DZD型高效雙相分散沖洗液的室內(nèi)研究

張健，陳大鈞，焦利賓，王雪敏，雷鑫宇

(1.西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，四川成都 610500;2.中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所，四川成都 610041)

沖洗液性能的好壞直接關(guān)系到固井質(zhì)量的好壞，性能良好的沖洗液可以有效地沖刷井壁和套管壁，為水泥與地層、套管壁更好的膠結(jié)提供有利條件［1］。

在固井作業(yè)中，如果沖洗液難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)泥漿和水泥漿的雙相分散，將導(dǎo)致泥漿-前置液、前置液-水泥漿接觸界面處混合相流動(dòng)性變差，增加泵注過程的風(fēng)險(xiǎn)，影響固井質(zhì)量［2-5］。

本文在優(yōu)選分散劑的基礎(chǔ)上確定了高效雙相分散沖洗液配方，主要研究其與低固相鉆井液和水泥漿的相容性;與普通沖洗液進(jìn)行對(duì)比，研究其對(duì)低固相鉆井液沖洗效率及沖洗后膠結(jié)強(qiáng)度的變化情況。此外，通過電鏡、原子力顯微鏡等現(xiàn)代分析手段，對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度提高原因進(jìn)行了微觀分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

微硅 WG、礦渣 KZ、磁鐵礦CTK、G級(jí)水泥、膨潤(rùn)土、烷基磺酸鹽類陰離子表面活性劑、聚氧乙烯烷基醚類非離子表面活性劑、木質(zhì)素磺酸鹽分散劑ZD-1、懸浮劑HEC等均為工業(yè)品。

ZNN-D6六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì);API水泥實(shí)驗(yàn)全套裝置;NYL-300型壓力試驗(yàn)機(jī);Quanta450型掃描電鏡;Nano Scope III a原子力顯微鏡等。

1.2 配方的組成

沖洗液主要組成:水、分散劑、表面活性劑、懸浮劑和固相材料。分散劑是一種木質(zhì)素磺酸鹽，表面活性劑由陰非離子復(fù)配而成，懸浮劑是一種非離子型纖維素。

2 結(jié)果與討論

2.1 雙相分散劑的優(yōu)選［6］

經(jīng)前期室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出符合要求的3種分散劑SMP、SXY和ZD-1，其加量為1.5%，對(duì)低固相鉆井液、水泥漿和基礎(chǔ)沖洗液的分散效果見表1。

表1 3種分散劑對(duì)工作液的分散效果Table 1 Three dispersant dispersion effect of working liquid

由表1可知，3種分散劑對(duì)鉆井液都具有較好的分散效果，流動(dòng)度都達(dá)到了36 cm以上;SMP對(duì)水泥漿和基礎(chǔ)沖洗液的分散效果較差，達(dá)不到紊流頂替的效果;SXY、ZD-1對(duì)水泥漿和基礎(chǔ)沖洗液的分散效果較好，特別是ZD-1對(duì)基礎(chǔ)沖洗液的流動(dòng)度為30 cm，有利于紊流沖洗。因此，確定ZD-1為分散劑。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定DZD沖洗液配方為:水 +1.5%ZD-1+5%WG+30%KZ+10%CTK+0.4%HEC+1.6% 復(fù)配表面活性劑，ρ=1.2 g/cm3。

2.2 沖洗液性能評(píng)價(jià)［7-9］

2.2.1 流變相容性 將沖洗液與低固相鉆井液、水泥漿按一定體積比例混合，在室溫、1 400 r/min條件下攪拌10 min，然后在70℃條件，常壓稠化20 min，測(cè)定其流變參數(shù)，評(píng)價(jià)其流變相容性，結(jié)果見表2。

由表2可知，A的流變性良好，接近于牛頓型流體，有利于紊流頂替;沖洗液與低固相不分散鉆井液、水泥漿混合后，混合漿體的整體流變性較好沒有沉淀或絮凝現(xiàn)象出現(xiàn)，因?yàn)榕浞街械姆稚┰趯傩陨鲜悄举|(zhì)素類表面活性劑，本身具有表面活性劑的特性，降低三液二界面的表面張力，使其進(jìn)行較好的互溶分散。

