固井液与多功能钻井液泥饼整体固化胶结的可行性探讨.pdf

固 井液与多功能钻井液泥饼整体固化胶结的可行性探讨 杨振 杰 叶 海超 龚保 强 贾启 高 阎培 渝 秦 坚 1 中原油 田钻井 工程 技术 研究 院 河 南濮 阳 2 清 华大 学 北 京 摘要研 究了 MT C 固井 液和 油 井水 泥 浆 固井液 与 多功 能钻 井 液泥饼 的胶结 状 况 试验 结 果 表 明 多功 能钻 井 液 泥 饼 的 固化反 应直接 受 到 固井 液水 化 反 应 机理 和 过 程 的控 制 在 MT C 浆水 化反 应初 期会 产 生 大量 发 生水 化反 应 必需 的可 溶 性 离子 这 些可 溶 性 离 子 渗 透 到 多功 能钻 井 液泥 饼 内部 为其 提 供 了可激发 水 化反 应 的 可溶 性 离 子 从而 实 现 了整 体 固化胶 结 而在 油 井水 泥 浆与 多功 能 钻 井液 泥 饼 的 胶结 试 验 中 能够渗 透到 泥饼 内部 的大 多是 Ca 而 Ca 离 子极 易 和 泥饼 中的膨 润土 颗粒 和处 理 剂发 生 絮 凝 反 应 形 成 不会 固化 而且 破坏胶 结 强度 的 絮凝 产 物 剩 下 的 少 量 Ca OH 难 以 激 活 多功 能钻井 液 泥饼 的水 化 反应 因此 整 体 固化 胶 结难 以 实现 要 实现油 井 水 泥 浆 固 化 体 与 多功 能钻 井 液 泥 饼 的整 体 固化胶结 应该 对 固井 液 体 系进 行 必 要 的 改进 使 其 在 水 化反 应过程 中产生 的 水 溶 性 离 子 的种 类和 数 量 能 够 满足 泥 饼 固化 的需要 同 时应该 注 意研 究 新 的 能够 激发 和 促 进 泥饼 固化 水 化反应 的钻 井 液添 加 剂 对钻 井液进 行 必要 的 改进 关 键词 固并 质量 胶 结 界 面界 面 胶 结强 度 MTC 多功 能钻 井液微 观结 构分 析 固井液 与钻 井液泥饼 实现整体 固化胶结 一直是 石 油 工 程 界 期待 解 决 的重 大 技 术 难 题 在 钻 井 过 程 中 由于封 固段井 壁不 稳定造成 井 眼扩大 高渗 透地 层存 在厚泥饼 特别 是调 整 井 钻井 过 程 中的堵 漏 施 工使得井壁上糊 满 了堵 剂 与钻 井 液 的疏 松混 合物 造成 固井液 固化 体与 井 壁不 能 牢 固胶 结 固井后 常 常 出 现 油 气 水 窜 等 严 重 问 题 造 成 固井 失 败 因 此 固井液与泥饼实现整 体 固化胶结 是解决 二界 面胶结 质量的关键 问题 也是 实施 高 难 度复 杂井 固井 的技 术要求 对 提高 固井 质量 延 长油 井 寿命 非 常重 要 通过 固井液与多功 能钻井液泥饼 整体 固化胶 结可行 性 的 探 讨 研 究 泥 饼 固化 的 机 理 为 今 后 设 计 相 应 的 固井新体 系和相关 技术措施 提供理论指 导 固井 液 与钻 井 液 泥饼 胶 结试验 方法 1 MTC 固 井 液 配 制 方 法 M TC固井 液 配 方 为 3 0 0 mL钻 井 液 基 浆 3 9 0 g矿 渣 0 1 F C L S 3 5 激 活 剂 以 矿 渣 量 计 按配方混合好后用 泥浆搅拌机按 程序 自动搅拌后 即 得到 MT C 固井 液 矿 渣 为 磨 细矿 渣粉 湖南 韶 峰 水 泥 集 团 生 产 比表 面积 为 4 5 0 m k g 2 油 井 水 泥 浆 配 制 方 法 按 水 灰 比 为 0 4 称 取 7 0 0 g 或 6 0 0 g 视 需 要 而 定 G 级 油 井 水 泥 四 川 嘉 华 水 泥 厂 生 产 用 量 筒 量取 2 8 0 mL 或 2 4 0 mL 水 用 泥浆 