提高二界面膠結質量的礦渣鉆井液濾餅可固化技術

梅雨堃， 李明， 劉璐， 張冠華， 郭小陽（西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500）

梅雨堃等.提高二界面膠結質量的礦渣鉆井液濾餅可固化技術[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：68-72.

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提高二界面膠結質量的礦渣鉆井液濾餅可固化技術

梅雨堃， 李明， 劉璐， 張冠華， 郭小陽
（西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500）

梅雨堃等.提高二界面膠結質量的礦渣鉆井液濾餅可固化技術[J].鉆井液與完井液，2016，33（1）：68-72.

摘要難以固化的濾餅直接導致固井第二界面膠結質量差。為提高第二界面膠結質量，基于礦渣受堿激發特性，提出礦渣鉆井液濾餅可固化技術，并進行了研究，考察了礦渣鉆井液濾餅對第二界面膠結性能的影響；對該技術配套沖洗液進行研究；通過XRD測試分析濾餅物相組成及作用機理。結果表明，礦渣鉆井液濾餅可固化技術有助于提高第二界面膠結強度，改善第二界面膠結形貌；配套沖洗液顯著提高上述技術效果；礦渣鉆井液濾餅具有潛在固化活性，經沖洗液滲透、預激活，并與水泥漿成分交換，共同水化，生成C—S—H凝膠，包覆、連接固相顆粒，填充結構孔隙，實現濾餅、水泥環整體固化，第二界面膠結強度提高。研究表明，礦渣鉆井液濾餅可固化技術與配套沖洗液技術有助于提高第二界面膠結質量，該研究對無機礦物凝膠材料在鉆井液中的應用，特別是工業廢料的環境保護再利用，具有科學的理論指導意義。

關鍵詞礦渣鉆井液；濾餅可固化技術；沖洗液

Solidification of Slag Mud Cake that Improves Cementation Quality of the Second Bonding Interface

MEI Yukun, LI Ming, LIU Lu, ZHANG Guanhua, GUO Xiaoyang
(State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan 610500, China)

Abstract Poor solidification of filter cake results in poor cementation quality of the second bonding interface (between filter cake and cement sheath). Technology for the solidification of slag mud cake is presented to try to improve the cementation quality of the second bonding interface. This technology is based on the characteristics of slag, which can be activated by alkali. Several studies have been conducted, including: effects of slag mud cake on the cementation performance of the second bonding interface; flushing fluid for this technology; and phase composition and functioning mechanism of filter cake inspected using XRD. The studies show that the slag mud cake solidification technology helps improve the cementation quality and the cementation morphology of the second bonding interface. The flushing fluid further improves the cementation quality. Slag mud cake, having the potential of being solidified, after penetration and pre-activation by the flushing fluid, exchanges matters with cement slurry. Both the slag mud cake and the cement during this course hydrate simultaneously, producing C-S-H gels which encapsulate and link solid particles and fill the spaces among cement particles, making the filter cake and cement sheath solidify as a whole. It has been proved that this technology, when used in combination with the designed flushing fluid, is beneficial to the improvement of the cementation quality of the second bonding interface. These studies are of importance to the use of inorganic gel materials in drilling fluids, especially the recycling of industrial wastes.

Key words Slag drilling fluid; Filter cake solidification technology; Flushing fluid

鉆井液中的固相在循環過程中經吸附、沉積作用附著在井壁，形成濾餅。濾餅不能固化，是阻隔水泥漿與井壁形成一體化膠結，導致第二界面膠結強度下降的主要原因。為降低濾餅對第二界面膠結質量的影響，目前通常采用物理沖洗、化學清除、生物降解等清洗技術，但清除效果差、效率低，且易沖蝕和腐蝕套管。為此，人們提出MTC（Mud to Cement）和MTA（Mud Cake to Agglomerated Cake）等濾餅固化技術 。MTC技術鉆井液固化劑含量大，性能調控困難。MTA技術受鉆井液中黏土加量影響，固化效果有限，且添加劑對鉆井液體系適配性較差[1-7]。結合MTC和MTA技術的優勢和不足，基于成熟的礦渣堿激發理論[8-11]，提出了在鉆井液中加入少量礦渣固化劑，既能滿足鉆井液工程性能，又能在井壁形成一層可固化濾餅，通過沖洗液對濾餅的滲透、預激活，濾餅能夠在固井作業與水泥漿接觸的過程中同步水化，生成C—S—H凝膠，實現水泥漿、濾餅的一體化膠結，從根本上解決濾餅對第二界面膠結質量的不良影響。此外，礦渣作為冶金工業廢料在石油天然氣領域中的有效利用，對于推行綠色環境保護理念，降低能耗，減少成本具有重要應用價值和意義。

