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一种高效清除井壁滤饼的新型固井冲洗液
博燃网● 2015-12-29

摘 要:为有效清除水基钻井液滤饼,提高固井界面胶结强度和固井质量,基于水溶性纤维的强冲刷原理和滤饼氧化分解原理,研究出一种新型的固井冲洗液(WD-C)0.5WF-H纤维+2.2WF-O氧化剂+0.35FeSO4+1.8KCI+3.0%膨胀珍珠岩粉+水,密度为1.03gcm3。为此,系统地测试评价了该冲洗液对水基钻井液滤饼的清洗效率和改善固井界面胶结强度的性能,并通过红外光谱(IR)、扫描电镜(SEM)和元素分析(EDS)等方法分析了其对界面胶结物的理化特征和微观结构的影响。结果表明,该冲洗液对水基钻井液滤饼具有良好的冲洗作用(冲洗干净时间在10min),且界面胶结处的水泥颗粒能够正常水化,生成水化硅酸钙凝胶、Ca(OH)2和棒状钙矾石(AFt)晶体,并相互交织并形成致密网络结构,能显著提高固井二界面胶结强度,进而提高固井质量。该研究成果为解决高效快速清除水基钻井液滤饼、提高固井二界面胶结强度技术难题提供了又一种新的技术方法。

关键词:冲洗液  水基钻井液  冲洗效率  滤饼  固井  界面胶结  固井质量

A new cementation flushing fluid for efficiently removing wellbore filter cake

AbstractFor effectively removing the water-based drilling fluid filter cake and improving interracial cementation strength and cementing qualitya new type of cementation flushing fluid(WD-C)was developed based on the strong flushing principle of water soluble fiber and the oxygen01ysis principle of filter cakeIt is composed of 0.5WF-H fiber2.2WF-O oxidantO.35FeSO41.8KCl3.0swollen powder perlite and water with its density of 1.03gcm3This cementation flushing fluid was systematically tested and evaluated in terms of its washing efficiency on the filter cake of water-based drilling fluid and its capacity to improve the bonding strength of cementation interfaceIn additionan analysis was performed of its effect on the physical chemical characteristics and the micro-structures of interfacial cements by means of infrared spectrum(IR)scanning electron microscope(SEM)and energy dispersive X-ray detector(EDS)It is shown that the new cementation flushing fluid presents excellent washing effect on water-based drilling fluid filter cake(with washing time within lo rain)The cement particles at the cemented interface can be hydrated normallyand hydrated calcium silicate gelCa(OH)2 and rod-shaped ettringite(AFt)crystal are generated and interwoven with each other.In this wavdense network structures are formedso the bonding strength of the second cementing interface rises significantlyand then cementing quality is improvedBased on the research resultsone more technology is set up for removing the water-based drilling fluid filter cake efficiently and improving the bonding strength of the second cementing interface.

KeywordsFlushing fluidWater-based drilling fluidWashing efficiencyFilter cakeWell cementin9Interfacial cementationCementing quality

钻井工程复杂事故。然而在固井时,残留的钻井液及滤饼会阻止水泥浆与井壁直接接触,并且在水泥浆水化时进一步发生脱水、干枯或粉化现象,易在井眼环空界面处形成微环隙,从而降低界面胶结强度,严重影响固井质量,甚至引起油气水窜流[1-3]。多年来,如何有效地清除钻井液滤饼,一直都是固井工程上的难题[4]。在此,笔者开展了一种基于水溶性纤维强效冲刷和高效氧化降解原理的新型、高效固井冲洗液研究,测试了其对水基钻井液滤饼的冲洗效率,评价了增强界面胶结强度的性能及机理,为水基钻井液滤饼的高效清除和提高固井界面胶结强度难题提供一了种新方法和技术手段。

1 新型固井冲洗液的设计原理

11 水溶性纤维的强冲刷原理

通过在水基滤饼冲洗液中加入特殊的水溶性纤维WF-H,其分子结构上具有-0HCON-H-COOH等亲水性基团,不仅能在水溶液中能够高度分散,而且还会与水分子、聚合物分子间由于氢键的静电作用从而形成三维的空间网络结构,增大了冲洗液的冲刷清洗能力和悬浮能力,有利于将钻井液和滤饼冲刷清洗干净[5-6]

12 滤饼氧化分解原理

在冲洗液中加入一种复配的高活性氧化剂WF-O,该氧化剂物质在溶液中能够生成具有高反应活性的羟基自由基(OH·)、氧自由基来氧化高分子聚合物,通过氧化作用使聚合物分子链发生断裂,变为低分子量有机物而降低黏性,失去桥连和附着作用,将致密、坚韧的滤饼变为松散、破碎结构,使高聚物包裹黏附的膨润土、细目碳酸钙等无机填充物暴露出来,使滤饼及固相颗粒易于被冲洗液冲刷掉,从而提高冲洗液的清洗效率[7-9

