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鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅對固井二界面膠結質(zhì)量的影響與提高措施

2022-06-28 01:57何瑀婷趙殊勛高啟軒李明澤呂寶玉左天鵬鄭怡杰程小偉
鉆井液與完井液 2022年2期
關鍵詞:水泥石濾餅固井

何瑀婷,趙殊勛,高啟軒,李明澤,呂寶玉,左天鵬,鄭怡杰,程小偉

(1.西南石油大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室,成都 610500;2.中國石油集團渤海鉆探第二固井分公司,天津 300280;3.中國石油吐哈油田分公司勘探事業(yè)部,新疆哈密 839009;4.堯柏特種水泥技術研發(fā)有限公司,西安 710100)

0 引言

鑲嵌屏蔽鉆井液是一種水基鉆井液體系,通過鑲嵌屏蔽劑在儲層井壁上形成鑲嵌屏蔽層,阻止鉆井液流體和固相顆粒侵入儲層,從而保護儲層[1-4]。但是由于鉆井液的濾失作用,鉆井液中的固相顆粒會附著在井壁上形成一層濾餅,導致固井二界面出現(xiàn)微裂縫,表現(xiàn)為固井二界面膠結強度降低。

針對鉆井液濾餅降低固井二界面膠結質(zhì)量這一問題,目前的解決辦法主要是鉆井液濾餅的清除技術以及濾餅的固化技術,一種方法是利用沖洗液、隔離液清洗井壁上的濾餅;另一種方法是通過加入改性劑固化濾餅,以提高濾餅本身的強度[5-6]。袁海平[7]等提出,在注水泥過程中,利用水泥漿的流動盡可能多地沖刷掉井壁上殘留的濾餅,使水泥漿直接和井壁進行固化,防止微間隙產(chǎn)生。劉開強[8]等提出,通過提高鉆井液的pH 值,破壞鉆井液中聚合物的化學結構,同時提高鉆井液的親水性、黏土顆粒表面的電位以及增加黏土顆粒間的分散作用,達到提高濾餅清除程度的目的。李韶利[9]等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減弱濾餅的親油性使沖洗率達95%以上,增強了水泥石和濾餅之間界面的親和性。MTC 技術主要是在鉆井液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,可以將鉆井液轉(zhuǎn)化為能夠完全滿足固井要求的固井液[10-11]。

為了分析鉆井液濾餅對固井二界面膠結質(zhì)量的影響,主要有2 類評價方法,測井評價方法和界面膠結強度評價方法[12]。武治強[13]等提出一種基于聲波測井技術的固井質(zhì)量評價方法,運用模型分析測井CBL 值與套管波首波聲幅幅值之間的關系,并通過套管波首波聲幅幅值預測水泥環(huán)環(huán)空間隙和膠結強度。王廣雷[14]等人利用人造巖心模擬井壁濾失后固井二界面膠結環(huán)境來直接定量表征出二界面膠結強度,并且利用夾雜在水泥石中的濾餅可以間接表征出界面的等效滲透率。

因此,通過膠結強度、SEM 和EDS 的測試結果,評價鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅對固井二界面的影響;為提高固井二界面膠結質(zhì)量,提出滲透劑對鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅沖洗的方法,探究其對固井二界面膠結強度的影響,并分析滲透劑對鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的沖洗機理,為探索如何提高固井二界面膠結質(zhì)量的方法提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

水泥漿配方為800 gG 級油井水泥+16 g 降失水劑G33S+4 g 分散劑USZ+350 g 水,水灰比為0.44,密度為1.89 g/cm3,在常溫下的流動度為25.00 cm。油井水泥化學組成見表1。

表1 油井水泥化學組成

鉆井液配方為4%膨潤土+0.5%包被劑+1.5%封堵劑+2%降濾失劑+2%封堵防塌劑+2%液體降黏劑改性烷基硅+1%水解聚丙烯腈銨鹽+1%乳化瀝青+0.1%純堿+0.1%片堿+3%液體潤滑劑+80%加重劑。實驗選用的三種滲透劑分別為脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)、脂肪酸山梨醇酐聚氧乙烯醚60(T60)、聚氧乙烯烷基酚醚(OP)。

1.2 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的形成及沖洗實驗

利用四聯(lián)中壓失水儀進行高溫高壓濾失實驗,用手堵住鉆井液杯輸氣接頭處小孔,注入待測樣品至杯內(nèi)刻度線處,放入一張潔凈干燥的濾紙,蓋上杯蓋及壓緊絲杠,擰緊壓緊旋鈕,將鉆井液杯倒置,輸氣接頭裝入放氣閥內(nèi)旋轉(zhuǎn) 90°。打開氣源,在(0.69 ± 0.03)MPa 的壓力下,濾失 30 min 后得到濾餅。

