王 鑒，蘇鴻鵬，張健偉，孟慶明

(東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 石油與天然氣化工省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

隨著石油開(kāi)發(fā)進(jìn)入中期階段，鉆深井、超深井、大斜度定向井、水平井和水敏性復(fù)雜地層的開(kāi)發(fā)數(shù)量越來(lái)越多[1]。普通的水基鉆井液已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足要求，而不得不使用具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性、超強(qiáng)的抑制性、良好井壁穩(wěn)定性和抗溫性等的油基鉆井液[2-3]。使用油基鉆井液鉆井在能增加鉆進(jìn)速度、提高鉆井質(zhì)量，滿(mǎn)足復(fù)雜條件下和水平井鉆井需要的同時(shí)，也帶來(lái)了新的問(wèn)題，其中之一是這種鉆井液會(huì)在井壁和套管壁產(chǎn)生油基泥餅，在固井過(guò)程中會(huì)使井壁和套管壁與水泥漿之間的膠結(jié)能力大大降低，嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。而且這種泥餅與水基鉆井液形成的泥餅具有很多不同的性質(zhì)，用處理水基泥餅提高固井質(zhì)量的方法處理油基泥餅，收效甚微，此類(lèi)狀況的發(fā)生嚴(yán)重影響油井的使用壽命和開(kāi)發(fā)效益。因此，有效去除井壁附著的油基鉆井液泥餅，改善固井界面的親和性，提高界面膠結(jié)強(qiáng)度，是固井成功的關(guān)鍵因素[4-5]。

為此通過(guò)大量研究，開(kāi)發(fā)出了能有效去除油基泥餅的油基鉆井液泥餅解除劑，大大降低泥餅的黏附量，從而改善固井界面的膠結(jié)強(qiáng)度，提高固井質(zhì)量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

油包水型鉆井液：取自大慶鉆探公司；泥餅解除劑JCJ、清潔劑QXJ：自制。

WT-VSA2000A瓦楞攪拌機(jī)：北京探礦工程研究所；ZNN-D6B型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、LMN-4型馬氏漏斗黏度計(jì)、MRE-A型泥漿電阻率測(cè)量?jī)x、YM-2型液體密度計(jì)：青島奧斯特石油科技有限公司；CMT5105型萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)：深圳市世紀(jì)天源儀器有限公司；SIGMA型掃描電鏡：德國(guó)ZEISS。

1.2 掛片實(shí)驗(yàn)

解除劑的作用效果通過(guò)掛片實(shí)驗(yàn)確定，油基鉆井液在掛片上的殘留量越少，解除劑的泥餅去除作用越好。向一定質(zhì)量的鉆井液中加入指定比例的解除劑，用瓦楞攪拌器攪拌15 min。然后把7 cm×5 cm×0.1 cm的鋼板稱(chēng)量后浸泡于上述鉆井液中，恒溫浸泡一段時(shí)間后取出，稱(chēng)量。鋼板質(zhì)量的增加值定義為掛片掛重，根據(jù)掛片掛重，計(jì)算泥餅解除率。泥餅解除率為加入解除劑后鋼板上黏附的鉆井液量的減少值與沒(méi)加解除劑時(shí)鋼板上黏附的鉆井液量的比值。泥餅解除率越大，泥餅解除劑效果越好。泥餅解除率Re用如下公式計(jì)算。

Re=[m0-m]/m0

式中：m0為鉆井液中未加解除劑時(shí)鋼板上黏附的泥漿質(zhì)量；m為鉆井液中添加泥餅解除劑時(shí)鋼板上黏附的泥漿質(zhì)量，均為3次實(shí)驗(yàn)的平均值。掛片實(shí)驗(yàn)對(duì)比照片見(jiàn)圖1。

a 未加解除劑

b 添加解除劑圖1 掛片實(shí)驗(yàn)對(duì)比照片

1.3 清洗實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步提高泥餅解除率，研制了油基鉆井液清洗劑，清洗劑的作用效果通過(guò)清洗實(shí)驗(yàn)確定。首先依據(jù)1.2的方法進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn)，然后將黏附鉆井液的鋼板在加有指定比例清洗劑的水溶液中浸泡一定時(shí)間，取出鋼板稱(chēng)量。油基鉆井液在鋼板上的殘留量越少，泥餅解除率越大，清洗劑的清洗作用越好。