搅拌 机按 程序 自动搅拌后 配成油井水泥浆 3 泥 饼 制作 将 不同配方钻井 液放 入 AP I中压 失水仪 中 在 0 7 5 MP a的 压 力 下 压 滤 0 5 h 4 胶 结试 验 与 胶 结 界 面 微 观 结 构 分 析 将 不 同 配 方 的钻 井 液 形 成 的泥 饼 放 入 5 2 5 c m 5 2 5 c m 的 油 井 水 泥 试 验 模 子 下 方 上 面 充 满 固 井液或铺展高倍 吸水树脂 放入 5 O 的水浴 中养护 7 2 h 取 出 观 察 并 记 录 胶 结 情 况 采 用 XR D S E M TGA等微观结构测试 方法研究 固化体 内部 固井液 与泥饼 的胶结界 面和钻井液泥饼 内部 的微 观结构 MTC 与 多功 能钻 井 液 泥饼 整 体 固化 胶 结 的微 观 结 构 研 究 目前 能较好 实 现 固井 液 与泥饼 整体 固化胶 结 的是 MTC浆 与 多 功 能 钻 井 液 泥 饼 1 q 但 由于 MTC在 固井工 程 中 的局 限性 和多功 能钻 井液 现场 使 用 性 能 方 面 的 种 种 问 题 这 项 技 术 在 油 田 的应 用 并不广泛 研 究 MTC与 多功 能钻井 液泥饼整 体 固 化胶结 的微 观结构 是为 了认识其 固化机理 为实现 油井水 泥浆 与 泥 饼 的 整 体 固 化胶 结 提供 有 益 的借 鉴 多功能钻井液 泥饼 与 MTC固化体整体 固化胶 结 试 验 结果 如 表 l 所 示 图 l为 利用 光 学显 微镜 对表 l中 3 试 验 的多 功能钻井 液泥饼 与 MTC固化体 的结合界面 的抛光 钻井 液 与完 井液 2 0 0 2年 第 1 9卷第 5期 1 维普资讯 断面 的观 察 结 果 由 图 1可 见 未 水 化 的 多 边 形 矿 渣 颗 粒均 匀 地 分 布 在 MTC 固 化 体 和 钻 井 液 泥饼 中 钻 井液 泥饼 与 MTC固化 体 已经 紧密 地结 合 为 一 体 结构致密 孔 洞很 少 两部 分 间有 少 量相 互渗 透部分 界面处 没有裂缝 表 明两部分 的体 积变化 系 数 基 本 相 同 能 够 协 同 变 形 如 图 2 图 4所 示 掺 加 不 同 量 磨 细 矿 渣 粉 和掺 加 屏 蔽式 封 固 剂 的 钻 井 液 泥 饼 的 XRD 图谱 与 MTC 表 1 多 功能 钻 井液 泥饼 与 MTC固 化 体 整 体 固 化 胶 结 试 验 结 果 试 验 多功 能钻 井液 固井 液 固化 体 与 泥饼 的胶 结情 况 注 P F G 4 WS为 一种 屏蔽 式 封 固 剂 它 是 经 特 殊 加 工 的 超细 活性 矿物 粉 含 量 为 6 O 与油 溶 性树 脂 和 超细 碳 酸 钙 的复配 物 马 7 O井 浆密 度 为 1 1 8 g c m 粘 度 为 5 6 s 滤 失量 为 7 5 mL p H 值 为 8 5 MTC浆 由稀 释后 的 马 7 O 井浆 密度 为 1 0 9 g c m 配制 而 成 图 l 3 试验 多 功 能钻 井 液泥 饼 与 MTC 固化 体 的结合 界 面 放 大 2 0 0倍 2 钻 井液 与 完井 液 2 0 0 2年 第 l 9卷 第 5期 图 2 掺 加磨 细矿 渣粉 的钻井 液 泥饼 的 XR D图谱 图 3 4 试 验 的钻井 液 泥饼 的 X RD图谱 图 4 MTC固化体 的 X RD图谱 维普资讯 固化体的 XRD图谱基 本相 同 主要矿 物成 分基 本一致 如 C a C O S i O z 白云石 长石 等 在 低 角度 区谱 线 上 翘 表 明 4种 泥 饼 中 均 存 在 非 晶 态 物 质 在 养 护 过 程 中 多 功 