减弱泥饼对二界面胶结质量影响的方法与技术

王 鉴，李 欣，张健伟，臧伟鹏



减弱泥饼对二界面胶结质量影响的方法与技术

王 鉴1，李 欣1，张健伟1，臧伟鹏2

（1. 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；2. 中海油能源发展有限公司安全环保分公司上海分公司，上海 200335）

钻井液上返时会在井壁发生滤失形成泥饼，虽然在固井前会对井壁进行冲刷，但仍无法完全清除井壁上的泥饼。泥饼强度低，与水泥浆相容性差，固化时会收缩并产生裂缝，导致固井二界面胶结质量差，使固井质量达不到要求，产生油气井窜流等现象。为了减弱泥饼对二界面胶结强度的影响，相继提出了MTC、MTA等方法，通过消除井壁的泥饼及在钻井液中加入添加剂改善泥饼的强度、韧性、致密度等方面来提高固井质量。综述了这些技术和方法的原理、应用情况及发展方向。

固井二界面；泥饼；MTC；MTA；界面增强剂

在钻井过程中，钻井液上返时发生滤失，在井壁处易形成较厚的泥饼；高温高压下泥饼内的水分会浸入地层，使固化泥饼的体积收缩，导致水泥石与井壁间形成微环隙、裂隙；同时硬化的水泥从泥饼中争夺水分，使泥饼形成裂纹，因此，产生固井弱界面[1-3]。上述现象的发生，会明显降低水泥环与井壁的胶结强度，甚至导致油气窜流，造成固井质量下降[4]。固井界面实际上包括水泥环与泥饼，泥饼与井壁以及泥饼与套管外壁三个界面。因此，水泥环、泥饼、井壁和套管壁表面状况和胶结强度都是影响固井质量的重要因素，其中清除井壁泥饼、提高泥饼固化强度是提高固井质量的有效方法。本文综述了近年来有关研究进展与应用情况。

1 泥饼清除法

泥饼结构主要包括虚泥饼层、欠压实泥饼层及致密泥饼层[5]。其中虚泥饼是指附着在泥饼表面的一层呈凝胶状态的、疏松的、强度为零钻井液；欠压实泥饼层是指在虚泥饼下的一层已具有一定强度，但强度不是很大的实泥饼；致密泥饼层是指泥饼强度较大，且具有一定致密性的实泥饼。而泥饼清除法主要指清除钻井液上返时，在井壁形成的泥饼，改善二界面胶结质量。泥饼清除法主要分两种:一通过在固井前置液中加入特定的化学处理剂有效去除残留在井壁的油污及虚泥饼，二是利用水泥浆的流动性将前置液冲洗后井壁残留的泥饼的欠压层与致密泥饼层尽可能多的除去。

1.1 前置冲洗液法

井壁上的虚泥饼由于结构疏松、无强度、韧性差使固化水泥浆难以紧密胶结在井壁上，会严重影响固井质量，必须予以清除。通过用前置冲洗液进行反复冲洗，可将井壁的油性污泥与虚泥饼除去，改善二界面的亲水性，提高二界面的胶结质量。在国内外采油初期常将清水作为前置冲洗液，但是随着钻井液性质的改变，清水已经不能将残留在井壁的虚泥饼完全除去。特别是在泥页岩地层钻井时常使用油基、油包水乳化或仿油基等钻井液，这时无论是残留在井壁的钻井液还是附着在井壁的虚泥饼都是亲油物质，单单采用清水冲洗液根本无法将其除掉。

杨香艳等[6]在淡水中加入能调节分散性的木质素磺酸盐，能调节界面pH的氢氧化钠，有机小分子物质（固体颗粒），表面活性剂和高分子聚合物制成冲洗液。其中的小分子物质或者固体颗粒通过增大井壁及套管的冲刷强度以及对泥饼的渗透作用，使井壁的虚泥饼易被冲刷脱落。冲洗液中的表面活性剂通过降低冲洗界面张力，改善了泥饼的润湿性；同时高分子聚合物也会对膨润土产生拖拽力，两种作用相互协同，使冲洗液能迅速浸湿泥饼，加速泥饼脱落，提高界面的胶结质量。对国内外常用冲洗液的类型及作用机理做了比较详细的阐述。

