油基鉆井液組分對水泥漿性能的影響及其機(jī)理

李早元　柳洪華　郭小陽　辜 濤　歐紅娟

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

油基鉆井液組分對水泥漿性能的影響及其機(jī)理

李早元柳洪華郭小陽辜 濤歐紅娟

“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

李早元等. 油基鉆井液組分對水泥漿性能的影響及其機(jī)理.天然氣工業(yè),2016,36(3):63-68.

針對固井時(shí)油基鉆井液與水泥漿摻混易產(chǎn)生接觸污染進(jìn)而影響施工安全的問題，開展了油基鉆井液各組分對水泥漿流變性、稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等性能影響的研究，同時(shí)結(jié)合掃描電鏡、X射線衍射儀、紅外光譜等手段，初步探索了油基鉆井液各組分對水泥漿性能影響的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：油基鉆井液的摻混會使水泥漿流變性變差、水泥石抗壓強(qiáng)度降低，影響頂替效率及水泥環(huán)的封隔能力；柴油、主乳化劑、副乳化劑等單組分對水泥漿流變性能的影響不大，而由柴油、內(nèi)部水相與乳化劑攪拌形成的乳狀液則會對水泥漿性能產(chǎn)生幾乎與油基鉆井液同等程度的影響。研究結(jié)果表明：乳狀液圈閉了水泥漿中的自由水，導(dǎo)致漿體變稠，使水泥顆粒無法與自由水有效結(jié)合，阻礙水泥漿的水化，導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)疏松多孔，影響了水泥石的強(qiáng)度。對策建議：可使用添加合適表面活性劑的先導(dǎo)漿、隔離液等措施來緩解接觸污染。

油基鉆井液 水泥漿 接觸污染 強(qiáng)度 乳狀液 自由水 水化

由于鉆井液與水泥漿的組成和物理化學(xué)性能存在較大差異，固井過程中水泥漿一旦與鉆井液接觸，會不同程度的改變水泥漿施工性能，產(chǎn)生接觸污染，對固井頂替效率和施工影響巨大[1]，甚至?xí)＜肮叹┕ぐ踩?，造成固井工程事故[2-7]。研究者對于水基鉆井液與水泥漿接觸污染機(jī)理已進(jìn)行了大量的研究工作，并提出了具有針對性的解決措施[8-12]。如李靜等人在探明水泥漿與鉆井液接觸污染機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出通過隔離液的合理選材和設(shè)計(jì)能夠有效避免接觸污染，提高頂替效率，改善固井質(zhì)量[12]。與水基鉆井液相比，油基鉆井液有其自身的特殊性[13-14]，油基鉆井液以油為連續(xù)相，其中包含乳化劑、潤濕劑、親油膠體及石灰等物質(zhì)，對水泥漿性能的影響規(guī)律及機(jī)理均存在差異。固井時(shí)，諸如水泥石強(qiáng)度低、注水泥不到位、水泥漿稠化時(shí)間縮短等問題一直存在[15]，如塔里木油田尾管固井污染分析中，油基鉆井液的污染占43%，為固井安全作業(yè)留下隱患。因此急需針對油基鉆井液各組分與水泥漿摻混引起的化學(xué)污染機(jī)理進(jìn)行分析。筆者通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，探究了水泥漿與油基鉆井液及其組分接觸后主要性能的變化趨勢及影響程度，結(jié)合掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、紅外光譜等分析手段，對二者化學(xué)不兼容機(jī)理進(jìn)行分析。為固井作業(yè)時(shí)有針對性的調(diào)整鉆井液性能，有效地避免接觸污染提供了實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器

UDM-2油基鉆井液體系，VERSACLEAN油基鉆井液體系，水泥漿配方為：G級水泥+2%防氣竄劑+25%硅粉+5%降失水劑+1%分散劑+2%緩凝劑+0.2%消泡劑+水，油基鉆井液所用的柴油、有機(jī)土，主乳化劑及副乳化劑。實(shí)驗(yàn)儀器如表1所示。

