王 鑒，蘇鴻鵬，張健偉，孟慶明

(東北石油大學化學化工學院 石油與天然氣化工省重點實驗室，黑龍江 大慶 163318)

隨著石油開發(fā)進入中期階段，鉆深井、超深井、大斜度定向井、水平井和水敏性復雜地層的開發(fā)數(shù)量越來越多[1]。普通的水基鉆井液已經無法滿足要求，而不得不使用具有優(yōu)良的潤滑性、超強的抑制性、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速度、提高鉆井質量，滿足復雜條件下和水平井鉆井需要的同時，也帶來了新的問題，其中之一是這種鉆井液會在井壁和套管壁產生油基泥餅，在固井過程中會使井壁和套管壁與水泥漿之間的膠結能力大大降低，嚴重影響固井質量。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，用處理水基泥餅提高固井質量的方法處理油基泥餅，收效甚微，此類狀況的發(fā)生嚴重影響油井的使用壽命和開發(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，提高界面膠結強度，是固井成功的關鍵因素[4-5]。

為此通過大量研究，開發(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強度，提高固井質量。

1 實驗部分

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：北京探礦工程研究所；ZNN-D6B型六速旋轉黏度計、LMN-4型馬氏漏斗黏度計、MRE-A型泥漿電阻率測量儀、YM-2型液體密度計：青島奧斯特石油科技有限公司；CMT5105型萬能拉力試驗機：深圳市世紀天源儀器有限公司；SIGMA型掃描電鏡：德國ZEISS。

1.2 掛片實驗

解除劑的作用效果通過掛片實驗確定，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的鋼板稱量后浸泡于上述鉆井液中，恒溫浸泡一段時間后取出，稱量。鋼板質量的增加值定義為掛片掛重，根據(jù)掛片掛重，計算泥餅解除率。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加解除劑時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用如下公式計算。

Re=[m0-m]/m0

式中：m0為鉆井液中未加解除劑時鋼板上黏附的泥漿質量；m為鉆井液中添加泥餅解除劑時鋼板上黏附的泥漿質量，均為3次實驗的平均值。掛片實驗對比照片見圖1。

a 未加解除劑

b 添加解除劑圖1 掛片實驗對比照片

1.3 清洗實驗

為進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清洗實驗確定。首先依據(jù)1.2的方法進行掛片實驗，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間，取出鋼板稱量。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 界面模擬實驗

為考察泥餅解除劑和清洗劑對固井一、二界面膠結強度的影響，設計了界面模擬實驗。實驗中，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已經形成一定厚度的泥餅，為進一步降低泥餅厚度，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個鋼套管以及大鋼管和模擬巖心之間的環(huán)形空間內灌注水泥漿，注滿后，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7 d。養(yǎng)護結束后，將模具冷卻至室溫，利用CMT5105型萬能拉力實驗機測定水泥石與鋼套管及模擬巖心之間的界面膠結強度值，考察泥餅解除劑和清洗劑對界面膠結強度的影響。

1.5 鉆井液性能測定

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，在室溫下分別測定鉆井液的流變參數(shù)、密度等性能，考察泥餅解除劑對鉆井液主要性能的影響。

1.6 界面微觀結構分析

界面模擬實驗后，取水泥環(huán)與鋼套管或模擬巖心界面處的樣品進行電鏡掃描分析，觀察泥餅解除劑和清洗劑對界面微觀結構的影響。

2 結果與討論

2.1 各種因素對泥餅解除效果的影響

2.1.1 鉆井液溫度的影響

將JCJ以質量分數(shù)1%的用量添加到油基鉆井液中，進行掛片實驗，保持浸泡時間為40 min不變，考察鉆井液溫度對泥餅解除率的影響，結果見圖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，當溫度從25 ℃增加到55 ℃時，泥餅解除率由70%增加到79%，達到最大值；溫度由55 ℃繼續(xù)增加到85 ℃時，泥餅解除率反而由79%減小到65%?？梢姡摻獬齽┑淖饔眯Чc溫度有關，在55 ℃時效果最好，但在25～85 ℃，解除率最大變化也只有14%，說明該劑有良好的溫度適應性，可以在大多數(shù)油井鉆井過程中使用。

