張紹俊， 張曉兵， 徐三峰， 李早元， 陸海瑛

(1中國石油塔里木油田分公司油氣工程研究院 2西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室)

固井過程中，水泥漿難免要與儲層接觸，引起儲層損害。但長久以來水泥漿對儲層的損害一直未引起重視。塔里木油田碎屑巖儲層孔滲條件較好，儲層段裂縫發(fā)育，經(jīng)過多年開采，該地區(qū)壓力虧空嚴(yán)重，固井時壓差高達(dá)20～25 MPa，儲層段水泥漿滲透性漏失現(xiàn)象嚴(yán)重。對儲層造成的損害不容忽視[1-3]。但目前關(guān)于水泥漿對該油田碎屑巖儲層的損害機(jī)理認(rèn)識不足，缺乏固井過程中的儲層保護(hù)措施。固井過程中水泥漿對儲層的損害機(jī)理及儲層保護(hù)問題亟待解決。

一、碎屑巖儲層特征

1.儲層物性特征

塔里木油田碎屑巖儲層主要集中在古近系底砂巖和白堊系頂砂巖。其孔隙度均值為15%，滲透率平均為118.6 mD，孔徑均值37～56 μm。孔隙類型粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔為主孔，微縮縫發(fā)育。

2.黏土礦物特征

該地區(qū)平均黏土礦物含量介于2%～11%之間，黏土礦物類型以伊利石為主，約占黏土含量的50%～80%，其次為伊/蒙混層，占比為25%～35%。

3. 地層水水質(zhì)分析

二、水泥漿對儲層損害實驗研究

1.實驗材料及實驗儀器

實驗材料：塔里木油田碎屑巖儲層段巖心；模擬地層水；阿克蘇G級水泥；互力硅粉；促凝劑；降失水劑；分散劑；緩凝劑；消泡劑。實驗水泥漿配方：阿克蘇G級水泥+互力硅粉+降失水劑+分散劑+緩凝劑。

實驗儀器：OWC-9360型恒速攪拌器、OWC-9510型高溫高壓失水儀(沈陽航空工業(yè)學(xué)院應(yīng)用技術(shù)研究所)；DKS-2型巖心孔滲聯(lián)測儀(海安縣石油科研儀器有限公司)；DX-2000型X射線衍射儀(丹東方圓儀器有限公司)；TM-1000型電子掃描顯微鏡(日本日立電器公司)；CPZ-Ⅱ型高溫高壓膨脹儀(青島鑫睿德石油儀器有限公司)。

2. 水泥漿濾液對儲層損害實驗研究

2.1 水泥漿濾液與地層水配伍性實驗

將水泥漿濾液與地層水按一定體積比混合放置在廣口瓶內(nèi)，然后進(jìn)行水浴養(yǎng)護(hù)(90℃×24 h)后均出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象，結(jié)垢包括顆粒狀結(jié)晶及絮凝狀沉淀，見表1。當(dāng)濾液與地層水體積比為5 ∶5時，結(jié)垢量較大。

表1 水泥漿濾液與地層水配伍性實驗結(jié)果

2.2 水泥漿濾液黏土膨脹率實驗研究

采用CPZ-Ⅱ型高溫高壓膨脹儀測試了在水泥漿濾液的作用下，儲層巖心的體積膨脹率。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 儲層巖石膨脹率測試

由圖1可知，在水泥漿濾液的作用下，儲層巖心發(fā)生了明顯的水化膨脹，濾液與儲層巖石接觸后前2 h，膨脹率增長較快，最終體積膨脹率達(dá)8.17%。

2.3 水泥漿濾液對儲層滲透率損害研究

采用巖心驅(qū)替裝置進(jìn)行水泥漿濾液對巖心的損害實驗，見表2。由表2可知，濾液對巖心滲透率影響較大，濾液驅(qū)替過后，巖心損害率達(dá)到了80%～90%，最高可達(dá)90.14%。

表2 水泥漿濾液對巖心滲透率影響實驗

3.水泥漿中固相顆粒對儲層損害實驗研究

采用激光粒度分析儀及高溫高壓失水儀分別進(jìn)行了水泥漿固相顆粒粒徑分布測試及水泥漿對儲層的損害實驗，隨后對水泥漿損害前后的巖心進(jìn)行了電鏡掃描，結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 水泥漿固相顆粒粒度分布圖

圖3 水泥漿損害前

圖4 水泥漿損害后

三、水泥漿對儲層損害機(jī)理分析

1.水泥漿濾液對儲層損害機(jī)理分析

1.1 水泥漿濾液中無機(jī)物結(jié)晶損害

水泥漿在水化過程中會產(chǎn)生許多無機(jī)離子，在高pH環(huán)境下，水化產(chǎn)生的無機(jī)離子以過飽和狀態(tài)存在于水泥漿濾液中[4-5]。而在固井過程中，濾液進(jìn)入儲層后，破壞了原有的離子平衡，導(dǎo)致了CaCO3、Mg(OH)2等無機(jī)垢的結(jié)晶析出。采用抽濾的方法分離獲取了結(jié)晶物，用X射線衍射儀進(jìn)行了成分分析，結(jié)果見圖5。證實了結(jié)晶物中Mg(OH)2、CaCO3的存在。

