塔里木油田碎屑巖固井水泥漿儲層損害實驗研究

張紹俊， 張曉兵， 徐三峰， 李早元， 陸海瑛

(1中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 2西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室)

固井過程中，水泥漿難免要與儲層接觸，引起儲層損害。但長久以來水泥漿對儲層的損害一直未引起重視。塔里木油田碎屑巖儲層孔滲條件較好，儲層段裂縫發(fā)育，經(jīng)過多年開采，該地區(qū)壓力虧空嚴(yán)重，固井時壓差高達(dá)20～25 MPa，儲層段水泥漿滲透性漏失現(xiàn)象嚴(yán)重。對儲層造成的損害不容忽視[1-3]。但目前關(guān)于水泥漿對該油田碎屑巖儲層的損害機理認(rèn)識不足，缺乏固井過程中的儲層保護(hù)措施。固井過程中水泥漿對儲層的損害機理及儲層保護(hù)問題亟待解決。

一、碎屑巖儲層特征

1.儲層物性特征

塔里木油田碎屑巖儲層主要集中在古近系底砂巖和白堊系頂砂巖。其孔隙度均值為15%，滲透率平均為118.6 mD，孔徑均值37～56 μm?？紫额愋土ｉg溶孔、粒內(nèi)溶孔為主孔，微縮縫發(fā)育。

2.黏土礦物特征

該地區(qū)平均黏土礦物含量介于2%～11%之間，黏土礦物類型以伊利石為主，約占黏土含量的50%～80%，其次為伊/蒙混層，占比為25%～35%。

3. 地層水水質(zhì)分析

二、水泥漿對儲層損害實驗研究

1.實驗材料及實驗儀器

實驗材料：塔里木油田碎屑巖儲層段巖心；模擬地層水；阿克蘇G級水泥；互力硅粉；促凝劑；降失水劑；分散劑；緩凝劑；消泡劑。實驗水泥漿配方：阿克蘇G級水泥+互力硅粉+降失水劑+分散劑+緩凝劑。

實驗儀器：OWC-9360型恒速攪拌器、OWC-9510型高溫高壓失水儀(沈陽航空工業(yè)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)研究所)；DKS-2型巖心孔滲聯(lián)測儀(海安縣石油科研儀器有限公司)；DX-2000型X射線衍射儀(丹東方圓儀器有限公司)；TM-1000型電子掃描顯微鏡(日本日立電器公司)；CPZ-Ⅱ型高溫高壓膨脹儀(青島鑫睿德石油儀器有限公司)。

2. 水泥漿濾液對儲層損害實驗研究

2.1 水泥漿濾液與地層水配伍性實驗

將水泥漿濾液與地層水按一定體積比混合放置在廣口瓶內(nèi)，然后進(jìn)行水浴養(yǎng)護(hù)(90℃×24 h)后均出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢包括顆粒狀結(jié)晶及絮凝狀沉淀，見表1。當(dāng)濾液與地層水體積比為5 ∶5時，結(jié)垢量較大。

表1 水泥漿濾液與地層水配伍性實驗結(jié)果

2.2 水泥漿濾液黏土膨脹率實驗研究

采用CPZ-Ⅱ型高溫高壓膨脹儀測試了在水泥漿濾液的作用下，儲層巖心的體積膨脹率。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 儲層巖石膨脹率測試

由圖1可知，在水泥漿濾液的作用下，儲層巖心發(fā)生了明顯的水化膨脹，濾液與儲層巖石接觸后前2 h，膨脹率增長較快，最終體積膨脹率達(dá)8.17%。

2.3 水泥漿濾液對儲層滲透率損害研究

采用巖心驅(qū)替裝置進(jìn)行水泥漿濾液對巖心的損害實驗，見表2。由表2可知，濾液對巖心滲透率影響較大，濾液驅(qū)替過后，巖心損害率達(dá)到了80%～90%，最高可達(dá)90.14%。

表2 水泥漿濾液對巖心滲透率影響實驗

3.水泥漿中固相顆粒對儲層損害實驗研究

采用激光粒度分析儀及高溫高壓失水儀分別進(jìn)行了水泥漿固相顆粒粒徑分布測試及水泥漿對儲層的損害實驗，隨后對水泥漿損害前后的巖心進(jìn)行了電鏡掃描，結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 水泥漿固相顆粒粒度分布圖

圖3 水泥漿損害前

圖4 水泥漿損害后

三、水泥漿對儲層損害機理分析

1.水泥漿濾液對儲層損害機理分析

1.1 水泥漿濾液中無機物結(jié)晶損害

水泥漿在水化過程中會產(chǎn)生許多無機離子，在高pH環(huán)境下，水化產(chǎn)生的無機離子以過飽和狀態(tài)存在于水泥漿濾液中[4-5]。而在固井過程中，濾液進(jìn)入儲層后，破壞了原有的離子平衡，導(dǎo)致了CaCO3、Mg(OH)2等無機垢的結(jié)晶析出。采用抽濾的方法分離獲取了結(jié)晶物，用X射線衍射儀進(jìn)行了成分分析，結(jié)果見圖5。證實了結(jié)晶物中Mg(OH)2、CaCO3的存在。

