古龍頁巖油油基鉆井液對固井水泥漿的污染研究

宋成林

（大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江大慶 163413）

1 概述

通過固井水泥在套管和地層之間實(shí)現(xiàn)區(qū)域隔離是固井作業(yè)的主要目標(biāo)之一。在大慶油田古龍區(qū)塊的頁巖油開采施工過程中，為了在長水平段易坍塌的青山口地層實(shí)現(xiàn)安全快速鉆進(jìn)，通常選用油基鉆井液作為工作液。油基鉆井液（OBM）是一種非水性流體，其具有高潤滑性、低摩擦系數(shù)、卓越的頁巖穩(wěn)定性和較低的濾失量，為加快頁巖地層的鉆井速度提供了良好的保障[1-2]。雖然油基鉆井液在鉆井施工方面有很多優(yōu)點(diǎn)，但其和水泥漿的相容性問題一直是影響固井質(zhì)量的主要因素[3-5]。影響古龍頁巖油井固井質(zhì)量的主要原因之一是水泥漿對油基鉆井液污染的敏感性。為了提高固井質(zhì)量，有必要對油基鉆井液和固井水泥漿之間的污染性進(jìn)行深入研究，以便最大程度地減少鉆井液的影響。

業(yè)界普遍認(rèn)為油基鉆井液會使水泥漿產(chǎn)生流型變化、縮短稠化時(shí)間并降低水泥石強(qiáng)度，主要的研究方向是如何提高隔離液的有效性來防止污染，對內(nèi)在的污染機(jī)制研究的仍然較少。

本文研究了不同溫度下油基鉆井液對水泥漿流變學(xué)性能的影響，以及不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間對水泥石力學(xué)性能的影響，此外還通過XRD、TG、SEM、EDS等化學(xué)分析手段對水泥漿的污染機(jī)理進(jìn)行分析。本研究可為提高頁巖油固井質(zhì)量提供理論依據(jù)。

2 材料與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究使用的油基鉆井液為古龍頁巖油平臺井三開的現(xiàn)場漿，其油水比為80∶20。水泥漿材料主要包括G級水泥、水、分散劑、降濾失劑等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 樣品制備

樣品混合方法根據(jù)API 推薦的測試程序進(jìn)行。油基鉆井液污染程序是使用部分油基鉆井液以重量百分比替換水泥漿。將漿料在塑料燒杯中稱重，然后用稱重的OBM 重新剪切至適當(dāng)?shù)闹亓俊Ｋ酀{/油基鉆井液的實(shí)驗(yàn)比例為100/0、95/5、75/25和50/50。

2.2.2 混合物料的流變性測試

流變性會隨測試溫度的變化而變化，測試所選用的溫度主要考慮環(huán)境溫度和井下實(shí)際溫度。本次實(shí)驗(yàn)，用于研究混合物流變特性的測試溫度為室溫（25℃）和95℃。流變性測試使用的是青島海通達(dá)專用儀器有限公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)。

2.2.3 水泥石力學(xué)性能試驗(yàn)

將水泥石在水浴鍋中以95℃養(yǎng)護(hù)，測量1d、3d 和7d后的性能。

2.2.4 微觀結(jié)構(gòu)及水化產(chǎn)物分析

使用冷凍干燥/ESEM、XRD、TG、SEM 和EDS 分析水泥漿的微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物，了解油基鉆井液如何影響油井水泥的水化過程。

在Quanta450分析儀上進(jìn)行冷凍干燥/ESEM 測量，觀察混合漿料的結(jié)構(gòu)。在混合漿料中使用液氮。冷凍24h后，用ESEM分析混合漿液的結(jié)構(gòu)。

在X Pert PRO MPD 上進(jìn)行XRD測量，分析水泥漿中的各相組成。

在Metiler Toledo SDTA85 分析儀上進(jìn)行TG 測量，用以確定總CH含量。

使用EVO MA15 分析儀進(jìn)行SEM 和EDS 測量，以確定含有油基鉆井液的水泥石的微觀結(jié)構(gòu)。由于含有大量油基鉆井液的金屬噴涂水泥導(dǎo)電性不佳，本文選擇含有5%油基鉆井液和25%油基鉆井液的混合水泥石進(jìn)行微觀組織分析。

3 結(jié)果和討論

3.1 油基鉆井液對水泥漿的流變行為的影響

油井固井過程中水泥漿流變特性的控制對改善套管和巖層之間的鉆井液流動性具有重要意義。較好的流變性，可以改善泵送效果，還可以影響水泥粘附在管壁和巖層上的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于滲透壓和油基泥漿的破乳作用，混合漿料的流變特性隨溫度而變化。含有油基鉆井液（0%、5%、25%和50%）的水泥漿在25℃、60℃和95℃下的流動曲線幾乎是直線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與“賓漢模型”高度擬合。