1.4 界面模擬實(shí)驗(yàn)

為考察泥餅解除劑和清洗劑對(duì)固井一、二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)了界面模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，以外徑7.2 cm、厚0.5 cm、高10 cm的鋼套管模擬井管，以10 cm×5 cm×3 cm的模擬巖心模擬井壁。首先，在鉆井液中添加一定量的泥餅解除劑，用瓦楞攪拌器攪拌15 min，混勻。將上述鋼套管和模擬巖心分別浸沒(méi)在55 ℃的上述鉆井液中，恒溫常壓浸泡40 min后取出，鋼套管和模擬巖心的外側(cè)已經(jīng)形成一定厚度的泥餅，為進(jìn)一步降低泥餅厚度，將它們置于45 ℃、w(QXJ)=1%的清洗液中浸泡，20 min后取出，放置在外徑14 cm、厚2 cm、高10 cm的大鋼套管中心位置，并向2個(gè)鋼套管以及大鋼管和模擬巖心之間的環(huán)形空間內(nèi)灌注水泥漿，注滿(mǎn)后，室溫常壓下靜止放置24 h，待水泥表面凝固變干，將整體模具放入45 ℃恒溫水浴中常壓養(yǎng)護(hù)7 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將模具冷卻至室溫，利用CMT5105型萬(wàn)能拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)定水泥石與鋼套管及模擬巖心之間的界面膠結(jié)強(qiáng)度值，考察泥餅解除劑和清洗劑對(duì)界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響。

1.5 鉆井液性能測(cè)定

向鉆井液中加入一定量的泥餅解除劑，用瓦楞攪拌器攪拌15 min，在室溫下分別測(cè)定鉆井液的流變參數(shù)、密度等性能，考察泥餅解除劑對(duì)鉆井液主要性能的影響。

1.6 界面微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析

界面模擬實(shí)驗(yàn)后，取水泥環(huán)與鋼套管或模擬巖心界面處的樣品進(jìn)行電鏡掃描分析，觀(guān)察泥餅解除劑和清洗劑對(duì)界面微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 各種因素對(duì)泥餅解除效果的影響

2.1.1 鉆井液溫度的影響

將JCJ以質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的用量添加到油基鉆井液中，進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn)，保持浸泡時(shí)間為40 min不變，考察鉆井液溫度對(duì)泥餅解除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，泥餅解除率隨著鉆井液溫度的升高呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，當(dāng)溫度從25 ℃增加到55 ℃時(shí)，泥餅解除率由70%增加到79%，達(dá)到最大值；溫度由55 ℃繼續(xù)增加到85 ℃時(shí)，泥餅解除率反而由79%減小到65%?？梢?jiàn)，該解除劑的作用效果與溫度有關(guān)，在55 ℃時(shí)效果最好，但在25～85 ℃，解除率最大變化也只有14%，說(shuō)明該劑有良好的溫度適應(yīng)性，可以在大多數(shù)油井鉆井過(guò)程中使用。

鉆井液溫度/℃圖2 鉆井液溫度對(duì)泥餅解除率的影響

2.1.2 浸泡時(shí)間的影響

將JCJ以質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的用量添加到油基鉆井液中，進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn)，浸泡溫度為55 ℃不變，考察鉆井液浸泡時(shí)間對(duì)泥餅解除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

浸泡時(shí)間/min圖3 浸泡時(shí)間對(duì)泥餅解除率的影響

由圖3可以看出，當(dāng)鋼板在鉆井液中的浸泡時(shí)間低于40 min時(shí)，泥餅解除率隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)呈逐漸上升趨勢(shì)，泥餅解除率從74%增加到了80%；當(dāng)浸泡時(shí)間大于40 min后，泥餅解除率則趨于平緩，基本在約80%。由此可以看出，該解除劑的作用效果與其在鉆井液中和鋼板的接觸時(shí)間有關(guān)，接觸時(shí)間為40 min時(shí)，泥餅解除率即可達(dá)到最高值，說(shuō)明該泥餅解除劑能在較短的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)良好的泥餅清除作用，具有發(fā)效時(shí)間短的特點(diǎn)，有利于減少實(shí)際固井過(guò)程中泥餅清除的時(shí)間和鉆井后期鉆井液的循環(huán)總量。