采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計,用2 根結實的橡皮筋將濾失得到的鉆井液泥餅連同濾紙一起綁緊在六速旋轉(zhuǎn)儀的轉(zhuǎn)子上;將配制好的滲透劑倒入漿杯后,在200 r/min 下進行沖洗;觀察并記錄2、5、10、15、20 min 時鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的附著情況。

1.3 固井二界面膠結強度的測試

待高溫高壓失水儀預熱到 90 ℃ 后,先將適量的鉆井液快速攪拌,并倒入高溫高壓失水儀漿杯中,再把事先準備好的巖心放進漿杯,利用氮氣對整個裝置進行加壓,在 3.5 MPa 的工作壓力下,加壓 30 min 后將巖心取出。將附著鉆井液濾餅的巖心經(jīng)過滲透劑沖洗前后和不含鉆井液濾餅的巖心放置于“膠結模”中,再在“膠結模”與巖心之間注入一定量的水泥漿,且固井水泥漿不能淹沒巖心,之后在 80 ℃ 水浴鍋養(yǎng)護1 d、3 d 后,利用 TYE-300B壓力試驗機讓巖心與水泥石脫離,并測試樣品的膠結強度,膠結強度測試示意圖見圖1,計算公式如下[15]。

圖1 樣品膠結強度測試示意圖

式中,S為膠結強度,MPa;P為巖心脫離時的加荷壓力,N;D為巖心直徑,mm;h為水泥環(huán)的高度,mm。

2 結果與討論

2.1 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的結構及其性能

濾餅結構是由可壓縮層、密實層和致密層以及表面的一層“虛濾餅”構成[16],鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅見圖2,通過觀察可以知道,濾餅具有一定厚度且表面呈現(xiàn)疏松的凝膠狀態(tài)。根據(jù) GB/T 16783.1—2014 對鑲嵌屏蔽鉆井液的性能進行了評價,該鉆井液密度為1.31g/cm3,流變性能φ600/φ300/φ200/φ100/φ6/φ3為125/94/85/66/30/21,流性指數(shù)為0.23,濾失量為24 mL,濾餅厚度為6.0 mm。

圖2 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅

2.2 滲透劑的優(yōu)選

選用了3 種滲透劑,分別是AEO、T60、OP。使用3 種滲透劑分別對鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅進行沖洗實驗,結果見圖3。

圖3 不同滲透劑的沖洗實驗結果

從圖3 中可以看出,清水洗過后的鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅無明顯變化;對比三種滲透劑對鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的沖洗結果,T60、OP 沖洗后的濾餅表面有輕微的破壞;經(jīng)過AEO 的沖洗,鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅厚度明顯變薄,說明AEO 對濾餅的沖洗效果最好。

由此可知,AEO 是沖洗效果最好的滲透劑,因此進一步探究AEO 在不同時間下對濾餅的沖洗效果。

圖4 為AEO 對濾紙上的鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅沖洗不同時間后的實驗結果,可以看出隨著時間的增加,滲透劑對濾餅沖洗效果越好,具體表現(xiàn)為,沖洗5 min 時濾餅開始脫落,沖洗10 min 時濾紙上有部分的濾餅殘留,沖洗15 min 時濾紙上殘留少量濾餅,沖洗20 min 時與沖洗15 min 的變化不明顯。

圖4 用AEO 對鉆井液濾餅沖洗 不同時間后的實驗結果

2.3 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅對固井二界面膠結強度的影響

表2 是不含鉆井液濾餅和附著鉆井液濾餅的巖心經(jīng)過滲透劑沖洗前后,分別與固井水泥漿在80 ℃下養(yǎng)護1 d、3 d 的膠結強度測試結果。

表2 不同樣品的膠結強度結果

對比表2 數(shù)據(jù)可以看出,不含鉆井液濾餅的巖心,固井二界面的膠結強度下降了80%~90%,說明濾餅的存在會降低固井二界面的膠結強度[17];附著鉆井液濾餅的巖心經(jīng)過AEO 沖洗后,對比沖洗前的固井二界面膠結強度,1 d 后固井二界面的膠結強度提高了166.67%,3 d 后固井二界面的膠結強度提高了33.34%,說明AEO 對鑲嵌屏蔽鉆井液所形成的虛濾餅層進行了有效沖洗,固井二界面的膠結質(zhì)量得到提高。

圖5 是水泥石與巖心界面的狀態(tài)圖,主要剖開水泥石保留完整巖心,從圖5(a)可以看出,將不含鉆井液濾餅的巖心樣品的水泥石剖開后,巖心和水泥石之間膠結緊密,膠結質(zhì)量好,沒有明顯空隙。從圖5(b)中可以看出,將附著有沖洗前鉆井液濾餅的巖心樣品的水泥石剖開后,在巖心和水泥石之間的濾餅上有許多裂紋,濾餅表面幾乎沒有強度,導致水泥石與井壁的膠結質(zhì)量降低。

圖5 水泥石與巖心界面狀態(tài)