姚勇等[7]研发了一套主要包括阳离子型表面活性剂，有机溶剂和螯合剂的新型高密度前置液，在川西地区页岩水平井试验固井后水平段固井声幅值小于15%，固井质量为优秀。该前置液中的表面活性剂与有机溶剂首先将井壁界面的亲油性转化为亲水性，将井壁表面的泥饼以及油污拖拽到前置液中，再利用螯合剂与隔离液中的生物高分子聚合物发生螯合反应生成稳定的网状凝胶，从而将泥饼彻底除去。

李韶利等[8]针对油基钻井液在井壁形成的油基泥饼与油污研发了清油冲洗剂与清油隔离液。其中清油冲洗剂通过消弱泥饼的亲油性使冲洗率达95%以上，冲洗剂中的表面活性剂能有效增强水泥石和界面的亲和性，提高二界面胶结质量。清油隔离液能够提高钻井液的悬浮稳定性，提高井壁的稳定性。在陕北、新疆、中原等地的5口井实验结果是封固段声幅值为2%左右，固井质量为优质。

1.2 水泥浆法

前置液对井壁泥饼的冲刷效果有限，不能将泥饼的欠压实层及致密层完全除去。这时就需要水泥浆的冲刷来除去泥饼，而水泥浆对井壁泥饼的冲刷程度不只与水泥浆的流动性相关，还与泥饼内部颗粒大小，泥饼厚度及泥饼附着在井壁时所受的力相关。

袁海平等[9]通过分析流动水泥浆的壁面剪应力得出同一井眼的环空间隙越大，水泥浆产生的壁面压降越大，越容易将井壁泥饼冲刷掉。他利用河流动沙泥沙起动理论分析了泥饼附着在井壁的受力情况，得出只有水泥浆的剪切应力大于泥饼的粘结力，才能将井壁的泥饼冲刷带走。当泥饼颗粒大小为0.01 mm时，泥饼的胶结强度较大，泥饼无法被冲刷脱落；当泥饼颗粒大小为1 mm时，由于颗粒的重力原因，水泥浆也无法将其冲刷带走。只有当泥饼颗粒大小分布在0.1 mm，厚度控制在2 mm，偏心角小于30%，水泥浆才能将泥。

2 泥饼固化强度增强法

虽然通过添加一些化学物质可以提高井壁泥饼的清除效果，但是无法完全除去井壁泥饼的致密层[10]。泥饼固化法指通过在钻井液中加入添加剂改变泥饼的韧性、致密度、耐冲刷性及与水泥浆的相容性增大水泥、泥饼与井壁的胶结强度。

2.1 MTC固井技术

MTC（泥浆转化为水泥浆技术）固井技术兴起于20世纪50年代，是一种将泥浆转化为水泥浆的固井技术[11,12]。MTC技术主要是在泥浆中加入廉价的高炉水淬矿渣（BFS）、激活剂及少量的缓凝剂、分散剂、降失水剂，将泥浆转化为能够完全满足固井要求的固井液。该技术不仅解决了废弃泥浆难以处理的问题，而且改进了常规水泥浆与钻井液的相容性，使泥饼与水泥浆达到同时固化，提高了泥饼-固井液-井壁的整体胶结强度，防止了固井施工气窜问题的出现[13,14]。

2.1.1 矿渣激活机理

MTC固井技术的关键是将BFS激活。BFS具有CaO-Al2O3-SiO2玻璃体结构。当将水加入矿渣中时，矿渣表面的钙镁离子会与水反应生成Ca(OH)2、Mg(OH)2。但是由于矿渣表面低渗透膜的存在，使得水化反应只能停留在表面。当在矿渣中加入激活剂后，激活剂会将矿渣表面的低渗透膜完全破环，使矿渣内部网络结构中的Ca-O，Mg-O也发生水化反应生成Ca(OH)2、Mg(OH)2[15]。同时激活剂中的钠钾离子会替换原先的钙镁离子，连接在Si-O键上，将矿渣的玻璃体结构破环、SiO2激活。活性SiO2会吸收氢氧化钙生成硅钙石、钙矾石凝胶。随着水化反应的进行，硅钙石、钙矾石凝胶的浓度逐渐增大，发生沉积，浆体变稠、硬化[16]

