油基钻井液对水泥浆性能的影响及其机理
2015-12-29

摘 要: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。

关键词:油基钻井液  水泥浆  接触污染  流动度  强度  乳化结构  自由水

Effects of oil-based drilling fluid on cement slurry performance and its mechanisms

AbstractOil-based drilling fluid has been widely applied to wells with special geological or technological requirementsbut contact contamination occurs while drilling fluid and cement slurry are mixed due to their incompatibilityHoweverresearches on the effect of oil based drilling fluid on the performances of cement slurry and its affecting mechanism are relatively laggedThereforetests were conducted on the effect of oil based drilling fluids on cement slurry performances such as mobilitythickening timecompressive strengthbonding strengthporosity and permeability through the change of blending ratioIn additionpreliminary investigation was performed on the influencing mechanism of oil-based drilling fluid blending on cement slurry performances by means of ultrasonic compressive strengthXRD and TGA analysisIt is shown that oil-based drilling fluid blending does not significantly change the thickening time of cement slurrybut results in the formation of some flocculation structures which will reduce mobility and replacement efficiency of cement slurryThe isolating capacity of the mixed cement sheath drops greatly due to the decrease of compressive strength and bonding strength and the increase of porosity and the permeabilityTo sum upthe influencing mechanism of oil-based drilling fluid blending on cement slurry performances is as followsAn emulsion structure is formed after oil-based drilling fluid and cement slurry are mixedThen the mobility of cement slurry drops because its free water is constrained by the emulsion structureStrength reduction and porosity and permeability increase of set cement is mainly caused by lubrication effect of oil phase and by pores which are formed in set cement by unconsolidated oil-based drilling fluids

KeywordsOil based drilling fluidCement slurryContaminationMobilityStrengthEmulsion structureFree water

钻井液与水泥浆是理化性质不同的两种油气井工作液,二者之间通常不具有相容性,掺混后会产生不同程度的接触污染。与水泥浆和钻井液相比,混浆的流动能力发生重要改变,主要表现为流动性变差,影响固井顶替效率;稠化时间急剧缩短,形成“插旗杆”“灌香肠”等工程事故隐患;水泥水化过程可能发生改变,使其固结物不具备层间封隔能力等[1-2]。对于水基钻井液与水泥浆之间的接触污染目前已经开展了大量研究并形成了一些解决办法[3-9],对于油基钻井液对水泥浆性能的影响及其机理研究却相对滞后。油基钻井液优良的抑制性、抗温性和润滑性,使其大量地应用于页岩气、盐膏层、大位移、大斜度等特殊地质和特殊工艺井中[10-13]。伴随着油基钻井液使用范围的扩大,因油基钻井液与水泥浆接触污染引起的事故复杂和固井质量问题也随之增多,如塔里木克深某井在127.00mm尾管固井作业中发生“插旗杆”事故、四川长宁某页岩气水平井在127.00mm套管固井作业中发生灌香肠事故,对油基钻井液与水泥浆之间的接触污染问题开展研究成为一项迫切的工作。笔者以国内某油田在用高密度油基钻井液和水泥浆体系为基础,评价了不同掺混比例条件下,油基钻井液对水泥浆流变性、稠化时间、抗压强度、胶结强度、孔渗特性等关键性能的影响。同时结合超声波强度、XRD、热重等方法分析了油基钻井液掺混对水泥浆水化过程的影响,初步分析了油基钻井液对水泥性能影响的机理,以期为有效解决油基钻井液与水泥浆之间的接触污染问题提供参考。

1 实验材料及方法

11 实验材料及仪器

所用油基钻井液为取自国内某油田X149.20mm井段完钻油基钻井液(哈里伯顿UMD 2柴油基钻井液体系,密度1.85gcm3),水泥浆为该井137.00mm尾管固井水泥浆体系,配方为100%干灰(G级水泥+30%硅粉+5%微硅)+5%降失水剂+1%分散剂+2%缓凝剂+0.2%消泡剂+水,液固比0.45,水泥浆密度为1.90gcm3。实验仪器如表1所示。

 

12 实验方法

依据GBT 19139—2012《油井水泥石试验方法》测试了水泥浆与油基钻井液在100095575255050的体积掺混比例条件下,油基钻井液掺混对水泥浆性能的影响[14]。试验过程为:将油基钻井液按比例混入新配制好的水泥浆中,在4000rmin条件下混合均匀;②测试不同掺混比例条件下混浆的常温和高温(93℃)养护20min后的流动度以及稠化时间;③测试高温高压养护48h后混浆水泥石的抗压强度和界面胶结强度;④测试高温高压养护48h后混浆水泥石的孔隙度和渗透率;⑤用水泥超声波强度分析仪考察油基钻井液掺混对水泥浆凝结过程的影响;⑥用X射线衍射仪和热重分析仪考察油基钻井液掺混后水泥石的物相变化。

胶结强度测试方法为:选内径为5cm,长度为8cm的碳钢管模拟套管,实验前刷洗干净;向模拟套管内加入配置好的水泥浆或混浆,两端盖上密封盖好后养护48h,再用压力实验机测出使水泥石与模拟套管之间发生相对运动时最大的力;③测出最大压力之后再按下列两式计算结果:界面胶结强度一压力计读数/水泥石胶结面积水泥石胶结面积一模拟套管内圆周长×模拟套管高度

2 实验结果与讨论

21 油基钻井液掺混对水泥浆性能的影响

油基钻井液掺混对水泥浆流动度和稠化时间的影响见表2,掺混后混浆如图1所示。

 

