步玉環(huán)， 趙樂天， 王春雨

基于地質(zhì)聚合物原理實現(xiàn)泥餅固化的固井質(zhì)量改善方法

步玉環(huán)， 趙樂天， 王春雨

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266580）

步玉環(huán)，趙樂天，王春雨.基于地質(zhì)聚合物原理實現(xiàn)泥餅固化的固井質(zhì)量改善方法[J].鉆井液與完井液，2017，34（1）：96-100.

BU Yuhuan, ZHAO Letian, WANG Chunyu.A solution to the improvement of the quality of cement sheath-formation bonding based on geopolymer theory[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2017，34（1）：96-100.

鉆井液在井壁上形成的一層不可固化的泥餅是固井二界面質(zhì)量出現(xiàn)問題的主要因素，而泥餅固化技術(shù)是解決固井二界面問題的新思路。筆者結(jié)合礦渣固化泥餅技術(shù)和MTA固井技術(shù)的優(yōu)勢，提出了基于地質(zhì)聚合物原理實現(xiàn)泥餅固化的新思。實驗研究結(jié)果表明，在鉆井液中加入偏高嶺土和超細礦渣2種潛活性材料，當(dāng)膨潤土、偏高嶺土和超細礦渣的比例為3︰3︰1時，鉆井液形成的泥餅在激活劑的作用下能夠具有較高強度；激活參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明，激活劑硅酸鈉的最佳加量為偏高嶺土加量的72%，用于激活礦渣的氫氧化鈉最佳加量為偏高嶺土加量的2%，最優(yōu)激活時間為15 min。此外，研究了偏高嶺土和超細礦渣與鉆井液的配伍性，發(fā)現(xiàn)2種材料對鉆井液性能影響較小。通過泥餅固化實驗結(jié)果顯示，鉆井液基漿的泥餅強度提高了63倍，2種鉆井液體系的泥餅強度分別提高了16倍和20倍，表明該技術(shù)具有廣闊的研究前景。

固井二界面；偏高嶺土；膨潤土；鉆井液；泥餅固化

固井二界面質(zhì)量出現(xiàn)問題[1-3]的主要因素是鉆井液在井壁上形成了一層不可固化的泥餅。目前對泥餅[4]的處理方法主要為物理沖洗和化學(xué)清除等，但清除效果很差。近年來泥餅固化技術(shù)的興起為解決二界面問題提供了新的思路[5-10]。目前實現(xiàn)泥餅固化的主要技術(shù)包括礦渣堿激發(fā)特性的泥餅固化技術(shù)、MTA固井技術(shù)以及各類泥餅固化劑。地質(zhì)聚合物[11]是一種新型高性能膠凝材料，其中偏高嶺土基地質(zhì)聚合物的研究已經(jīng)取得了大量的成果。由于其特殊的縮聚三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其在眾多方面具有高分子材料、水泥和陶瓷等材料的特征，而地質(zhì)聚合物原理在泥餅固化領(lǐng)域仍鮮有報道。該實驗結(jié)合礦渣固化泥餅技術(shù)和MTA固井技術(shù)的優(yōu)勢，提出了基于地質(zhì)聚合物原理實現(xiàn)泥餅固化的新思路。

1 實驗材料、設(shè)備和方法

1.1 實驗材料

膨潤土，偏高嶺土，超細礦渣；硅酸鈉，青島東岳泡花堿廠，調(diào)整模數(shù)[12]至1.0；氫氧化鈉，碳酸鈉，G級油井水泥；HHFT-1鉆井液體系，實驗室配制；SLKL鉆井液體系，勝利油田。

1.2 實驗設(shè)備

GJ-3S型高速攪拌機，水泥漿失水筒，鉆井液濾失儀，常壓養(yǎng)護箱，恒速攪拌器，抗壓強度試驗機，ZNN-D6S型流速旋轉(zhuǎn)黏度計，自制泥餅強度測試裝置。

1.3 實驗方法

1）固化膨潤土能力測試方法。按照配方配制加入偏高嶺土和超細礦渣的膨潤土漿體，倒入5 cm×5 cm×5 cm的立方體試模中，將試模完全浸沒在常壓水浴養(yǎng)護箱中，溫度設(shè)定為75 ℃，養(yǎng)護一段時間后取出，用壓力機測試實驗塊的抗壓強度。