2.1.2 MTC技术存在的问题及解决的方法

矿渣中主要以硅钙石、钙矾石两种水化产物为主，硅钙石水化结晶速度受温度影响较大，钙矾石水化结晶速度受温度影响较小，因此二者水化结晶物差别较大[17]。这将直接导致固化体强度衰退，产生脆裂问题[18]。

由于这个问题长期没有解决，国内在1994-1995年新兴起钻固一体化工作液[19-21]。钻固一体化工作液本身含潜活性复合材料，在钻井时呈惰性状态，可以满足钻井液循环作业的要求，能形成具有固化活性的泥饼。钻井结束后，补充激活性材料，激发泥饼和钻井液中的潜活性材料，使泥饼和钻井液具有水泥浆的性能，凝结固化，完成一次注水泥作业。钻井液、泥饼、固井液含有相同的潜活性材料，在固井时可以实现同步固化胶结。新型钻固一体化工作液除了BFS以外，还有磷酸盐体系（金属化合物，磷酸）和离子型聚合物体系（金属化合物、聚合物）[22]。

针对MTC固化体在特殊条件下的易脆裂问题进行了改进。张兴国等[23,24]研究开发出一套适用于新疆油田的多种泥浆体系(聚合醇、聚磺、有机盐、钾钙基、正电胶等)，密度为1.2~2.6 g/cm3。通过加大体系液灰比，降低体系密实度，给体系在固化时留下一定的释放空间，使固化体在90 ℃、常压下养护5个月不脆裂。国安平等[25]开发出一种复合激活剂，以漂珠和微硅为减轻剂，DHM101为无机激活剂，碳纤维作为复合材料，配制成的低密矿渣MTC体系改善了MTC固化体的韧性，解决了长期以来的脆裂问题。杨振科[26]等通过加入有机硅烷偶联剂或无机络合离子，对水泥石硅酸盐结构进行联结、配位，增大硅酸聚合度，使固化体的力学强度增大，从而解决了水泥石的脆裂问题。

2.2 MTA法

在MTC思想的基础上，顾军[27]提出了泥饼仿地成凝饼（MTA）的概念。MTA方法是指在钻开封固段前50~200 m处，在钻井液中加入泥饼改性剂，在前置液中加入凝饼形成剂，凝饼形成剂通过改善界面之间的亲和力，使泥饼与改性剂初步反应形成杆沸石类矿物(2Na2O·CaO·3Al2O3·6SiO2·8H2O)、片沸石类矿物(CaO·Al2O3·7SiO2·6H2O)和团状水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。它们将填充于泥饼内部，将分散的矿物颗粒胶结在一起，堵塞了泥饼中的空隙与裂缝，使泥饼变得更加致密，从而提高二界面固化胶结质量[28]。

MTA法与常规固井方法相比，二界面胶结质量大幅度提高。养护时间为1 d、63 d时MTA法的固井二界面胶结强度比目前的分别提高了37.81%和1606.31%，且在养护时间为63 d时，胶结强度可达到1.894 MPa[29]。

MTA法在大庆油田、胜利油田、河南油田的23口老区调整井（常规油井16口，重油井7口）的应用结果表明：固井一、二界面胶结质量合格率100％，其中大庆油田固井质量优质率达到57.14%，优质率、合格率分别提高13.01%和1.15%，在胜利油田的二界面胶结质量合格率提高约30%，河南油田应用井的平均总井段优质率可达90.48％[30,31]。但是MTA法通常会受钻井液性能的限制，多应用于深度不超过2 500 ｍ的浅井，对于中深井和深井的泥饼固化问题仍然难以解决[32]。

2.3 界面增强剂法

界面增强剂法在钻井泥浆中加入某些处理剂，与泥饼原有成分发生作用使泥饼变得致密，有韧性，耐冲刷，强度大，从而改善环空封隔效果，提高固井二界面胶结质量。

谢凤臣等[33]以由多元硅醇化合物、低分子量聚合物与有机成膜剂组成的界面增强剂为处理剂，研制出LPS多元硅钻井液体系。多元硅醇中的钾离子可以起到更好的稳定井壁的作用。多元硅醇中的有机成膜剂通过改变亲水状态，降低界面的渗透滤。同时，多元硅醇中的低分子量聚合物能提高硅醇的吸附力和分散性，使活性硅醇离子与水泥浆中的钙、铝等离子，以及泥饼中的二氧化硅胶连在一起，形成硅酸钙水化物，使泥饼固化强度增大。在大庆杏1-332-22等3口井的现场试验结果是平均井径扩大率低于对比井3.5%，可以满足大庆油田的加密调整井的钻井要求[34]。