在25℃時(shí)，混合漿料的水由于滲透壓而遷移到OBM 中，混合物料的流變性隨著油基鉆井液含量的增加而惡化。使用賓漢模型，25℃時(shí)油基鉆井液的摻混量從0%～50%的公式為τ0%=9.433+0.121γ，τ5%=10.906+0.136γ，τ25%=11.464+0.193γ，τ50%=17.214+0.623γ。研究表明，在25℃時(shí)，隨著油基鉆井液含量的增加，塑性粘度和屈服點(diǎn)也會增加。塑性粘度表示存在的固體顆粒的數(shù)量，但隨著油基鉆井液體積的增加，可以水化的固體（例如水泥）將進(jìn)一步增加塑性粘度，從而降低水灰比。

圖1 顯示了被油基鉆井液污染的水泥漿在25℃放大10000 倍時(shí)的微觀情況。圖1 中的孔隙是游離水冷凍干燥后與水泥漿混合形成的。隨油基鉆井液含量的增加，自由水中的孔隙量減少。具體的微觀變化為：隨混合物中的水含量不斷降低，混合物流變行為逐漸惡化。被油基鉆井液包裹的水泥漿沒有產(chǎn)生相應(yīng)的水合作用。當(dāng)油基鉆井液含量增加到25%以上時(shí)，水泥漿被其完全包裹。

圖1 25℃被污染水泥漿放大10000倍后的微觀結(jié)構(gòu)

使用賓漢模型，在95℃下油基鉆井液添加量從0%～50%的公式為：τ0%=4.361+0.105γ，τ5%=2.278+0.096γ，τ25%=1.894+0.08γ和τ50%=19.201+0.108γ。研究表明，滲透壓隨著溫度的升高而增加。同時(shí)，油包水乳液的穩(wěn)定性趨于降低。當(dāng)水泥漿中的含水量高于含油量時(shí)，油基鉆井液的乳液結(jié)構(gòu)被破壞。當(dāng)油基鉆井液含量低25%時(shí)，水泥漿混合物在95℃時(shí)的流變行為有所改善。在較高溫度下，破乳對低油基鉆井液含量的混合物流變行為影響較小。當(dāng)油基鉆井液含量達(dá)到50%時(shí)，混合漿料的滲透壓最大，導(dǎo)致漿料流變性變化最大。高油基鉆井液含量保證了乳液的穩(wěn)定性，但滲透壓會隨著溫度的升高而增加，這將顯著增加的漿料的流變參數(shù)。圖2 顯示了被油基鉆井液污染后的漿料在95℃下放大10000 倍的微觀結(jié)構(gòu)。純水泥在95℃時(shí)可產(chǎn)生明顯的針狀晶體，含有5%油基鉆井液的漿料仍可產(chǎn)生晶體，但由于混合而變成棒狀的晶體往往會包裹在水化產(chǎn)品的表面上，從而阻礙水化過程。油基鉆井液具有良好的潤滑性，因此可以增加混合漿料的流變特性。冷凍干燥過程中產(chǎn)生了大量的孔隙和大量的游離水。當(dāng)油基鉆井液含量接近25%時(shí)，這種現(xiàn)象尤其明顯。含有50%油基鉆井液的漿料具有明顯的糊狀稠度，不含游離水。已有的研究表明，由于水泥漿和油基鉆井液不兼容，添加油基鉆井液通常會降低混合漿料的流變特性，甚至使水泥無法泵送。本研究結(jié)果表明，流變性能的這些變化是由滲透壓和破乳作用引起的，滲透壓和破乳作用改變了混合漿料中存在的游離水量，混合漿料中較高的OBM 含量會使?jié){料干燥和增稠，使其難以在井底溫度下泵送。

3.2 油基鉆井液對水泥石力學(xué)行為的影響

表1 為不同油基鉆井液添加量對水泥石抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)。從表1可以看出抗壓強(qiáng)度隨油基鉆井液含量的增加而迅速降低。雖然水泥的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加，但這種增加趨勢并不顯著。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長時(shí)，摻有大量油基鉆井液的水泥的抗壓強(qiáng)度仍然很低。當(dāng)摻入少量油基鉆井液時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低的百分比顯著增加。含5%油基鉆井液的水泥石抗壓強(qiáng)度損失達(dá)到33.58%;當(dāng)油基鉆井液含量達(dá)到25%時(shí)，水泥石的抗壓強(qiáng)度損失接近85%，此時(shí)水泥石完全失去其強(qiáng)度。當(dāng)含有50%油基鉆井液時(shí)，不能形成完整的水泥石。

