王 鑒，李 欣，張健偉，臧偉鵬

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減弱泥餅對二界面膠結(jié)質(zhì)量影響的方法與技術

王 鑒1，李 欣1，張健偉1，臧偉鵬2

（1. 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；2. 中海油能源發(fā)展有限公司安全環(huán)保分公司上海分公司，上海 200335）

鉆井液上返時會在井壁發(fā)生濾失形成泥餅，雖然在固井前會對井壁進行沖刷，但仍無法完全清除井壁上的泥餅。泥餅強度低，與水泥漿相容性差，固化時會收縮并產(chǎn)生裂縫，導致固井二界面膠結(jié)質(zhì)量差，使固井質(zhì)量達不到要求，產(chǎn)生油氣井竄流等現(xiàn)象。為了減弱泥餅對二界面膠結(jié)強度的影響，相繼提出了MTC、MTA等方法，通過消除井壁的泥餅及在鉆井液中加入添加劑改善泥餅的強度、韌性、致密度等方面來提高固井質(zhì)量。綜述了這些技術和方法的原理、應用情況及發(fā)展方向。

固井二界面；泥餅；MTC；MTA；界面增強劑

在鉆井過程中，鉆井液上返時發(fā)生濾失，在井壁處易形成較厚的泥餅；高溫高壓下泥餅內(nèi)的水分會浸入地層，使固化泥餅的體積收縮，導致水泥石與井壁間形成微環(huán)隙、裂隙；同時硬化的水泥從泥餅中爭奪水分，使泥餅形成裂紋，因此，產(chǎn)生固井弱界面[1-3]。上述現(xiàn)象的發(fā)生，會明顯降低水泥環(huán)與井壁的膠結(jié)強度，甚至導致油氣竄流，造成固井質(zhì)量下降[4]。固井界面實際上包括水泥環(huán)與泥餅，泥餅與井壁以及泥餅與套管外壁三個界面。因此，水泥環(huán)、泥餅、井壁和套管壁表面狀況和膠結(jié)強度都是影響固井質(zhì)量的重要因素，其中清除井壁泥餅、提高泥餅固化強度是提高固井質(zhì)量的有效方法。本文綜述了近年來有關研究進展與應用情況。

1 泥餅清除法

泥餅結(jié)構(gòu)主要包括虛泥餅層、欠壓實泥餅層及致密泥餅層[5]。其中虛泥餅是指附著在泥餅表面的一層呈凝膠狀態(tài)的、疏松的、強度為零鉆井液；欠壓實泥餅層是指在虛泥餅下的一層已具有一定強度，但強度不是很大的實泥餅；致密泥餅層是指泥餅強度較大，且具有一定致密性的實泥餅。而泥餅清除法主要指清除鉆井液上返時，在井壁形成的泥餅，改善二界面膠結(jié)質(zhì)量。泥餅清除法主要分兩種:一通過在固井前置液中加入特定的化學處理劑有效去除殘留在井壁的油污及虛泥餅，二是利用水泥漿的流動性將前置液沖洗后井壁殘留的泥餅的欠壓層與致密泥餅層盡可能多的除去。

1.1 前置沖洗液法

井壁上的虛泥餅由于結(jié)構(gòu)疏松、無強度、韌性差使固化水泥漿難以緊密膠結(jié)在井壁上，會嚴重影響固井質(zhì)量，必須予以清除。通過用前置沖洗液進行反復沖洗，可將井壁的油性污泥與虛泥餅除去，改善二界面的親水性，提高二界面的膠結(jié)質(zhì)量。在國內(nèi)外采油初期常將清水作為前置沖洗液，但是隨著鉆井液性質(zhì)的改變，清水已經(jīng)不能將殘留在井壁的虛泥餅完全除去。特別是在泥頁巖地層鉆井時常使用油基、油包水乳化或仿油基等鉆井液，這時無論是殘留在井壁的鉆井液還是附著在井壁的虛泥餅都是親油物質(zhì)，單單采用清水沖洗液根本無法將其除掉。

楊香艷等[6]在淡水中加入能調(diào)節(jié)分散性的木質(zhì)素磺酸鹽，能調(diào)節(jié)界面pH的氫氧化鈉，有機小分子物質(zhì)（固體顆粒），表面活性劑和高分子聚合物制成沖洗液。其中的小分子物質(zhì)或者固體顆粒通過增大井壁及套管的沖刷強度以及對泥餅的滲透作用，使井壁的虛泥餅易被沖刷脫落。沖洗液中的表面活性劑通過降低沖洗界面張力，改善了泥餅的潤濕性；同時高分子聚合物也會對膨潤土產(chǎn)生拖拽力，兩種作用相互協(xié)同，使沖洗液能迅速浸濕泥餅，加速泥餅脫落，提高界面的膠結(jié)質(zhì)量。對國內(nèi)外常用沖洗液的類型及作用機理做了比較詳細的闡述。

