油基钻井液对水泥浆性能的影响及其机理

目前,油基钻井液越来越多地被应用于特殊地质条件和特殊工艺井中,而钻井液与水泥浆之间通常不具有相容性,二者掺混后会产生不同程度的接触污染,可是,油基钻井液对水泥浆性能影响及其机理的研究却相对滞后。为此,实验分析了油基钻井液在不同掺混比例条件下,对水泥浆流动度、稠化时间、抗压强度、胶结强度、孔隙度、渗透率等性能的影响。同时结合超声波抗压强度、XRD、热重分析,初步探索了油基钻井液掺混对水泥性能影响的机理。结果表明,油基钻井液掺混不会大幅度影响水泥浆稠化时间,但会形成絮凝结构,降低水泥浆流动性和顶替效率;掺混后的水泥石抗压强度和胶结强度降低,孔隙度和渗透率升高,影响水泥环封隔能力。油基钻井液掺混对水泥浆性能影响的机理为：水泥浆与油基钻井液掺混形成了乳化结构,造成水泥浆中自由水被束缚,导致水泥浆流动性降低;无法固结的油基钻井液在水泥石中形成孔洞以及油相的润滑作用是使得混浆水泥石强度降低、孔隙度和渗透率升高的主要原因。     

油基钻井液混浆对水泥浆性能的影响

针对固井时油基钻井液与水泥浆混合发生接触污染,会造成混浆段流变性变差和抗压强度降低这一问题,文章对接触污染的机理进行了分析和讨论,比较了掺入油基钻井液前后的水泥浆性能,并利用环境扫描电镜、X-射线衍射仪、红外光谱和扫描电镜对比了掺入前后水泥浆的物相、水化过程和微结构。研究结果表明,接触污染的机理在于油包水乳化钻井液中的乳化剂在水泥浆中产生了渗透压现象和破乳作用,渗透压现象可造成水泥浆中的自由水通过半透膜迁移入钻井液中的盐水相中,导致水泥浆流变性能急剧恶化;破乳作用可造成乳化剂在混浆中的游离,游离乳化剂会包裹油相于水泥颗粒上导致水泥石产生蜂窝结构,强度严重下降。     

油基钻井液与水泥浆接触污染内因探讨

油基钻井液因其良好的性能被广泛应用于深井、复杂结构井钻井中,但伴随其广泛应用,油基钻井液与水泥浆因接触污染引起井下复杂情况案例越来越多。为此,首先分析了水泥浆中掺混钻井液和钻井液外加剂对其性能影响,在此基础上,借助于扫描电镜、X射线衍射仪及傅里叶变换红外光谱仪等现代分析手段,探究掺混前后水泥浆物相和微观形貌的变化。研究结果表明:油基钻井液中降滤失剂、氯化钙在水泥水化不同阶段增加了的氢氧化钙的溶解度,加快了C₃S水化速度,使得水泥浆凝聚、变稠,导致水泥浆流动性急剧变差;而主乳化剂、辅乳化剂及黏土增加了油基钻井液界面膜的强度与厚度,难以与水泥浆形成“油包水”或“水包油”乳化结构而造成污染。该系统性研究更加深入地认清了油基钻井液与水泥浆接触污染的本质,为防范两者接触污染提供技术参考。     

油基钻井液性能与固井质量研究

为了研究油基钻井液性能和固井质量之间的直接关系，采用新建立的评价方法--人工岩心法，考察了油基钻井液体系及其主要组分对固井作业中第一、第二界面剪切胶结强度的影响规律，以及不同混浆比例下对水泥浆胶凝强度、初凝时间、终凝时间和水泥石抗压强度的影响规律。研究表明：对两界面胶结强度的影响由大到小依次是体系、乳状液、主乳化剂、降滤失剂、白油；前置液清洗后，胶结强度成倍提高，尤其对体系、乳状液和降滤失剂清洗效果最佳；随混浆比的增大，水泥浆初凝和终凝时间明显延长，水泥石抗压强度明显下降，甚至不凝。     

