油基鉆井液對水泥性能影響的實驗研究

王大鵬

（大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江 大慶 163000）

1 概述

雖然水基鉆井液通常成本較低且后續(xù)回收處理相對簡單，但在海上勘探、深部地層勘探以及頁巖或含大段鹽膏地層鉆井時，油基鉆井液和合成基鉆井液仍然是主要使用的鉆井液體系之一。在鉆井過程中，鉆井液通常會在裸眼井壁表面堆積，形成所謂的“泥餅”。鉆井任務完成后，在進行固井作業(yè)前需要清除殘留的鉆井液和泥餅。然而，單純的頂替作業(yè)往往無法完全清除上述物質，大多數(shù)井在固井作業(yè)中水泥漿會被鉆井液污染。因此，鉆井液通常會顯著影響固井作業(yè)，污染水泥漿并降低水泥石的性能。

水泥水化是一個受溫度、水分和污染成分影響的化學過程。油基鉆井液的污染會改變水化產(chǎn)物的微觀結構，影響水泥石的孔隙度、滲透率和整體性能。當水泥漿被鉆井液污染后，就會出現(xiàn)流變、化學和力學問題，粘度和密度的差異會導致固井漿液和鉆井液之間產(chǎn)生負面影響[1-2]。例如，在泵入水泥漿過程中，由于鉆井液具有較低的相對密度，當它們緩慢通過水泥漿時會形成流動通道。此外，在候凝期間，水泥漿在環(huán)空中與鉆井液或地層水混合后，也會顯著降低強度。

目前國內在油基鉆井液對水泥漿性能污染方面的研究相對較少，水泥污染的微觀力學和可能的化學反應仍有待進一步分析[3-5]。因此，本文研究的目的是將微觀力學表征與實驗室材料特性表征相結合，從而更好地分析油基鉆井液污染和水泥漿性能之間的關系。

2 實驗研究

2.1 樣品制備

在實驗過程中，油基鉆井液以5%、10%和30%的比例在實驗室中通過高速攪拌混合方式直接污染水泥漿。水泥漿是按照美國石油協(xié)會制定的標準配制的，具體數(shù)據(jù)見表1，該標準使用H 級水泥和2%重量百分比的膨潤土，水泥漿的密度穩(wěn)定在16.4lb/gal。

表1 水泥漿配比情況

配方中2%的膨潤土的作用是減少水泥稠化時間并提高抗壓強度。配制過程中將固體在一個容器中混合在一起，加入水中，并使用Waring 商用攪拌機在4500r/min 下混合15s，然后在12000r/min 下再混合35s，以實現(xiàn)充分混合。隨后，將每種水泥漿與特定比例的油基鉆井液混合并倒入模具中，模擬井筒中的鉆井液污染，整個過程可以被視為“化學污染”，因為鉆井液仍處于液態(tài)并且與水泥發(fā)生化學反應?；旌弦涸谀＞咧?4h凝固成水泥石。

2.2 滲透率測試

滲透率測試在具備溫度控制能力的測試模塊中進行，該模塊由三個主要部分組成：驅動壓力系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)。實驗過程中需要施加一定的壓力和溫度來模擬井下條件，同時在試樣的一端施加固定的驅動壓力，在另一端施加固定的回壓。上述壓力均通過獨立運行的高壓注射泵來實現(xiàn)，從而可以精確測量在給定壓力差下的流速。測量滲透率的實驗程序如下：①由于水作為滲透性測試中的滲透流體，因此首先在真空條件下通過浸泡完全去除試樣內部的殘留空氣，使試樣內部完全被水飽和，這樣可以縮短瞬態(tài)流動期，因此可以更快、更確定地建立穩(wěn)定流動期，從而提高滲透率的測量效率和準確度。具體處理方法為：將巖芯樣品浸入水中，并置于真空度為0.001mPa的環(huán)境中，持續(xù)抽真空24h，抽真空結束后，將樣品一直浸入在水中直到測試前才能取出。②在抽真空后，將巖芯樣品放入巖芯支架中。將裝有試樣的巖芯座放入測試模具后加裝頂蓋和底蓋。③在30～60min內，將測試溫度從室溫提高到目標溫度，與此同時，對系統(tǒng)施加低圍壓(100psi)和低驅動壓力(30psi)。④在達到所需的系統(tǒng)溫度后，將圍壓增加到400psi，然后從50psi開始增加驅動壓力。驅動壓力逐漸增加，在每個級別保持至少60min，然后在流量穩(wěn)定后再次增加。在滲透率測量期間，回壓始終保持在0psi。

2.3 單軸抗壓強度

根據(jù)ASTM(2019a)的操作規(guī)程，圓柱形H 級水泥基試樣的抗壓強度需要通過單軸抗壓強度儀測試獲得的。該裝置如圖1所示。

圖1 單軸抗壓強度測試系統(tǒng)

為了獲得更準確的抗壓強度，每次需測試三個試樣，以便計算平均結果。所有測試的測試條件（即加載速率和測試溫度）保持相同。在每次測試期間記錄峰值載荷，然后使用公式計算抗壓強度：fm=P/A，其中P為試樣破壞時的最大軸向載荷，A為試樣的橫截面積。需要注意的是：為了在35±7psi的速率進行壓力測試，首先需進行一系列初步測試，以2%/s、1.5%/s、1%/s和0.5%/s 的位移速率進行常規(guī)壓縮試驗，以此應力隨時間變化的基礎上繪制和分析結果。然后將這條線的斜率用作樣品上的平均應力速率，并以此確定用于測試的最佳位移速率為0.5%/s。