2 实验材料和测试方法

21 实验材料

新型固井冲洗液体系WD-C0.5WF-H纤维+2.2WF-O氧化剂+0.35FeSO4+1.8KCl+3.0%膨胀珍珠岩粉+水,密度为1.03gcm3;现场常用固井冲洗液体系,主要由渗透剂、分散剂、悬浮剂和加重剂等组成,采用配方为:10%冲洗剂+水,密度为1.01gcm3;水基钻井液为聚合物防塌钻井液体系,由中石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司提供,具体配方组成为:水+0.2Na2CO3+3%膨润土+0.4%磺酸盐共聚物+1.6%天然聚合物滤失剂+3%磺化酚醛树脂SMP-Ⅱ+0.7%有机胺+1.0%聚合物抑制剂JBY+1.2%铝基聚合物+3.5%胶乳沥青+2%润滑剂+0.5%表面活性剂司盘80+3%超细碳酸钙+15%加重剂,钻井液密度为1.30gcm3;临朐油井G级水泥由胜利黄河固井公司提供;无水乙醇由国药集团提供。

22 冲洗效率评价方法

将旋转黏度汁的金属转筒内、外壁都沾满钻井液或滤饼,置于转速100rmin下清洗,每隔一定时间后计量称重,计算清洗下来的钻井液占沾在旋转黏度计转筒上总钻井液的百分比,即为冲洗效率[10-13]

23 界面胶结强度的测试

将人造砂岩岩心浸入水基钻井液钻井液中,置于75℃下静置30min使砂岩岩心表面充分吸附、黏滞着钻井液;然后将砂岩岩心置于75℃的冲洗液中浸泡30min,观察砂岩岩心表面的钻井液的清洗情况;将砂岩岩心放入胶结强度模具中间,四周倒入配制好常规油井水泥浆(水泥浆密度为1.90gcm3),将胶结强度模具密封后放入75℃水浴养护箱中养护;在压力机上,通过顶替模具分别顶替水泥环和砂岩岩心,便可测定养护24h72h的界面胶结力,除以界面胶结面积,即得到界面胶结强度,并与空白砂岩岩心的界面胶结强度进行对比分析[14-16]

24 界面胶结物的表征与分析

选择有代表性的界面胶结物样品,研磨成细粉末至75mm,进行红外光谱分析;将界面胶结物样品块用导电胶粘贴在铜质样品座上,真空镀金,然后采用日本日立公司S4800场发射扫描电子显微镜观察胶结物形貌,加速电压5.0kV,并进行元素分析。

3 固井冲洗液的清洗效率测试

按照国家标准GBT l 67831—2012钻井液现场测试第1部分:水基钻井液分别在75℃3.5MPa条件下进行水基钻井液30min滤失实验,然后取下水基钻井液所形成的滤饼,并用胶带小心地将滤饼固定在旋转黏度计外筒上,然后对旋转黏度计外筒和滤饼总质量进行称重。采用旋转黏度计转速100rmin,分别评价现场常用固井冲洗液、新型固井冲洗液WD-C75℃条件下对水基钻井液滤饼的清洗效率,测试结果如表1所示。测试结果表明:现场固井冲洗液对水基钻井液滤饼的冲洗效果差,冲洗10min、甚至20min仍有大量钻井液滤饼黏附在滤纸上,冲洗30min后,滤纸上仍有一层黏附物无法冲洗干净,此时冲洗效率为76.92%。新型固井冲洗液WI>C对水基钻井液滤饼具有较优的冲洗效果,能够在较短时间内将钻井液滤饼冲洗干净,10min时的冲洗效率达到93.41%,能够满足现场固井冲洗要求。综上所述,说明新型固井冲洗液WDC能够在较短时间内、有效地将井眼周围的水基钻井液滤饼冲洗干净,这有利于增强固井界面胶结强度,提高固井质量。

 

4 冲洗液对界面胶结强度的影响

1为现场常用固井冲洗液冲洗后的岩心与水泥浆的胶结实物外观图。从图1中可明显看到在岩心与水泥石界面处存在有一层微间隙,犹如“三明治”结构,这是未清洗掉的水基滤饼干化后形成的虚滤饼层,与水泥石和岩心间均无法有效胶结,没有结构强度,不能实现对地层流体的有效封隔,反而为固井后流体的窜流提供了通道。图2WD-C冲洗后的岩心与水泥石的胶结实物外观图。从图2中可明显看到在岩心与水泥石界面处紧密结合在一起,没有残留的虚滤饼层和微间隙产生,界面相互间胶结非常好,非常有利于对地层流体实现有效封隔,防止固井后窜流发生。

 

 

