固井弱界面增强剂及其对钻井液性能的影响

2022-05-11张盛良冯福平

化学工程师 2022年4期

何军，高亮，张盛良，侯兵，冯福平

（1.吉林油田分公司钻井工艺研究院，吉林松原 138000；2.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318）

固井弱界面是引起固井质量变差的重要原因之一，针对该问题研究者进行了大量的研究，开发了很多改善固井弱界面的技术，如MTC固井技术[1-4]、MTA技术[5-9]、MCS技术[10-13]等。其中，MTA技术主要是钻井时在钻井液中加入一定量的泥饼改性剂（GM-Ⅱ），固井时在前置液中加入一定量的凝饼形成剂（GA-IA和GA-IB），前置液中的凝饼形成剂修饰泥饼表面，并与泥饼内部的泥饼改性剂反应生成类似水泥水化产物的凝胶类物质，促使泥饼生成了硬而致密的凝饼，并实现了泥饼与水泥浆的整体固化胶结。现场应用表明，MTA技术适用井深不宜超过1500m，该技术在深井中的应用可行性并未确定。针对深井井壁上泥饼强度较差的问题，以MTA技术为指导，本文研制了一种可添加在钻井液中的固井弱界面增强剂，该增强剂在高温高压下，可有效提高泥饼强度，减少固井弱界面现象，进一步加强界面处泥饼与井壁的亲和力，从而提高固井质量。

1 实验部分

1.1 材料及设备

所研发的固井弱界面增强剂是由含钙铝矿物纤维和有机胺组成的固体混合物，组成比例为7∶3，呈粉末状；实验所用钻井液为聚合物水基钻井液，主要组成为6%土+1%Na2CO3+2%钻井液用聚丙烯腈-聚丙烯酰胺型复合铵盐+1%聚丙烯酸钾KPA+2%钻井液用降滤失剂聚合铝JS-2+3%钻井液用防塌封堵剂乳化沥青YK-H+1%乳化剂（LHR-Ⅱ）；水泥为G级油井固井水泥。

GGS-42型高温高压静态滤失仪（青岛恒泰达机电设备有限公司）；SZR-3型沥青针入度仪（上海喆钛机械制造有限公司）；ZNN-D6型旋转粘度计（青岛恒泰达机电设备有限公司）；MRE-2型泥浆电阻率测量仪（青岛森欣机电设备有限公司）；YM-2密度计（青岛恒泰达机电设备有限公司）；ZMN-2型马氏漏斗粘度计（青岛恒泰达机电设备有限公司）；ΣIGMA扫描电镜（德国蔡司公司）；CMT5105型拉力测试机（天津市美特斯试验机厂）；101-A2型电子恒温箱（101-A2型电子恒温箱）。

1.2 实验方法

1.2.1 泥饼制备及强度测试在钻井液中加入一定量的固井弱界面增强剂置于瓦楞搅拌器中，高速搅拌15min，利用高温高压滤失仪在3.5MPa、90℃下滤失30min，制备泥饼。用水冲去泥饼表面的浮泥后，将其置于200mL水泥滤液中，90℃下常压养护7d。利用水流冲刷法测定泥饼被冲破的时间，利用沥青针入度仪测定实泥饼的厚度，二者比值定义为泥饼的强度，单位为s·mm-1。

1.2.2 钻井液性能测定在钻井液中加入一定量的固井弱界面增强剂置于瓦楞搅拌器中，高速搅拌15min，混合均匀。用ZNN-D6型旋转粘度计、MRE-2型泥浆电阻率测量仪、YM-2密度计、ZMN-2型马氏漏斗粘度计分别测定钻井液的流变参数、电阻率、密度、漏斗粘度和沉降稳定性等参数，考察固井弱界面增强剂对钻井液基本性能的影响。

1.2.3 模拟二界面胶结强度测试将直径7cm、高度12cm的圆柱形模拟岩心置于含有一定量固井弱界面增强剂的钻井液中，于90℃下养护24h。待模拟岩心表面形成一定厚度的泥饼后，取出，放在外径14cm、内径12cm、高度10cm的钢套管中心部位，然后在二者构成的环形区域灌注油井水钻井液，室温下放置24h后，置于90℃下常压养护7d，利用CMT5105型拉力测试机测定模拟岩心从水泥环中被压出的最大压力，该压力值与模拟岩心和水泥环的胶结面积的比值定义为模拟二界面胶结强度值，单位为MPa。

1.2.4 泥饼和二界面微观形貌分析将自然干燥后的泥饼样品进行SEM电镜扫描分析，观察分析固井弱界面增强剂对泥饼微观形貌的影响。

2 结果与讨论

2.1 固井弱界面增强剂对泥饼强度及滤失量的影响

将固井弱界面增强剂以一定比例添加到聚合物钻井液中制成泥饼，通过泥饼强度测试实验测定泥饼强度的变化，并记录钻井液滤失量，结果见表1。

表1 固井弱界面增强剂对聚合物钻井液泥饼强度及滤失量的影响Tab.1 Effect of the addtive content on mud cake strength and filter loss of silica-based drilling fluid

