基于地质聚合物原理实现泥饼固化的固井质量改善方法

步玉环， 赵乐天， 王春雨

基于地质聚合物原理实现泥饼固化的固井质量改善方法

步玉环， 赵乐天， 王春雨

（中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266580）

步玉环，赵乐天，王春雨.基于地质聚合物原理实现泥饼固化的固井质量改善方法[J].钻井液与完井液，2017，34（1）：96-100.

BU Yuhuan, ZHAO Letian, WANG Chunyu.A solution to the improvement of the quality of cement sheath-formation bonding based on geopolymer theory[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（1）：96-100.

钻井液在井壁上形成的一层不可固化的泥饼是固井二界面质量出现问题的主要因素，而泥饼固化技术是解决固井二界面问题的新思路。笔者结合矿渣固化泥饼技术和MTA固井技术的优势，提出了基于地质聚合物原理实现泥饼固化的新思。实验研究结果表明，在钻井液中加入偏高岭土和超细矿渣2种潜活性材料，当膨润土、偏高岭土和超细矿渣的比例为3︰3︰1时，钻井液形成的泥饼在激活剂的作用下能够具有较高强度；激活参数优化结果表明，激活剂硅酸钠的最佳加量为偏高岭土加量的72%，用于激活矿渣的氢氧化钠最佳加量为偏高岭土加量的2%，最优激活时间为15 min。此外，研究了偏高岭土和超细矿渣与钻井液的配伍性，发现2种材料对钻井液性能影响较小。通过泥饼固化实验结果显示，钻井液基浆的泥饼强度提高了63倍，2种钻井液体系的泥饼强度分别提高了16倍和20倍，表明该技术具有广阔的研究前景。

固井二界面；偏高岭土；膨润土；钻井液；泥饼固化

固井二界面质量出现问题[1-3]的主要因素是钻井液在井壁上形成了一层不可固化的泥饼。目前对泥饼[4]的处理方法主要为物理冲洗和化学清除等，但清除效果很差。近年来泥饼固化技术的兴起为解决二界面问题提供了新的思路[5-10]。目前实现泥饼固化的主要技术包括矿渣碱激发特性的泥饼固化技术、MTA固井技术以及各类泥饼固化剂。地质聚合物[11]是一种新型高性能胶凝材料，其中偏高岭土基地质聚合物的研究已经取得了大量的成果。由于其特殊的缩聚三维网络结构，使其在众多方面具有高分子材料、水泥和陶瓷等材料的特征，而地质聚合物原理在泥饼固化领域仍鲜有报道。该实验结合矿渣固化泥饼技术和MTA固井技术的优势，提出了基于地质聚合物原理实现泥饼固化的新思路。

1 实验材料、设备和方法

1.1 实验材料

膨润土，偏高岭土，超细矿渣；硅酸钠，青岛东岳泡花碱厂，调整模数[12]至1.0；氢氧化钠，碳酸钠，G级油井水泥；HHFT-1钻井液体系，实验室配制；SLKL钻井液体系，胜利油田。

1.2 实验设备

GJ-3S型高速搅拌机，水泥浆失水筒，钻井液滤失仪，常压养护箱，恒速搅拌器，抗压强度试验机，ZNN-D6S型流速旋转黏度计，自制泥饼强度测试装置。

1.3 实验方法

1）固化膨润土能力测试方法。按照配方配制加入偏高岭土和超细矿渣的膨润土浆体，倒入5 cm×5 cm×5 cm的立方体试模中，将试模完全浸没在常压水浴养护箱中，温度设定为75 ℃，养护一段时间后取出，用压力机测试实验块的抗压强度。

2）泥饼固化程度测试方法。泥饼固化程度测试思路为：形成泥饼—激活泥饼—固化程度评价。具体步骤为：基于实验步骤1）的结论向钻井液中添加泥饼固化材料，高速搅拌15 min后，利用失水筒制备泥饼，实验压差为0.7 MPa；倒出失水筒中的钻井液，倒入激活剂溶液，在1 MPa压差下继续滤失，激活泥饼中的活性成分；取出泥饼，在泥饼上浇筑一定量的水泥浆，养护1 d后取出，利用自制泥饼强度测量装置测试泥饼固化程度。

2 膨润土固化实验

泥饼不能固化是由于泥饼的主要成分是膨润土，膨润土活性极低，基本不具有固化特性。MTC技术的成功应用[13-14]表明，外加活性材料能够对泥饼固化起到非常积极的作用。笔者基于前期对地质聚合物的研究，探究了偏高岭土作为钻井液外加潜活性胶凝材料固化膨润土的能力。

