鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅對(duì)固井二界面膠結(jié)質(zhì)量的影響與提高措施

何瑀婷，趙殊勛，高啟軒，李明澤，呂寶玉，左天鵬，鄭怡杰，程小偉

（1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610500；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探第二固井分公司,天津 300280；3.中國石油吐哈油田分公司勘探事業(yè)部,新疆哈密 839009；4.堯柏特種水泥技術(shù)研發(fā)有限公司,西安 710100）

0 引言

鑲嵌屏蔽鉆井液是一種水基鉆井液體系，通過鑲嵌屏蔽劑在儲(chǔ)層井壁上形成鑲嵌屏蔽層，阻止鉆井液流體和固相顆粒侵入儲(chǔ)層，從而保護(hù)儲(chǔ)層[1-4]。但是由于鉆井液的濾失作用，鉆井液中的固相顆粒會(huì)附著在井壁上形成一層濾餅，導(dǎo)致固井二界面出現(xiàn)微裂縫，表現(xiàn)為固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度降低。

針對(duì)鉆井液濾餅降低固井二界面膠結(jié)質(zhì)量這一問題，目前的解決辦法主要是鉆井液濾餅的清除技術(shù)以及濾餅的固化技術(shù)，一種方法是利用沖洗液、隔離液清洗井壁上的濾餅；另一種方法是通過加入改性劑固化濾餅，以提高濾餅本身的強(qiáng)度[5-6]。袁海平[7]等提出，在注水泥過程中，利用水泥漿的流動(dòng)盡可能多地沖刷掉井壁上殘留的濾餅，使水泥漿直接和井壁進(jìn)行固化，防止微間隙產(chǎn)生。劉開強(qiáng)[8]等提出，通過提高鉆井液的pH 值，破壞鉆井液中聚合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高鉆井液的親水性、黏土顆粒表面的電位以及增加黏土顆粒間的分散作用，達(dá)到提高濾餅清除程度的目的。李韶利[9]等針對(duì)油基鉆井液在井壁形成的油基泥餅與油污研發(fā)了清油沖洗劑與清油隔離液，其中清油沖洗劑通過減弱濾餅的親油性使沖洗率達(dá)95%以上，增強(qiáng)了水泥石和濾餅之間界面的親和性。MTC 技術(shù)主要是在鉆井液中加入廉價(jià)的高爐水淬礦渣（BFS）、激活劑及少量的緩凝劑、分散劑、降失水劑，可以將鉆井液轉(zhuǎn)化為能夠完全滿足固井要求的固井液[10-11]。

為了分析鉆井液濾餅對(duì)固井二界面膠結(jié)質(zhì)量的影響，主要有2 類評(píng)價(jià)方法，測井評(píng)價(jià)方法和界面膠結(jié)強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法[12]。武治強(qiáng)[13]等提出一種基于聲波測井技術(shù)的固井質(zhì)量評(píng)價(jià)方法，運(yùn)用模型分析測井CBL 值與套管波首波聲幅幅值之間的關(guān)系，并通過套管波首波聲幅幅值預(yù)測水泥環(huán)環(huán)空間隙和膠結(jié)強(qiáng)度。王廣雷[14]等人利用人造巖心模擬井壁濾失后固井二界面膠結(jié)環(huán)境來直接定量表征出二界面膠結(jié)強(qiáng)度，并且利用夾雜在水泥石中的濾餅可以間接表征出界面的等效滲透率。

因此，通過膠結(jié)強(qiáng)度、SEM 和EDS 的測試結(jié)果，評(píng)價(jià)鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅對(duì)固井二界面的影響；為提高固井二界面膠結(jié)質(zhì)量，提出滲透劑對(duì)鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅沖洗的方法，探究其對(duì)固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響，并分析滲透劑對(duì)鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的沖洗機(jī)理，為探索如何提高固井二界面膠結(jié)質(zhì)量的方法提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥漿配方為800 gG 級(jí)油井水泥+16 g 降失水劑G33S+4 g 分散劑USZ+350 g 水，水灰比為0.44，密度為1.89 g/cm3，在常溫下的流動(dòng)度為25.00 cm。油井水泥化學(xué)組成見表1。

