镶嵌屏蔽钻井液滤饼对固井二界面胶结质量的影响与提高措施

何瑀婷，赵殊勋，高启轩，李明泽，吕宝玉，左天鹏，郑怡杰，程小伟

（1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,成都 610500；2.中国石油集团渤海钻探第二固井分公司,天津 300280；3.中国石油吐哈油田分公司勘探事业部,新疆哈密 839009；4.尧柏特种水泥技术研发有限公司,西安 710100）

0 引言

镶嵌屏蔽钻井液是一种水基钻井液体系，通过镶嵌屏蔽剂在储层井壁上形成镶嵌屏蔽层，阻止钻井液流体和固相颗粒侵入储层，从而保护储层[1-4]。但是由于钻井液的滤失作用，钻井液中的固相颗粒会附着在井壁上形成一层滤饼，导致固井二界面出现微裂缝，表现为固井二界面胶结强度降低。

针对钻井液滤饼降低固井二界面胶结质量这一问题，目前的解决办法主要是钻井液滤饼的清除技术以及滤饼的固化技术，一种方法是利用冲洗液、隔离液清洗井壁上的滤饼；另一种方法是通过加入改性剂固化滤饼，以提高滤饼本身的强度[5-6]。袁海平[7]等提出，在注水泥过程中，利用水泥浆的流动尽可能多地冲刷掉井壁上残留的滤饼，使水泥浆直接和井壁进行固化，防止微间隙产生。刘开强[8]等提出，通过提高钻井液的pH 值，破坏钻井液中聚合物的化学结构，同时提高钻井液的亲水性、黏土颗粒表面的电位以及增加黏土颗粒间的分散作用，达到提高滤饼清除程度的目的。李韶利[9]等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减弱滤饼的亲油性使冲洗率达95%以上，增强了水泥石和滤饼之间界面的亲和性。MTC 技术主要是在钻井液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，可以将钻井液转化为能够完全满足固井要求的固井液[10-11]。

为了分析钻井液滤饼对固井二界面胶结质量的影响，主要有2 类评价方法，测井评价方法和界面胶结强度评价方法[12]。武治强[13]等提出一种基于声波测井技术的固井质量评价方法，运用模型分析测井CBL 值与套管波首波声幅幅值之间的关系，并通过套管波首波声幅幅值预测水泥环环空间隙和胶结强度。王广雷[14]等人利用人造岩心模拟井壁滤失后固井二界面胶结环境来直接定量表征出二界面胶结强度，并且利用夹杂在水泥石中的滤饼可以间接表征出界面的等效渗透率。

因此，通过胶结强度、SEM 和EDS 的测试结果，评价镶嵌屏蔽钻井液滤饼对固井二界面的影响；为提高固井二界面胶结质量，提出渗透剂对镶嵌屏蔽钻井液滤饼冲洗的方法，探究其对固井二界面胶结强度的影响，并分析渗透剂对镶嵌屏蔽钻井液滤饼的冲洗机理，为探索如何提高固井二界面胶结质量的方法提供理论依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

水泥浆配方为800 gG 级油井水泥+16 g 降失水剂G33S+4 g 分散剂USZ+350 g 水，水灰比为0.44，密度为1.89 g/cm3，在常温下的流动度为25.00 cm。油井水泥化学组成见表1。

表1 油井水泥化学组成

钻井液配方为4%膨润土+0.5%包被剂+1.5%封堵剂+2%降滤失剂+2%封堵防塌剂+2%液体降黏剂改性烷基硅+1%水解聚丙烯腈铵盐+1%乳化沥青+0.1%纯碱+0.1%片碱+3%液体润滑剂+80%加重剂。实验选用的三种渗透剂分别为脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）、脂肪酸山梨醇酐聚氧乙烯醚60（T60）、聚氧乙烯烷基酚醚（OP）。

1.2 镶嵌屏蔽钻井液滤饼的形成及冲洗实验

利用四联中压失水仪进行高温高压滤失实验，用手堵住钻井液杯输气接头处小孔，注入待测样品至杯内刻度线处，放入一张洁净干燥的滤纸，盖上杯盖及压紧丝杠，拧紧压紧旋钮，将钻井液杯倒置，输气接头装入放气阀内旋转 90°。打开气源，在（0.69 ± 0.03）MPa 的压力下，滤失 30 min 后得到滤饼。

采用六速旋转黏度计，用2 根结实的橡皮筋将滤失得到的钻井液泥饼连同滤纸一起绑紧在六速旋转仪的转子上；将配制好的渗透剂倒入浆杯后，在200 r/min 下进行冲洗；观察并记录2、5、10、15、20 min 时镶嵌屏蔽钻井液滤饼的附着情况。