单因素法分析钻井液处理剂对水泥浆性能的影响

钻井液与水泥浆相容性差,混浆后易产生接触污染,即混浆段流体出现流动性恶化、水泥浆稠化时间缩短、水泥环强度降低等问题。实践表明,钻井液处理剂是造成接触污染的主要原因之一。为此,采用单因素法考察了13种钻井液处理剂对水泥浆性能的影响规律,利用红外光谱对处理剂进行了结构表征,用环境扫描电子显微镜对污染后的水泥石结构进行微观形貌分析。结果表明,生物增黏剂、聚丙烯酰胺钾盐能使水泥浆急剧变稠;SMT、SMP-1、JN-A能够缩短水泥浆稠化时间,但加量在1%(w)以内影响较小;其余钻井液处理剂加量在一定范围内对水泥浆性能影响较小。生物增黏剂和聚丙烯酰胺钾盐参与水泥水化、影响水泥浆结构形成过程是造成污染的重要原因;同时,高聚物大分子链发生卷曲、吸附架桥和电中和作用使水泥浆产生絮凝现象。污染机理的提出为钻井液合理选材、钻井液性能调整、减少钻井液与水泥浆的污染提供了理论依据。     

用于油基钻井液堵漏的氯氧镁水泥浆体系

氯氧镁水泥具有优良的机械和热性能,常作为工业地板、防火、砂轮和墙体保温材料。针对常规水泥浆存在的抗侵污能力和酸溶性差,无法处理油基钻井液恶性漏失问题。利用氯氧镁水泥硬化体系的多元结晶相,采用DISP-S作为分散剂,DOT和Atmp复配作为缓凝剂,对氯氧镁水泥体系进行了优化,设计了一种可应用于油基钻井液大型漏失的堵漏水泥浆体系。实验结果表明,该堵漏水泥浆的密度为1.76 g/cm3,沉降稳定性良好,自由水含量几乎为0,失水量小于40 mL,在60℃下的稠化时间可达230 min,在中低温范围内水泥石的抗压强度均在30 MPa以上,侵入油基钻井液的水泥石仍然具备一定的力学性能,并且能在浓盐酸中完全溶解。     

用于油基钻井液堵漏的氯氧镁水泥浆体系

氯氧镁水泥具有优良的机械和热性能,常作为工业地板、防火、砂轮和墙体保温材料。针对常规水泥浆存在的抗侵污能力和酸溶性差,无法处理油基钻井液恶性漏失问题。利用氯氧镁水泥硬化体系的多元结晶相,采用DISP-S作为分散剂,DOT和Atmp复配作为缓凝剂,对氯氧镁水泥体系进行了优化,设计了一种可应用于油基钻井液大型漏失的堵漏水泥浆体系。实验结果表明,该堵漏水泥浆的密度为1.76 g/cm3,沉降稳定性良好,自由水含量几乎为0,失水量小于40 mL,在60℃下的稠化时间可达230 min,在中低温范围内水泥石的抗压强度均在30 MPa以上,侵入油基钻井液的水泥石仍然具备一定的力学性能,并且能在浓盐酸中完全溶解。      

表面活性剂提高页岩气井固井水泥浆的抗污染性能评价

采取水平井开发页岩气储层时,由于套管偏心以及井径不规则等原因,通常会导致油基钻井液的顶替效率较低,部分油基钻井液掺入固井水泥浆中,影响水泥浆的性能。为了提高页岩气固井水泥浆的抗污染能力,室内将非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂复配制得表面活性剂（AFSG-1）,然后以现场油基钻井液和固井水泥浆为研究对象,开展了AFSG-1提高页岩气井固井水泥浆抗污染性能的研究。结果表明,现场油基钻井液的掺入会严重影响固井水泥浆的流动度、稠化时间以及混浆水泥石性能;油基钻井液的掺入比例越大,污染越严重。随着固井水泥浆中AFSG-1加量的不断增大,水泥浆自身的抗污染能力逐渐增强;当固井水泥浆中AFSG-1的质量分数为2%时,再掺入20%的油基钻井液,混浆的流动度、稠化时间以及水泥石性能与未加表面活性剂时相比均有明显改善。另外,AFSG-1对固井水泥浆抗油基钻井液污染性能的改善效果明显优于其他常用表面活性剂。AFSG-1能有效提高页岩气固井水泥浆抗油基钻井液污染的能力,可提高固井质量,保障固井安全。     