2.1 偏高岭土加量对膨润土固化性能的影响

偏高岭土[15]是以高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O，简称AS2H2）为原料，在适当温度下（600～900 ℃）经脱水形成的无水硅酸铝（Al2O3·2SiO2，简称AS2），在适当激发下具有胶凝性。通过实验探索了75 ℃下不同加量的偏高岭土对膨润土的固化性能，激活剂采用速溶硅酸钠和氢氧化钠，其中硅酸钠加量为偏高岭土加量的72%，水固比为50%，实验结果如图1所示。由图1可以看出，随着偏高岭土的加量增加，试块的强度逐渐升高，而当偏高岭土的加量超过一定值以后，试块强度增加趋势放缓。因此结果表明，偏高岭土对膨润土具有一定的固结能力，但是当偏高岭土加量较少时，固化体强度较低。考虑到井下的复杂条件，泥饼固化的真实强度应低于实验值。因此，实验探究了引入一定量的超细矿渣对提高固化体强度的效果。

图1 不同加量的偏高岭土对膨润土的固化性能

2.2 超细矿渣加量对膨润土固化性能的影响

矿渣在固井工程领域应用十分广泛，其水化机理和材料特性的研究较为成熟[16-18]。矿渣的活性主要受2个因素影响：矿渣的粒径和碱的浓度。实验室所用的超细矿渣粒径在10 μm左右，具有较高的活性。通过实验探究了偏高岭土和超细矿渣复配对膨润土固化能力的影响，偏高岭土和膨润土加量为1︰1，改变超细矿渣的加量，实验结果如图2所示。由图2可以看出，引入超细矿渣之后，固化体强度明显增大，并且固化体强度随矿渣加量增加呈现先增大后减小的趋势，当矿渣加量为膨润土加量的33%时，固化体强度达到最大，因此确定了偏高岭土和超细矿渣的最优比例为3︰1。

2.3 激活剂加量对膨润土固化性能的影响

以速溶硅酸钠和氢氧化钠的溶液为激发剂，硅酸钠的主要作用是和偏高岭土反应，氢氧化钠的主要作用是为潜活性材料的激发提供碱性环境。对硅酸钠和氢氧化钠的加量进行了实验优选，其中膨润土、偏高岭土和超细矿渣的比例为3︰3︰1。实验时，先将称量好的硅酸钠加入水中，搅拌均匀后再加入称量好的氢氧化钠，最后加入膨润土和潜活性材料。实验结果如图3和图4所示。

图2 不同加量的矿渣和偏高岭土复配对膨润土的固化性能

图3 硅酸钠的加量对固化性能的影响

图4 氢氧化钠加量对固化性能的影响

由图3可知，随着硅酸钠加量的增加，固化体强度不断增大，但当到达某一数值后，增加趋势变缓，出于成本考虑，硅酸钠加量确定为偏高岭土加量的72%为最优值。由图4可以看出，NaOH存在一个最优加量，当NaOH加量低时，潜活性材料不能够充分反应，而当NaOH加量过高时，固化体中会形成较多的氢氧化钙导致强度降低。因此，用于激活矿渣的NaOH加量为偏高岭土加量的2%时，潜活性材料对膨润土的固化性能最优。通过计算可得，硅酸钠和NaOH之间加量关系为36︰1。

3 泥饼固化实验

根据膨润土固化实验的结果，确定了固化膨润土的最优方案。通过实验室自制泥饼，并利用激活剂进行适当的激发，探究了利用偏高岭土和超细矿渣复配对泥饼固化性能的影响。其中偏高岭土和超细矿渣的加量分别为钻井液中膨润土含量的100%和33.3%。激活剂采用硅酸钠和NaOH的混合溶液。

3.1 激活时间对泥饼固化性能的影响

将配制的浆体在0.7 MPa压差下滤失，通过改变滤失时间形成了厚度为3 mm左右的泥饼。在1.0 MPa的压差下进行激活，以保证激活剂渗过泥饼内部，与泥饼中的潜活性材料发生反应。养护后，利用插针法测量了不同激活时间和不同激活剂浓度下泥饼的固化程度，测得激活时间为5、10、15、20、25、30 min时，破坏泥饼的力为0.7、12.34、15.06、15.87、16.44、16.38 N。由此可知，随着激活时间的增加，泥饼硬度不断增加，但是当激活时间大于10 min以后，泥饼强度增加趋势十分缓慢。这主要是由于在激活剂的作用下，泥饼中的潜活性材料能够迅速与激活剂发生反应，未反应的潜活性材料的含量不断降低，并且随着泥饼强度提高，泥饼的渗透率逐渐降低，激活剂的渗滤变得更加困难。因此，可以确定激活时间要高于10 min，才能使泥饼具有较高的强度。

3.2 激活剂浓度对泥饼固化的影响

利用插针法测量了不同激活剂浓度（固体与溶液质量之比）下泥饼的固化程度，配制了不同浓度梯度的激活剂，激活时间统一采用15 min。测得激活剂浓度为0.06、0.11、0.16、0.27、0.20、0.23 g/g时，破坏泥饼的力为1.03、2.16、5.74、12.63、14.8和14.2 N。由实验结果可以看出，激活剂浓度在0.2 g/g以上时，对泥饼中的潜活性成分能够进行较为彻底地激发。