3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析旨在了解油基鉆井液污染對水泥基體的影響，以及這些變化如何影響孔隙度。通過比較樣品的不同污染水平，可以得知井筒水泥的孔隙率與層間隔離和井筒機械完整性有關，較高的孔隙體積對應較低的抗壓強度，首先測量不同溫度和圍壓下水泥石的滲透性，最后測量單軸抗壓強度。

3.1 孔隙度

表2 記錄了樣品的重量和平均孔隙率。其中樣品體積是根據(jù)樣品的尺寸計算的（直徑2.5cm，長6cm）。從表2中可以看出，經(jīng)30%油基鉆井液污染后樣品的孔隙率大幅度增加。數(shù)據(jù)表明，測量期間溫度對樣品孔隙率沒有顯著影響，對于飽和樣品和干燥樣品，在2h冷卻期后，孔隙率值大致相同，變化均小于5%。不同污染程度的樣品在50℃烘箱中干燥后，平均孔隙率值分別為31.2258%、33.2695%、35.2234%和35.2698%，孔隙度呈上升趨勢，因為該溫度下，飽和異丙醇溶液樣品中的游離水蒸發(fā)并釋放了孔隙空間，從而增加了孔隙率。然而，每個污染比率之間孔隙度的差異并不顯著。從5%到30%的油基鉆井液污染，孔隙率從31.2258%上升到35.2698%。在90℃的高溫下進一步干 燥 后，孔 隙 率 分 別 為32.5569% 、35.2614% 、36.8950%、36.8950%，比其原始值增加約7%～10%，推測可能原因是水泥中的殘留水在較高的溫度下蒸發(fā)造成。

表2 樣品孔隙度測試情況

3.2 滲透率

溫度、圍壓、鉆井液污染對水泥石滲透率有不同程度的影響?？傮w平均結果為：水泥石的滲透性隨著污染程度的增加而顯著增加。此外，當溫度和圍壓增加時，由于油基鉆井液污染造成的對水泥石滲透性的影響程度會降低。此外，滲透率對溫度和壓力的敏感性隨著污染程度的增加而增加。在外界更高的溫度和壓力條件下，純水泥和被30%鉆井液污染的水泥之間的滲透率相對增加幅度會增加：在較高的溫度和壓力環(huán)境下，被30%油基鉆井液污染的水泥石的滲透率是純水泥石的100倍以上，而在較低的溫度和壓力環(huán)境下，滲透率之比約為6。

3.3 抗壓強度

隨著污染水平的增加，樣品的抗壓強度逐步降低。當油基鉆井液的污染比例達到30%時，抗壓強度比純水泥降低3.5倍以上。

4 結果討論

4.1 油基鉆井液對水泥微觀結構的影響

水泥水化是一種化學驅動的過程，它將水泥熟料粉末和水的漿料轉化為固態(tài)、低滲透性材料。固井作業(yè)通常在鉆井液大量存在的鉆井作業(yè)之后進行，這意味著接觸水泥漿的兩個界面都不是清潔的表面。因此，在井筒環(huán)境中不可能具備完全清潔的水泥漿作業(yè)環(huán)境。而由于井下條件的復雜性質，越來越多的使用油基鉆井液，根據(jù)我們的觀察，水泥石在流體或脫水狀態(tài)下的影響會導致物理缺陷。油基鉆井液和水泥水合產(chǎn)物之間的不相容性，形成了微裂縫網(wǎng)絡，導致滲透性增加和水泥石強度降低。從油基鉆井液對水泥漿的污染情況來看，溫度和圍壓所起的作用小于污染量的作用，這說明在固井過程中減少鉆井液污染量比降低近井筒環(huán)境的溫度和壓力更有效，這表明通過更好的流體設計、井筒清潔、驅替方法和頂替技術，能有效降低油基鉆井液的負面影響。同樣，更高的圍壓和溫度可以進一步減少油基鉆井液對水泥漿性能的負面影響。

4.2 油基鉆井液污染對孔隙度和機械性能的影響

純水泥漿的孔隙率為33%，被30%油基鉆井液污染后的孔隙度為38%，增加了約20%。此外，實驗過程中可以觀察到孔隙率與受污染的水泥漿的機械/力學性能相關聯(lián)，說明孔隙度與溫度和應力之間存在關聯(lián)。雖然孔隙減少和微裂縫閉合為滲透率的應力依賴性提供了解釋機制，但不能解釋隨著溫度的升高會導致滲透率降低的問題。一些研究人員指出，這可能是由于溫度升高時水的潤濕性增加，即使水的粘度隨著溫度升高而降低，同時在被污染的水泥漿中，油基鉆井液帶來的雜質可以適應局部熱應變，從而降低滲透性對溫度的敏感性。此外，當樣品受到限制應力時，這些雜質會在應力場中產(chǎn)生局部變化，從而屏蔽附近的微裂紋，并導致受污染樣品的滲透率對應力的敏感性降低。

5 結論

（1）鉆井任務完成后，在進行固井作業(yè)前需要清除殘留的鉆井液和泥餅。然而，單純的頂替作業(yè)往往無法完全清除上述物質，大多數(shù)井在固井作業(yè)中水泥漿會被鉆井液污染。

（2）5%左右的油基鉆井液污染對水泥漿的整體影響較小，當污染量達到30%后，水泥石強度降低了3～4倍；10%的油基鉆井液污染會導致水泥石滲透率增加6倍，30%的油基鉆井液污染則使水泥石的滲透率增加130倍。

（3）隨著污染水平的增加，樣品的抗壓強度逐步降低。當油基鉆井液的污染比例達到30%時，抗壓強度比純水泥漿降低3.5倍以上。

（4）隨著油基鉆井液污染程度的增加，會顯著影響水泥漿性能并降低固井質量。在深井固井作業(yè)過程中，這種影響將更為嚴重。