水基鉆井液泥餅增強(qiáng)劑及作用機(jī)理研究

＊李忠誠 陳栗 何宇 徐小紅 梁夢娜

(1.中國石油吉林油田勘探開發(fā)研究院 吉林 138000 2.東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院 黑龍江 163318）

隨著勘探開發(fā)的逐步深入，非常規(guī)致密油藏逐漸成為開發(fā)的熱點(diǎn)。對于這些油藏的開采，一般采用水平井固井后，射孔加大型壓裂的完井工藝[1-4]，而固井質(zhì)量又是其中至關(guān)重要的因素，直接影響到后期壓裂的效果。吉林油田水平井裸眼段和水平段越來越長，出現(xiàn)頂替效率差、二界面泥餅厚且膠結(jié)強(qiáng)度低、固井弱界面嚴(yán)重等問題，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量評 價[5-6]。目前，針對固井弱界面問題，已經(jīng)出現(xiàn)了泥漿轉(zhuǎn)化水泥漿技術(shù)[7]、泥餅仿地成凝餅技術(shù)（MTA）[8]、泥餅固化技術(shù)（MCS）[9]等。其中，MTA和MCS技術(shù)在眾多油田得到了廣泛的應(yīng)用，解決了泥餅無法固化引起的固井弱界面問題，提高了界面膠結(jié)強(qiáng)度。但上述兩種技術(shù)僅報道應(yīng)用于中淺直井，未見其在垂深3000m以上水平井中應(yīng)用。

本文針對吉林油田水平井水平段頂替效率差、二界面泥餅厚且膠結(jié)強(qiáng)度低的問題，研制了一種新型的泥餅增強(qiáng)劑，該泥餅增強(qiáng)劑基于火山灰反應(yīng)、骨架變形及納米填充作用，可以提高泥餅的強(qiáng)度、降低泥餅的厚度、提高泥餅的致密性，進(jìn)而改善泥餅的性質(zhì)，減少固井弱界面問題，提高固井界面膠結(jié)強(qiáng)度，為后續(xù)的壓裂提供良好的井筒環(huán)境。

1.實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)材料

所研制的界面增強(qiáng)劑由硅酸鹽礦物顆粒、無機(jī)納米顆粒和高分子聚合物組成，各組分的比例為：硅酸鹽礦物80%～90%，無機(jī)納米顆粒20%～40%，高分子聚合物10%～20%，其中硅酸鹽礦物自加工，無機(jī)納米顆粒和高分子聚合物購自上海凱茵化工有限公司。實(shí)驗(yàn)所用鉆井液為聚合物鉆井液，水泥為G級油井固井水泥，均取自吉林油田。

(2)實(shí)驗(yàn)方法

①泥餅制備及性能測試。在鉆井液中加入泥餅增強(qiáng)劑，充分?jǐn)嚢杌旌虾螅酶邷馗邏簽V失儀制備出泥餅。清水沖洗去除表面的虛泥餅，然后將其置于200mL水泥濾液中，90℃下常壓養(yǎng)護(hù)7天。利用沖刷法測定泥餅的強(qiáng)度，利用針入度法測定泥餅的厚度，利用壓縮系數(shù)法評價泥餅的韌性，壓縮系數(shù)越小泥餅的韌性越好[10]。

②鉆井液性能測定。在鉆井液中加入泥餅增強(qiáng)劑，充分混合后，利用YM-2密度計、MN-4型馬氏漏斗黏度計、ZNN-D6B型六速旋轉(zhuǎn)黏度計分別測定鉆井液的密度、漏斗黏度和流變參數(shù)，考察泥餅增強(qiáng)劑對鉆井液基本性能的影響。

2.結(jié)果與討論

(1)泥餅增強(qiáng)劑對泥餅性能的影響

將泥餅增強(qiáng)劑以一定的比例加入到鉆井液中，高溫高壓濾失制備泥餅，測定泥餅的強(qiáng)度、厚度和壓縮性能，結(jié)果見圖1。

圖1 泥餅增強(qiáng)劑對聚合物鉆井液泥餅性能的影響

由圖1可以看出，泥漿中加入泥餅增強(qiáng)劑后，泥餅的強(qiáng)度顯著提升、厚度和壓縮系數(shù)也明顯減?。浑S著泥餅增強(qiáng)劑加量的增大，泥餅的強(qiáng)度先增大后減小，而厚度和壓縮系數(shù)則先減小后增大；當(dāng)泥餅增強(qiáng)劑加量為0.7%～1.0%時，泥餅的性能最好，與空白泥餅相比，強(qiáng)度增大到原強(qiáng)度的29～33倍、厚度減小37%～39%、韌性增加15%～17%。泥餅增強(qiáng)劑具有良好的泥餅性能改善效果。

(2)泥餅增強(qiáng)劑對鉆井液性能參數(shù)的影響

為了評價泥餅增強(qiáng)劑與鉆井液的配伍性，向鉆井液中加入不同比例的泥餅增強(qiáng)劑，測定鉆井液的基本性質(zhì)，結(jié)果見表1。

表1 泥餅增強(qiáng)劑對鉆井液主要性能參數(shù)的影響

由表1可以看出，在泥漿中加入泥餅增強(qiáng)劑后，濾失量和漏斗黏度明顯下降，說明泥餅增強(qiáng)劑有利于提升泥漿的濾失性能和流動性，促進(jìn)致密泥餅的生成；泥餅增強(qiáng)劑對泥漿六速參數(shù)的影響不明顯，說明泥漿的流變性不受泥餅增強(qiáng)劑的影響。

