塔里木油田碎屑岩固井水泥浆储层损害实验研究

张绍俊， 张晓兵， 徐三峰， 李早元， 陆海瑛

(1中国石油塔里木油田分公司油气工程研究院 2西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室)

固井过程中，水泥浆难免要与储层接触，引起储层损害。但长久以来水泥浆对储层的损害一直未引起重视。塔里木油田碎屑岩储层孔渗条件较好，储层段裂缝发育，经过多年开采，该地区压力亏空严重，固井时压差高达20～25 MPa，储层段水泥浆渗透性漏失现象严重。对储层造成的损害不容忽视[1-3]。但目前关于水泥浆对该油田碎屑岩储层的损害机理认识不足，缺乏固井过程中的储层保护措施。固井过程中水泥浆对储层的损害机理及储层保护问题亟待解决。

一、碎屑岩储层特征

1.储层物性特征

塔里木油田碎屑岩储层主要集中在古近系底砂岩和白垩系顶砂岩。其孔隙度均值为15%，渗透率平均为118.6 mD，孔径均值37～56 μm。孔隙类型粒间溶孔、粒内溶孔为主孔，微缩缝发育。

2.黏土矿物特征

该地区平均黏土矿物含量介于2%～11%之间，黏土矿物类型以伊利石为主，约占黏土含量的50%～80%，其次为伊/蒙混层，占比为25%～35%。

3. 地层水水质分析

二、水泥浆对储层损害实验研究

1.实验材料及实验仪器

实验材料：塔里木油田碎屑岩储层段岩心；模拟地层水；阿克苏G级水泥；互力硅粉；促凝剂；降失水剂；分散剂；缓凝剂；消泡剂。实验水泥浆配方：阿克苏G级水泥+互力硅粉+降失水剂+分散剂+缓凝剂。

实验仪器：OWC-9360型恒速搅拌器、OWC-9510型高温高压失水仪(沈阳航空工业学院应用技术研究所)；DKS-2型岩心孔渗联测仪(海安县石油科研仪器有限公司)；DX-2000型X射线衍射仪(丹东方圆仪器有限公司)；TM-1000型电子扫描显微镜(日本日立电器公司)；CPZ-Ⅱ型高温高压膨胀仪(青岛鑫睿德石油仪器有限公司)。

2. 水泥浆滤液对储层损害实验研究

2.1 水泥浆滤液与地层水配伍性实验

将水泥浆滤液与地层水按一定体积比混合放置在广口瓶内，然后进行水浴养护(90℃×24 h)后均出现结垢现象，结垢包括颗粒状结晶及絮凝状沉淀，见表1。当滤液与地层水体积比为5 ∶5时，结垢量较大。

表1 水泥浆滤液与地层水配伍性实验结果

2.2 水泥浆滤液黏土膨胀率实验研究

采用CPZ-Ⅱ型高温高压膨胀仪测试了在水泥浆滤液的作用下，储层岩心的体积膨胀率。实验结果如图1所示。

图1 储层岩石膨胀率测试

由图1可知，在水泥浆滤液的作用下，储层岩心发生了明显的水化膨胀，滤液与储层岩石接触后前2 h，膨胀率增长较快，最终体积膨胀率达8.17%。

2.3 水泥浆滤液对储层渗透率损害研究

采用岩心驱替装置进行水泥浆滤液对岩心的损害实验，见表2。由表2可知，滤液对岩心渗透率影响较大，滤液驱替过后，岩心损害率达到了80%～90%，最高可达90.14%。

表2 水泥浆滤液对岩心渗透率影响实验

3.水泥浆中固相颗粒对储层损害实验研究

采用激光粒度分析仪及高温高压失水仪分别进行了水泥浆固相颗粒粒径分布测试及水泥浆对储层的损害实验，随后对水泥浆损害前后的岩心进行了电镜扫描，结果如图2～图4所示。

图2 水泥浆固相颗粒粒度分布图

图3 水泥浆损害前

图4 水泥浆损害后

三、水泥浆对储层损害机理分析

1.水泥浆滤液对储层损害机理分析

1.1 水泥浆滤液中无机物结晶损害

水泥浆在水化过程中会产生许多无机离子，在高pH环境下，水化产生的无机离子以过饱和状态存在于水泥浆滤液中[4-5]。而在固井过程中，滤液进入储层后，破坏了原有的离子平衡，导致了CaCO3、Mg(OH)2等无机垢的结晶析出。采用抽滤的方法分离获取了结晶物，用X射线衍射仪进行了成分分析，结果见图5。证实了结晶物中Mg(OH)2、CaCO3的存在。

图5 结晶物XRD分析谱图

1.2 水泥浆外加剂中有机物交联反应

制备了水泥浆滤液，然后用水泥浆滤液驱替岩心的模拟滤液对储层的损害，再对损害前后的岩心进行电镜扫描，结果如图6、图7所示。滤液损害前储层岩心孔渗情况良好。损害后，孔喉处出现了大量絮状结垢，造成孔喉的堵塞。

图6 水泥浆滤液损害前

图7 水泥浆滤液损害后

对生成的絮凝状物质进行了红外光谱分析，结果见图8。图8中波数为3 403.41 cm-1和3 227.24 cm-1的为O-H的伸缩振动峰，为宽的吸收峰，3 227.24 cm-1为O-H的伸缩振动峰，1 617.71 cm-1和1 401.14 cm-1对应的是C=C的伸缩振动峰，1 119.18 cm-1和1 000.68 cm-1对应的是C-O的伸缩振动峰，显然该絮凝状结垢明显为有机物。推测为水泥浆外加剂中含有的高分子聚合物，在地层水中高价阳离子的作用下，高聚物分子发生了交联现象，即出现的絮凝状结垢[6]。这些絮凝状结垢将更容易堵塞储层孔喉等渗流的关键部位。

图8 絮凝状结垢红外谱图

1.3 水泥浆滤液对储层岩石的损害

水泥浆滤液呈强碱性，滤液进入储层后对储层黏土矿物晶格表面的带电性产生了影响，OH-在黏土表面的吸附量增加，黏土矿物晶层间的静电斥力增加。宏观上表现为储层黏土矿物更易产生膨胀和分散[7]。

2.水泥浆中固相颗粒对储层损害机理分析

固井施工中，随着水泥浆的滤失，水泥颗粒及外掺料均会随着滤液一起进入储层，并发生水化反应[8]，最终在储层内部固结，而外掺料则会直接堵塞储层孔喉造成损害。

由图3可知，未经过水泥浆损害的岩心，孔喉较为发育。由图4可知，水泥浆损害过后，孔喉处含有无定形水泥质成分填充了岩石的孔缝，含有的球粒状物质，推测是水泥浆中不参与水化反应的外掺料。

四、结论

(1)塔里木油田碎屑岩储层平均孔隙度为15%，渗透率较高，储层孔径均值介于37～56 μm，储层段微裂缝发育，孔渗条件良好。

(2)水泥浆滤液中含有大量Ca2+，Mg2+等离子，进入储层后由于与地层水的不配伍性，产生无机盐结晶损害。此外，水泥浆外加剂导致的储层损害同样不容忽视。由于水泥外加剂中含有高分子聚合物，与水泥浆滤液中高价阳离子发生了交联反应，生成了絮凝状结垢，堵塞了孔喉等渗流关键部位，水泥浆滤液pH值较高，造成储层黏土矿物的分散、运移。

(3)水泥浆中固相颗粒对储层损害机理主要包括水泥浆中不参与水化反应的外掺料对于储层孔喉的堵塞以及水泥颗粒在储层内部的水化固结。

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