表1　實(shí)驗(yàn)儀器表

1.2實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 19139—2012《油井水泥石試驗(yàn)方法》測試了水泥漿與油基鉆井液及水泥漿與油基鉆井液各組分在100∶0、95∶5、75∶25和50∶50的體積摻混比例條件下，不同物質(zhì)摻混對水泥漿性能的影響[16]。實(shí)驗(yàn)過程為：①用柴油、主乳化劑、副乳化劑、水相配制乳狀液，將油基鉆井液及組分（柴油、主乳化劑、副乳化劑、有機(jī)土、乳狀液）按比例混入新配制好的水泥漿中，在4 000 r/min條件下混合均勻；②測試不同摻混比例條件下混漿的常溫和高溫（93℃）養(yǎng)護(hù)20 min后的流動度、六速讀值及稠化時(shí)間；③測試高溫高壓養(yǎng)護(hù)48 h后混漿水泥石的抗壓強(qiáng)度和界面膠結(jié)強(qiáng)度；④用SEM分析儀考察油基鉆井液各組分摻混后對水泥石微觀結(jié)構(gòu)的影響；⑤用紅外光譜儀分析摻混后水泥石化學(xué)組成的變化；⑥用X射線衍射儀考察油基鉆井液摻混后水泥石的物相變化。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1油基鉆井液對水泥漿性能的影響

用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測出常溫和高溫條件下不同摻混比例水泥漿的六速值并計(jì)算流變特性參數(shù)，結(jié)果見表2。

表2　油基鉆井液對水泥漿流變性的影響表

從表2可以看出，隨油基鉆井液摻混比例增加，混漿的流動度依次減小，流性指數(shù)先減小后增大，稠度系數(shù)先增大后減小，且均在水泥漿與油基鉆井液比例為1∶1時(shí)達(dá)到最大或最小值，高溫時(shí)呈現(xiàn)干稠狀。說明隨著油基鉆井液在水泥漿中的摻混量的增加，水泥漿明顯變稠，無法滿足施工安全泵送的要求，會導(dǎo)致泵壓增大甚至憋泵等事故；同時(shí)，污染后的混漿在套管壁的黏附量增多、黏附力增大，在井壁上形成的泥餅厚度增加，導(dǎo)致界面膠結(jié)強(qiáng)度降低。

油基鉆井液摻混對水泥漿稠化時(shí)間和抗壓強(qiáng)度、膠結(jié)強(qiáng)度的影響見表3。

表3　油基鉆井液對水泥漿稠化時(shí)間和強(qiáng)度的影響表

水泥漿稠化時(shí)間隨鉆井液加量變化如表3所示，加入5%的油基鉆井液時(shí)，水泥漿的稠化時(shí)間略有增加；當(dāng)加量為25%時(shí)，稠化時(shí)間急劇縮短，已不能滿足施工要求；當(dāng)油基鉆井液加量為50%時(shí)，稠化時(shí)間比25%加量時(shí)略有增加，但仍污染嚴(yán)重。當(dāng)水泥漿中混入5%的油基鉆井液時(shí)，抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度已經(jīng)大幅度降低。隨油基鉆井液比例的增加，抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度急劇下降，當(dāng)加量達(dá)到50%時(shí)已無強(qiáng)度，這將嚴(yán)重影響固井質(zhì)量和水泥環(huán)的層間封隔能力[17-18]。

2.2油基鉆井液各組分對水泥漿性能的影響

為使實(shí)驗(yàn)效果明顯，加大了油基鉆井液中各組分的摻混比例。在分析油基鉆井液對水泥漿性能影響的基礎(chǔ)上，探究了油基鉆井液各組成部分分別對水泥漿流變性及水泥石強(qiáng)度的影響如表4所示。

