油基鉆井液與水泥漿接觸污染內(nèi)因探討

袁中濤 楊謀 李曉春 李肖肖 張峰 劉忠飛

1.中國石油塔里木油田分公司；2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室

油基鉆井液與水泥漿接觸污染內(nèi)因探討

袁中濤1楊謀2李曉春1李肖肖2張峰1劉忠飛1

1.中國石油塔里木油田分公司；2. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室

油基鉆井液因其良好的性能被廣泛應(yīng)用于深井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井鉆井中，但伴隨其廣泛應(yīng)用，油基鉆井液與水泥漿因接觸污染引起井下復(fù)雜情況案例越來越多。為此，首先分析了水泥漿中摻混鉆井液和鉆井液外加劑對其性能影響，在此基礎(chǔ)上，借助于掃描電鏡、X射線衍射儀及傅里葉變換紅外光譜儀等現(xiàn)代分析手段，探究摻混前后水泥漿物相和微觀形貌的變化。研究結(jié)果表明：油基鉆井液中降濾失劑、氯化鈣在水泥水化不同階段增加了的氫氧化鈣的溶解度，加快了C3S水化速度，使得水泥漿凝聚、變稠，導(dǎo)致水泥漿流動性急劇變差；而主乳化劑、輔乳化劑及黏土增加了油基鉆井液界面膜的強度與厚度，難以與水泥漿形成“油包水”或“水包油”乳化結(jié)構(gòu)而造成污染。該系統(tǒng)性研究更加深入地認清了油基鉆井液與水泥漿接觸污染的本質(zhì)，為防范兩者接觸污染提供技術(shù)參考。

油基鉆井液； 水泥漿； 接觸污染； 單因素分析

鉆井液與水泥漿的組分構(gòu)成、理化性能存在顯著差異，一般兩者相容性較差。若兩者直接接觸，均存在不同程度接觸污染，產(chǎn)生一些難以破壞的絮凝物質(zhì)，影響了固井頂替效率與層間封隔能力［1-2］。為此，在注水泥施工過程中需要注入前置液與后置液將水泥漿與鉆井液隔開［3-4］。但因施工排量、井眼條件、套管居中情況以及井筒漿體在高溫高壓條件下流變性能的變化，使得在頂替過程中難以避免水泥漿與鉆井液相互接觸污染，影響了固井安全與固井質(zhì)量。為此，國內(nèi)外學(xué)者重點開展了水基鉆井液與水泥漿摻混條件下的漿體流變性能、稠化時間等方面的研究，同時也基于單因素方法分析了鉆井液外加劑對水泥漿性能的影響［5-9］。油基鉆井液具有良好的抗高溫性、抑制性、流變性，有利于井壁穩(wěn)定和降低油氣層傷害程度等優(yōu)點，已成為深井、定向井、水平井及各種復(fù)雜地層鉆井的重要技術(shù)手段。伴隨著油基鉆井液不斷推廣應(yīng)用，因油基鉆井液與水泥漿接觸污染引起固井復(fù)雜與問題也隨之增多。如何有效、正確地評價該條件下的漿體接觸污染顯得尤為重要。文獻［10］應(yīng)用超聲波等評價手段研究了油基鉆井液與水泥漿摻混條件下水泥石強度與孔滲發(fā)展情況。而現(xiàn)有文獻對油基鉆井液外加劑與鉆井液自身具有的特殊性質(zhì)對水泥漿性能影響報道較少。筆者以國內(nèi)某油田四開在用油基鉆井液與水泥漿為實驗研究對象，首先分析在不同摻混比條件下油基鉆井液對水泥漿性能影響，在此基礎(chǔ)上，借助于掃描電鏡、X射線衍射儀及傅里葉變換紅外光譜儀等現(xiàn)代分析手段，基于單因素分析方法探究鉆井液各處理劑對水泥漿性能影響，從而為油基鉆井液與水泥漿接觸污染機理提出新認識。

1 實驗材料與方法

Experimental materials and methods

1.1 實驗材料及儀器

Experimental materials and instruments

主要儀器：電子天平、恒速攪拌器、常壓稠度儀、X’Pert PRO DY2198型 X 射 線 粉 末 衍 射 儀、Quanta 450環(huán)境掃描電子顯微鏡以及WQF520紅外光譜儀等。