姚勇等[7]研發(fā)了一套主要包括陽離子型表面活性劑，有機溶劑和螯合劑的新型高密度前置液，在川西地區(qū)頁巖水平井試驗固井后水平段固井聲幅值小于15%，固井質(zhì)量為優(yōu)秀。該前置液中的表面活性劑與有機溶劑首先將井壁界面的親油性轉(zhuǎn)化為親水性，將井壁表面的泥餅以及油污拖拽到前置液中，再利用螯合劑與隔離液中的生物高分子聚合物發(fā)生螯合反應生成穩(wěn)定的網(wǎng)狀凝膠，從而將泥餅徹底除去。

李韶利等[8]針對油基鉆井液在井壁形成的油基泥餅與油污研發(fā)了清油沖洗劑與清油隔離液。其中清油沖洗劑通過消弱泥餅的親油性使沖洗率達95%以上，沖洗劑中的表面活性劑能有效增強水泥石和界面的親和性，提高二界面膠結(jié)質(zhì)量。清油隔離液能夠提高鉆井液的懸浮穩(wěn)定性，提高井壁的穩(wěn)定性。在陜北、新疆、中原等地的5口井實驗結(jié)果是封固段聲幅值為2%左右，固井質(zhì)量為優(yōu)質(zhì)。

1.2 水泥漿法

前置液對井壁泥餅的沖刷效果有限，不能將泥餅的欠壓實層及致密層完全除去。這時就需要水泥漿的沖刷來除去泥餅，而水泥漿對井壁泥餅的沖刷程度不只與水泥漿的流動性相關，還與泥餅內(nèi)部顆粒大小，泥餅厚度及泥餅附著在井壁時所受的力相關。

袁海平等[9]通過分析流動水泥漿的壁面剪應力得出同一井眼的環(huán)空間隙越大，水泥漿產(chǎn)生的壁面壓降越大，越容易將井壁泥餅沖刷掉。他利用河流動沙泥沙起動理論分析了泥餅附著在井壁的受力情況，得出只有水泥漿的剪切應力大于泥餅的粘結(jié)力，才能將井壁的泥餅沖刷帶走。當泥餅顆粒大小為0.01 mm時，泥餅的膠結(jié)強度較大，泥餅無法被沖刷脫落；當泥餅顆粒大小為1 mm時，由于顆粒的重力原因，水泥漿也無法將其沖刷帶走。只有當泥餅顆粒大小分布在0.1 mm，厚度控制在2 mm，偏心角小于30%，水泥漿才能將泥。

2 泥餅固化強度增強法

雖然通過添加一些化學物質(zhì)可以提高井壁泥餅的清除效果，但是無法完全除去井壁泥餅的致密層[10]。泥餅固化法指通過在鉆井液中加入添加劑改變泥餅的韌性、致密度、耐沖刷性及與水泥漿的相容性增大水泥、泥餅與井壁的膠結(jié)強度。

2.1 MTC固井技術

MTC（泥漿轉(zhuǎn)化為水泥漿技術）固井技術興起于20世紀50年代，是一種將泥漿轉(zhuǎn)化為水泥漿的固井技術[11,12]。MTC技術主要是在泥漿中加入廉價的高爐水淬礦渣（BFS）、激活劑及少量的緩凝劑、分散劑、降失水劑，將泥漿轉(zhuǎn)化為能夠完全滿足固井要求的固井液。該技術不僅解決了廢棄泥漿難以處理的問題，而且改進了常規(guī)水泥漿與鉆井液的相容性，使泥餅與水泥漿達到同時固化，提高了泥餅-固井液-井壁的整體膠結(jié)強度，防止了固井施工氣竄問題的出現(xiàn)[13,14]。

2.1.1 礦渣激活機理

MTC固井技術的關鍵是將BFS激活。BFS具有CaO-Al2O3-SiO2玻璃體結(jié)構(gòu)。當將水加入礦渣中時，礦渣表面的鈣鎂離子會與水反應生成Ca(OH)2、Mg(OH)2。但是由于礦渣表面低滲透膜的存在，使得水化反應只能停留在表面。當在礦渣中加入激活劑后，激活劑會將礦渣表面的低滲透膜完全破環(huán)，使礦渣內(nèi)部網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中的Ca-O，Mg-O也發(fā)生水化反應生成Ca(OH)2、Mg(OH)2[15]。同時激活劑中的鈉鉀離子會替換原先的鈣鎂離子，連接在Si-O鍵上，將礦渣的玻璃體結(jié)構(gòu)破環(huán)、SiO2激活?；钚許iO2會吸收氫氧化鈣生成硅鈣石、鈣礬石凝膠。隨著水化反應的進行，硅鈣石、鈣礬石凝膠的濃度逐漸增大，發(fā)生沉積，漿體變稠、硬化[16]

