泥饼解除剂和清洗剂对固井界面胶结强度的影响

2015-06-09苏鸿鹏张健伟孟庆明

化工科技 2015年3期

王鉴，苏鸿鹏，张健伟，孟庆明

(东北石油大学化学化工学院石油与天然气化工省重点实验室，黑龙江大庆 163318)

随着石油开发进入中期阶段，钻深井、超深井、大斜度定向井、水平井和水敏性复杂地层的开发数量越来越多[1]。普通的水基钻井液已经无法满足要求，而不得不使用具有优良的润滑性、超强的抑制性、良好井壁稳定性和抗温性等的油基钻井液[2-3]。使用油基钻井液钻井在能增加钻进速度、提高钻井质量，满足复杂条件下和水平井钻井需要的同时，也带来了新的问题，其中之一是这种钻井液会在井壁和套管壁产生油基泥饼，在固井过程中会使井壁和套管壁与水泥浆之间的胶结能力大大降低，严重影响固井质量。而且这种泥饼与水基钻井液形成的泥饼具有很多不同的性质，用处理水基泥饼提高固井质量的方法处理油基泥饼，收效甚微，此类状况的发生严重影响油井的使用寿命和开发效益。因此，有效去除井壁附着的油基钻井液泥饼，改善固井界面的亲和性，提高界面胶结强度，是固井成功的关键因素[4-5]。

为此通过大量研究，开发出了能有效去除油基泥饼的油基钻井液泥饼解除剂，大大降低泥饼的黏附量，从而改善固井界面的胶结强度，提高固井质量。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

油包水型钻井液：取自大庆钻探公司；泥饼解除剂JCJ、清洁剂QXJ：自制。

WT-VSA2000A瓦楞搅拌机：北京探矿工程研究所；ZNN-D6B型六速旋转黏度计、LMN-4型马氏漏斗黏度计、MRE-A型泥浆电阻率测量仪、YM-2型液体密度计：青岛奥斯特石油科技有限公司；CMT5105型万能拉力试验机：深圳市世纪天源仪器有限公司；SIGMA型扫描电镜：德国ZEISS。

1.2 挂片实验

解除剂的作用效果通过挂片实验确定，油基钻井液在挂片上的残留量越少，解除剂的泥饼去除作用越好。向一定质量的钻井液中加入指定比例的解除剂，用瓦楞搅拌器搅拌15 min。然后把7 cm×5 cm×0.1 cm的钢板称量后浸泡于上述钻井液中，恒温浸泡一段时间后取出，称量。钢板质量的增加值定义为挂片挂重，根据挂片挂重，计算泥饼解除率。泥饼解除率为加入解除剂后钢板上黏附的钻井液量的减少值与没加解除剂时钢板上黏附的钻井液量的比值。泥饼解除率越大，泥饼解除剂效果越好。泥饼解除率Re用如下公式计算。

Re=[m0-m]/m0

式中：m0为钻井液中未加解除剂时钢板上黏附的泥浆质量；m为钻井液中添加泥饼解除剂时钢板上黏附的泥浆质量，均为3次实验的平均值。挂片实验对比照片见图1。

a 未加解除剂

b 添加解除剂图1 挂片实验对比照片

1.3 清洗实验

为进一步提高泥饼解除率，研制了油基钻井液清洗剂，清洗剂的作用效果通过清洗实验确定。首先依据1.2的方法进行挂片实验，然后将黏附钻井液的钢板在加有指定比例清洗剂的水溶液中浸泡一定时间，取出钢板称量。油基钻井液在钢板上的残留量越少，泥饼解除率越大，清洗剂的清洗作用越好。