表1 油基鉆井液對水泥石性能的影響

3.3 油基鉆井液對水泥石水化的影響

通過研究水泥石的力學(xué)性能發(fā)現(xiàn)，水泥石的抗壓強(qiáng)度隨油基鉆井液含量的增加而顯著降低。油基鉆井液對水泥石水化作用的影響如下所述：

純水泥石和混合水泥石的XRD測試可以獲得其水化情況。XRD 結(jié)果表明，新相不會出現(xiàn)在混合水泥石中。水泥石中的主要材料是氫氧化鈣和碳化硅，也存在少量的水合鈣?；旌纤酀{體與純水泥漿體存在顯著差異。硫酸鋇的量顯著增加，而氫氧化鈣和碳化硅顯著減少，水合鈣的量也逐漸減少，甚至減少到零。從樣品的DTG 曲線可以看出，含油基鉆井液的水泥石的曲線可分為3 個(gè)區(qū)域。區(qū)域1 發(fā)生在119℃～278℃之間，可歸因于C-S-H 的脫水。區(qū)域2 發(fā)生在416℃～512℃之間，可歸因于氫氧化鈣的脫水。不同油基鉆井液含量的水泥石的DTG 曲線具有相似的第三區(qū)域，發(fā)生在600℃～800℃之間，這可能是由于水合化合物中碳酸鈣的脫碳引起的。從TG曲線來看，氫氧化鈣含量隨著油基鉆井液含量的增加而減少。純水泥含有2.43%的氫氧化鈣，當(dāng)混合漿料中油基鉆井液含量達(dá)到50%時(shí)，氫氧化鈣的含量僅為1.10%。因此，可以得出結(jié)論，油基鉆井液會在沒有其他化學(xué)干擾的情況下阻礙水泥的水化反應(yīng)。

3.4 油基鉆井液對水泥石組織結(jié)構(gòu)的影響

圖3 為隨油基鉆井液含量增加水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)變化圖。圖3a顯示，水泥石的微觀結(jié)構(gòu)非常致密，孔隙少且很小。圖3b 和圖3c 顯示了含有油基鉆井液后水泥石中的蜂窩結(jié)構(gòu)，圖3c中孔的數(shù)量和大小有所增加，說明油基鉆井液包圍了水泥顆粒，而油相保持在顆粒之外，水泥石因此形成蜂窩結(jié)構(gòu)，這也解釋了為什么含有油基鉆井液的的水泥石強(qiáng)度非常低。

圖3 被污染水泥石微觀結(jié)構(gòu)

3.5 油基鉆井液對水泥漿的污染機(jī)理

典型的油包水鉆井液由油包水乳液組成，這些乳液由乳化劑提供穩(wěn)定性，其他成分被添加到其中來滿足鉆井液標(biāo)準(zhǔn)。將油基鉆井液混入到水泥漿中時(shí)，其乳液部分會分布到水泥漿中，并會去除水泥漿中的水分，將其吸收到鉆井液中。水泥漿含水量的降低會縮短稠化時(shí)間，同時(shí)對水泥的流變性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

水泥漿中的油基鉆井液會阻礙水化作用，導(dǎo)致不完全水化和蜂窩結(jié)構(gòu)的形成，從而降低水泥石的強(qiáng)度。減緩水化作用會影響水泥漿凝固，并通過如下四個(gè)步驟進(jìn)行：①油基乳液均勻分散在水泥漿中；②水泥漿由于乳化劑的存在而發(fā)生乳化；③包裹水泥顆粒的油相發(fā)生部分水化；④形成水泥的骨架結(jié)構(gòu)。但是，由于水泥顆粒不能完全水化，并且顆粒被油相包圍，因此形成了蜂窩結(jié)構(gòu)，最終造成水泥石的抗壓強(qiáng)度明顯降低。

4 結(jié)論及建議

（1）隨油基鉆井液含量的增加水泥漿的流變特性也發(fā)生顯著變化。水泥漿流變特性與油基鉆井液含量正相關(guān)。

（2）油基鉆井液的存在大大降低了水泥石的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)油基鉆井液含量增加時(shí)，水泥石的抗壓強(qiáng)度及其固化時(shí)間逐漸增加。

（3）油基鉆井液的油相阻礙了水泥水化過程。水泥顆粒不能完全水化，最終形成了蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，降低了水泥石的強(qiáng)度。