(3)泥餅增強(qiáng)劑作用機(jī)理

為明確泥餅增強(qiáng)劑作用機(jī)理，對加入泥餅增強(qiáng)劑前后的泥餅進(jìn)行XRD衍射分析、SEM電鏡掃描和TG分析，分析泥餅在化學(xué)組成、微觀結(jié)構(gòu)和熱性能方面的變化，結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 泥餅的XRD圖譜(a)0.8%;(b)0.5%;(b)0%

圖3 泥餅的SEM圖(a)0%；(b)0.8%

圖4 泥餅TG圖(a)空白泥餅；(b)加泥餅增強(qiáng)劑

對比加入泥餅增強(qiáng)劑前后泥餅的XRD圖（圖2）可知，泥餅中加入泥餅增強(qiáng)劑后，生成了水化硅酸鈣及其凝膠類物質(zhì)，這些產(chǎn)物與SEM圖（圖3b）中出現(xiàn)的羽翼狀或纖維狀的物質(zhì)相對應(yīng)。水化硅酸鈣及凝膠（C-S-H）為泥餅提供了硬化源，填充在泥餅黏土顆粒之間，通過提供硬化體和膠結(jié)作用，提高泥餅的強(qiáng)度和致密性。

圖4的熱重曲線也可以看出，100℃以前，主要是自由水和松散吸附水分解失重，100～300℃主要是緊密吸附水分解引失重，300℃以前加入泥餅增強(qiáng)劑前后泥餅的失重率區(qū)別不明顯；300～550℃時，主要是C-S-H凝膠物質(zhì)分解引起的失重，此溫度范圍內(nèi)，b線對應(yīng)的失重率為11.51%，遠(yuǎn)高于a線失重率（3.68%），這也說明，加入增強(qiáng)劑后，泥餅內(nèi)部生成了大量的C-S-H，該物質(zhì)的生成有助于提高泥餅的強(qiáng)度；550～ 700℃區(qū)間出現(xiàn)的失重主要是Ca(OH)2分解失水、黏土礦物脫水分解、CaCO3晶體分解所致，此區(qū)間二者失重區(qū)別不大。由此，泥餅增強(qiáng)劑的加入，促進(jìn)了泥餅內(nèi)部C-S-H的大量生成。

基于上述微觀表征分析，結(jié)合泥餅增強(qiáng)劑成分的化學(xué)性質(zhì)，推導(dǎo)泥餅增強(qiáng)劑的作用機(jī)理（圖5）如下：通過水化反應(yīng)在泥餅內(nèi)部生成大量的C-S-H，為泥餅提供大量硬化體，提高泥餅強(qiáng)度；通過高分子聚合物的分散變形能力，提高黏土顆粒的分散性，防止大顆粒的聚集，并結(jié)合無機(jī)納米材料的孔隙填充作用，提高泥餅的韌性和致密性，并降低了泥餅的厚度。

圖5 泥餅增強(qiáng)劑作用機(jī)理

(3)泥餅增強(qiáng)劑現(xiàn)場應(yīng)用

為進(jìn)一步考察泥餅增強(qiáng)劑在油田的實(shí)際應(yīng)用效果，選取吉林油田2口井進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，井深平均為3500m。測井結(jié)果表明，兩口井的固井二界膠結(jié)質(zhì)量合格率為100%，中等以上占比分別為92.4%和99.5%。該區(qū)塊其它未使用界面增強(qiáng)劑的采油井的固井二界膠結(jié)質(zhì)量平均合格率為89.7%、中等以上占比平均為63.5%。使用泥餅增強(qiáng)劑后，固井界面膠結(jié)質(zhì)量顯著提升，中等以上占比提升約32個百分點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中石油規(guī)定的固井質(zhì)量紅線要求（固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度質(zhì)量中等以上井段長度大于封固井標(biāo)段長度75%以上），現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。與MTA技術(shù)應(yīng)用于淺井相比，本文中的泥餅增強(qiáng)劑在深井中也體現(xiàn)了良好的界面增強(qiáng)效果。

3.結(jié)論

針對水平井水平段井壁泥餅質(zhì)量差、固井弱界面現(xiàn)象嚴(yán)重的問題，本文研制了一種可有效增強(qiáng)泥餅性能的泥餅增強(qiáng)劑，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用，評價了該泥餅增強(qiáng)劑的作用效果，結(jié)論如下：（1）泥餅增強(qiáng)劑由硅酸鹽礦物顆粒、無機(jī)納米顆粒和高分子聚合物組成，在鉆井液中的適宜加量為0.7%～1.0%，此條件下，與空白泥餅相比，泥餅強(qiáng)度增大到原強(qiáng)度的29～33倍、厚度減小37%～39%、韌性增加15%～17%。泥餅增強(qiáng)劑具有良好的泥餅性能改善效果。（2）泥餅增強(qiáng)劑可改善鉆井液的濾失性、降低鉆井液的黏度，但對流變性影響不顯著，泥餅增強(qiáng)劑與鉆井液的匹配性良好。（3）泥餅增強(qiáng)劑應(yīng)用于油田兩口水平井后，固井界面膠結(jié)質(zhì)量顯著提升，中等以上占比超過92%，提升約32個百分點(diǎn)，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。