表4　油基鉆井液各組分對水泥漿流變及抗壓強(qiáng)度的影響表

由表4可知，摻入較多柴油和乳狀液時(shí)會嚴(yán)重影響水泥漿的流變性，流性指數(shù)值降低，稠度系數(shù)值增大，導(dǎo)致臨界雷諾數(shù)增大，使達(dá)到紊流的臨界排量增大，不利于環(huán)空頂替，影響固井質(zhì)量；水泥漿分層嚴(yán)重，無法正常水化形成水泥石，抗壓強(qiáng)度為0。如圖1所示，將水泥漿與乳狀液的混漿93 ℃下養(yǎng)護(hù)后，出現(xiàn)白色絮凝物質(zhì)；水泥漿與柴油的混漿無法形成水泥石，水泥漿與乳狀液摻混水泥石分層嚴(yán)重，無強(qiáng)度。綜合對比，對水泥漿性能的影響程度為：乳狀液＞柴油＞有機(jī)土＞副乳化劑＞主乳化劑，與油基鉆井液組分對膠結(jié)強(qiáng)度影響的研究結(jié)果相似[19]。

圖1　油基鉆井液組分對水泥漿影響典型圖

3　油基鉆井液與水泥漿接觸污染作用機(jī)理

3.1SEM分析

實(shí)驗(yàn)獲得了油基鉆井液不同加量及不同組分對水泥性能影響的規(guī)律，對水泥流動度、流變性、強(qiáng)度等性能均有不同程度的影響。因此通過SEM對混漿水泥石的微觀形貌進(jìn)行分析，如圖2所示。

圖2　油基鉆井液不同組分摻混后水泥石SEM圖

由圖2可知，純水泥結(jié)構(gòu)致密，無明顯的大孔洞；乳狀液的加入，使水泥產(chǎn)生非常多的大、小孔洞，結(jié)構(gòu)疏松；加入柴油后，由于油水不相容，水泥石結(jié)構(gòu)疏松，油相阻礙了水泥中水化物的正常水化，因此導(dǎo)致水泥石無強(qiáng)度；摻入有機(jī)土后對水泥石強(qiáng)度影響不大，但由于有機(jī)土吸水作用較強(qiáng)，影響水泥漿流變性；單純加入主乳化劑和副乳化劑后，使?jié){體產(chǎn)生一些膠聯(lián)，使混漿的稠度略有增加，但對流變性及強(qiáng)度均影響較小。由此可見，乳狀液對水泥漿性能影響最為嚴(yán)重，這與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論相符合。

3.2紅外光譜分析

為進(jìn)一步探究油基鉆井液對水泥漿性能影響的機(jī)理，對純水泥漿、水泥漿與油基鉆井液及水泥漿與乳狀液摻混后進(jìn)行紅外分析測試[20]（圖3）。

圖3　水泥漿與油基鉆井液、乳狀液摻混紅外分析圖

由圖3可知，乳狀液和油基鉆井液對水泥漿的影響相近。水泥漿水化時(shí)，800～600 cm-1范圍內(nèi)為C3A和C4AF譜帶消失，而油基鉆井液和乳狀液與水泥漿摻混后的波譜中在617 cm-1左右處明顯存在尖峰，同時(shí)3 640 cm-1處無Ca(OH)2的羥基振動帶吸收峰，說明摻混后阻礙了水泥中水化顆粒發(fā)生水化作用；如果水泥漿正常水化，1 350～1 550 cm-1處的碳酸鈣會出現(xiàn)緩肩且逐漸減少，但加入油基鉆井液后峰強(qiáng)變強(qiáng)；加入乳狀液后，雖然出現(xiàn)緩肩跡象，但仍然很明顯，表明乳狀液摻入后阻礙了水泥水化。通過紅外光譜分析可知，乳狀液對水泥影響可達(dá)到與油基鉆井液近似相同的效果。

3.3XRD分析

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，乳狀液對水泥漿性能影響最大。因此利用XRD對純水泥、水泥漿與乳狀液的混漿形成的水泥石進(jìn)行分析（圖4）。

由圖4可知，水泥與乳狀液混合后，CH含量明顯降低，但C3S與C2S的含量并沒有明顯減少，也說明乳狀液阻礙了水泥的正常水化。由于乳狀液由主乳化劑、副乳化劑、內(nèi)部水相及柴油混合攪拌而成，而乳化劑屬于親油性表面活性劑，圈閉了水泥漿中的自由水，使?jié){體變稠水化受阻，影響水泥石的強(qiáng)度發(fā)展。

