固井用隔离液材料对界面胶结质量的影响

2019-07-11焦利宾姚坤全李成全牟乃渠王福云郑友志

钻采工艺 2019年3期

焦利宾，姚坤全，李成全，牟乃渠，王福云，郑友志

(1中国石油西南油气田公司工程技术研究院 2国家能源高含硫气藏开采研发中心工程技术研究所 3中国石油西南油气田分公司工程技术处 4中石油西南油气田公司开发事业部 5中石油西南油气田四川长宁天然气开发有限责任公司)

钻井液在井筒循环过程中，会在井壁处形成滤饼或钻井液黏附物，这些材料不能像水泥浆一样形成具有封固能力的固化体，在周围水泥浆固化后，由于水泥石的吸水使之龟裂、粉化，易形成流体窜通的通道，导致水泥石与井筒环空界面的胶结强度下降，破坏井筒密封能力，影响后续的生产安全和效益[1-2]。

在固井施工中，由于井眼条件、钻井液和水泥浆等流体性能、顶替效率等多因素影响下，难以完全清除在井壁、套管处钻井液、滤饼、油污等残余物，最终影响界面胶结质量和水泥环封隔能力。因此在固井过程中除了需要解决钻井液、前置液、水泥浆三者之间的顶替效率以及工作液接触时的抗污染问题之外，必须尽可能地提高胶结界面强度，即第一界面和第二界面的胶结强度[3-9]。

不同固相材料对界面胶结强度的影响在建筑、石油工程等领域有广泛的研究[10-14]，通过研究界面胶结强度、胶结处水化产物的组分，以及胶结界面处微观形貌，分析前置液中固相材料(如矿渣、重晶石等)对界面胶结质量的影响。

一、实验部分

1.实验材料及仪器

G级高抗硫油井水泥，四川嘉华企业(集团)股份有限公司；SXY(分散剂)、SZ1-2(降失水剂)、FA-367、XY-27、DS-2、磁铁矿、重晶石、D50(消泡剂)、SN-3(缓凝剂)；矿渣粉体、复配表面活性剂JL-7，实验室自制。

TYPE常压稠化仪(沈阳石油仪器研究所有限责任公司)；NYL-300L型压力试验机(中国建材技术装备总公司)；X’Pert MPD PRO型X射线衍射仪(荷兰PANalytical公司)；Quanta450型环境扫描电子显微镜(美国FEI公司)

2.实验及评价方法

按照GB/T 19139-2012《油井水泥试验方法》制备水泥浆。

2.1 测试胶结强度样品制备方法

分别将模拟井壁的模具和模拟套管的模具在钻井液中室温浸泡4 h后，在常压稠化后的冲洗液中以1 400 r/min的转速冲洗10 min，然后向模具中注入水泥浆，在70℃水浴养护48 h后，在强度压力机上测模拟固井界面胶结强度。水泥石规格为直径为25 mm、高度为50 mm的圆柱体，测试结果为三组平行试样的平均值[2]。

2.2 X-衍射分析

将水泥水化产物样品用无水乙醇终止水化24 h后，在真空干燥箱内105℃干燥4 h后取需要测试部分研磨成粉末，使用X射线衍射仪测试样品组分，实验温度为室温。

2.3 扫描电镜分析

将水泥石样品用无水乙醇终止水化24 h后，在真空干燥箱内105℃干燥4 h后取测试部分制成样品，使用Quanta450型环境扫描电镜观察样品的胶结界面处微观形貌。钻井液、前置液、水泥浆配方如表1所示。

二、结果与讨论

1.前置液与钻井液、水泥浆的相容性

从表2可以看出，密度为1.3 g/cm3的前置液A与低固相不分散钻井液、按照不同比例混合后，混合流体的流变性较好，没有沉淀或絮凝现象出现，说明前置液A钻井液有良好的配伍性。