利用偏高岭土和超细矿渣复配对钻井液进行改性，并利用硅酸钠和NaOH作为激活剂对泥饼进行处理，得到了固化泥饼。泥饼固化的原因主要是由于泥饼中含有潜活性材料成分，温度较高时，激活剂在压差作用下渗滤过泥饼内部的过程中，偏高岭土和超细矿渣能够与激活剂中的硅酸钠和氢氧化钠组分发生快速反应，形成了具有一定强度的网架结构。另外，在泥饼与水泥浆接触养护过程中，水泥浆水化会吸收一部分泥饼中的水分，进一步提高泥饼的强度，而由于泥饼内部网架结构的存在，固化的泥饼不会发生普通泥饼出现的干枯粉化现象。

4 泥饼固化材料与钻井液的配伍性

4.1 泥饼固化材料对钻井液体系性能的影响

通过实验测试了钻井液体系在加入泥饼固化材料（膨润土︰偏高岭土︰超细矿渣为3︰3︰1）前后滤失量和流变曲线的变化，结果见表1和图5。

表1 钻井液改性前后的失水量变化

图5 泥饼固化材料对钻井液流变性的影响

由表1可知，钻井液体系中加入泥饼固化材料之后滤失量变化很小，对于低滤失钻井液SLKL，泥饼固化材料的加入对滤失量几乎没有影响。通过观察图5可以看出，泥饼固化材料的加入并未改变2种钻井液体系的流型，流变曲线之间差别很小，并且由于提高了固相含量，对钻井液具有一定的提切作用。

4.2 泥饼固化材料对钻井液泥饼的固化效果

利用偏高岭土和超细矿渣对钻井液进行改性，其中偏高岭土和超细矿渣的加量分别为钻井液中膨润土含量的100%和33.3%。激活剂采用硅酸钠和氢氧化钠的混合溶液，其中硅酸钠质量分数为14.8%，氢氧化钠质量分数为0.4%，得到的实验数据如表2所示。由表2可知，加入偏高岭土和超细矿渣对钻井液进行改性后，改性钻井液形成的泥饼强度得到了明显的提高。其中钻井液基浆的泥饼强度提高了63倍，2种钻井液体系的泥饼强度分别提高了16倍和20倍，泥饼固化效果十分明显。这主要是由于钻井液外加2种潜活性材料之后形成的泥饼具有潜在活性，通过激活剂进行激活后，潜活性材料发生快速的水化反应，形成了具有一定强度的网络结构，从而达到了增强泥饼的效果。

表2 泥饼固化效果对比

5 结论与建议

1.偏高岭土和超细矿渣复配对膨润土有很好的固化效果。用与膨润土质量比为100%的偏高岭土和33%超细矿渣对钻井液进行改性，经过激活作用能够得到固化的泥饼。对激活参数进行了优化，最优激活时间为15 min，最优激活剂浓度为0.2 g/g。测试了泥饼固化材料对钻井液体系的影响，结果表明泥饼固化材料对钻井液的性能影响很小，满足钻井工程的需求，并且对钻井液具有一定的提切作用。

2.基于提出的泥饼固化技术进行了泥饼固化实验，结果显示钻井液基浆的泥饼强度提高了63倍，2种钻井液的泥饼强度分别提高了16倍和20倍。因此，将偏高岭土和超细矿渣应用于泥饼固化技术具有广阔的研究前景。

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A Solution to the Improvement of the Quality of Cement Sheath-formation Bonding Based on Geopolymer Theory

BU Yuhuan, ZHAO Letian, WANG Chunyu
(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580)

Mud cakes left over on the borehole wall by drilling fl uid play a major role in determining the quality of the bonding between cement sheath and formation. Solidif i cation of mud cakes provides a new clue for solving the bonding problem. A new idea of mud cake solidif i cation based on the geopolymer principle is presented in this paper. In this idea, the advantages of mud cake solidif i cation by slag and the advantages of MTA well cementing technology were combined to provide a solution to the improvement of the quality of cement sheath-formation bonding. In laboratory studies, metakaolin and ultra-f i ne slag, as two potentially active materials, were added to a drilling fl uid. Ata ratio of bentonite, metakaolin and ultra-f i ne slag of 3︰3︰1, the mud cake formed had higher strength under the action of activator. Optimization of activation parameters showed that, the amount of sodium silicate, the optimum activator, should be 72% of the amount of metakaolin, and the amount of sodium hydroxide (NaOH) used for the activation of slag should be 2% of that of metakaolin. The optimum activating time was 15 min. It was found that the metakaolin and the slag had only slight effect on the properties of the drilling fl uid tested. The strength of the mud cake of the base mud was increased by 63 times after solidif i cation, and the strengths of the mud cakes of two drilling fl uid formulated were increased by 16 times and 20 times, respectively, indicating that this technology is worth extensive studying.

Interface between cement sheath and mud cake; Metakaolin; Bentonite; Drilling fl uid; Mud cake solidif i cation

TE256

A

1001-5620（2017）01-0096-05

2016-12-20；HGF=1701N14；编辑 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.018

国家重点基础研究发展规划“973”项目（2015CB251202）。

步玉环，教授，1966年生，主要研究方向为油气井固完井工程油气井流体力学与工程。电话13884951607；E-mail：buyuhuan@163.com。