4　結(jié)論

1）隨著油基鉆井液加量的增加，水泥漿的流變性、稠化時(shí)間、抗壓強(qiáng)度、膠結(jié)強(qiáng)度等性能產(chǎn)生不良影響，抗壓強(qiáng)度和膠結(jié)強(qiáng)度急劇下降，水泥石變得疏松多孔，降低固井頂替效率及層間封隔能力，破壞水泥環(huán)完整性。

2）通過分析可知，油基鉆井液中的柴油、主乳化劑、副乳化劑、有機(jī)土等單組分對水泥漿性能影響不大，而乳狀液是引起水泥漿與油基鉆井液接觸污染的主要原因。乳狀液由主乳化劑、副乳化劑、內(nèi)部水相及柴油混合攪拌而成，乳化劑與柴油共同作用，對水泥漿的流變性及水泥石強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3）通過SEM、FTIR、XRD分析可知，乳狀液的混入，阻礙了水泥中的水化顆粒與自由水之間的結(jié)合，降低水泥石的強(qiáng)度；乳狀液中的乳化劑屬于親油性表面活性劑，圈閉了水泥漿中的自由水，使?jié){體變稠，影響水泥漿的流變性能。

4）由于乳狀液對水泥漿性能影響最為嚴(yán)重，為避免水泥漿與油基鉆井液接觸污染，固井施工時(shí)應(yīng)使用高效的隔離液避免二者接觸，并建議在隔離液中加入合適的表面活性劑，使主、輔乳化劑由親油轉(zhuǎn)變?yōu)橛H 水狀態(tài)，產(chǎn)生破乳作用使“油包水”體系解體, 降低乳狀液對水泥漿的污染，保障固井作業(yè)安全，提高固井質(zhì)量。

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（修改回稿日期2016-01-08編 輯凌忠）

Impact of the oil-based drilling fl uid components on cement slurry performances and its mechanism

Li Zaoyuan, Liu Honghua, Guo Xiaoyang, Gu Tao, Ou Hongjuan
(State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploration, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.63-68, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

When the oil-based drilling fluid is mixed with cement slurry during well cementing, contamination may occur and consequently cementing safety is threatened. In this paper, therefore, studies were made on the impact of the oil-based drilling fluid components on cement slurry performances (e.g. rheological property, thickening time and compressive strength). Meanwhile, its corresponding influential mechanism was also explored preliminarily by means of SEM, XRD and FTIR analyses. The experimental results show that the rheological property of cement slurry gets worse and the compressive strength of set cement drops when cement slurry is mixed with the oil-based drilling fluid, thus the displacement efficiency and cement sheath sealing capacity are influenced. Besides, the rheology of cement slurry is less influenced by each single component (e.g. diesel, main emulsifier and assistant emulsifiers). The effect on the rheology of cement slurry from the emulsion which is composed of diesel, aqueous salt solution phase and emulsifier is the same as that of the oil-based drilling fluid. It is indicated that the free water of the cement slurry is trapped by the emulsion, so its liquidity is obviously decreased. Thus, cement particles cannot be combined effectively with free water and cement hydration is hindered. And consequently, set cement is structurally unconsolidated and porous and its strength is damaged. It is recommended to alleviate contact contamination by using forerunning fluids and spacer fluids that are added with appropriate surfactants.

Oil-based drilling fluid; Cement slurry; Contact contamination; Strength; Emulsion; Free water; Hydration

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.009

四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目“頁巖氣鉆完井工程技術(shù)研究”（編號：2015SZ0003）。

李早元，1976年生，副教授，博士；主要從事固井與完井工程的教學(xué)和科研工作。地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院。電話：（028） 83037003。ORCID:0000-0002-8950-1236。E-mail:swpilzy@swpu.edu.cn

郭小陽，1951年生，教授，博士生導(dǎo)師；從事固井與完井工程技術(shù)領(lǐng)域的重大科學(xué)技術(shù)攻關(guān)研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都區(qū)西南石油大學(xué)明德樓B411。E-mail:guoxiaoyangswpi@126.com