2.1.2 MTC技術存在的問題及解決的方法

礦渣中主要以硅鈣石、鈣礬石兩種水化產(chǎn)物為主，硅鈣石水化結(jié)晶速度受溫度影響較大，鈣礬石水化結(jié)晶速度受溫度影響較小，因此二者水化結(jié)晶物差別較大[17]。這將直接導致固化體強度衰退，產(chǎn)生脆裂問題[18]。

由于這個問題長期沒有解決，國內(nèi)在1994-1995年新興起鉆固一體化工作液[19-21]。鉆固一體化工作液本身含潛活性復合材料，在鉆井時呈惰性狀態(tài)，可以滿足鉆井液循環(huán)作業(yè)的要求，能形成具有固化活性的泥餅。鉆井結(jié)束后，補充激活性材料，激發(fā)泥餅和鉆井液中的潛活性材料，使泥餅和鉆井液具有水泥漿的性能，凝結(jié)固化，完成一次注水泥作業(yè)。鉆井液、泥餅、固井液含有相同的潛活性材料，在固井時可以實現(xiàn)同步固化膠結(jié)。新型鉆固一體化工作液除了BFS以外，還有磷酸鹽體系（金屬化合物，磷酸）和離子型聚合物體系（金屬化合物、聚合物）[22]。

針對MTC固化體在特殊條件下的易脆裂問題進行了改進。張興國等[23,24]研究開發(fā)出一套適用于新疆油田的多種泥漿體系(聚合醇、聚磺、有機鹽、鉀鈣基、正電膠等)，密度為1.2~2.6 g/cm3。通過加大體系液灰比，降低體系密實度，給體系在固化時留下一定的釋放空間，使固化體在90 ℃、常壓下養(yǎng)護5個月不脆裂。國安平等[25]開發(fā)出一種復合激活劑，以漂珠和微硅為減輕劑，DHM101為無機激活劑，碳纖維作為復合材料，配制成的低密礦渣MTC體系改善了MTC固化體的韌性，解決了長期以來的脆裂問題。楊振科[26]等通過加入有機硅烷偶聯(lián)劑或無機絡合離子，對水泥石硅酸鹽結(jié)構(gòu)進行聯(lián)結(jié)、配位，增大硅酸聚合度，使固化體的力學強度增大，從而解決了水泥石的脆裂問題。

2.2 MTA法

在MTC思想的基礎上，顧軍[27]提出了泥餅仿地成凝餅（MTA）的概念。MTA方法是指在鉆開封固段前50~200 m處，在鉆井液中加入泥餅改性劑，在前置液中加入凝餅形成劑，凝餅形成劑通過改善界面之間的親和力，使泥餅與改性劑初步反應形成桿沸石類礦物(2Na2O·CaO·3Al2O3·6SiO2·8H2O)、片沸石類礦物(CaO·Al2O3·7SiO2·6H2O)和團狀水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠。它們將填充于泥餅內(nèi)部，將分散的礦物顆粒膠結(jié)在一起，堵塞了泥餅中的空隙與裂縫，使泥餅變得更加致密，從而提高二界面固化膠結(jié)質(zhì)量[28]。

MTA法與常規(guī)固井方法相比，二界面膠結(jié)質(zhì)量大幅度提高。養(yǎng)護時間為1 d、63 d時MTA法的固井二界面膠結(jié)強度比目前的分別提高了37.81%和1606.31%，且在養(yǎng)護時間為63 d時，膠結(jié)強度可達到1.894 MPa[29]。

MTA法在大慶油田、勝利油田、河南油田的23口老區(qū)調(diào)整井（常規(guī)油井16口，重油井7口）的應用結(jié)果表明：固井一、二界面膠結(jié)質(zhì)量合格率100％，其中大慶油田固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率達到57.14%，優(yōu)質(zhì)率、合格率分別提高13.01%和1.15%，在勝利油田的二界面膠結(jié)質(zhì)量合格率提高約30%，河南油田應用井的平均總井段優(yōu)質(zhì)率可達90.48％[30,31]。但是MTA法通常會受鉆井液性能的限制，多應用于深度不超過2 500 ｍ的淺井，對于中深井和深井的泥餅固化問題仍然難以解決[32]。

2.3 界面增強劑法

界面增強劑法在鉆井泥漿中加入某些處理劑，與泥餅原有成分發(fā)生作用使泥餅變得致密，有韌性，耐沖刷，強度大，從而改善環(huán)空封隔效果，提高固井二界面膠結(jié)質(zhì)量。