鉆井液溫度/℃圖2 鉆井液溫度對泥餅解除率的影響

2.1.2 浸泡時間的影響

將JCJ以質量分數(shù)1%的用量添加到油基鉆井液中，進行掛片實驗，浸泡溫度為55 ℃不變，考察鉆井液浸泡時間對泥餅解除率的影響，結果見圖3。

浸泡時間/min圖3 浸泡時間對泥餅解除率的影響

由圖3可以看出，當鋼板在鉆井液中的浸泡時間低于40 min時，泥餅解除率隨養(yǎng)護時間的延長呈逐漸上升趨勢，泥餅解除率從74%增加到了80%；當浸泡時間大于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間有關，接觸時間為40 min時，泥餅解除率即可達到最高值，說明該泥餅解除劑能在較短的時間內，實現(xiàn)良好的泥餅清除作用，具有發(fā)效時間短的特點，有利于減少實際固井過程中泥餅清除的時間和鉆井后期鉆井液的循環(huán)總量。

2.1.3 清洗溫度和清洗時間的影響

為了進一步降低泥餅的厚度，將掛片實驗中(浸泡溫度55 ℃，浸泡時間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間，考察清洗溫度和清洗時間對清洗劑清洗效果的影響。在清洗時間30 min的條件下，清洗溫度對泥餅解除率的影響見圖4。

清洗溫度/℃圖4 清洗溫度對泥餅解除率的影響

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，當清洗溫度從25 ℃增加到45 ℃時，泥餅解除率由80%增加到89%；當溫度由45 ℃繼續(xù)增加到75 ℃時，泥餅解除率則變化不明顯，保持在88%～90%?？梢姡逑磩┑那逑葱Чc溫度有關，清洗溫度高于45 ℃時，即可達到最好的清洗效果，在油基鉆井液工作的溫度范圍內，研制的清洗劑可實現(xiàn)其最佳清洗效果。

在清洗溫度45 ℃的條件下，改變清洗時間，考察清洗時間對泥餅解除率的影響，結果見圖5。

清洗時間/min圖5 清洗時間對泥餅解除率的影響

從圖5可以看出，泥餅解除率隨清洗時間的增加呈現(xiàn)先增大的趨勢，當清洗時間超過20 min后，泥餅解除率基本保持在約89%，無明顯變化。由此可以看出，該清洗劑的作用效果與清洗時間有關，清洗時間超過20 min后，泥餅解除率即可達到最佳值，說明該清洗劑能在較短的時間內，實現(xiàn)良好的泥餅清除作用。

2.2 界面膠結強度模擬實驗

為了考察泥餅解除劑JCJ和清洗劑QXJ對固井界面膠結強度的影響，進行了1.4的界面模擬實驗，結果見表1。

表1 界面膠結強度測試結果

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、二界面的膠結強度分別提高到原強度的10.3倍和8.0倍?？梢?，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，然后再利用含有清洗劑的水溶液進行清洗，以進一步降低泥餅厚度，可顯著提高一、二界面的膠結強度。

2.3 泥餅解除劑對鉆井液性能的影響

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，結果見表2。

由表2可見，加入JCJ后，鉆井液的黏度(表觀及塑性黏度)、動切力、動塑比以及稠度系數(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弱變化不大，對鉆井液流體結構強度的改變很小，而且根據(jù)稠度系數(shù)的變化來看流體相鄰流動層間的內摩擦變化也十分微小[6-7]，故w(JCJ)=1%的加量對鉆井液的主要性能無顯著影響。

表2 JCJ對鉆井液主要性能的影響

2.4 膠結界面形貌分析

取水泥石本體和界面模擬實驗中油基鉆井液泥餅與水泥環(huán)界面處的樣品用SEM觀察其微觀形貌，結果見圖6。

a 水泥石本體

b 經JCJ和QXJ處理后泥餅與水泥環(huán)界面

c 未經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)護一定時間后，其表面所黏附的鉆井液較多，因而導致在界面模擬時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。對其界面進行SEM分析時，看不到水泥石本體的特征物質圖像(片狀和棒狀物質)。而在鉆井液中加入JCJ，并利用QXJ進行清洗后，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，直接與鋼套管和模擬巖心膠結，有利于提高套管和巖心與水泥石本體的膠結強度[8]。

3 結 論

(1) 向油基鉆井液中加入質量分數(shù)1%的解除劑，能有效地減少界面上泥餅的厚度，再使用清洗液進行清洗，可進一步降低泥餅厚度。掛片實驗表明，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89%；

(2) 界面模擬實驗表明，通過添加泥餅解除劑并結合新的清洗液，可使固井一界面的膠結強度增大到10.3倍，二界面增大到8.0倍，能顯著提高固井界面的膠結強度；

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

[ 參 考 文 獻 ]

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[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,2008,36(6):34-38.

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

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