從圖5(c)中可以看出,相比較沖洗前鉆井液濾餅,沖洗后的鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅厚度變薄、表面更光滑,裂紋、裂隙更少,且?guī)r心和水泥石之間的界面更清晰,是由于井壁上的虛濾餅層能較好地被沖洗,增大了水泥石和濾餅界面的親和性,所以固井二界面的膠結強度得到提高。

2.4 鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅對固井二界面微觀結構的影響

圖6 為滲透劑沖洗前后鉆井液濾餅與水泥石界面的線分布能譜圖,由于濾餅中K 元素的含量比水泥石中K 元素含量多,因此根據(jù)K 元素的線掃描結果可以看出,附著鉆井液的巖心在沖洗前,界面處K 元素含量變化比較小,水泥石和濾餅之間的界面不明顯;而附著鉆井液的巖心經(jīng)過沖洗后,界面處K 元素含量有明顯減小的趨勢,水泥石和濾餅之間的界面更為明顯。

對比沖洗前后鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的掃描電鏡圖,可以發(fā)現(xiàn)沖洗前鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅是層片狀和絮凝狀的混合結構,存在大量孔隙,具體表現(xiàn)為沒有強度,降低固井二界面膠結質(zhì)量;而濾餅經(jīng)過滲透劑沖洗后,其虛濾餅層被沖刷掉,水泥石與濾餅之間的結合更致密,孔隙結構更少,鉆井液強度提高,固井二界面膠結強度也隨之提高。

2.5 沖洗機理分析

包被劑是鑲嵌屏蔽鉆井液的重要組成部分,聚丙烯酰胺鉀鹽K-PAM 作為包被劑中的主要成分具有增黏和絮凝的作用,在改善鉆井液流變性能的同時,也會進一步阻礙濾餅的清除[18-19]。將5%AEO滴加到0.6%包被劑水溶液中,其現(xiàn)象如圖7 所示,未加入AEO 的包被劑溶液呈現(xiàn)黃色,加入AEO 后,包被劑溶液中的顆粒被分散,溶液顏色變淺;為探究AEO 對包被劑結構的影響,進行了紅外測試,結果如圖8 所示。

圖7 加入AEO 前(左)后(右)的包被劑溶液

圖8 加入AEO 前后包被劑溶液的紅外光譜圖

由圖8 可以看出,在978.56 cm-1處的特征帶對應烯烴類C—H 面外彎曲振動吸收峰,加入AEO后,該特征峰明顯減弱,是由于AEO 是一種具有親水基團和親油基團的非離子表面活性劑,其親油基團由脂肪醇中的碳氫鏈組成,主要與鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅中的烴鏈分子形成作用力,其親水基團主要由聚氧乙烯鏈組成,朝向水并包裹住包被劑,從而改變鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅表面的濕潤性,降低水溶液與濾餅的表面張力,以及井壁與濾餅之間的接觸角[20]。

因此,隨著AEO 進入濾餅內(nèi)部包裹住鉆井液,粒子之間由于表面水化膜的存在不易發(fā)生團聚,再結合高分子的吸附作用和固相顆粒的沖刷作用[21-24],就能去除鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅,從而使固井二界面的膠結質(zhì)量得到提高。

3 現(xiàn)場應用

大港油田經(jīng)過長期的注水開發(fā)導致地層水活躍、地層滲透率增加、井壁上鉆井液濾餅虛厚,嚴重影響固井質(zhì)量[8]。為此利用脂肪醇聚氧乙烯醚開發(fā)了一套前置液體系,并應用于港5-12-1 井,該井井溫為66 ℃,現(xiàn)場使用Φ139.7 mm 套管,固井一界面優(yōu)質(zhì)率為95.60%,固井二界面的優(yōu)質(zhì)率達到84.76%,說明該前置液體系可以清除鑲嵌屏蔽鉆井液所形成的虛濾餅層,固井質(zhì)量和油氣開發(fā)效益得到提高。

4 結論

1.鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅由于其表面“虛濾餅”的存在會降低固井二界面的膠結強度。相比較沒有添加鉆井液濾餅的巖心和水泥石界面,其膠結強度下降了80%~90%,而附著鉆井液濾餅的巖心經(jīng)過滲透劑的沖洗后,固井二界面膠結強度可提高33.34 %~166.67%。

2.通過比較AEO、T60、OP 三種滲透劑對鑲嵌屏蔽鉆井液濾餅的沖洗結果,對比發(fā)現(xiàn)AEO 的沖洗效果最好。

3.AEO 中存在雙親基團,其中親油基團碳氫鏈會與濾餅中的烴鏈分子形成作用力,親水基團聚氧乙烯鏈會出現(xiàn)在粒子表面,一方面降低濾餅的表面張力,另一方面阻礙顆粒之間的團聚,從而清除虛濾餅層,提高固井二界面的膠結質(zhì)量。

4.利用AEO 開發(fā)一套前置液體系,成功應用于港5-12-1 井,其固井二界面的優(yōu)質(zhì)率達到84.76%。

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