2）泥餅固化程度測試方法。泥餅固化程度測試思路為：形成泥餅—激活泥餅—固化程度評價。具體步驟為：基于實驗步驟1）的結(jié)論向鉆井液中添加泥餅固化材料，高速攪拌15 min后，利用失水筒制備泥餅，實驗壓差為0.7 MPa；倒出失水筒中的鉆井液，倒入激活劑溶液，在1 MPa壓差下繼續(xù)濾失，激活泥餅中的活性成分；取出泥餅，在泥餅上澆筑一定量的水泥漿，養(yǎng)護1 d后取出，利用自制泥餅強度測量裝置測試泥餅固化程度。

2 膨潤土固化實驗

泥餅不能固化是由于泥餅的主要成分是膨潤土，膨潤土活性極低，基本不具有固化特性。MTC技術(shù)的成功應(yīng)用[13-14]表明，外加活性材料能夠?qū)δ囡灩袒鸬椒浅７e極的作用。筆者基于前期對地質(zhì)聚合物的研究，探究了偏高嶺土作為鉆井液外加潛活性膠凝材料固化膨潤土的能力。

2.1 偏高嶺土加量對膨潤土固化性能的影響

偏高嶺土[15]是以高嶺土（Al2O3·2SiO2·2H2O，簡稱AS2H2）為原料，在適當(dāng)溫度下（600～900 ℃）經(jīng)脫水形成的無水硅酸鋁（Al2O3·2SiO2，簡稱AS2），在適當(dāng)激發(fā)下具有膠凝性。通過實驗探索了75 ℃下不同加量的偏高嶺土對膨潤土的固化性能，激活劑采用速溶硅酸鈉和氫氧化鈉，其中硅酸鈉加量為偏高嶺土加量的72%，水固比為50%，實驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，隨著偏高嶺土的加量增加，試塊的強度逐漸升高，而當(dāng)偏高嶺土的加量超過一定值以后，試塊強度增加趨勢放緩。因此結(jié)果表明，偏高嶺土對膨潤土具有一定的固結(jié)能力，但是當(dāng)偏高嶺土加量較少時，固化體強度較低?？紤]到井下的復(fù)雜條件，泥餅固化的真實強度應(yīng)低于實驗值。因此，實驗探究了引入一定量的超細礦渣對提高固化體強度的效果。

圖1 不同加量的偏高嶺土對膨潤土的固化性能

2.2 超細礦渣加量對膨潤土固化性能的影響

礦渣在固井工程領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其水化機理和材料特性的研究較為成熟[16-18]。礦渣的活性主要受2個因素影響：礦渣的粒徑和堿的濃度。實驗室所用的超細礦渣粒徑在10 μm左右，具有較高的活性。通過實驗探究了偏高嶺土和超細礦渣復(fù)配對膨潤土固化能力的影響，偏高嶺土和膨潤土加量為1︰1，改變超細礦渣的加量，實驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，引入超細礦渣之后，固化體強度明顯增大，并且固化體強度隨礦渣加量增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)?shù)V渣加量為膨潤土加量的33%時，固化體強度達到最大，因此確定了偏高嶺土和超細礦渣的最優(yōu)比例為3︰1。

2.3 激活劑加量對膨潤土固化性能的影響

以速溶硅酸鈉和氫氧化鈉的溶液為激發(fā)劑，硅酸鈉的主要作用是和偏高嶺土反應(yīng)，氫氧化鈉的主要作用是為潛活性材料的激發(fā)提供堿性環(huán)境。對硅酸鈉和氫氧化鈉的加量進行了實驗優(yōu)選，其中膨潤土、偏高嶺土和超細礦渣的比例為3︰3︰1。實驗時，先將稱量好的硅酸鈉加入水中，攪拌均勻后再加入稱量好的氫氧化鈉，最后加入膨潤土和潛活性材料。實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖2 不同加量的礦渣和偏高嶺土復(fù)配對膨潤土的固化性能