表2 沖洗液流變相容性Table 2 Flushing fluid rheological compatibility

2.2.2 沖洗液沖洗性能 根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)號(hào)《油氣井注水泥前置液使用方法》，測(cè)得該沖洗液對(duì)低固相鉆井液的沖洗效率達(dá)到了91.34%，比普通沖洗液提高了58.80%，見表3。

表3 沖洗液對(duì)低固相鉆井液濾餅的沖洗效率Table 3 Flushing efficiency of flushing fluid for low solid drilling fluid

2.2.3 界面膠結(jié)強(qiáng)度 模擬井壁和套管上附著鉆井液濾餅情況，分別經(jīng)過普通沖洗液和高效分散沖洗液洗刷沖洗，以微膨水泥為基準(zhǔn)水泥漿，經(jīng)過70℃水浴養(yǎng)護(hù)48 h后，在壓力機(jī)上測(cè)試界面膠結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

表4 低固相濾餅沖洗后界面膠結(jié)強(qiáng)度Table 4 Low solid interface cementing strength after the filter cake flushing

由表4可知，與普通沖洗液相比，高效雙相分散沖洗液界面膠結(jié)強(qiáng)度有明顯的提高，第1、第2界面分別提高了69.91%，58.11%以上，說明此沖洗液具有較好的提高界面膠結(jié)強(qiáng)度的能力。

2.2.4 膠結(jié)界面微觀分析 對(duì)形成低固相鉆井液濾餅的模擬井壁，經(jīng)過普通型和DZD型沖洗液的沖洗，灌入水泥漿，在70℃常壓下養(yǎng)護(hù)48 h，然后取膠結(jié)界面處端面，進(jìn)行電鏡、原子力顯微鏡進(jìn)行掃描，以分析膠結(jié)強(qiáng)度提高的原因，見圖1，圖2。

圖1 經(jīng)沖洗液沖洗后的膠結(jié)界面電鏡掃描圖Fig.1 The SEM images of cemented interface after washed

由圖1可知，經(jīng)普通沖洗液沖洗的界面，存在明顯的裂縫，裂縫中雖有層狀晶體和凝膠物質(zhì)，但含量極少，留下大量的空隙，膠結(jié)質(zhì)量不高;而經(jīng)DZD型沖洗液沖洗的膠結(jié)界面，裂縫微小或被有大量的層狀、柱狀晶體及凝膠物質(zhì)填滿，有利于膠結(jié)質(zhì)量的提高。這可能是在沖洗過程中，由于表面活性劑及雙相分散劑的親水吸附作用，使得親水性的活性固相材料粘附于膠結(jié)界面處，經(jīng)過后續(xù)水化發(fā)育形成結(jié)晶或凝膠物質(zhì)，使水泥與巖石更好的結(jié)合。

圖2 經(jīng)沖洗液沖洗后膠結(jié)界面原子力顯微鏡圖Fig.2 The AFM images of cemented interface after washed

由圖2可知，a的膠結(jié)界面比較平滑，但存在明顯的裂痕，可能是膠結(jié)界面凝膠物質(zhì)較少，裂縫未被填滿;b的膠結(jié)界面附著了大量的絮狀物質(zhì)，可能是水化形成的大量凝膠物質(zhì)布滿表面及充填于巖石與水泥的裂縫之中，有助于膠結(jié)強(qiáng)度的提高，這也與掃描電鏡的分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

(1)通過分散劑優(yōu)選及大量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，得到DZD型高效雙相分散沖洗液，其配方為:水+1.5%ZD-1+5%WG+30%KZ+0.4%HEC+1.6% 復(fù)配表面活性劑。

(2)該沖洗液具有良好的流變性，與低固相鉆井液和微膨水泥漿具有良好的相容性;并且沖洗效率比普通沖洗液提高了58%以上。

(3)通過與普通沖洗液沖洗后的界面膠結(jié)強(qiáng)度相比，第1、第2界面膠結(jié)強(qiáng)度分別提高了69.91%，58.11%以上，明顯提高膠結(jié)強(qiáng)度。

(4)通過掃描電鏡等微觀分析手段，對(duì)比2種沖洗液沖洗后的膠結(jié)界面情況，發(fā)現(xiàn)經(jīng)DZD型沖洗液沖洗后，膠結(jié)界面能形成大量的凝膠物質(zhì)，充填于巖石與水泥石的裂縫處，為水泥石與巖石良好的接觸提供中間介質(zhì)，提高界面的膠結(jié)能力。

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