2.1.3 清洗溫度和清洗時(shí)間的影響

為了進(jìn)一步降低泥餅的厚度，將掛片實(shí)驗(yàn)中(浸泡溫度55 ℃，浸泡時(shí)間40 min)的鋼板從鉆井液中取出后用含有一定濃度自主研發(fā)的清洗劑的清洗液浸泡一定時(shí)間，考察清洗溫度和清洗時(shí)間對(duì)清洗劑清洗效果的影響。在清洗時(shí)間30 min的條件下，清洗溫度對(duì)泥餅解除率的影響見(jiàn)圖4。

清洗溫度/℃圖4 清洗溫度對(duì)泥餅解除率的影響

從圖4可以看出，泥餅解除率隨清洗溫度增加呈現(xiàn)先增大而后趨于不變的趨勢(shì)，當(dāng)清洗溫度從25 ℃增加到45 ℃時(shí)，泥餅解除率由80%增加到89%；當(dāng)溫度由45 ℃繼續(xù)增加到75 ℃時(shí)，泥餅解除率則變化不明顯，保持在88%～90%。可見(jiàn)，清洗劑的清洗效果與溫度有關(guān)，清洗溫度高于45 ℃時(shí)，即可達(dá)到最好的清洗效果，在油基鉆井液工作的溫度范圍內(nèi)，研制的清洗劑可實(shí)現(xiàn)其最佳清洗效果。

在清洗溫度45 ℃的條件下，改變清洗時(shí)間，考察清洗時(shí)間對(duì)泥餅解除率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

清洗時(shí)間/min圖5 清洗時(shí)間對(duì)泥餅解除率的影響

從圖5可以看出，泥餅解除率隨清洗時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增大的趨勢(shì)，當(dāng)清洗時(shí)間超過(guò)20 min后，泥餅解除率基本保持在約89%，無(wú)明顯變化。由此可以看出，該清洗劑的作用效果與清洗時(shí)間有關(guān)，清洗時(shí)間超過(guò)20 min后，泥餅解除率即可達(dá)到最佳值，說(shuō)明該清洗劑能在較短的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)良好的泥餅清除作用。

2.2 界面膠結(jié)強(qiáng)度模擬實(shí)驗(yàn)

為了考察泥餅解除劑JCJ和清洗劑QXJ對(duì)固井界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響，進(jìn)行了1.4的界面模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 界面膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由表1可以看出，與未加泥餅解除劑和清洗劑的情況相比，一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度分別提高到原強(qiáng)度的10.3倍和8.0倍。可見(jiàn)，在鉆井液中首先加入泥餅解除劑JCJ，使鉆井液以較低的量黏附在鋼套管或模擬巖心外側(cè)，然后再利用含有清洗劑的水溶液進(jìn)行清洗，以進(jìn)一步降低泥餅厚度，可顯著提高一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度。

2.3 泥餅解除劑對(duì)鉆井液性能的影響

向鉆井液中加入解除劑使w(JCJ)=1%，室溫下考察鉆井液的密度以及流變參數(shù)的變化，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，加入JCJ后，鉆井液的黏度(表觀(guān)及塑性黏度)、動(dòng)切力、動(dòng)塑比以及稠度系數(shù)有所降低，流性指數(shù)稍有增大但均不顯著。這是由于加入JCJ后鉆井液剪切稀釋性的強(qiáng)弱變化不大，對(duì)鉆井液流體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改變很小，而且根據(jù)稠度系數(shù)的變化來(lái)看流體相鄰流動(dòng)層間的內(nèi)摩擦變化也十分微小[6-7]，故w(JCJ)=1%的加量對(duì)鉆井液的主要性能無(wú)顯著影響。