圖3 硅酸鈉的加量對固化性能的影響

圖4 氫氧化鈉加量對固化性能的影響

由圖3可知，隨著硅酸鈉加量的增加，固化體強度不斷增大，但當(dāng)?shù)竭_某一數(shù)值后，增加趨勢變緩，出于成本考慮，硅酸鈉加量確定為偏高嶺土加量的72%為最優(yōu)值。由圖4可以看出，NaOH存在一個最優(yōu)加量，當(dāng)NaOH加量低時，潛活性材料不能夠充分反應(yīng)，而當(dāng)NaOH加量過高時，固化體中會形成較多的氫氧化鈣導(dǎo)致強度降低。因此，用于激活礦渣的NaOH加量為偏高嶺土加量的2%時，潛活性材料對膨潤土的固化性能最優(yōu)。通過計算可得，硅酸鈉和NaOH之間加量關(guān)系為36︰1。

3 泥餅固化實驗

根據(jù)膨潤土固化實驗的結(jié)果，確定了固化膨潤土的最優(yōu)方案。通過實驗室自制泥餅，并利用激活劑進行適當(dāng)?shù)募ぐl(fā)，探究了利用偏高嶺土和超細礦渣復(fù)配對泥餅固化性能的影響。其中偏高嶺土和超細礦渣的加量分別為鉆井液中膨潤土含量的100%和33.3%。激活劑采用硅酸鈉和NaOH的混合溶液。

3.1 激活時間對泥餅固化性能的影響

將配制的漿體在0.7 MPa壓差下濾失，通過改變?yōu)V失時間形成了厚度為3 mm左右的泥餅。在1.0 MPa的壓差下進行激活，以保證激活劑滲過泥餅內(nèi)部，與泥餅中的潛活性材料發(fā)生反應(yīng)。養(yǎng)護后，利用插針法測量了不同激活時間和不同激活劑濃度下泥餅的固化程度，測得激活時間為5、10、15、20、25、30 min時，破壞泥餅的力為0.7、12.34、15.06、15.87、16.44、16.38 N。由此可知，隨著激活時間的增加，泥餅硬度不斷增加，但是當(dāng)激活時間大于10 min以后，泥餅強度增加趨勢十分緩慢。這主要是由于在激活劑的作用下，泥餅中的潛活性材料能夠迅速與激活劑發(fā)生反應(yīng)，未反應(yīng)的潛活性材料的含量不斷降低，并且隨著泥餅強度提高，泥餅的滲透率逐漸降低，激活劑的滲濾變得更加困難。因此，可以確定激活時間要高于10 min，才能使泥餅具有較高的強度。

3.2 激活劑濃度對泥餅固化的影響

利用插針法測量了不同激活劑濃度（固體與溶液質(zhì)量之比）下泥餅的固化程度，配制了不同濃度梯度的激活劑，激活時間統(tǒng)一采用15 min。測得激活劑濃度為0.06、0.11、0.16、0.27、0.20、0.23 g/g時，破壞泥餅的力為1.03、2.16、5.74、12.63、14.8和14.2 N。由實驗結(jié)果可以看出，激活劑濃度在0.2 g/g以上時，對泥餅中的潛活性成分能夠進行較為徹底地激發(fā)。

利用偏高嶺土和超細礦渣復(fù)配對鉆井液進行改性，并利用硅酸鈉和NaOH作為激活劑對泥餅進行處理，得到了固化泥餅。泥餅固化的原因主要是由于泥餅中含有潛活性材料成分，溫度較高時，激活劑在壓差作用下滲濾過泥餅內(nèi)部的過程中，偏高嶺土和超細礦渣能夠與激活劑中的硅酸鈉和氫氧化鈉組分發(fā)生快速反應(yīng)，形成了具有一定強度的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。另外，在泥餅與水泥漿接觸養(yǎng)護過程中，水泥漿水化會吸收一部分泥餅中的水分，進一步提高泥餅的強度，而由于泥餅內(nèi)部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的存在，固化的泥餅不會發(fā)生普通泥餅出現(xiàn)的干枯粉化現(xiàn)象。

4 泥餅固化材料與鉆井液的配伍性

4.1 泥餅固化材料對鉆井液體系性能的影響

通過實驗測試了鉆井液體系在加入泥餅固化材料（膨潤土︰偏高嶺土︰超細礦渣為3︰3︰1）前后濾失量和流變曲線的變化，結(jié)果見表1和圖5。

表1 鉆井液改性前后的失水量變化

圖5 泥餅固化材料對鉆井液流變性的影響

由表1可知，鉆井液體系中加入泥餅固化材料之后濾失量變化很小，對于低濾失鉆井液SLKL，泥餅固化材料的加入對濾失量幾乎沒有影響。通過觀察圖5可以看出，泥餅固化材料的加入并未改變2種鉆井液體系的流型，流變曲線之間差別很小，并且由于提高了固相含量，對鉆井液具有一定的提切作用。

