体已胶结在了一起(见图6b),固井二界面整体固化胶结显而易见。

图6 泥饼和凝饼的流体溶蚀试验结果

3 结论

基于泥饼仿地成凝饼的科学构想,实现了MTA方法固井二界面整体固化胶结。研究结果表明,固井二界面胶结强度随着养护时间的延长而大幅度提高,养护时间为1 d时MTA方法的固井二界面胶结强度比目前的固井二界面胶结强度提高了37.81%,而养护时间为63 d时则提高了1 606.31%,且绝对值达到了1.894 MPa。固井二界面胶结强度大幅度提高的主要原因是泥饼与水泥浆发生了局部的同步水化硬化反应,物质基础是反应过程中生成了少量的CSH(Ⅰ)凝胶和片沸石类凝胶。样品中的泥饼浸泡28 d后已还原成了浑浊的稀钻井液,而凝饼则与水泥硬化体胶结为一体,且凝饼未被溶蚀,说明实现了泥饼仿地成凝饼和固井二界面整体固化胶结。

[1] Gu Jun,Yang Weihua,Qin Wenzheng,et al.Cement-ormation interface system and its effect on the petroleum engineering[A].The papers of IEEE International Conference on Engineering,Services and Knowledge Management,Piscataway[C].USA:IEEE,2007.6505-6508.

[2] 赵峰,唐洪明,孟英峰,等.低渗透致密气藏水基欠平衡钻井损害评价技术[J].石油勘探与开发,2009,36(1):113-119.

Zhao Feng,Tang Hongming,Meng Yingfeng,et al.Damage evaluation for water-based underbalanced drilling in lowpermeability and tight sandstone gas reservoirs[J].Petroleum Exploration and Development,2009,36(1):113-119.

[3] 马红卫,刘玉章,李宜坤,等.柔性转向剂深部液流转向机理[J].石油勘探与开发,2008,35(6):720-724.

Ma Hongwei,Liu Yuzhang,Li Yikun,et al.Deep fluid diverting mechanism of soft diverting agent[J].Petroleum Exploration and Development,2008,35(6):720-724.

[4] 乔磊,申瑞臣,黄洪春,等.沁水盆地南部低成本煤层气钻井完井技术[J].石油勘探与开发,2008,35(4):482-486.

Qiao Lei,Shen Ruichen,Huang Hongchun,et al.Low-cost drilling and completion techniques forcoalbed methane in southern QinshuiBasin, Central China [J]. Petroleum Exploration and Development,2008,35(4):482-486.

[5] 刘立平,任战利,胡光,等.薄浅层稠油冷采开采工艺技术研究[J].西北大学学报(自然科学版),2008,38(2):290-294,300.

Liu Liping,Ren Zhanli,Hu Guang,etal. Research and application of cold heavy oil production with sand technology[J].Journal of Northwest University(Natural Science Edition),2008,38(2):290-294,300.

[6] 王旭.辽河油区稠油开采技术及下步技术攻关方向探讨[J].石油勘探与开发,2006,33(4):484-490.

Wang Xu.Heavy oil recovery techniques in Liaohe Oilfield and key technical research in next step[J].Petroleum Exploration and Development,2006,33(4):484-490.

[7] 赵黎安,孟宪宝,杜卉,等.钻屑与油井水泥的胶结特性[J].大庆石油学院学报,1996,20(2):90-93.

Zhao Li’an,Meng Xianbao,Du Hui,et al.Bond properties of the interface between drilling cutting and oil well cement[J].Journal of Daqing Petroleum Institute,1996,20(2):90-93.

[8] Ladva H K J,Craster B,Jones T G J,et al.The cement-toformation interface in zonal isolation[A].SPE 88016,2004.

[9] 顾军,杨卫华,秦文政,等.固井二界面封隔能力评价方法研究[J].石油学报,2008,29(3):451-454.