固井水泥浆与钻井液接触污染作用机理

针对固井时水泥浆和钻井液掺混易产生接触污染,造成注水泥憋泵和危及作业安全的问题,对接触污染的作用机理进行了研究。比较了掺混钻井液和钻井液处理剂前、后的水泥浆性能,利用红外光谱、X-射线衍射仪、扫描电镜对掺混前、后水泥浆的物相和微观形貌进行对比,确定钻井液和钻井液处理剂对水泥浆性能及结构的影响;利用原子吸收分光光度计测定水泥浆滤液中离子种类及含量,考察了各类金属离子对钻井液和处理剂溶液的影响。研究结果表明了接触污染作用机理:水泥浆中Ca²⁺对钻井液产生"钙侵 "造成钻井液流变性能变差;水泥水化产生的Fe³⁺、Al³⁺可与钻井液中的多种聚合物类处理剂交联形成凝胶,凝胶的形成加之处理剂对水泥颗粒的吸附架桥,造成水泥浆体多级絮凝结构的加强,导致混浆流动性急剧降低。根据作用机理,可使用抗钙先导浆、在隔离液中加入掩蔽剂等措施来解决接触污染。解决接触污染措施在ST1井、MX17井尾管固井中的应用效果良好,为保证深井注水泥安全提供了有力的技术支持。     

钻井液中生物增黏剂对固井水泥浆性能及结构的影响

固井中由于环空绕流等原因会造成水泥浆和钻井液掺混,现场相容性评价实验发现钻井液中的生物增黏剂会引发混浆流动性急剧变差,致使施工作业泵压快速升高,严重时将有可能导致固井失败。为此,开展了生物增黏剂对水泥浆性能及结构的影响实验:1用红外光谱、X射线衍射仪、扫描电镜对掺入生物增黏剂前后的水泥浆的结构、物相和微观形貌进行观察对比;2用原子吸收分光光度计分析水泥浆滤液的离子种类及含量,并考察水泥浆滤液中金属离子对钻井液和生物增黏剂溶液的影响。结果表明,生物增黏剂造成混浆流动性变差的机理在于:水泥浆与钻井液掺混后,生物增黏剂与水泥浆水化产生的Al 3+、Fe3+交联形成凝胶并大量包裹吸附水;混浆中维持其流动性的自由水显著减少,使得混浆流动性急剧变差;混浆出现"假凝",表现为稠化时间显著缩短;水泥浆水化进程延缓表现为水泥环抗压强度发展缓慢。     

深井固井的若干问题

讨论了深井固井的几个问题，包括长封固段顶部水泥抗压强度的最新ISO标准方法、注水泥温度、窄环空固井带来的问题、深井钻井液、固井液的流变性及流变性试验方法、水泥环的收缩及工程设计问题、深井钻井液与完井液对水泥环及套管的腐蚀研究、深井堵漏问题、特高温固井的低密度水泥浆体系。     

无黏土高温高密度油基钻井液

针对塔里木盆地山前构造带井深高温以及地层裂缝发育的特点,研发了油基钻井液关键处理剂,其包括主乳化剂HT-MUL、辅乳化剂HT-WET、提切剂ZNTQ-1。乳化剂通过抗高温的亲水亲油官能团,在油水界面形成具有很强黏弹性的界面膜来提高乳化能力;基于超分子原理,提切剂通过在油水界面的氢键作用提高乳状液的凝胶强度,达到替代有机土的效果。以乳化剂和提切剂为核心处理剂配制的无黏土高温高密度油基钻井液,抗温达220℃,密度达2.50 g/cm3,老化后乳化稳定性好,不出现分层现象,高温高压滤失量小于10.0 m L,具有极好的滤失性,可通过柴油配制得到。无黏土高温高密度油基钻井液克服了以往有机土油基钻井液高温易降解失效和高密度下流变性差的缺点;同时提切剂取代有机土,除了能进一步加快钻速外,还能降低储层损害程度,是目前油基钻井液技术的领先技术,具有极好的应用前景。     

高效双分散剂F-2的研制与应用

为解决固井替浆过程中钻井液和水泥浆接触后混合浆体流变性变差的问题,采用氧化-还原引发共聚反应,合成了一种高效双分散剂F-2。根据行业标准对其性能进行了评价,结果表明:聚合物钻井液和常用水泥浆加入双分散剂F-2后,其流变性能得到改善;常用水泥浆加入双分散剂F-2有助于提高水泥石强度;加入双分散剂F-2的常用水泥浆与聚合物钻井液按不同比例混合后,其流变性能没有出现明显的突变;双分散剂F-2的最优加量为0.5%。双分散剂F-2在胜利油田2口非常规水平井固井中进行了试验,在水泥浆顶替钻井液的过程中,没有出现由于钻井液与水泥浆相混流变性变差的问题,整个固井施工过程顺利,其中1口井的第一界面胶结质量优质率高达95%,第二界面胶结强度中等以上,而未应用双分散剂F-2的邻井第一、二界面胶结质量仅为合格。双分散剂F-2不仅能对水泥浆和钻井液起到良好的分散效果,也为固井替浆过程中出现的浆体增黏、变稠问题提供了新的解决途径。      