能 钻 井 液 泥 饼 与 MTC浆 发 生 了 同 步的水化反应 与 MTC固化 体实现 了整 体 固化 说 明 MTC浆 的 水 化 过 程 可 能 直 接 影 响 着 钻 井 液 泥 饼 的 固化 随 着 磨 细 矿 渣 掺 量 的 增 加 C a C O 含 量 随 之下降 这 可能表 明 随 着 矿渣 含 量 的增 加 钻 井液 内部 的 水 化 物 含 量 也 随 之 增 加 掺 加 屏 蔽 剂 的 钻 井 液 泥 饼 的 XRD 图 谱 和 掺 加 矿 渣 的 钻 井 液 泥 饼 并 无 本质变化 但 Ca C O 含量增加 了 这是 因为屏蔽式封 固剂 本 身 就 含 有 C a CO 图 5 图 6为多功 能钻井液泥 饼 和 MTC固化 体 的 TG 曲线 在 不 同矿 渣 掺 量 下 在 1 0 0 左 右 代 表 C S H凝胶 分解 的失重大小基本 相 同 大约 为 1 表 明泥 饼 中 的 磨 细 矿 渣 水 化 程 度 有 限 生 成 的 C S H 凝胶 量不 多 但 这 少 量 的胶 结 材 料 已将 泥 饼 固化 3 O O 6 0 0 C 区 间 的 连 续 失 重 是 粘 土 矿 物 的 脱 水 分解 所 致 6 0 0 C以上 区 间 的 集 中失 重 是 由于 Ca C O 的分 解 与 X RD分析 结果 类似 随着磨 细矿 渣掺 量的增 加 Ca C O 含 量 随之下 降 掺 加屏 蔽 剂的钻井液泥饼的 C a CO 含量最高 对 比图 5和 图 6可 以 看 出 固 化 后 的 钻 井 液 泥 饼 的 TG 曲线与 MTC固化体 的 TG 曲线基本 一致 再 次 证 明 了 含 有 活 性 矿 物 的 钻 井 液 泥 饼 与 MTC浆 发生 了同步的水化 硬化反应 MTC固化体 的水化反 应 可 能 直 接 控 制 着 钻 井 液 泥 饼 的 水 化 固化 反 应 图 5不 同钻 井液 泥饼 的 TG 曲线 图 6 MTC固 化体 的 TG 曲线 掺 加 不 同量 磨 细矿 渣 的钻 井 液 泥 饼 的显 微 形 貌 基本相同 均为大块光 滑块体 没有发现 大量凝胶状 或晶态物质 见图 7 图 8 由于试件在 干燥时 的体 积 收 缩 可 以见 到 一 些 裂 缝 图 7 掺 加 3 O 矿 渣 的钻井 液 泥饼 的显微 形貌 直接观察 泥饼 与 MTC固 井液 的 固结 情 况 发 现两者 已经 固结 为一 体 不 能用 物理 方法 简单 地将 其分开 钻 井液泥 饼 固化 机 理 可能 与混凝 土不 同 泥饼 固化 不 仅 是 由胶 凝 材 料将 粘 土颗 粒 固结 为整 体 另一个较重 要 的机理 可 能是 通 过调整 钻 井液体 系的带 电性 能 改 变其 电位 使 钻井液颗 粒能够相 互吸 引 紧密 聚集 在 少量 胶 凝材 料 的辅助 作用 下 即可使钻井 液固化 这还需 试验证实 钻 井 囊 与 完 井 液 2 0 0 2年 第 1 9卷 第 5期 3 维普资讯 图 8掺加 1 5 屏 蔽 剂 的钻 井液 泥饼 的显微 形 貌 油 井水 泥浆 与 多 功 能钻 井 液 泥 饼 胶 结 的微 观 结 构 研 究 多功能钻井液泥饼 与油井水 泥 固化 体整 体固化 胶结试验结果见表 2 从 表 2可以看 出 固井液为油 井水泥浆时 无 法 实 现 固井液 与 多 功能 钻 井液 泥饼 的整体 固化胶 结 表 2 多功 能钻 井液 泥饼 与油 井水 泥 固化体 整体 固化 胶结 试验 注 文 3 3 1 0 9井 浆密 度 为 1 3 4 g c m 粘 度 为 7 4 S 滤 失 量 为 5 mL 水 泥浆 密 度 为 1 8 5 g c m3 图 9 图 1 