表1 工作液配方

表2 前置液A 与低固相不分散钻井液D流变性

在环空顶替过程中，前置液与钻井液、水泥浆之间的接触面会不可避免地混合，出现不同比例的混合相。进行混合相工作液抗污染稠化实验研究有助于了解在环空顶替过程中混合相工作液的变化趋势及其稳定性。塑性微膨水泥浆 ∶钻井液D ∶前置液A=7 ∶2 ∶1(体积比)的污染实验如图1所示。

图1 塑性微膨水泥浆 ∶钻井液D ∶前置液A=7 ∶2 ∶1的稠化曲线图

从图1可以看出，塑性微膨水泥浆、钻井液D、前置液A混合后的工作液稠化曲线平稳，没有明显的鼓包、台阶等不良现象，说明前置液与微膨水泥浆、钻井液D有良好的相容性，降低了施工作业风险。

2.前置液对界面胶结强度影响

使用前置液A后第一、第二界面胶结强度分别达到2.51 MPa和1.66 MPa；而使用前置液B和前置液C后，界面胶结强度都比较低，特别是使用前置液B后第二界面胶结强度只有0.14 MPa。这是因为前置液A中的表面活性剂对泥饼有良好的分散、清除作用，而矿渣类水硬性材料附着在界面上，与后续的水泥浆接触时发生水化反应，生成的水化产物提高了水泥与界面的胶结强度。前置液B中的重晶石是一种惰性材料，附着在界面上后不能参与水泥水化过程，当重晶石在界面处残留过多则阻碍了水泥与界面接触，因此水泥与界面的胶结强度会大幅度降低，容易产生水泥环微环隙，影响水泥环封隔地层的能力。前置液C是一种配浆水，对界面有一定的清洗作用，但滤饼的清除能力较差，界面处滤饼残余量高，破坏了水泥与界面的胶结性能。

3.前置液对水泥石抗压强度影响

从表3可以看出，当水泥浆受到前置液损害时，其抗压强度均会降低，且随着养护时间的增加，抗压强度的相对损失率会增大。说明与未被损害的水泥浆相比，受损害后水泥浆的抗压强度增长速度减慢。以同样5%的污染量为例，与前置液B相比，前置液A对水泥浆抗压强度相对损失率明显降低，而且被前置液A污染后水泥浆的抗压强度要明显高于被前置液B损害后水泥浆的抗压强度，即被前置液A损害后，水泥石的抗压强度为15.63 MPa、抗压强度相对损失量为12.39%，而受前置液B损害后，水泥石的抗压强度为10.49 MPa、抗压强度相对损失量为41.20%，说明前置液A对水泥浆抗压强度损失有较强的抑制作用。另外，受前置液A污染的水泥浆的抗压强度随养护时间的增长速度要高于受前置液B损害的水泥浆的抗压强度随养护时间的增长速度。

表3 塑性微膨水泥受不同前置液污染后抗压强度的变化

注：塑性微膨水泥浆中混入25%前置液B后约析出体积比为1/5的游离液，故没有测其抗压强度。

4.第一胶结界面X衍射分析

经过低固相不分散钻井液、前置液A或前置液C处理模拟套管的模具后，基础水泥浆在胶结界面处样品的X衍射图谱，测试结果如图2所示。

A：Ca(OH)2；B：CaCO3；C：AFt；D：C-S-H(Ⅰ)；E：C-S-H(Ⅱ)；F：C2S；G：C3S。

图2第一胶结界面X衍射图谱

从图2可以看出，经过前置液A冲洗后水泥胶结界面处的水化产物中氢氧化钙的衍射峰强度显著降低，说明氢氧化钙含量降低，而C-S-H凝胶类水化产物增加，这是因为前置液A中的矿渣类水硬性材料，其中含有大量的氧化硅、氧化钙、氧化铝等物质，这些物质可以与水泥浆液中的氢氧化钙发生反应，形成水硬性凝胶物，这类凝胶材料具有较好的黏合力，因而提高了界面胶结强度。而氢氧化钙是碱性物质，微溶于水，其晶体的黏合力弱，在界面处形成晶体后降低了胶结强度，并且易受地层流体(特别是地层水和酸性介质)的侵蚀后在界面处形成窜槽，导致水泥环封隔能力降低。