DZD型高效双相分散冲洗液的室内研究

张健，陈大钧，焦利宾，王雪敏，雷鑫宇

(1.西南石油大学化学化工学院，四川成都 610500;2.中国科学院成都有机化学研究所，四川成都 610041)

冲洗液性能的好坏直接关系到固井质量的好坏，性能良好的冲洗液可以有效地冲刷井壁和套管壁，为水泥与地层、套管壁更好的胶结提供有利条件［1］。

在固井作业中，如果冲洗液难以同时实现泥浆和水泥浆的双相分散，将导致泥浆-前置液、前置液-水泥浆接触界面处混合相流动性变差，增加泵注过程的风险，影响固井质量［2-5］。

本文在优选分散剂的基础上确定了高效双相分散冲洗液配方，主要研究其与低固相钻井液和水泥浆的相容性;与普通冲洗液进行对比，研究其对低固相钻井液冲洗效率及冲洗后胶结强度的变化情况。此外，通过电镜、原子力显微镜等现代分析手段，对胶结强度提高原因进行了微观分析。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

微硅 WG、矿渣 KZ、磁铁矿CTK、G级水泥、膨润土、烷基磺酸盐类阴离子表面活性剂、聚氧乙烯烷基醚类非离子表面活性剂、木质素磺酸盐分散剂ZD-1、悬浮剂HEC等均为工业品。

ZNN-D6六速旋转粘度计;API水泥实验全套装置;NYL-300型压力试验机;Quanta450型扫描电镜;Nano Scope III a原子力显微镜等。

1.2 配方的组成

冲洗液主要组成:水、分散剂、表面活性剂、悬浮剂和固相材料。分散剂是一种木质素磺酸盐，表面活性剂由阴非离子复配而成，悬浮剂是一种非离子型纤维素。

2 结果与讨论

2.1 双相分散剂的优选［6］

经前期室内实验，优选出符合要求的3种分散剂SMP、SXY和ZD-1，其加量为1.5%，对低固相钻井液、水泥浆和基础冲洗液的分散效果见表1。

表1 3种分散剂对工作液的分散效果Table 1 Three dispersant dispersion effect of working liquid

由表1可知，3种分散剂对钻井液都具有较好的分散效果，流动度都达到了36 cm以上;SMP对水泥浆和基础冲洗液的分散效果较差，达不到紊流顶替的效果;SXY、ZD-1对水泥浆和基础冲洗液的分散效果较好，特别是ZD-1对基础冲洗液的流动度为30 cm，有利于紊流冲洗。因此，确定ZD-1为分散剂。

结合实验室前期实验结果，确定DZD冲洗液配方为:水 +1.5%ZD-1+5%WG+30%KZ+10%CTK+0.4%HEC+1.6% 复配表面活性剂，ρ=1.2 g/cm3。

2.2 冲洗液性能评价［7-9］

2.2.1 流变相容性 将冲洗液与低固相钻井液、水泥浆按一定体积比例混合，在室温、1 400 r/min条件下搅拌10 min，然后在70℃条件，常压稠化20 min，测定其流变参数，评价其流变相容性，结果见表2。

由表2可知，A的流变性良好，接近于牛顿型流体，有利于紊流顶替;冲洗液与低固相不分散钻井液、水泥浆混合后，混合浆体的整体流变性较好没有沉淀或絮凝现象出现，因为配方中的分散剂在属性上是木质素类表面活性剂，本身具有表面活性剂的特性，降低三液二界面的表面张力，使其进行较好的互溶分散。

表2 冲洗液流变相容性Table 2 Flushing fluid rheological compatibility

2.2.2 冲洗液冲洗性能 根据行业标准标号《油气井注水泥前置液使用方法》，测得该冲洗液对低固相钻井液的冲洗效率达到了91.34%，比普通冲洗液提高了58.80%，见表3。

表3 冲洗液对低固相钻井液滤饼的冲洗效率Table 3 Flushing efficiency of flushing fluid for low solid drilling fluid

2.2.3 界面胶结强度 模拟井壁和套管上附着钻井液滤饼情况，分别经过普通冲洗液和高效分散冲洗液洗刷冲洗，以微膨水泥为基准水泥浆，经过70℃水浴养护48 h后，在压力机上测试界面胶结强度，结果见表4。

表4 低固相滤饼冲洗后界面胶结强度Table 4 Low solid interface cementing strength after the filter cake flushing

由表4可知，与普通冲洗液相比，高效双相分散冲洗液界面胶结强度有明显的提高，第1、第2界面分别提高了69.91%，58.11%以上，说明此冲洗液具有较好的提高界面胶结强度的能力。

2.2.4 胶结界面微观分析 对形成低固相钻井液滤饼的模拟井壁，经过普通型和DZD型冲洗液的冲洗，灌入水泥浆，在70℃常压下养护48 h，然后取胶结界面处端面，进行电镜、原子力显微镜进行扫描，以分析胶结强度提高的原因，见图1，图2。

图1 经冲洗液冲洗后的胶结界面电镜扫描图Fig.1 The SEM images of cemented interface after washed

由图1可知，经普通冲洗液冲洗的界面，存在明显的裂缝，裂缝中虽有层状晶体和凝胶物质，但含量极少，留下大量的空隙，胶结质量不高;而经DZD型冲洗液冲洗的胶结界面，裂缝微小或被有大量的层状、柱状晶体及凝胶物质填满，有利于胶结质量的提高。这可能是在冲洗过程中，由于表面活性剂及双相分散剂的亲水吸附作用，使得亲水性的活性固相材料粘附于胶结界面处，经过后续水化发育形成结晶或凝胶物质，使水泥与岩石更好的结合。

图2 经冲洗液冲洗后胶结界面原子力显微镜图Fig.2 The AFM images of cemented interface after washed

由图2可知，a的胶结界面比较平滑，但存在明显的裂痕，可能是胶结界面凝胶物质较少，裂缝未被填满;b的胶结界面附着了大量的絮状物质，可能是水化形成的大量凝胶物质布满表面及充填于岩石与水泥的裂缝之中，有助于胶结强度的提高，这也与扫描电镜的分析结果一致。

3 结论

(1)通过分散剂优选及大量的室内实验，得到DZD型高效双相分散冲洗液，其配方为:水+1.5%ZD-1+5%WG+30%KZ+0.4%HEC+1.6% 复配表面活性剂。

(2)该冲洗液具有良好的流变性，与低固相钻井液和微膨水泥浆具有良好的相容性;并且冲洗效率比普通冲洗液提高了58%以上。

(3)通过与普通冲洗液冲洗后的界面胶结强度相比，第1、第2界面胶结强度分别提高了69.91%，58.11%以上，明显提高胶结强度。

(4)通过扫描电镜等微观分析手段，对比2种冲洗液冲洗后的胶结界面情况，发现经DZD型冲洗液冲洗后，胶结界面能形成大量的凝胶物质，充填于岩石与水泥石的裂缝处，为水泥石与岩石良好的接触提供中间介质，提高界面的胶结能力。

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