表1 油井水泥化學(xué)組成

鉆井液配方為4%膨潤土+0.5%包被劑+1.5%封堵劑+2%降濾失劑+2%封堵防塌劑+2%液體降黏劑改性烷基硅+1%水解聚丙烯腈銨鹽+1%乳化瀝青+0.1%純堿+0.1%片堿+3%液體潤滑劑+80%加重劑。實(shí)驗(yàn)選用的三種滲透劑分別為脂肪醇聚氧乙烯醚（AEO）、脂肪酸山梨醇酐聚氧乙烯醚60（T60）、聚氧乙烯烷基酚醚（OP）。

1.2 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的形成及沖洗實(shí)驗(yàn)

利用四聯(lián)中壓失水儀進(jìn)行高溫高壓濾失實(shí)驗(yàn)，用手堵住鉆井液杯輸氣接頭處小孔，注入待測樣品至杯內(nèi)刻度線處，放入一張潔凈干燥的濾紙，蓋上杯蓋及壓緊絲杠，擰緊壓緊旋鈕，將鉆井液杯倒置，輸氣接頭裝入放氣閥內(nèi)旋轉(zhuǎn) 90°。打開氣源，在（0.69 ± 0.03）MPa 的壓力下，濾失 30 min 后得到濾餅。

采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，用2 根結(jié)實(shí)的橡皮筋將濾失得到的鉆井液泥餅連同濾紙一起綁緊在六速旋轉(zhuǎn)儀的轉(zhuǎn)子上；將配制好的滲透劑倒入漿杯后，在200 r/min 下進(jìn)行沖洗；觀察并記錄2、5、10、15、20 min 時(shí)鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的附著情況。

1.3 固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的測試

待高溫高壓失水儀預(yù)熱到 90 ℃ 后，先將適量的鉆井液快速攪拌，并倒入高溫高壓失水儀漿杯中，再把事先準(zhǔn)備好的巖心放進(jìn)漿杯，利用氮?dú)鈱?duì)整個(gè)裝置進(jìn)行加壓，在 3.5 MPa 的工作壓力下，加壓 30 min 后將巖心取出。將附著鉆井液濾餅的巖心經(jīng)過滲透劑沖洗前后和不含鉆井液濾餅的巖心放置于“膠結(jié)?！敝校僭凇澳z結(jié)?！迸c巖心之間注入一定量的水泥漿，且固井水泥漿不能淹沒巖心，之后在 80 ℃ 水浴鍋養(yǎng)護(hù)1 d、3 d 后，利用 TYE-300B壓力試驗(yàn)機(jī)讓巖心與水泥石脫離，并測試樣品的膠結(jié)強(qiáng)度，膠結(jié)強(qiáng)度測試示意圖見圖1，計(jì)算公式如下[15]。

圖1 樣品膠結(jié)強(qiáng)度測試示意圖

式中，S為膠結(jié)強(qiáng)度，MPa；P為巖心脫離時(shí)的加荷壓力，N；D為巖心直徑，mm；h為水泥環(huán)的高度，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的結(jié)構(gòu)及其性能

濾餅結(jié)構(gòu)是由可壓縮層、密實(shí)層和致密層以及表面的一層“虛濾餅”構(gòu)成[16]，鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅見圖2，通過觀察可以知道，濾餅具有一定厚度且表面呈現(xiàn)疏松的凝膠狀態(tài)。根據(jù) GB/T 16783.1—2014 對(duì)鑲嵌屏蔽鉆井液的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，該鉆井液密度為1.31g/cm3，流變性能φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3為125/94/85/66/30/21，流性指數(shù)為0.23，濾失量為24 mL，濾餅厚度為6.0 mm。

圖2 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅

2.2 滲透劑的優(yōu)選

選用了3 種滲透劑，分別是AEO、T60、OP。使用3 種滲透劑分別對(duì)鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅進(jìn)行沖洗實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖3。