2为现场常用冲洗液、WD-C清洗后的岩心与水泥石界面胶结强度测试结果[12]。测试结果表明:现场常用冲洗液由于无法将岩心上的滤饼清洗干净,其岩心与水泥石固井二界面胶结强度非常低,并且经过72h养护后,第二界面胶结强度增长不大,胶结强度值仍较小,达不到有效封隔地层的要求;而滤饼经过新型固井冲洗液WD-C高效清洗后,其岩心与水泥石固井二界面胶结强度非常明显的增大,24h养护后的二界面胶结强度是现场常用冲洗液清洗方式的4.25倍,72h养护后的二界面胶结强度是现场常用冲洗液清洗方式的4.31倍。

 

5 冲洗液对界面胶结物理化特征的影响

51 界面胶结物的红外光谱分析

3为现场常用冲洗液、WD-C清洗后的岩心水泥胶结物红外光谱(IR)分析。通过对比可明显看出:现场常用冲洗液清洗后的岩心水泥胶结物中存在强、宽的氢键结合羟基的伸缩振动吸收峰(3430cm-1),这说明现场常用冲洗液清洗后岩心表面仍含有大量钻井液中的高分子聚合物处理剂,高分子聚合物处理剂常含有羟基、羧基等基团,并且钻井液中的高分子聚合物会阻止界面处水泥颗粒水化。WD-C清洗后岩心胶结物IR谱图中的羟基伸缩振动特征吸收峰强度明显减弱,并且在3642cm-1处出现了水泥水化产物Ca(OH)2O-H伸缩振动强烈吸收峰,在983cm-1460cm-1处出现了水化硅酸钙凝胶(CSH)Si-O键的伸缩振动和弯曲振动吸收峰,这说明WD-C能够将水基滤饼清洗干净,有利界面处水泥颗粒水化,证实了新型固井冲洗液非常有利于滤饼的高效清除。

 

52 界面胶结物的元素分析

3为现场常用冲洗液、WD-C清洗30min后的岩心—水泥之间胶结物元素分析(EDS)结果。

 

对比分析表3可知:现场常用冲洗液清洗后的岩心界面胶结物中含有MgAlFe元素,这些元素来源于钻井液中处理剂,说明现场常用冲洗液无法有效地将岩心上滤饼的清洗干净。②现场常用冲洗液清洗后的岩心胶结物中O元素含量明显高于新型固井冲洗液WD-C清洗后的岩心胶结物,除了水泥中硅酸盐物质的O元素外,还含有大量钻井液中碳酸钙、重晶石加重剂和高分子聚合物等物质,碳酸钙(caCO3)、重晶石(BaS0)和聚合物中所含有羟基、羧基和醛基等有机基团是使胶结物O元素含量高的主要原因。③新型固井冲洗液WD-C清洗后的岩心胶结物中含有较多CaSi元素,CaSi元素来源于水泥水化产物,说明新型冲洗液WD-C能够有效地清洗掉岩心上的滤饼,从而使水泥充填在岩心  滤饼水泥之间,并发生水化反应,有助于提高界面胶结强度。

53 界面胶结物的微观结构SEM分析

4为现场常用冲洗液、WD-C冲洗后岩心与水泥浆存75℃养护24h的界面胶结物微观结构SEM对比。从图4中可明显看到在岩心与水泥石界面处水泥由于受到钻井液中膨胀土和聚合物外加剂的影响,水泥颗粒基本没有水化,水泥颗粒表面覆盖许多钻井液中的物质,而没有水泥的水化产物氢氧化钙(六方片状)和水化硅酸钙凝胶CSH物质(呈现纤维状)。而经过WD-C清洗后岩心与水泥石界面处的水泥颗粒能够正常水化,有明显的水化硅酸钙CSH凝胶和Ca(OH)2晶体,并且有大量呈棒状的钙矾石(AFt)生成,相互交织形成网络结构,从而有利于提高界面胶结强度。

 

6 结论

1)水基钻井液中的高分子聚合物物质会阻碍水泥颗粒的正常水化反应,从而大幅度降低固井二界面胶结强度,因此,高效地清除钻井液滤饼是提高固井二界面胶结质量的关键。目前常用固井冲洗液无法有效地清除掉水基钻井液滤饼,制约着固井质量的提高。

2)根据水溶性纤维在水溶液形成三维网络结构的强冲刷原理和滤饼氧化分解原理,设计并研究出一种新型的固井冲洗液WD-C

3)冲洗液WD-C对水基钻井液滤饼具有优良的冲洗作用,能够在10min内将钻井液滤饼清洗干净,有效防止因残留滤饼层而引起的固井微间隙现象发生。

4)冲洗液WD-C对岩心表面水基钻井液及滤饼的高效清除,保证了固井水泥在水泥  岩心界面处的正常水化,生成水化硅酸钙凝胶、Ca(OH)2和棒状钙矾石(AFt)晶体,相互交织并形成致密网络结构,实现了固井二界面的有效胶结,有助于提高固井质量。

 

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本文作者:陈二丁  王成文  孟仁洲

作者单位:中国石化胜利石油工程有限公司钻井工程技术公司

  中国石油大学(华东)石油工程学院

 

 

 

 

 

 

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