1　實驗材料、儀器及方法

1.1 實驗材料和儀器

礦渣，成都川鋒化學工程有限責任公司，S95級礦渣固化劑，成分及堿度見表1；滲透劑，SDS，AEO-9，激活劑（Na2SiO3），NaOH，CaCl2，分析純，成都科龍化學試劑廠。7A-300電子液壓式壓力試驗機，北京海智科技開發中心；濾餅制備及模擬沖洗裝置，研究室自制；Quanta450環境掃描顯微鏡，復納科學儀器（上海）有限公司；DX1000型X射線衍射儀，丹東方圓儀器有限公司。

鉆井液 2%膨潤土+0.2%NaOH+4%SMP-2+ 1.5%SPNH+1%DYFT-2+1%LL-JLC+3%KCl+1%潤滑劑+0.3%包被抑制劑+0.5%SMT+重晶石

水泥漿 700 g阿克蘇G級油井水泥+4%微硅+30%普通鐵礦粉+44%水+4%降濾失劑806L+ 1.5%緩凝劑606L+2%分散劑906L+消泡劑19L

1.2 實驗方法

1.2.1 濾餅制備及模擬沖洗

人造巖心模擬地層，釜體模擬溫度壓力。注入鉆井液，制備濾餅；注入沖洗液，模擬沖洗液與第二界面接觸。裝置示意圖見圖1，測試方法見圖2。

圖1　濾餅制備及模擬沖洗裝置示意圖

圖2　第二界面膠結強度測試方法示意圖

1.2.2 二界面膠結強度評價

剪切力測試法[12]：1）巖心-鉆井液-固結模反向模擬環空；2）礦渣鉆井液模擬沖洗，制備仿真濾餅；3）模擬沖洗液沖洗；4）充填水泥漿，水浴養護；5）在巖心上端施加軸向力，通過巖心與水泥環滑脫時受到的剪切力和膠結面面積計算界面膠結強度。評價方法如圖2，計算方法如下。

式中，P為膠結強度，MPa；F為下壓力，kN；h為膠結面高度，m；D為巖心直徑，m。

2　礦渣水化機理分析

研究表明，高爐水淬礦渣經高溫煅燒儲能，具有很高的潛在活性，具有受堿激發特性：礦渣活性主要來自玻璃體中富硅相和富鈣相在堿激發環境中的反應。富鈣相為連續相，穩定性差，在堿性激活劑作用下，OH-首先克服富鈣相的分解活化能，使激活劑中的Na+、K+替換玻璃體中的Ca2+、Mg2+，連接在Si—O鍵或Al—O鍵上，破壞玻璃體結構[13]；隨后，富硅相在堿質中分解、水化，生成C—S—H凝膠，根據水化過程不同，C—S—H凝膠有顆粒狀和網架狀2種形態：

3　礦渣鉆井液可固化濾餅第二界面膠結強度

考察礦渣鉆井液可固化濾餅第二界面膠結強度，分別考察不同循環時間下普通鉆井液和礦渣鉆井液濾餅對第二界面膠結強度的影響，結果見表2，通過XRD分析濾餅物相組成，結果見圖3。

表2　不同循環時間下鉆井液濾餅對二界面膠結強度的影響

圖3　鉆井液/礦渣鉆井液濾餅XRD分析

由表2和圖3可知，普通鉆井液濾餅第二界面膠結強度隨時間增加變化不大；礦渣鉆井液濾餅第二界面膠結強度較普通鉆井液濾餅有一定提高，且隨循環時間增加而增加。未經沖洗液沖洗的礦渣鉆井液濾餅，其組分與普通鉆井液基本相同，主要成分為SiO2（2θ為26°）、CaSiO4（2θ為30°、33°等）和BaSO4（2θ為25°、26°、29°、43°等）。這說明，礦渣水化需在強堿環境中進行，鉆井液不能滿足其充分水化的條件；僅靠水泥漿水化產生的堿性環境，激活效果也不明顯。

4　滲透型沖洗液

為提高可固化濾餅的固化性能，使濾餅在固井作業接觸水泥漿之前就具有較高的水化活性。為此設計一種沖洗液，在鉆井液循環后，先于水泥漿注入井筒，對井壁可固化濾餅進行沖洗激活。為進一步提高激活效率，在沖洗液中加入滲透劑，以提高濾餅表面活性，擴大物質交換孔道。