1是 5 6 和 7 试验 的 XR D 图谱 3组 XR D 图谱 非 常相 似 从 这 些 图谱 上 看 油 井水 泥 固化体 内部 和多 功 能钻 井 液 泥 饼界 面处 的 XRD 图谱 完全不 同 具有 很 大 的差 异 固化 体 内部 存在 4 钻 井液 与 完井 液 2 0 0 2年第 1 9卷 第 5期 大 量 未 水 化 水 泥 熟 料 矿 物 C S和 C S 同 时 有 较 多 的 Ca OH 晶体 说 明胶凝 材 料 仅 有部 分水 化 在 界 面 处 未 水 化 的 水 泥 熟 料 矿 物 C S和 C S以及 水 化 产物 C a OH 晶体减 少 了很 多 出现 大量钻井 液 中 的组分 S i O 这表 明界 面处 的样 品是胶凝 材料 与钻 井 液 的混 合 物 油 井 水 泥 浆 的 水 化 反 应 不 能 激 发 和 影 响 多 功 能 钻 井 液 泥 饼 的 水 化 反 应 油 井 水 泥 浆 无 法 与 多 功 能 钻 井 液 泥 饼 发 生 同 步 的 水 化 固 化 反应 由 于泥 饼 中 只 含 有 潜 在 胶 凝 性 的 矿 物 掺 合 料 而 没 有 激 发剂 泥 饼 自身 不 具 有 固 化 性 能 需 要 固 井 液水化后 生成 的可溶 性离 子 渗入 泥饼 才能使 泥饼 固化 油 井水 泥 浆 无 法 与 多 功 能 钻 井 液 泥 饼 发 生 同 步 的水 化 固 化 反 应 可 能 是 由 于 油 井水 泥 浆水 化 反 图 9 5 试 验 的 X RD图谱 图 1 0 6 试验 的 X RD图谱 维普资讯 图 1 1 7 试 验 的 XRD图谱 图 1 2 5 试 验 中 固化 体 和 泥饼 内部 的 TG 曲线 应过程 中产生的可溶性离 子很快相 互反应 结合成 相 应 的水化 产物 或析 出成 为结 晶 而可渗 流 到泥 饼 内 激发水化 反应 的 可溶 性离 子 极 少 无法 激 活 泥饼 内 部 活性 材 料 的 水 化 固 化 反 应 同 样 是 含 1 5 矿 渣 的多功 能 钻 井 液 由 于 固 井 液 体 系 不 同 它 们 的 XRD图谱 和 TG 曲线 差异 极 为悬殊 可见 固井 液体 系的水化反应特征 决定 了多功能钻 井液泥饼 内部 的 水 化 反 应 过 程 从 图 1 2 图 1 4可以看 出 3个 试验 的 固化 体 的 TG 曲线基本相 同 在 固 化体 中 存 在水 泥水 化生 成 的 c S H 凝胶 它们 在 1 0 0 左 右 脱水 分解 形 成 失 重 台 阶 从 约 4 0 0 开 始 由 于 C a OH 晶 体 开始 分解 失重速率 加快 一 直 到 7 0 0 形成 1 O 以上的大 台阶 这包 括 Ca OH 和 C a C O 的失重效 图 1 3 6 试 验 中 固化体 和泥 饼 内部 的 TG 曲线 图 1 4 7 试 验 中 固 化 体 和 泥 饼 内 部 的 TG 曲 线 应 所 以固化体 中发生的是典 型的硅酸盐水 泥的水 化反应 而多功能 钻井液泥饼 的 TG曲线也基本相 同 在整个 加热过 程 中多 功能 钻井 液 泥饼基 本没 有 任何热效应产 生 没 有发 生 与 固井液 同步 的水化 固 化 反 应 p H 值对 多功能钻 井液泥饼 固化影 响 为了考 察固井液碱度对 钻井液泥饼 与固井液整 体 固化 胶结 的影 响 选 择 了 不 同 p H 值 的 固井液进 行 胶结试验 试验结果 见表 3 从 表 3可以看 出 泥 饼 的 固化与 固井 液滤 液 的 p H值 有一 定的关 系 但 不是决 定关 系 4个 试验 的固井液滤液 p H 值都很接 近 1 0 样还 比较高 l