1.3 固井二界面胶结强度的测试

待高温高压失水仪预热到 90 ℃ 后，先将适量的钻井液快速搅拌，并倒入高温高压失水仪浆杯中，再把事先准备好的岩心放进浆杯，利用氮气对整个装置进行加压，在 3.5 MPa 的工作压力下，加压 30 min 后将岩心取出。将附着钻井液滤饼的岩心经过渗透剂冲洗前后和不含钻井液滤饼的岩心放置于“胶结模”中，再在“胶结模”与岩心之间注入一定量的水泥浆，且固井水泥浆不能淹没岩心，之后在 80 ℃ 水浴锅养护1 d、3 d 后，利用 TYE-300B压力试验机让岩心与水泥石脱离，并测试样品的胶结强度，胶结强度测试示意图见图1，计算公式如下[15]。

图1 样品胶结强度测试示意图

式中，S为胶结强度，MPa；P为岩心脱离时的加荷压力，N；D为岩心直径，mm；h为水泥环的高度，mm。

2 结果与讨论

2.1 镶嵌屏蔽钻井液滤饼的结构及其性能

滤饼结构是由可压缩层、密实层和致密层以及表面的一层“虚滤饼”构成[16]，镶嵌屏蔽钻井液滤饼见图2，通过观察可以知道，滤饼具有一定厚度且表面呈现疏松的凝胶状态。根据 GB/T 16783.1—2014 对镶嵌屏蔽钻井液的性能进行了评价，该钻井液密度为1.31g/cm3，流变性能φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3为125/94/85/66/30/21，流性指数为0.23，滤失量为24 mL，滤饼厚度为6.0 mm。

图2 镶嵌屏蔽钻井液滤饼

2.2 渗透剂的优选

选用了3 种渗透剂，分别是AEO、T60、OP。使用3 种渗透剂分别对镶嵌屏蔽钻井液滤饼进行冲洗实验，结果见图3。

图3 不同渗透剂的冲洗实验结果

从图3 中可以看出，清水洗过后的镶嵌屏蔽钻井液滤饼无明显变化；对比三种渗透剂对镶嵌屏蔽钻井液滤饼的冲洗结果，T60、OP 冲洗后的滤饼表面有轻微的破坏；经过AEO 的冲洗，镶嵌屏蔽钻井液滤饼厚度明显变薄，说明AEO 对滤饼的冲洗效果最好。

由此可知，AEO 是冲洗效果最好的渗透剂，因此进一步探究AEO 在不同时间下对滤饼的冲洗效果。

图4 为AEO 对滤纸上的镶嵌屏蔽钻井液滤饼冲洗不同时间后的实验结果，可以看出随着时间的增加，渗透剂对滤饼冲洗效果越好，具体表现为，冲洗5 min 时滤饼开始脱落，冲洗10 min 时滤纸上有部分的滤饼残留，冲洗15 min 时滤纸上残留少量滤饼，冲洗20 min 时与冲洗15 min 的变化不明显。

图4 用AEO 对钻井液滤饼冲洗 不同时间后的实验结果

2.3 镶嵌屏蔽钻井液滤饼对固井二界面胶结强度的影响

表2 是不含钻井液滤饼和附着钻井液滤饼的岩心经过渗透剂冲洗前后，分别与固井水泥浆在80 ℃下养护1 d、3 d 的胶结强度测试结果。

表2 不同样品的胶结强度结果

对比表2 数据可以看出，不含钻井液滤饼的岩心，固井二界面的胶结强度下降了80%～90%，说明滤饼的存在会降低固井二界面的胶结强度[17]；附着钻井液滤饼的岩心经过AEO 冲洗后，对比冲洗前的固井二界面胶结强度，1 d 后固井二界面的胶结强度提高了166.67%，3 d 后固井二界面的胶结强度提高了33.34%，说明AEO 对镶嵌屏蔽钻井液所形成的虚滤饼层进行了有效冲洗，固井二界面的胶结质量得到提高。

图5 是水泥石与岩心界面的状态图，主要剖开水泥石保留完整岩心，从图5（a）可以看出，将不含钻井液滤饼的岩心样品的水泥石剖开后，岩心和水泥石之间胶结紧密，胶结质量好，没有明显空隙。从图5（b）中可以看出，将附着有冲洗前钻井液滤饼的岩心样品的水泥石剖开后，在岩心和水泥石之间的滤饼上有许多裂纹，滤饼表面几乎没有强度，导致水泥石与井壁的胶结质量降低。