圖5 結(jié)晶物XRD分析譜圖

1.2 水泥漿外加劑中有機(jī)物交聯(lián)反應(yīng)

制備了水泥漿濾液，然后用水泥漿濾液驅(qū)替巖心的模擬濾液對儲層的損害，再對損害前后的巖心進(jìn)行電鏡掃描，結(jié)果如圖6、圖7所示。濾液損害前儲層巖心孔滲情況良好。損害后，孔喉處出現(xiàn)了大量絮狀結(jié)垢，造成孔喉的堵塞。

圖6 水泥漿濾液損害前

圖7 水泥漿濾液損害后

對生成的絮凝狀物質(zhì)進(jìn)行了紅外光譜分析，結(jié)果見圖8。圖8中波數(shù)為3 403.41 cm-1和3 227.24 cm-1的為O-H的伸縮振動峰，為寬的吸收峰，3 227.24 cm-1為O-H的伸縮振動峰，1 617.71 cm-1和1 401.14 cm-1對應(yīng)的是C=C的伸縮振動峰，1 119.18 cm-1和1 000.68 cm-1對應(yīng)的是C-O的伸縮振動峰，顯然該絮凝狀結(jié)垢明顯為有機(jī)物。推測為水泥漿外加劑中含有的高分子聚合物，在地層水中高價陽離子的作用下，高聚物分子發(fā)生了交聯(lián)現(xiàn)象，即出現(xiàn)的絮凝狀結(jié)垢[6]。這些絮凝狀結(jié)垢將更容易堵塞儲層孔喉等滲流的關(guān)鍵部位。

圖8 絮凝狀結(jié)垢紅外譜圖

1.3 水泥漿濾液對儲層巖石的損害

水泥漿濾液呈強(qiáng)堿性，濾液進(jìn)入儲層后對儲層黏土礦物晶格表面的帶電性產(chǎn)生了影響，OH-在黏土表面的吸附量增加，黏土礦物晶層間的靜電斥力增加。宏觀上表現(xiàn)為儲層黏土礦物更易產(chǎn)生膨脹和分散[7]。

2.水泥漿中固相顆粒對儲層損害機(jī)理分析

固井施工中，隨著水泥漿的濾失，水泥顆粒及外摻料均會隨著濾液一起進(jìn)入儲層，并發(fā)生水化反應(yīng)[8]，最終在儲層內(nèi)部固結(jié)，而外摻料則會直接堵塞儲層孔喉造成損害。

由圖3可知，未經(jīng)過水泥漿損害的巖心，孔喉較為發(fā)育。由圖4可知，水泥漿損害過后，孔喉處含有無定形水泥質(zhì)成分填充了巖石的孔縫，含有的球粒狀物質(zhì)，推測是水泥漿中不參與水化反應(yīng)的外摻料。

四、結(jié)論

(1)塔里木油田碎屑巖儲層平均孔隙度為15%，滲透率較高，儲層孔徑均值介于37～56 μm，儲層段微裂縫發(fā)育，孔滲條件良好。

(2)水泥漿濾液中含有大量Ca2+，Mg2+等離子，進(jìn)入儲層后由于與地層水的不配伍性，產(chǎn)生無機(jī)鹽結(jié)晶損害。此外，水泥漿外加劑導(dǎo)致的儲層損害同樣不容忽視。由于水泥外加劑中含有高分子聚合物，與水泥漿濾液中高價陽離子發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)，生成了絮凝狀結(jié)垢，堵塞了孔喉等滲流關(guān)鍵部位，水泥漿濾液pH值較高，造成儲層黏土礦物的分散、運移。

(3)水泥漿中固相顆粒對儲層損害機(jī)理主要包括水泥漿中不參與水化反應(yīng)的外摻料對于儲層孔喉的堵塞以及水泥顆粒在儲層內(nèi)部的水化固結(jié)。

[1]徐同臺, 熊友明, 康毅力, 等. 保護(hù)油氣層技術(shù)(第二版)[M].北京：石油工業(yè)出版社, 2010： 123-129.

[2]李淑白, 耿東士, 殷洋溢, 等.水泥漿對強(qiáng)敏感性砂巖儲層損害評價[J].鉆井液與完井液,2011,(6)：39-41.

[3]郭小陽, 劉崇建, 俞平方. 水泥漿對地層損害的研究[J].西南石油學(xué)院學(xué)報, 1996, 18(4)：19-27，121.

[4]顧軍, 張光華, 王東國, 等. 非滲透性低失水水泥漿保護(hù)儲層的機(jī)理研究[J].天然氣工業(yè), 2006, 26(10)：77-79，178.

[5]宋本嶺, 張明昌, 牟忠信，等. 水泥漿濾液對油氣層的損害分析及保護(hù)技術(shù)[J].石油鉆采工藝, 2005, 27(1)：27-28，81.

[6]陶世平, 王學(xué)良. 鉆井液和水泥漿對地層損害的室內(nèi)實驗研究[J].油田化學(xué), 1998, 15(1):13-17，27.

[7]呂開河. 保護(hù)油氣層技術(shù)[M].山東東營：中國石油大學(xué)出版社, 2010： 14-27.

[8]劉崇建, 黃柏宗, 徐同臺, 等.油氣井注水泥理論與應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，2001：107-112.