4.1 激活劑和滲透劑的優選

選用礦渣常用激活劑Na2SiO3、NaOH、CaCl2以及滲透劑SDS、AEO-9進行研究，結果見表3。由表3可知，3種激活劑復配加入沖洗液后，第二界面膠結強度顯著提高；激活效果依次為NaOH、CaCl2、Na2SiO3。綜合考慮工作液外加劑配伍性、激活效果等因素，確定Na2SiO3、NaOH和CaCl2加量分別為10%、2%和5%。

表3　沖洗液中激活劑對濾餅第二界面膠結強度的影響

選用了SDS、AEO-9滲透劑，考察了滲透劑對濾餅第二界面膠結強度的影響，結果見表4。由表4可知，加入不同比例的SDS、AEO-9后，膠結強度提高，增幅為29%～69%；當SDS、AEO-9加量分別為0.6%、0.4%時，第二界面膠結強度提升效果最好。

表4　沖洗液中滲透劑對濾餅二界面膠結強度的影響

4.2 機理分析

沖洗液在壓差作用下進入濾餅，激活劑向濾餅中遷移，而滲透劑能夠擴大濾餅表面物質交換通道，擴大黏土插層縫隙，提高沖洗液中激活劑對濾餅的滲透效率，為礦渣水化提供充足的激活成分[14]。沖洗后的濾餅XRD分析見圖4。通過SEM觀察不同濾餅的第二界面膠結形貌，結果見圖5。

圖4　經沖洗液沖洗后的礦渣鉆井液濾餅XRD分析

圖5　不同鉆井液濾餅與水泥漿的膠結形貌

由圖4和圖5可知，經沖洗液沖洗20 min，濾餅中的物相組成中除BaSO4外，出現了水化硅酸鈣C—S—H，此外還有水化鋁酸四鈣C4AH13和鈣鋁黃長石C2ASH8。其中，Ca6Si3O12¨H2O為Ⅱ型C—S—H，鈣硅比為2，通常呈網狀結構，以粒子為結點交織生長，最終構成連續的三維網狀結構，促使濾餅固化，并產生強度。此外，礦渣受激活劑激活，生成了C4AH13和C2ASH8[15]，反應過程如下。

礦渣中玻璃體和礦渣結晶體在NaOH強堿環境中加速解體，硅氧結構破壞，生成含水硅酸膠粒。含水硅酸膠粒與鈣離子反應，生成C—S—H凝膠。水化硅酸鈣呈無定型網絡或纖維發散形態，大量吸附在黏土礦物表面，包覆形成一層由鈉堿和硅酸膠粒組成的黏結薄膜；以固相顆粒為結點，硅酸膠粒之間通過縮合作用產生帶支鏈的長—Si—O—Si—鏈，交錯形成黏結橋，連接分散的礦渣水化產物顆粒，形成致密網狀膠凝體。Na2SiO3和CaCl2反應生成的Ca（OH）2，與黏土中的硅氧化物反應生成C—S—H凝膠顆粒，填充礦物骨架孔隙，強化濾餅結構。由圖5可以看到，普通鉆井液濾餅與水泥石之間產生明顯裂縫，界面間無膠結，而礦渣鉆井液濾餅與水泥石界面不明顯，膠結緊密。這是由于礦渣鉆井液濾餅與水泥漿接觸的過程中，組分發生遷移。水泥水化產物Ca（OH）2與沖洗液留在濾餅中的Na2SiO3反應，在界面生成C—S—H凝膠。

礦渣受堿激活，水化產物沿固相顆粒表面形成絮狀包覆，隨后呈網狀或發散狀連接固相顆粒；顆粒水化產物充填網架結構。

5　結論及建議

1.礦渣鉆井液可固化濾餅能夠提高第二界面膠結強度，但鉆井液難以有效激活濾餅中的礦渣，有必要配合使用沖洗液。沖洗液中的激活劑能夠直接或間接對礦渣進行預先激活，使濾餅在接觸水泥漿之前就具有較高的活性，激活劑Na2SiO3、NaOH、CaCl2的加量分別為10%、2%、5%；沖洗液中的滲透劑能夠擴大濾餅表面的物質交換孔道，提高激活劑向濾餅內部遷移的滲透率，滲透劑SDS、AEO-9加量分別為0.6%、0.4%。

2.可固化濾餅的固化分為2個階段：與水泥漿接觸前，濾餅中的礦渣與沖洗液中的激活劑反應；與水泥漿接觸后，組分相互滲透，水泥漿自發水化硬化的同時，礦渣與其水化產物發生水化反應，產物均為C—S—H凝膠。C—S—H凝膠對固相顆粒包覆、連接，形成網狀膠連，增強界面結構，強化界面過渡區；顆粒狀C—S—H凝膠填充結構骨架，實現第二界面膠結強度的提高。

參 考 文 獻

[1]孫劍，崔茂榮，馬勇，等.水平井鉆井完井液濾餅清除技術[J].鉆井液與完井液，2009，29（5）：73-75. Sun Jian，Cui Maorong，Ma Yong，et al.Mud cake removal in horizontal wells[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2009，29（5）：73-75.