l 样是纯碱性 激活剂溶液 但 钻 井囊 与 完井 液 2 0 0 2年 第1 9卷 第 5期 5 维普资讯 真 正 发 生 水 化 硬 化 的 只 有 固 井 液 为 MTC 浆 的 8 样 这与微观结 构的试验结果 是一致 的 表 3 固井 液碱 度对 固井 液与 泥饼 胶 结 的影 响 注 文 7 2 1 6 5井 浆密 度 为 1 1 O g c m 粘 度为 5 0 s 滤 失 量为 l 7 mL p H 值 为 9 5 0 制 作 泥 饼 的 多 功 能 钻 井 液 为 文 7 2 1 6 5井浆 l 5 矿 渣 结 论 1 试 验 结 论 1 微 观结构研究证 明 MTC固井 液能够激 发多 功能 钻井 液 泥饼 的活性 物 质 使 其 与 MTC固井 液 一 起 发生 同步的水化反应 油井水 泥浆 不能激 发多 功能钻 井 液泥 饼 的活 性 物 质 参 与 固 井 液 的水 化 反 应 因而不能实 现 固井 液与 多 功 能钻 井 液泥 饼 的整 体胶 结 2 仅仅 依靠 提 高 碱性 不 能激 发多 功能 钻 井液 泥饼 的活性物质发 生水 化反应 3 从 MTC固化体 与多功 能 钻井 液 泥饼 整 体 固 化胶 结的界面分 析可 以看 出 固井 液与 泥饼 之 间 有 渗透作用发生 4 多功能钻井液 泥饼 的固化 反应 直接受 到 固井 液水化反应机理 和 过程 的控 制 要 实现 油 井水 泥浆 与多功能钻井液泥饼 的整体 固化 胶 结应该 对 固井 液 进行必要 的改 进 使 其在 水化 反 应 过 程 中产 生 的水 溶性离子 的种类 和数量能 够满 足泥饼 固化 的需要 2 多功能钻 井液泥饼 固化机理探讨 1 对 于 多 功 能 钻 井 液 泥 饼 的 固 化 机 理 国 内许 6 钻 井液 与 完井 液 2 0 0 2年第 l 9春 第 5期 多学者认 为矿渣 与钻 井 液 的亲 和性 好 所 以能 够 与 钻 井液泥饼 实现 整 体胶 结 油 井 水泥 与钻 井液 的 亲 和性 很 差 彼 此 相 互 絮 凝 破 坏 难 以实 现整 体胶 结 2 徐彬 研 究 了 固 态 碱 矿 渣 水 泥 水 化 初 期 的 水 化 机理 他认 为矿渣 玻璃体 的解 体分 为两 个 阶段 第 一 阶段是 富钙相 的解 体 由于富钙 相 中的 c a O键 和 Mg O键 的键能较 小且结构 的内 比表面积大 这 一 过 程的分解较迅速 见 反应式 1 S i o Ca S i 三 三 三 2 Na OH 2三 三 三 S i o Na Ca OH 2 1 第 二阶段为富硅相 的解体 由于富硅相是在 富钙相 解体后 才暴露在 碱 性介 质 中 故其 与碱 性 介质反 应 并解 体的过程在时 间上滞后 于富钙相 的解 体 因解 体造 成其表面存在 断键的富硅 相玻璃体 在 Hz O和 OH一 的 作 用 下 发 生 化 学 反 应 产 生 出 大 量 H S i O 离 子 与 溶 液 中 C a 离 子 在 碱 性 环 境 中 发 生 式 2 的 水 化 反 应 2 H3 Si O 2 Ca 4 OH 一 一 Ca 2 S i 2 O7 3 H2 O 2 H2 O 在 富 硅相 和 富 钙 相玻 璃 体 网络 结构 中存在 的 Al O 可 能存 在 AI O 和 AI O 两 种形 式 在 水 化 过 程 中 分 别 脱 聚 并 进 入 溶 液 形 成 H Al Oj 一 Al OH 两 种水溶性离子 基 团 并 与矿渣玻璃体基 团解 体 时 形 成 的 H S i O 一起 与 溶 液 中 已存 在 的 C a 抖 Na H S i O OH一等离 子 发生水 化反应 生 成沸石类水化 产物 