1.4 界面模拟实验

为考察泥饼解除剂和清洗剂对固井一、二界面胶结强度的影响，设计了界面模拟实验。实验中，以外径7.2 cm、厚0.5 cm、高10 cm的钢套管模拟井管，以10 cm×5 cm×3 cm的模拟岩心模拟井壁。首先，在钻井液中添加一定量的泥饼解除剂，用瓦楞搅拌器搅拌15 min，混匀。将上述钢套管和模拟岩心分别浸没在55 ℃的上述钻井液中，恒温常压浸泡40 min后取出，钢套管和模拟岩心的外侧已经形成一定厚度的泥饼，为进一步降低泥饼厚度，将它们置于45 ℃、w(QXJ)=1%的清洗液中浸泡，20 min后取出，放置在外径14 cm、厚2 cm、高10 cm的大钢套管中心位置，并向2个钢套管以及大钢管和模拟岩心之间的环形空间内灌注水泥浆，注满后，室温常压下静止放置24 h，待水泥表面凝固变干，将整体模具放入45 ℃恒温水浴中常压养护7 d。养护结束后，将模具冷却至室温，利用CMT5105型万能拉力实验机测定水泥石与钢套管及模拟岩心之间的界面胶结强度值，考察泥饼解除剂和清洗剂对界面胶结强度的影响。

1.5 钻井液性能测定

向钻井液中加入一定量的泥饼解除剂，用瓦楞搅拌器搅拌15 min，在室温下分别测定钻井液的流变参数、密度等性能，考察泥饼解除剂对钻井液主要性能的影响。

1.6 界面微观结构分析

界面模拟实验后，取水泥环与钢套管或模拟岩心界面处的样品进行电镜扫描分析，观察泥饼解除剂和清洗剂对界面微观结构的影响。

2 结果与讨论

2.1 各种因素对泥饼解除效果的影响

2.1.1 钻井液温度的影响

将JCJ以质量分数1%的用量添加到油基钻井液中，进行挂片实验，保持浸泡时间为40 min不变，考察钻井液温度对泥饼解除率的影响，结果见图2。

由图2可以看出，泥饼解除率随着钻井液温度的升高呈现先增加后下降的趋势，当温度从25 ℃增加到55 ℃时，泥饼解除率由70%增加到79%，达到最大值；温度由55 ℃继续增加到85 ℃时，泥饼解除率反而由79%减小到65%。可见，该解除剂的作用效果与温度有关，在55 ℃时效果最好，但在25～85 ℃，解除率最大变化也只有14%，说明该剂有良好的温度适应性，可以在大多数油井钻井过程中使用。

钻井液温度/℃图2 钻井液温度对泥饼解除率的影响

2.1.2 浸泡时间的影响

将JCJ以质量分数1%的用量添加到油基钻井液中，进行挂片实验，浸泡温度为55 ℃不变，考察钻井液浸泡时间对泥饼解除率的影响，结果见图3。

浸泡时间/min图3 浸泡时间对泥饼解除率的影响

由图3可以看出，当钢板在钻井液中的浸泡时间低于40 min时，泥饼解除率随养护时间的延长呈逐渐上升趋势，泥饼解除率从74%增加到了80%；当浸泡时间大于40 min后，泥饼解除率则趋于平缓，基本在约80%。由此可以看出，该解除剂的作用效果与其在钻井液中和钢板的接触时间有关，接触时间为40 min时，泥饼解除率即可达到最高值，说明该泥饼解除剂能在较短的时间内，实现良好的泥饼清除作用，具有发效时间短的特点，有利于减少实际固井过程中泥饼清除的时间和钻井后期钻井液的循环总量。

2.1.3 清洗温度和清洗时间的影响

为了进一步降低泥饼的厚度，将挂片实验中(浸泡温度55 ℃，浸泡时间40 min)的钢板从钻井液中取出后用含有一定浓度自主研发的清洗剂的清洗液浸泡一定时间，考察清洗温度和清洗时间对清洗剂清洗效果的影响。在清洗时间30 min的条件下，清洗温度对泥饼解除率的影响见图4。