 

由表2和图1可知,在955的掺混条件下,混浆的常温和高温流动度有所增加,但混浆中出现了少量絮凝颗粒。当油基钻井液掺混比例提高到7525时,混浆中出现了大量的絮凝结构,流动度大幅降低,初始稠度也随之增加,这将严重地影响顶替效率和固井质量。当油基钻井液的掺混比例达到5050时,混浆经高温(93℃)养护后呈干稠状并丧失流动能力,这在固井作业中可能引发严重的工程事故,造成固井失败。稠化实验结果表明,混浆的稠化时间没有因油基钻井液的掺混而急剧缩短,反而出现了延长。这与水基钻井液与水泥浆接触污染后流动度和稠化时间同时缩短的现象不同[1-6],表明实验条件下油基钻井液掺混对水泥浆的作用是增稠而不是促凝。

油基钻井液掺混后对水泥石性能的影响见表3。养护后水泥石的形貌如图2所示。

 

 

由表3可知,油基钻井液掺混后的水泥石抗压强度和胶结强度出现了较大幅度的降低,这表明混浆水泥石不具备层间封隔能力,如果出现窜槽和顶替不充分,将对固井质量和环空水力密封产生不利影响[15-16]。当掺混比例达到5050时,混浆虽已经凝结成形,但由于含有大量油分,结构松散,无法形成强度。同时油基钻井液掺混后的水泥石孔隙度和渗透率急剧升高,从图2中可以看出,水泥石与油基钻井液7525掺混水泥石中形成了大量肉眼可见的孔洞,这可为井下流体窜流提供通道。

22 油基钻井液掺混对水泥浆水化过程的影响

利用水泥超声波强度分析仪考察了不同油基钻井液掺混比例条件下混浆的凝结过程,实验结果如图3所示。

 

由图3可知,虽然油基钻井液的掺混影响了水泥石强度的最终强度,但是未掺混的净浆和掺混后的混浆约在10h出现了一个水泥快速水化、强度迅速升高的过程,说明油基钻井液的掺入没有影响水泥石的水化过程,这与稠化实验结果相对应。不同掺混比例水泥石的XRD分析结果(4)表明,油基钻井液掺混后除了引入加重剂重晶石外,混浆水泥石中没有物相的消失和新物相的生成。不同掺混比例水泥石的热重分析(5)结果表明,混浆水泥石中的特征水化产物氢氧化钙含量没有发生较大变化。以上分析实验结果表明,化学干涉不是造成油基钻井液与水泥浆接触污染的主要原因。

 

23 油基钻井液与水泥浆接触污染机理分析

油基钻井液与水泥浆的润湿性完全相反,二者之间不能互溶。如图6所示,在搅拌等外力作用下,油基水泥浆以油滴或油带的形式分散在水泥浆中,近似地形成了一种以水泥浆为连续相的“水包油”乳化结构。除了会形成“水包油”的结构外,油基钻井液还会包裹水泥浆中的自由水,形成“水包油包水”多重乳化结构,从而对水泥浆中的自由水产生了束缚作用。在低掺混条件下,混浆中水包油包水多重乳化结构的数量是有限的,因此对水泥浆性能的影响是有限的。但在较高的油基钻井液掺混比例条件下,会形成大量的“水包油包水”多重乳化结构,使得水泥浆中自由水被大量束缚,导致混浆流动性降低甚至丧失。与此不同的是,李明等[5-6]指出水基钻井液中的生物增黏剂等聚合物与水泥浆中的Al3+Fe3+等高价金属离子形成凝胶并大量包裹自由水是造成水基钻井液对水泥浆产生接触污染后混浆流动度明显降低的直接原因。此外,Skalle[17]Aughenbaugh[18]指出,由于油基钻井液中的分散相为盐度较高的CaCl2溶液,油水界面相当于半透膜,当与水泥浆接触时,水泥浆中的盐度较低的自由水会在内外盐度差的作用下向内部迁移,这会进一步导致水泥浆流动能力降低。

 

水泥石的强度不仅与水泥本身的水化程度和水化产物组成有关,还与水泥石的孔隙率、孔结构等因素有关[19-20],其中,水泥石孔洞越多,其力学强度越差。由于油基钻井液油滴或油带不具有固结能力,会在水泥石中形成孔洞,破坏水泥石骨架的连续性和结构完整性。同时油相还可在水泥石骨架颗粒之间起到润滑作用,使得水泥石在受外力作用时骨架颗粒之间更易发生滑移变形[21]。因此,由油基钻井液掺混而形成的孔洞和油相的润滑作用使得掺混后的水泥石强度降低,孔隙度和渗透率升高。

3 结论

1)油基钻井液掺混会对水泥浆的流动度、抗压强度、胶结强度、孔隙度、渗透率等性能产生不良影响,降低固井顶替效率及层间封隔能力,破坏水泥环完整性。

2)由于水泥浆与油基钻井液之间不具有相容性,二者掺混形成乳化结构以及盐度差作用是造成水泥浆的自由水被束缚,流动性能降低的主要原因;无法固结的油基钻井液在水泥石中形成孔洞以及油相在水泥石骨架颗粒之间的润滑作用则是使得油基钻井液掺混后的水泥石强度降低、孔隙度和渗透率升高的主要原因。

 

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本文作者:李早元  辜涛  郭小阳  康锁柱  李明  欧红娟  柳洪华

作者单位:“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

  中国石油集团渤海钻探工程有限公司第五钻井工程分公司

 

 

 

 

 

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