水泥矿渣固井液在胜利乐安油田草4定向井固井中的应用

钻井液对水泥浆的污染及水泥浆与泥饼不相容性是影响顶替效率及固井质量提高的主要原因,为此,开发研制了水泥 矿渣体系.文中以草4-2-斜217井和草4-7-斜219井为例介绍了该技术在胜利油田乐安区块的现场应用情况.室内试验和现场应用证明:水泥 矿渣体系与钻井液相容性好,钻井液顶替效率高,二界面胶结质量好;失水性能易于控制,API失水量根据需要可调;体系早期强度高,满足射孔开采要求;体系流动性能好,流性指数和稠度系数满足现场施工要求;水泥石胶结强度较原浆水泥石明显提高.该体系目前已经在该地区应用6口井.     

超低密度高炉矿渣水泥浆研究

针对油田在低压易漏地层中使用１．４０￣１．６０ｇ／ｃｍ＾３的低密度水泥浆固井存在水泥浆返高不够,固井质量差等问题,结合矿渣膨润土水泥浆。矿渣ＭＴＣ固井技术和多功能钻井液固井技术,利用矿渣和漂珠等材料设计了密度１．２０￣１．３５ｇ／ｃｍ＾３的超低密度矿渣膨润土水泥浆,矿渣ＭＴＣ浆和矿渣ＵＦ浆。     

川渝地区深井超深井固井水泥浆防污染试验

为解决深井、超深井固井水泥浆与钻井液的相容性问题,在分析钻井液对水泥浆稠化时间的影响以及深井常用钻井液处理剂与深井常用高温水泥浆进行混合流体的流变性能、高温、高压稠化时间试验的基础上,提出将深井常用的聚磺、钾聚磺两种中高温钻井液体系与深井常用的高温水泥浆体系进行体系间混合流体相容性试验的方法。由此筛选出对水泥浆有促凝作用的钻井液处理剂,来指导钻井液处理剂的选择;并对现有水泥浆相容性试验标准和防污染工艺技术措施进行了评价,总结出适合深井井下实际情况的水泥浆相容性试验方法和固井前钻井液性能调整技术、偏心环空隔离液技术、提高套管居中度技术、水泥浆防污染等措施。现场实践结果表明,固井水泥浆防污染技术能确保深井、超深井固井作业的安全。最后建议根据不同地区特点建立一套较为全面的水泥浆防污染体系,以此来提高固井质量。     

大港油田页岩油储层固井技术研究与应用

针对大港油田页岩油储层固井过程中地层压力系统复杂、油气活跃、钾盐钻井液与水泥浆相容性差、钻井液混油驱替困难、水泥石力学性能要求高等难题,开展了固井工作液及配套固井技术措施研究。采用具有洗油作用的功能型前置液,对含油钾盐钻井液的冲洗效率超过90%;针对大港油田页岩油储层固井"四低一高"要求,采用具有静胶凝过渡时间为5 min、抗压强度大、弹性模量低等特点的防窜性能优良、水泥石力学性能突出的高强度韧性防窜水泥浆体系。落实"双扶"、"三扶"通井措施,采用纤维+稠钻井液裹砂携砂井眼清洁技术、虚泥饼清除技术,做好井眼准备工作,优化页岩油储层配套固井技术措施,形成了适用于大港油田页岩油储层的固井工艺技术,该成果在现场获得成功应用。      

用多功能钻井液设计超低密度矿渣水泥浆

本文针对陕甘宁盆地中部低渗透天然气田低压易漏地层二级固井中存在的问题，利用高炉矿渣、漂珠的潜在活性及比重较小的特点，结合多功能钻井液固井技术的优点，用多功能钻井液设计超低密度（１２０ｇ／ｃｍ３～１４０ｇ／ｃｍ３）矿渣水泥浆。用该水泥浆为领浆和纯Ｇ级水泥浆为尾浆对天然气井进行一次性注水泥固井，替代分级固井技术。室内研究结果表明：超低密度矿渣钻井液固化液中激活剂可以扩散到滤饼和残留的多功能钻井液中，使套管、水泥石和地层三者之间达到完整的胶结，使地层封隔效果良好，水泥石抗压强度高，水泥浆流变性好，体系稳定，稠化时间满足现场施工要求，并解决了分级固井技术中存在的固井质量问题。