謝鳳臣等[33]以由多元硅醇化合物、低分子量聚合物與有機成膜劑組成的界面增強劑為處理劑，研制出LPS多元硅鉆井液體系。多元硅醇中的鉀離子可以起到更好的穩(wěn)定井壁的作用。多元硅醇中的有機成膜劑通過改變親水狀態(tài)，降低界面的滲透濾。同時，多元硅醇中的低分子量聚合物能提高硅醇的吸附力和分散性，使活性硅醇離子與水泥漿中的鈣、鋁等離子，以及泥餅中的二氧化硅膠連在一起，形成硅酸鈣水化物，使泥餅固化強度增大。在大慶杏1-332-22等3口井的現(xiàn)場試驗結(jié)果是平均井徑擴大率低于對比井3.5%，可以滿足大慶油田的加密調(diào)整井的鉆井要求[34]。

于洪蘇等[35]將改性羧基丁苯膠乳作為界面增強劑，與特定的鉆井液添加劑配成界面增強鉆井液。固井過程中，固井水泥漿濾液中的鈣離子會浸入到泥餅中，而泥餅中的羧基丁苯膠乳中的羧基又可以將鈣離子結(jié)合，形成交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而形成高固化強度的泥餅，改善二界面膠結(jié)質(zhì)量。將該鉆井液應用在地質(zhì)情況不同的5口井，發(fā)現(xiàn)界面增強鉆井液對中、低滲巖心所形成的二界面膠結(jié)強度較其他鉆井液高，巖心滲透率恢復值可達81%，該鉆井液一定程度上保護了油氣層；試驗井平均井徑擴大率比對比井低3.5%，該鉆井液井壁穩(wěn)定性較好。

孫立權[36]在鉆井液中加入由硬化劑、誘導劑、反應劑、清潔劑、耦合劑和螯合劑組成的界面增強劑，可使一、二界面膠結(jié)強度分別提高16.69%和16.41%。在大慶喇嘛甸油田102口井進行了現(xiàn)場應用，固井質(zhì)量優(yōu)質(zhì)率較常規(guī)井提高了25.97%，達到76.47%。

王鑒等[37]發(fā)明了一種由無機超細短纖維、半剛性纖維、納米超細晶體柔性顆粒、表面改性劑等構(gòu)成的鉆井液添加劑。該添加劑主要包括泥餅硬化劑、界面親和劑和界面清洗劑。其中的界面親和劑是由質(zhì)量百分含量為30％~90％納米超細晶體、10％~50％的半剛性纖維、1％~20％的柔性顆粒構(gòu)成。實驗證明界面膠結(jié)強度會隨著該添加劑加入量的增大而增強。當鉆井液添加劑加入量為鉆井液質(zhì)量的1%~2%時，固井一、二界面的膠結(jié)強度最大可分別達到4.35 和5.16 MPa，提高到原強度的22.89倍和13.23倍。該鉆井液添加劑具有顯著的界面增強作用，但并不會對鉆井液的密度、粘度及流變性等主要性能產(chǎn)生顯著的影響。

3 結(jié) 論

鉆井過程中在井壁上形成的泥餅會嚴重影響固井質(zhì)量，通過利用高效的前置液進行沖洗及水泥漿的流動性可清除井壁上的虛泥餅，通過MTC、MTA和添加界面增強劑等方法使井壁泥餅固化，雙管齊下，提高二界面膠結(jié)強度，提高固井質(zhì)量。MTA法與界面增強劑法在減弱泥餅對固井質(zhì)量方面有很大的應用前景。MTA法可以進一步改進其在深井方面的應用，而界面增強劑法可對其作用機理和對鉆井液性質(zhì)的影響進行進一步的深入研究。

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Method and Technology for Reducing the Effect of Mud Cake on Cementing Quality

1,1,1,2

(1. Provincial Key Laboratory Oil & Gas Chemical Technology, Chemistry and Chemical Engineering College,Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China;2. CNOOC EnerTech-Safety & Environmental Protection Company Shanghai Branch, Shanghai 200335, China)

In the process of drilling fluid flowback, drilling fluid can permeate into formation and mud cake can be formed on the wall. This mud cake cannot be completely removed after sidewall is washed before cementing. Due to low strength of the mud cake and its poor compatibility with the cement to cause cementation cracks, the quality of cement-formation interface and cementing quality are poor, oil and gas channeling will appear in wells. In order to reduce the effect of mud cake on cementing quality of cement-formation interface, some measures such as MTC, MTA technologies were used to improve the strength, toughness and density of mud cake by removing the mud cake and adding the agents into the drilling fluid. These methods and technologies to improve the cementing quality were summarized.

cement-formation interface; mud cake; MTC; MTA; cement interface enhancer

TE 256

A

1671-0460（2016）09-2229-04

2016-03-27

王鑒（1960-），男，山東省牟平縣人，教授，博士，2002 年畢業(yè)于浙江大學，研究方向：主要從事聚烯烴改性及油田化學方面的研究。E-mail：mrwj@nepu.edu.cn。