圖3 不同滲透劑的沖洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖3 中可以看出，清水洗過后的鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅無明顯變化；對(duì)比三種滲透劑對(duì)鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的沖洗結(jié)果，T60、OP 沖洗后的濾餅表面有輕微的破壞；經(jīng)過AEO 的沖洗，鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅厚度明顯變薄，說明AEO 對(duì)濾餅的沖洗效果最好。

由此可知，AEO 是沖洗效果最好的滲透劑，因此進(jìn)一步探究AEO 在不同時(shí)間下對(duì)濾餅的沖洗效果。

圖4 為AEO 對(duì)濾紙上的鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅沖洗不同時(shí)間后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出隨著時(shí)間的增加，滲透劑對(duì)濾餅沖洗效果越好，具體表現(xiàn)為，沖洗5 min 時(shí)濾餅開始脫落，沖洗10 min 時(shí)濾紙上有部分的濾餅殘留，沖洗15 min 時(shí)濾紙上殘留少量濾餅，沖洗20 min 時(shí)與沖洗15 min 的變化不明顯。

圖4 用AEO 對(duì)鉆井液濾餅沖洗 不同時(shí)間后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅對(duì)固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響

表2 是不含鉆井液濾餅和附著鉆井液濾餅的巖心經(jīng)過滲透劑沖洗前后，分別與固井水泥漿在80 ℃下養(yǎng)護(hù)1 d、3 d 的膠結(jié)強(qiáng)度測試結(jié)果。

表2 不同樣品的膠結(jié)強(qiáng)度結(jié)果

對(duì)比表2 數(shù)據(jù)可以看出，不含鉆井液濾餅的巖心，固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度下降了80%～90%，說明濾餅的存在會(huì)降低固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度[17]；附著鉆井液濾餅的巖心經(jīng)過AEO 沖洗后，對(duì)比沖洗前的固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度，1 d 后固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度提高了166.67%，3 d 后固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度提高了33.34%，說明AEO 對(duì)鑲嵌屏蔽鉆井液所形成的虛濾餅層進(jìn)行了有效沖洗，固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量得到提高。

圖5 是水泥石與巖心界面的狀態(tài)圖，主要剖開水泥石保留完整巖心，從圖5（a）可以看出，將不含鉆井液濾餅的巖心樣品的水泥石剖開后，巖心和水泥石之間膠結(jié)緊密，膠結(jié)質(zhì)量好，沒有明顯空隙。從圖5（b）中可以看出，將附著有沖洗前鉆井液濾餅的巖心樣品的水泥石剖開后，在巖心和水泥石之間的濾餅上有許多裂紋，濾餅表面幾乎沒有強(qiáng)度，導(dǎo)致水泥石與井壁的膠結(jié)質(zhì)量降低。

圖5 水泥石與巖心界面狀態(tài)

從圖5（c）中可以看出，相比較沖洗前鉆井液濾餅，沖洗后的鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅厚度變薄、表面更光滑，裂紋、裂隙更少，且?guī)r心和水泥石之間的界面更清晰，是由于井壁上的虛濾餅層能較好地被沖洗，增大了水泥石和濾餅界面的親和性，所以固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度得到提高。

2.4 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅對(duì)固井二界面微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖6 為滲透劑沖洗前后鉆井液濾餅與水泥石界面的線分布能譜圖，由于濾餅中K 元素的含量比水泥石中K 元素含量多，因此根據(jù)K 元素的線掃描結(jié)果可以看出，附著鉆井液的巖心在沖洗前，界面處K 元素含量變化比較小，水泥石和濾餅之間的界面不明顯；而附著鉆井液的巖心經(jīng)過沖洗后，界面處K 元素含量有明顯減小的趨勢(shì)，水泥石和濾餅之間的界面更為明顯。