清洗温度/℃图4 清洗温度对泥饼解除率的影响

从图4可以看出，泥饼解除率随清洗温度增加呈现先增大而后趋于不变的趋势，当清洗温度从25 ℃增加到45 ℃时，泥饼解除率由80%增加到89%；当温度由45 ℃继续增加到75 ℃时，泥饼解除率则变化不明显，保持在88%～90%。可见，清洗剂的清洗效果与温度有关，清洗温度高于45 ℃时，即可达到最好的清洗效果，在油基钻井液工作的温度范围内，研制的清洗剂可实现其最佳清洗效果。

在清洗温度45 ℃的条件下，改变清洗时间，考察清洗时间对泥饼解除率的影响，结果见图5。

清洗时间/min图5 清洗时间对泥饼解除率的影响

从图5可以看出，泥饼解除率随清洗时间的增加呈现先增大的趋势，当清洗时间超过20 min后，泥饼解除率基本保持在约89%，无明显变化。由此可以看出，该清洗剂的作用效果与清洗时间有关，清洗时间超过20 min后，泥饼解除率即可达到最佳值，说明该清洗剂能在较短的时间内，实现良好的泥饼清除作用。

2.2 界面胶结强度模拟实验

为了考察泥饼解除剂JCJ和清洗剂QXJ对固井界面胶结强度的影响，进行了1.4的界面模拟实验，结果见表1。

表1 界面胶结强度测试结果

由表1可以看出，与未加泥饼解除剂和清洗剂的情况相比，一、二界面的胶结强度分别提高到原强度的10.3倍和8.0倍。可见，在钻井液中首先加入泥饼解除剂JCJ，使钻井液以较低的量黏附在钢套管或模拟岩心外侧，然后再利用含有清洗剂的水溶液进行清洗，以进一步降低泥饼厚度，可显著提高一、二界面的胶结强度。

2.3 泥饼解除剂对钻井液性能的影响

向钻井液中加入解除剂使w(JCJ)=1%，室温下考察钻井液的密度以及流变参数的变化，结果见表2。

由表2可见，加入JCJ后，钻井液的黏度(表观及塑性黏度)、动切力、动塑比以及稠度系数有所降低，流性指数稍有增大但均不显著。这是由于加入JCJ后钻井液剪切稀释性的强弱变化不大，对钻井液流体结构强度的改变很小，而且根据稠度系数的变化来看流体相邻流动层间的内摩擦变化也十分微小[6-7]，故w(JCJ)=1%的加量对钻井液的主要性能无显著影响。

表2 JCJ对钻井液主要性能的影响

2.4 胶结界面形貌分析

取水泥石本体和界面模拟实验中油基钻井液泥饼与水泥环界面处的样品用SEM观察其微观形貌，结果见图6。

a 水泥石本体

b 经JCJ和QXJ处理后泥饼与水泥环界面

c 未经JCJ和QXJ处理的泥饼与水泥环界面图6 水泥石本体及油基钻井液泥饼与水泥环界面的SEM图

由图6可以看出，钻井液中加入JCJ，并用含QXJ的清洗液清洗钢套管和模拟岩心后，界面处出现明显的片状和棒状水化硅酸钙，而对于基浆的情况，该现象不明显。这是由于在基浆情况下，钢套管或模拟岩心在钻井液中养护一定时间后，其表面所黏附的钻井液较多，因而导致在界面模拟时套管或模拟岩心与水泥石本体之间存在较厚的钻井液泥饼。对其界面进行SEM分析时，看不到水泥石本体的特征物质图像(片状和棒状物质)。而在钻井液中加入JCJ，并利用QXJ进行清洗后，去除了套管和模拟岩心上大部分的油基钻井液，降低了油基钻井液的泥饼厚度，进而减少了界面处钻井液在水泥石本体上的黏附量，使尽可能多的水泥石本体暴露出来，直接与钢套管和模拟岩心胶结，有利于提高套管和岩心与水泥石本体的胶结强度[8]。