表2 JCJ對(duì)鉆井液主要性能的影響

2.4 膠結(jié)界面形貌分析

取水泥石本體和界面模擬實(shí)驗(yàn)中油基鉆井液泥餅與水泥環(huán)界面處的樣品用SEM觀(guān)察其微觀(guān)形貌，結(jié)果見(jiàn)圖6。

a 水泥石本體

b 經(jīng)JCJ和QXJ處理后泥餅與水泥環(huán)界面

c 未經(jīng)JCJ和QXJ處理的泥餅與水泥環(huán)界面圖6 水泥石本體及油基鉆井液泥餅與水泥環(huán)界面的SEM圖

由圖6可以看出，鉆井液中加入JCJ，并用含QXJ的清洗液清洗鋼套管和模擬巖心后，界面處出現(xiàn)明顯的片狀和棒狀水化硅酸鈣，而對(duì)于基漿的情況，該現(xiàn)象不明顯。這是由于在基漿情況下，鋼套管或模擬巖心在鉆井液中養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，其表面所黏附的鉆井液較多，因而導(dǎo)致在界面模擬時(shí)套管或模擬巖心與水泥石本體之間存在較厚的鉆井液泥餅。對(duì)其界面進(jìn)行SEM分析時(shí)，看不到水泥石本體的特征物質(zhì)圖像(片狀和棒狀物質(zhì))。而在鉆井液中加入JCJ，并利用QXJ進(jìn)行清洗后，去除了套管和模擬巖心上大部分的油基鉆井液，降低了油基鉆井液的泥餅厚度，進(jìn)而減少了界面處鉆井液在水泥石本體上的黏附量， 使盡可能多的水泥石本體暴露出來(lái)，直接與鋼套管和模擬巖心膠結(jié)，有利于提高套管和巖心與水泥石本體的膠結(jié)強(qiáng)度[8]。

3 結(jié) 論

(1) 向油基鉆井液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的解除劑，能有效地減少界面上泥餅的厚度，再使用清洗液進(jìn)行清洗，可進(jìn)一步降低泥餅厚度。掛片實(shí)驗(yàn)表明，鋼板在55 ℃鉆井液中浸泡40 min，然后在45 ℃含w(QXJ)=1%的清洗液中清洗20 min后，泥餅解除率可達(dá)89%；

(2) 界面模擬實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)添加泥餅解除劑并結(jié)合新的清洗液，可使固井一界面的膠結(jié)強(qiáng)度增大到10.3倍，二界面增大到8.0倍，能顯著提高固井界面的膠結(jié)強(qiáng)度；

(3) 加入泥餅解除劑后，鉆井液的黏度、動(dòng)切力、動(dòng)塑比以及稠度系數(shù)有所降低，流性指數(shù)稍有增大，鉆井液的密度變化很小。這些變化均不會(huì)影響鉆井液的正常使用。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 王中華.關(guān)于加快發(fā)展我國(guó)油基鉆井液體系的幾點(diǎn)看法[J].中外能源,2012,17(2):36-42.

[2] 張煒,劉振東,劉寶鋒,等.油基鉆井液的推廣及循環(huán)利用[J].石油鉆探技術(shù),2008,36(6):34-38.

[3] 王中華.國(guó)內(nèi)外油基鉆井液研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].斷塊油氣田,2011,18(4):533-537.

[4] 楊振杰,李家芬,蘇長(zhǎng)明.鉆井工程固井膠結(jié)界面研究現(xiàn)狀[J].石油鉆探技術(shù),2005,33(6):1-5.

[5] 楊振杰,李美格,郭建華,等.油井水泥與鋼管膠結(jié)界面處微觀(guān)結(jié)構(gòu)研究(I)[J].石油鉆采工藝,2002,24(4):4-6.

[6] 劉扣其,邱正松,曹杰.油基鉆井液流變參數(shù)影響因素探討[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,29(2):78-83.

[7] 謝華,張偉國(guó),嚴(yán)海源.高動(dòng)塑比油基鉆井液體系研究[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2014,36(10):137-140.

[8] 顧軍,秦文政.MTA方法固井二界面整體固化膠結(jié)實(shí)驗(yàn)[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2010,37(2):226-231.