由此 可 见 在 MTC 固井 液 水 化 反 应 初 期 会 产 生 大 量 发 生 水 化 反 应 必 须 的 可 溶 性 离 子 可 能 是 由 于这些 可溶 性 离 子 对 多 功 能钻 井 液 泥饼 的渗 透作 用 为 含 有 活 性 矿 物 颗 粒 的 泥 饼 内 部 提 供 了 可 激 发 水化 反应 的可溶 性 离 子 从 而 实现 了 MTC固化 体 与多功能钻 井液泥饼 的整 体 固化胶 结 多种水 溶性 离子对 泥饼 内部 活性 物 质 的激 活 引发作 用 可能 是 实现 多功能钻井液 泥饼 固化 的一个 重要 因素 3 在油井水 泥浆 与 钻 井液 泥饼 的胶结试 验 中 发现泥饼无法 与 固化 体胶 结 而 且在 彼此 分离 的界 面上 存在 一层颗 粒状 的絮 凝 产物 这 可 能是 由于 水 泥水化反应 时产生大量 C a OH z 这些 C a OH 2 迅 速 与 硅 和 铝 的 水 溶 性 离 子 发 生 水 化 反 应 因 为 C a OH 生 成 过 多 能 够 渗 透 到 泥 饼 的 大 多 是 C a z 其他水 溶性离子 渗入很 少 而 Ca 离子极 易 和泥饼 中膨润 土颗 粒 和处 理剂 发 生 絮凝 反应 形 成 不会 固化 而 且 破 坏 胶 结 强 度 的 絮 凝 产 物 剩 下 的少 维普资讯 量 C a OH 难 以 激 活 多 功 能 钻 井 液 泥 饼 的 水 化 反 应 因此对 于油井 水 泥浆 来 说 固井 液与 多 功能 钻 井液泥饼 的整体固化胶 结难 以实现 4 在 一些 试验 中发 现 上部 地 层 钻进 使 用 的加 处 理 剂 很 少 的 井 浆 加 1 5 9 6 矿 渣 后 配 成 的 多 功 能 钻 井液 其形成的 泥饼 与油 井 水 泥浆 的固化 体 的胶 结 要 比含处理 剂较 多的深部井浆 制成 的多 功能钻井 液 泥 饼 的 胶 结 状 况好 这 可 能 是 添 加 剂 对 多 功 能 钻 井 液 泥 饼 的水 化 固化 反 应 有 较 严 重 的 抑 制 破 坏 作 用 因此 要顺利实 现钻 井 液泥饼 与 固井 液 固化体 的整 体 固化 胶 结 应 该 研 究 新 的 能 够 抑 制 这 种 破 坏 作 用 并 能 够 激 发 和 促 进 泥 饼 固 化 反 应 的 添 加 剂 参考 文 献 1 Be nge G W e bs t er W W Eva l ua t i o n of bl as t f ur n ac e s l a g s l u r r i e s f o r o i l f i e l d a p p l i c a t i o n I ADC SPE 2 7 4 4 9 作者 简 介 杨 振 杰 教 授级 高 级 工程 师 1 9 5 8年 生 1 9 8 2 年 毕 业于 西 南石 油学 院钻 井 工程 专 业 毕 业 后 长期 在 中原 油 田从事 现场 钻 井液 技 术 工作 和科 研 工 作 先 后 获部 级科 技 进 步 二 等奖 两项 和 三 等 奖 一 项 在 省 部 级 刊 物 上 发 表论 文 2 5 篇 出版 专著 一部 在 防 漏堵 漏 和 油 气 层 保 护 等方 面有 独 到 的创新 技 术 现任 中原 石 油勘 探 局 钻 井 工程技 术 研 究院 付 总 工程 师 为西 南 石 油学 院油 气开 发 工 程 在职 博 士研 究生 地 址 河南 省濮 阳 市 中原路 钻 井 院院 办 邮政 编 码 4 5 7 0 0 1 收稿 日期 2 0 0 2 0 3 1 1 HG F一0 2 5 A2 0 编辑 汪桂 娟 欢 迎 订 阅 2 0 0 3年 钻 井液 与 完 井 液