由表1可以看出，对于聚合物钻井液，固井弱界面增强剂能显著增强泥饼强度，当其加量为0.7%时，泥饼强度最大为390MPa，泥饼厚度减小为0.4mm，钻井液滤失量降低为2.7mL。与未加剂的情况对比分析，确定固井界面增强剂在明显提高泥饼强度的同时，也会减小泥饼的厚度、降低钻井液滤失量。但加量超过0.9%时，泥饼的厚度增加，说明过高的加量不利于泥饼的减薄。综上，确定固井弱界面增强剂在钻井液中的最佳加量为0.7%（质量比），与未加剂情况相比，泥饼的强度提高15倍，泥饼减薄20%，钻井液滤失量降低10%。

2.2 固井弱界面增强剂对钻井液流变曲线的影响

将固井界面增强剂以0.7%的比例加入到钻井液中，测量钻井液的流变参数，结果见图1。

图1 固井弱界面增强剂对钻井液流变曲线的影响Fig.1 Influence of the additive on drilling fluid rheological curve

由图1可以看出，钻井液中加入不同量的固井弱界面增强剂后，粘度有不同程度的下降；添加量越多，相同剪切速率下，粘度下降程度越明显，说明固井弱界面增强剂的加入增加了钻井液的流动性，降低其粘度。本文研发的固井弱界面增强剂对钻井液无增粘作用，可以添加到钻井液中，满足钻井完井过程对钻井液粘度的要求。

2.3 固井弱界面增强剂对钻井液密度、电阻率和漏斗粘度的影响

将固井弱界面增强剂以不同比例加入到钻井液中，测定钻井液的密度、电阻率和漏斗粘度，考察固井弱界面增强剂对钻井液密度、电阻率和漏斗粘度的影响，结果见表2。

表2 固井弱界面增强剂对钻井液密度、电阻率和漏斗粘度的影响Tab.2 Effect of the addtive content on performance parameters of silica-based drilling fluid

由表2可以看出，钻井液中加入固井弱界面增强剂后，密度变化不明显，电阻率增大，漏斗粘度显著降低，在0.7%的加量下，电阻率增大7%，漏斗黏度降低了11%。说明固井弱界面增强剂使钻井液体系中的带电离子数量减少，体系稳定性增强；同时使钻井液具有较低的漏斗黏度，具备较好的流动性，有利于减少浮泥饼的厚度。

2.4 固井弱界面增强剂对钻井液沉降稳定性的影响

将加有不同含量固井弱界面增强剂的钻井液搅拌混合均匀后，倒入100mL量筒中至满刻线。室温下放置4h，测定量筒上、中、下部的密度，考察固井弱界面增强剂对钻井液沉降稳定性的影响，结果见表3。

表3 弱界面增强剂对聚合物钻井液沉降稳定性的影响Tab.3 Effect of the addtive content on stability of silica-based drilling fluid

由表3可以看出，加入固井弱界面增强剂后，钻井液的密度稍有增加，当添加量为0.7%时，钻井液的密度为1.34g·cm-3，与空白钻井液相比，密度变化不大，并且在相同加量的情况下，量筒上、中、下部的密度相同，说明固井弱界面增强剂不会影响钻井液的沉降稳定性。

2.5 固井弱界面增强剂界面增强效果评价

在钻井液中加入0.7%的固井弱界面增强剂，进行界面模拟实验，测试界面胶结强度，评价其界面增强效果，结果见表4。

表4 模拟固井二界面胶结强度测试结果Tab.4 Cementing strengths at the interfaces of well cementation

由表2可以发现，当固井弱界面增强剂以最佳用量加入到钻井液后，模拟固井二界面的胶结强度可提高到原强度的9.4倍，增强效果显著。因此，本文研制的固井弱界面增强剂可显著增强二界面的胶结强度。

2.6 泥饼的宏观和微观形貌

为考察在钻井液中加入固井弱界面增强剂后，泥饼宏观和微观形貌的变化，拍照并进行SEM电镜扫描分析，结果见图2、3。

图2 泥饼宏观形貌图Fig.2 Pictures of mud cakes

由图2可以看出，空白泥饼较厚，且表面不光滑，而在钻井液中加入固井弱界面增强剂后，泥饼表面的变得平整，致密性增强。说明固井弱界面增强剂可有效改善泥饼的外观性能。

图3 泥饼SEM图Fig.3 SEM images of mud cakes

由图3可以看出，空白泥饼中含有大量的片状粘土层，而加入固井弱界面增强剂后，泥饼中粘土颗粒生成了大量的羽翼状胶体物质，颗粒之间更加紧密，根据相关文献[13,14]推测，该物质为水化硅酸钙凝胶，水化硅酸钙凝胶是水泥硬化体的主要成分，是水泥石硬度的主要贡献者。因此，可以推断，固井弱界面增强剂促进了泥饼内部水化硅酸钙凝胶的生成，进而提高了泥饼的强度，改善泥饼与水泥石胶结效果，有利于提高界面胶结强度。