图5 水泥石与岩心界面状态

从图5（c）中可以看出，相比较冲洗前钻井液滤饼，冲洗后的镶嵌屏蔽钻井液滤饼厚度变薄、表面更光滑，裂纹、裂隙更少，且岩心和水泥石之间的界面更清晰，是由于井壁上的虚滤饼层能较好地被冲洗，增大了水泥石和滤饼界面的亲和性，所以固井二界面的胶结强度得到提高。

2.4 镶嵌屏蔽钻井液滤饼对固井二界面微观结构的影响

图6 为渗透剂冲洗前后钻井液滤饼与水泥石界面的线分布能谱图，由于滤饼中K 元素的含量比水泥石中K 元素含量多，因此根据K 元素的线扫描结果可以看出，附着钻井液的岩心在冲洗前，界面处K 元素含量变化比较小，水泥石和滤饼之间的界面不明显；而附着钻井液的岩心经过冲洗后，界面处K 元素含量有明显减小的趋势，水泥石和滤饼之间的界面更为明显。

对比冲洗前后镶嵌屏蔽钻井液滤饼的扫描电镜图，可以发现冲洗前镶嵌屏蔽钻井液滤饼是层片状和絮凝状的混合结构，存在大量孔隙，具体表现为没有强度，降低固井二界面胶结质量；而滤饼经过渗透剂冲洗后，其虚滤饼层被冲刷掉，水泥石与滤饼之间的结合更致密，孔隙结构更少，钻井液强度提高，固井二界面胶结强度也随之提高。

2.5 冲洗机理分析

包被剂是镶嵌屏蔽钻井液的重要组成部分，聚丙烯酰胺钾盐K-PAM 作为包被剂中的主要成分具有增黏和絮凝的作用，在改善钻井液流变性能的同时，也会进一步阻碍滤饼的清除[18-19]。将5%AEO滴加到0.6%包被剂水溶液中，其现象如图7 所示，未加入AEO 的包被剂溶液呈现黄色，加入AEO 后，包被剂溶液中的颗粒被分散，溶液颜色变浅；为探究AEO 对包被剂结构的影响，进行了红外测试，结果如图8 所示。

图7 加入AEO 前（左）后（右）的包被剂溶液

图8 加入AEO 前后包被剂溶液的红外光谱图

由图8 可以看出，在978.56 cm-1处的特征带对应烯烃类C—H 面外弯曲振动吸收峰，加入AEO后，该特征峰明显减弱，是由于AEO 是一种具有亲水基团和亲油基团的非离子表面活性剂，其亲油基团由脂肪醇中的碳氢链组成，主要与镶嵌屏蔽钻井液滤饼中的烃链分子形成作用力，其亲水基团主要由聚氧乙烯链组成，朝向水并包裹住包被剂，从而改变镶嵌屏蔽钻井液滤饼表面的湿润性，降低水溶液与滤饼的表面张力，以及井壁与滤饼之间的接触角[20]。

因此，随着AEO 进入滤饼内部包裹住钻井液，粒子之间由于表面水化膜的存在不易发生团聚，再结合高分子的吸附作用和固相颗粒的冲刷作用[21-24]，就能去除镶嵌屏蔽钻井液滤饼，从而使固井二界面的胶结质量得到提高。

3 现场应用

大港油田经过长期的注水开发导致地层水活跃、地层渗透率增加、井壁上钻井液滤饼虚厚，严重影响固井质量[8]。为此利用脂肪醇聚氧乙烯醚开发了一套前置液体系，并应用于港5-12-1 井，该井井温为66 ℃，现场使用Φ139.7 mm 套管，固井一界面优质率为95.60%，固井二界面的优质率达到84.76%，说明该前置液体系可以清除镶嵌屏蔽钻井液所形成的虚滤饼层，固井质量和油气开发效益得到提高。

4 结论

1.镶嵌屏蔽钻井液滤饼由于其表面“虚滤饼”的存在会降低固井二界面的胶结强度。相比较没有添加钻井液滤饼的岩心和水泥石界面，其胶结强度下降了80%～90%，而附着钻井液滤饼的岩心经过渗透剂的冲洗后，固井二界面胶结强度可提高33.34 %～166.67%。

2.通过比较AEO、T60、OP 三种渗透剂对镶嵌屏蔽钻井液滤饼的冲洗结果，对比发现AEO 的冲洗效果最好。

3.AEO 中存在双亲基团，其中亲油基团碳氢链会与滤饼中的烃链分子形成作用力，亲水基团聚氧乙烯链会出现在粒子表面，一方面降低滤饼的表面张力，另一方面阻碍颗粒之间的团聚，从而清除虚滤饼层，提高固井二界面的胶结质量。

4.利用AEO 开发一套前置液体系，成功应用于港5-12-1 井，其固井二界面的优质率达到84.76%。