Gu Jun,Yang Weihua,Qin Wenzheng,et al.Evaluation method for isolation ability of cement-formation interface[J].Acta Petrolei Sinica,2008,29(3):451-454.

[10] 黄河福,步玉环,田辉,等.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.

Huang Hefu,Bu Yuhuan,Tian Hui,et al.Bonding strength experiment of mud to cement fluid on the second interface[J].Journal ofChina University of Petroleum(NaturalScience Edition),2006,30(6):46-50.

[11] Cowan K M,Hale A H,Nahm J J.Conversion of drilling fluids to cements with blast furnace slag:Performance properties and applications for well cementing[A].SPE 24575,1992.

[12] 王瑞和,姜林林,步玉环.矿渣MTC水化机理实验研究[J].石油学报,2008,29(3):442-446.

Wang Ruihe,Jiang Linlin,Bu Yuhuan.Experimental study on hydration mechanism of slag MTC[J].Acta Petrolei Sinica,2008,29(3):442-446.

[13] Benge O G,Webster W W.Evaluation of blast furnace slag slurries for oilfield application[A].SPE 27449,1994.

[14] 彭志刚,何育荣,刘崇建,等.矿渣MTC固化体开裂的本质原因分析[J].天然气工业,2005,25(5):72-74.

Peng Zhigang,He Yurong,Liu Chongjian,et al.Basic causes analysis of cracking of MTC solidified body with cinder[J].Natural Gas Industry,2005,25(5):72-74.

[15] 肖志兴,吴梅芬,徐明,等.高炉矿渣水化过程中晶核诱导机理[J].石油学报,1998,19(4):117-121.

Xiao Zhixing,Wu Meifen,Xu Ming,etal. The induced mechanism of crystal during hydrate of blast furnace slag[J].Acta Petrolei Sinica,1998,19(4):117-121.

[16] 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.

Gu Jun.Isolation problems of cement-formation interface and scientific conception of mud cake to agglomerated cake[J].Journal ofOiland Gas Technology (JournalofJianghan Petroleum Institute),2009,31(1):71-74.

Experiments on integrated solidification and cementation of the cement-formation interface based on Mud Cake to Agglomerated Cake(MT A)method

Gu Jun,Qin Wenzheng

(Faculty of Earth Resources,China University of Geosciences,Wuhan430074,China)

Based on the scientific conception of Mud Cake to Agglomerated Cake(MTA),the integrated solidification and cementation of cement-formation interface was studied by mechanical evaluation,microstructure analysis(XRD,TG and ESEM),and fluid dissolution test.The results of mechanical evaluation show that,compared with the existing method,the bond strength of cement-formation interface increased by 37.81%-1 606.31%with MTA method.The results of microstructure analysis show that the synchronous hydration and hardening reaction between the mud cake and cement slurry occurred locally,and a little CSH(Ⅰ)gel and heulandite gel formed.The results of fluid dissolution test show that,after the sample of maintenance molding with the existing method was immersed in water for 28 days,the mud cake was reduced to the turbid drilling fluid.However,based on MTA method,the agglomerated cake and hardened cement paste cemented together,and the agglomerated cake wasn’t dissoluted,also the water remained clear.All the above results corroborate two facts,one is that the mud cake has converted to agglomerated cake,the other is that the cement-formation interface has solidified and cemented integrally.

cement-formation interface;Mud Cake to Agglomerated Cake(MTA);MTA method;integrated solidification and cementation;experiment evidence

国家自然科学基金项目(50774071;40972103);国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA06Z205)

TE324

A

1000-0747(2010)02-0226-06

顾军(1966-),男,云南大理人,博士,现为中国地质大学(武汉)石油工程专业教授,主要从事石油工程方面的教学和研究工作。地址:湖北省武汉市,中国地质大学(武汉)资源学院石油与天然气工程系,邮政编码:430074。E-mail:gujun2199@126.com

2008-07-30

2010-01-22

(编辑 唐金华 绘图 李秀贤)