[2]張順平.可固化鉆井液的濾餅固化技術研究[D].成都：西南石油大學，2013. Zhang Shunping.Mud cake solidify technology of solidifiable drilling fluid[D].Chengdu：Southwest Petroleum University，2013.

[3]劉威.可固化工作液二界面膠結質量評價方法的研究[D].成都：西南石油大學，2013. Liu Wei. Research on evaluation method of the second interface cementing quality of solidifiable working fluid[D].Chengdu：Southwest Petroleum University，2013.

[4]彭志剛，何育榮，馮茜. 礦渣MTC固化泥餅能力及其行為原因分析[J].鉆井液與完井液，2005，22（5）：20-23. Peng Zhigang，He Yurong，Feng Qian，et al. Analysis on capability and behavior reason of slag mtc solidifying cake[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2005，22（5）：20-23.

[5]曾欣，李早元，李明，等.影響井壁泥餅固化質量的因素分析[J]. 鉆井液與完井液，2012，29（5）：61-64. Zeng Xin，Li Zaoyuan，Li Ming，et al.Affecting factors analysis on mud cake cementing quality[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2012，29（5）：61-64.

[6]趙啟陽，鄧慧，王偉，等. 一種可固化堵漏工作液的室內研究[J].鉆井液與完井液，2013，30（1）：41-44. Zhao Qiyang，Deng Hui，Wang Wei，et al.Laboratory study on curing lost circulation control fluid[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，2013，30（1）：41-44.

[7]尚建麗，劉琳.礦渣-粉煤灰地質聚合物制備及力學性能研究[J].硅酸鹽通報，2011，30（3）：741-744. Shang Jianli，Liu Lin.Study on preparation and mechanical properties of slag and fly ash based geopolymeric[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2011，30（3）：741-744.

[8]聶軼苗， 馬鴻文， 蘇玉柱. 礦物聚合材料固化過程中的聚合反應機理研究[J]. 現代地質，2006，20（2）：340-346．Nie Yimiao，Ma Hongwen，Su Yuzhu.Mechanism of polymerization during the solidification of fly ash-based geopolymers[J].Geoscience，2006，20（2）：340-346.

[9]張雄，魯輝，張永娟，等.礦渣活性激發方式的研究進展[J].西安建筑科技大學學報（自然科學版），2011，43（3）：379-384. Zhang Xiong，Lu Hui，Zhang Yongjuan，et al. Research progress of slag activation[J].Xi’an Univ.of Arch.&Tech.（Natural Science Edition），2011，43（3）：379-384.

[10]馬勇，崔茂榮，郭小陽.鉆井液造壁性對固井質量的影響[J].鉆井液與完井液，2007，24（2）：37-38，47. Ma Yong，Cui Maorong，Guo Xiaoyang.Effect of wallbuilding of drilling muds on the cement job quality[J]. Drilling Fluid & Completion Fluid，2007，24（2）：37-38，47.

[11]程榮超， 步玉環， 王瑞和.高爐礦渣改善固井水泥界面膠結性能研究[J].天然氣工業，2007，27（2）：63-66. Cheng Rongchao，Bu Yuhuan，Wang Ruihe. Experimental study on blast furnace slag（BFS）to improve cement bonding quality of cementing operation[J].Natural Gas Industry，2007，27（2）：63-66.

[12]楊長輝， 宋洋， 陳科， 等.表面活性劑在堿礦渣水泥系統中的吸附特征研究[J].混凝土，2009（11）：42-45. Yang Changhui，Song Yang，Chen Ke，et al. Adsorption characteristics of surfactant in alkali-activated slag cement systems[J].Concrete，2009（11）：42-45.

[13]Regourd M.Structure and behaviour of slag portland cement hydrates[C].7th International Congress on the Chemistry of Cement，Paris， France，1， III-2/11-26.

收稿日期（2015-11-02；HGF=1601C14；編輯 王超）

作者簡介：第一梅雨堃，碩士研究生，1990年生，畢業于西南石油大學材料科學與工程專業，現從事固井工程材料及技術研究工作。電話18581839430；E-mail：393616488@qq.com。

基金項目：塔里木油田公司局級項目“工藝安全與鉆完井工程基礎研究”（TLM2011JT05）。

doi:10.3696/j.issn.1001-5620.2016.01.014

中圖分類號：TE256.6

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5620（2016）01-0068-05