對(duì)比沖洗前后鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的掃描電鏡圖，可以發(fā)現(xiàn)沖洗前鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅是層片狀和絮凝狀的混合結(jié)構(gòu)，存在大量孔隙，具體表現(xiàn)為沒有強(qiáng)度，降低固井二界面膠結(jié)質(zhì)量；而濾餅經(jīng)過滲透劑沖洗后，其虛濾餅層被沖刷掉，水泥石與濾餅之間的結(jié)合更致密，孔隙結(jié)構(gòu)更少，鉆井液強(qiáng)度提高，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度也隨之提高。

2.5 沖洗機(jī)理分析

包被劑是鑲嵌屏蔽鉆井液的重要組成部分，聚丙烯酰胺鉀鹽K-PAM 作為包被劑中的主要成分具有增黏和絮凝的作用，在改善鉆井液流變性能的同時(shí)，也會(huì)進(jìn)一步阻礙濾餅的清除[18-19]。將5%AEO滴加到0.6%包被劑水溶液中，其現(xiàn)象如圖7 所示，未加入AEO 的包被劑溶液呈現(xiàn)黃色，加入AEO 后，包被劑溶液中的顆粒被分散，溶液顏色變淺；為探究AEO 對(duì)包被劑結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)行了紅外測試，結(jié)果如圖8 所示。

圖7 加入AEO 前（左）后（右）的包被劑溶液

圖8 加入AEO 前后包被劑溶液的紅外光譜圖

由圖8 可以看出，在978.56 cm-1處的特征帶對(duì)應(yīng)烯烴類C—H 面外彎曲振動(dòng)吸收峰，加入AEO后，該特征峰明顯減弱，是由于AEO 是一種具有親水基團(tuán)和親油基團(tuán)的非離子表面活性劑，其親油基團(tuán)由脂肪醇中的碳?xì)滏溄M成，主要與鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅中的烴鏈分子形成作用力，其親水基團(tuán)主要由聚氧乙烯鏈組成，朝向水并包裹住包被劑，從而改變鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅表面的濕潤性，降低水溶液與濾餅的表面張力，以及井壁與濾餅之間的接觸角[20]。

因此，隨著AEO 進(jìn)入濾餅內(nèi)部包裹住鉆井液，粒子之間由于表面水化膜的存在不易發(fā)生團(tuán)聚，再結(jié)合高分子的吸附作用和固相顆粒的沖刷作用[21-24]，就能去除鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅，從而使固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量得到提高。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

大港油田經(jīng)過長期的注水開發(fā)導(dǎo)致地層水活躍、地層滲透率增加、井壁上鉆井液濾餅虛厚，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量[8]。為此利用脂肪醇聚氧乙烯醚開發(fā)了一套前置液體系，并應(yīng)用于港5-12-1 井，該井井溫為66 ℃，現(xiàn)場使用Φ139.7 mm 套管，固井一界面優(yōu)質(zhì)率為95.60%，固井二界面的優(yōu)質(zhì)率達(dá)到84.76%，說明該前置液體系可以清除鑲嵌屏蔽鉆井液所形成的虛濾餅層，固井質(zhì)量和油氣開發(fā)效益得到提高。

4 結(jié)論

1.鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅由于其表面“虛濾餅”的存在會(huì)降低固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度。相比較沒有添加鉆井液濾餅的巖心和水泥石界面，其膠結(jié)強(qiáng)度下降了80%～90%，而附著鉆井液濾餅的巖心經(jīng)過滲透劑的沖洗后，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度可提高33.34 %～166.67%。

2.通過比較AEO、T60、OP 三種滲透劑對(duì)鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的沖洗結(jié)果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)AEO 的沖洗效果最好。

3.AEO 中存在雙親基團(tuán)，其中親油基團(tuán)碳?xì)滏湑?huì)與濾餅中的烴鏈分子形成作用力，親水基團(tuán)聚氧乙烯鏈會(huì)出現(xiàn)在粒子表面，一方面降低濾餅的表面張力，另一方面阻礙顆粒之間的團(tuán)聚，從而清除虛濾餅層，提高固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量。

4.利用AEO 開發(fā)一套前置液體系，成功應(yīng)用于港5-12-1 井，其固井二界面的優(yōu)質(zhì)率達(dá)到84.76%。