于洪苏等[35]将改性羧基丁苯胶乳作为界面增强剂，与特定的钻井液添加剂配成界面增强钻井液。固井过程中，固井水泥浆滤液中的钙离子会浸入到泥饼中，而泥饼中的羧基丁苯胶乳中的羧基又可以将钙离子结合，形成交联网状结构，从而形成高固化强度的泥饼，改善二界面胶结质量。将该钻井液应用在地质情况不同的5口井，发现界面增强钻井液对中、低渗岩心所形成的二界面胶结强度较其他钻井液高，岩心渗透率恢复值可达81%，该钻井液一定程度上保护了油气层；试验井平均井径扩大率比对比井低3.5%，该钻井液井壁稳定性较好。

孙立权[36]在钻井液中加入由硬化剂、诱导剂、反应剂、清洁剂、耦合剂和螯合剂组成的界面增强剂，可使一、二界面胶结强度分别提高16.69%和16.41%。在大庆喇嘛甸油田102口井进行了现场应用，固井质量优质率较常规井提高了25.97%，达到76.47%。

王鉴等[37]发明了一种由无机超细短纤维、半刚性纤维、纳米超细晶体柔性颗粒、表面改性剂等构成的钻井液添加剂。该添加剂主要包括泥饼硬化剂、界面亲和剂和界面清洗剂。其中的界面亲和剂是由质量百分含量为30％~90％纳米超细晶体、10％~50％的半刚性纤维、1％~20％的柔性颗粒构成。实验证明界面胶结强度会随着该添加剂加入量的增大而增强。当钻井液添加剂加入量为钻井液质量的1%~2%时，固井一、二界面的胶结强度最大可分别达到4.35 和5.16 MPa，提高到原强度的22.89倍和13.23倍。该钻井液添加剂具有显著的界面增强作用，但并不会对钻井液的密度、粘度及流变性等主要性能产生显著的影响。

3 结 论

钻井过程中在井壁上形成的泥饼会严重影响固井质量，通过利用高效的前置液进行冲洗及水泥浆的流动性可清除井壁上的虚泥饼，通过MTC、MTA和添加界面增强剂等方法使井壁泥饼固化，双管齐下，提高二界面胶结强度，提高固井质量。MTA法与界面增强剂法在减弱泥饼对固井质量方面有很大的应用前景。MTA法可以进一步改进其在深井方面的应用，而界面增强剂法可对其作用机理和对钻井液性质的影响进行进一步的深入研究。

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Method and Technology for Reducing the Effect of Mud Cake on Cementing Quality

1,1,1,2

(1. Provincial Key Laboratory Oil & Gas Chemical Technology, Chemistry and Chemical Engineering College,Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China;2. CNOOC EnerTech-Safety & Environmental Protection Company Shanghai Branch, Shanghai 200335, China)

In the process of drilling fluid flowback, drilling fluid can permeate into formation and mud cake can be formed on the wall. This mud cake cannot be completely removed after sidewall is washed before cementing. Due to low strength of the mud cake and its poor compatibility with the cement to cause cementation cracks, the quality of cement-formation interface and cementing quality are poor, oil and gas channeling will appear in wells. In order to reduce the effect of mud cake on cementing quality of cement-formation interface, some measures such as MTC, MTA technologies were used to improve the strength, toughness and density of mud cake by removing the mud cake and adding the agents into the drilling fluid. These methods and technologies to improve the cementing quality were summarized.

cement-formation interface; mud cake; MTC; MTA; cement interface enhancer

TE 256

A

1671-0460（2016）09-2229-04

2016-03-27

王鉴（1960-），男，山东省牟平县人，教授，博士，2002 年毕业于浙江大学，研究方向：主要从事聚烯烃改性及油田化学方面的研究。E-mail：mrwj@nepu.edu.cn。