4.2 泥餅固化材料對鉆井液泥餅的固化效果

利用偏高嶺土和超細礦渣對鉆井液進行改性，其中偏高嶺土和超細礦渣的加量分別為鉆井液中膨潤土含量的100%和33.3%。激活劑采用硅酸鈉和氫氧化鈉的混合溶液，其中硅酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.8%，氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，得到的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可知，加入偏高嶺土和超細礦渣對鉆井液進行改性后，改性鉆井液形成的泥餅強度得到了明顯的提高。其中鉆井液基漿的泥餅強度提高了63倍，2種鉆井液體系的泥餅強度分別提高了16倍和20倍，泥餅固化效果十分明顯。這主要是由于鉆井液外加2種潛活性材料之后形成的泥餅具有潛在活性，通過激活劑進行激活后，潛活性材料發(fā)生快速的水化反應(yīng)，形成了具有一定強度的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而達到了增強泥餅的效果。

表2 泥餅固化效果對比

5 結(jié)論與建議

1.偏高嶺土和超細礦渣復(fù)配對膨潤土有很好的固化效果。用與膨潤土質(zhì)量比為100%的偏高嶺土和33%超細礦渣對鉆井液進行改性，經(jīng)過激活作用能夠得到固化的泥餅。對激活參數(shù)進行了優(yōu)化，最優(yōu)激活時間為15 min，最優(yōu)激活劑濃度為0.2 g/g。測試了泥餅固化材料對鉆井液體系的影響，結(jié)果表明泥餅固化材料對鉆井液的性能影響很小，滿足鉆井工程的需求，并且對鉆井液具有一定的提切作用。

2.基于提出的泥餅固化技術(shù)進行了泥餅固化實驗，結(jié)果顯示鉆井液基漿的泥餅強度提高了63倍，2種鉆井液的泥餅強度分別提高了16倍和20倍。因此，將偏高嶺土和超細礦渣應(yīng)用于泥餅固化技術(shù)具有廣闊的研究前景。

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A Solution to the Improvement of the Quality of Cement Sheath-formation Bonding Based on Geopolymer Theory

BU Yuhuan, ZHAO Letian, WANG Chunyu
(College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580)

Mud cakes left over on the borehole wall by drilling fl uid play a major role in determining the quality of the bonding between cement sheath and formation. Solidif i cation of mud cakes provides a new clue for solving the bonding problem. A new idea of mud cake solidif i cation based on the geopolymer principle is presented in this paper. In this idea, the advantages of mud cake solidif i cation by slag and the advantages of MTA well cementing technology were combined to provide a solution to the improvement of the quality of cement sheath-formation bonding. In laboratory studies, metakaolin and ultra-f i ne slag, as two potentially active materials, were added to a drilling fl uid. Ata ratio of bentonite, metakaolin and ultra-f i ne slag of 3︰3︰1, the mud cake formed had higher strength under the action of activator. Optimization of activation parameters showed that, the amount of sodium silicate, the optimum activator, should be 72% of the amount of metakaolin, and the amount of sodium hydroxide (NaOH) used for the activation of slag should be 2% of that of metakaolin. The optimum activating time was 15 min. It was found that the metakaolin and the slag had only slight effect on the properties of the drilling fl uid tested. The strength of the mud cake of the base mud was increased by 63 times after solidif i cation, and the strengths of the mud cakes of two drilling fl uid formulated were increased by 16 times and 20 times, respectively, indicating that this technology is worth extensive studying.

Interface between cement sheath and mud cake; Metakaolin; Bentonite; Drilling fl uid; Mud cake solidif i cation

TE256

A

1001-5620（2017）01-0096-05

2016-12-20；HGF=1701N14；編輯 王小娜）

10.3969/j.issn.1001-5620.2017.01.018

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃“973”項目（2015CB251202）。

步玉環(huán)，教授，1966年生，主要研究方向為油氣井固完井工程油氣井流體力學(xué)與工程。電話13884951607；E-mail：buyuhuan@163.com。