圖5 結(jié)晶物XRD分析譜圖

1.2 水泥漿外加劑中有機物交聯(lián)反應(yīng)

制備了水泥漿濾液，然后用水泥漿濾液驅(qū)替巖心的模擬濾液對儲層的損害，再對損害前后的巖心進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖6、圖7所示。濾液損害前儲層巖心孔滲情況良好。損害后，孔喉處出現(xiàn)了大量絮狀結(jié)垢，造成孔喉的堵塞。

圖6 水泥漿濾液損害前

圖7 水泥漿濾液損害后

對生成的絮凝狀物質(zhì)進(jìn)行了紅外光譜分析，結(jié)果見圖8。圖8中波數(shù)為3 403.41 cm-1和3 227.24 cm-1的為O-H的伸縮振動峰，為寬的吸收峰，3 227.24 cm-1為O-H的伸縮振動峰，1 617.71 cm-1和1 401.14 cm-1對應(yīng)的是C=C的伸縮振動峰，1 119.18 cm-1和1 000.68 cm-1對應(yīng)的是C-O的伸縮振動峰，顯然該絮凝狀結(jié)垢明顯為有機物。推測為水泥漿外加劑中含有的高分子聚合物，在地層水中高價陽離子的作用下，高聚物分子發(fā)生了交聯(lián)現(xiàn)象，即出現(xiàn)的絮凝狀結(jié)垢[6]。這些絮凝狀結(jié)垢將更容易堵塞儲層孔喉等滲流的關(guān)鍵部位。

圖8 絮凝狀結(jié)垢紅外譜圖

1.3 水泥漿濾液對儲層巖石的損害

水泥漿濾液呈強堿性，濾液進(jìn)入儲層后對儲層黏土礦物晶格表面的帶電性產(chǎn)生了影響，OH-在黏土表面的吸附量增加，黏土礦物晶層間的靜電斥力增加。宏觀上表現(xiàn)為儲層黏土礦物更易產(chǎn)生膨脹和分散[7]。

2.水泥漿中固相顆粒對儲層損害機理分析

固井施工中，隨著水泥漿的濾失，水泥顆粒及外摻料均會隨著濾液一起進(jìn)入儲層，并發(fā)生水化反應(yīng)[8]，最終在儲層內(nèi)部固結(jié)，而外摻料則會直接堵塞儲層孔喉造成損害。

由圖3可知，未經(jīng)過水泥漿損害的巖心，孔喉較為發(fā)育。由圖4可知，水泥漿損害過后，孔喉處含有無定形水泥質(zhì)成分填充了巖石的孔縫，含有的球粒狀物質(zhì)，推測是水泥漿中不參與水化反應(yīng)的外摻料。

四、結(jié)論

(1)塔里木油田碎屑巖儲層平均孔隙度為15%，滲透率較高，儲層孔徑均值介于37～56 μm，儲層段微裂縫發(fā)育，孔滲條件良好。

(2)水泥漿濾液中含有大量Ca2+，Mg2+等離子，進(jìn)入儲層后由于與地層水的不配伍性，產(chǎn)生無機鹽結(jié)晶損害。此外，水泥漿外加劑導(dǎo)致的儲層損害同樣不容忽視。由于水泥外加劑中含有高分子聚合物，與水泥漿濾液中高價陽離子發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，生成了絮凝狀結(jié)垢，堵塞了孔喉等滲流關(guān)鍵部位，水泥漿濾液pH值較高，造成儲層黏土礦物的分散、運移。

(3)水泥漿中固相顆粒對儲層損害機理主要包括水泥漿中不參與水化反應(yīng)的外摻料對于儲層孔喉的堵塞以及水泥顆粒在儲層內(nèi)部的水化固結(jié)。

[1]徐同臺, 熊友明, 康毅力, 等. 保護(hù)油氣層技術(shù)(第二版)[M].北京：石油工業(yè)出版社, 2010： 123-129.

[2]李淑白, 耿東士, 殷洋溢, 等.水泥漿對強敏感性砂巖儲層損害評價[J].鉆井液與完井液,2011,(6)：39-41.

[3]郭小陽, 劉崇建, 俞平方. 水泥漿對地層損害的研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報, 1996, 18(4)：19-27，121.

[4]顧軍, 張光華, 王東國, 等. 非滲透性低失水水泥漿保護(hù)儲層的機理研究[J].天然氣工業(yè), 2006, 26(10)：77-79，178.

[5]宋本嶺, 張明昌, 牟忠信，等. 水泥漿濾液對油氣層的損害分析及保護(hù)技術(shù)[J].石油鉆采工藝, 2005, 27(1)：27-28，81.

[6]陶世平, 王學(xué)良. 鉆井液和水泥漿對地層損害的室內(nèi)實驗研究[J].油田化學(xué), 1998, 15(1):13-17，27.

[7]呂開河. 保護(hù)油氣層技術(shù)[M].山東東營：中國石油大學(xué)出版社, 2010： 14-27.

[8]劉崇建, 黃柏宗, 徐同臺, 等.油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001：107-112.