1.2 實驗方法

Experimental methods

依據(jù)GB/T 19139—2012《油井水泥石試驗方法》測試水泥漿與油基鉆井液在 100∶0、95∶5、75∶25、50∶50、25∶75以及 5∶95的體積摻混比條件下，確定鉆井液摻混對水泥漿性能影響。在此基礎(chǔ)上開展單因素分析方法，分析鉆井液中哪種或者哪幾種外加劑對水泥漿性能的影響，具體實驗步驟為：（1）結(jié)合水泥漿與油基鉆井液在不同摻混體積條件下的常溫與中溫（89 ℃）下流動度、抗壓強度及稠化時間測試結(jié)果，篩選出漿體性能變化最大的一組（簡稱A組）進行單因素實驗分析；（2）依據(jù)A組鉆井液體積，結(jié)合其配方，計算出鉆井液各外加劑在該體積下各組分質(zhì)量；（3）分別將不同組分質(zhì)量的外加劑加入到水泥漿中，經(jīng)恒速攪拌器攪拌與常壓稠度儀養(yǎng)護后，測試在常溫與中溫條件下各外加劑對水泥漿流動度與流變性的影響；（4）篩選出對水泥漿性能影響較大的鉆井液外加劑α、β、γ等；（5）再次將α、β、γ等按照步驟（3）中的加量分別添加到水泥漿中進行攪拌與養(yǎng)護；（6）應(yīng)用環(huán)境掃描電子顯微鏡進行形貌與組分量的變化分析；（7）用X射線衍射儀與紅外光譜考察是否有新物相生成。

2 實驗結(jié)果分析

Analysis on experimental results

2.1 不同摻混條件下水泥漿與鉆井液接觸污染篩選

Screening of contact contamination between cement slurry and drilling fluid under different blending conditions

將鉆井液與水泥漿按照表1中不同體積比摻混測試常溫與中溫條件下鉆井液的混入量對水泥漿流動性能的影響。從測試結(jié)果可以看出：鉆井液與水泥漿為1∶3時在常溫與中溫條件下的流動度最小，分別為14.5 cm與19.5 cm，且混合漿體無強度、稠化時間大于純水泥漿稠化時間，即該比例條件下兩者相容性最差。

表1 鉆井液與水泥漿在不同比例混合條件下性能測試數(shù)據(jù)Table 1 Performance testing data at different blending ratios between drilling fluid and cement slurry

2.2 鉆井液各外加劑對水泥漿流變性能影響

Effects of drilling fluid additives on the rheological property of cement slurry

1.3.1 治療效果評價 治療效果的評價為近期治療效果，包括患者的癥狀緩解情況以及病情惡化發(fā)生的情況。

以上述鉆井液與水泥漿1∶3摻混比為依據(jù)，在水泥漿中分別添加實際用量鉆井液外加劑，測得其在常溫與中溫條件下的流動度與流變數(shù)據(jù)，如表2和表3所示。

表2 加入鉆井液外加劑后水泥漿在常溫與中溫條件下的流動實驗數(shù)據(jù)Table 2 Flow test data of cement slurry blended with fluid additive under normal temperature and medium temperature

表3 加入鉆井液外加劑后水泥漿在常溫與中溫條件下的流變實驗數(shù)據(jù)Table 3 Rheology test data of cement slurry blended with fluid additive under normal temperature and medium temperature

表2中的測試結(jié)果表明，CaCl2和降濾失劑對水泥漿的流動度影響最大。在常溫與中溫條件下，加入CaCl2流動度分別為14.5 cm和14 cm，加入降濾失劑流動度分別為14.5 cm和19.5 cm。

從表3中可以看出，當(dāng)水泥漿中摻混CaCl2和降濾失劑后，漿體的切力變大。CaCl2在常溫?3條件下讀數(shù)為45格，降濾失劑在常溫?600條件下讀數(shù)為192格，該結(jié)果均大于其他外加劑的測試數(shù)據(jù)。因此，依據(jù)表2和表3測試結(jié)果，CaCl2和降濾失劑是引起鉆井液與水泥漿相容性差的主要內(nèi)因。

2.3 鉆井液外加劑對水泥漿性能影響

Effects of drilling fluid additives on the performance of cement slurry

將上述篩選出的降濾失劑與CaCl2分別以0.77%和0.46%的加量加入到水泥漿中，然后分別將水泥漿、降濾失劑與水泥漿混合物、CaCl2與水泥漿的混合物經(jīng)配漿攪拌后，放入89 ℃水浴箱中養(yǎng)護48 h后，應(yīng)用顯微鏡觀察其形貌特征，應(yīng)用XRD、掃描電鏡以及紅外光譜儀考察是否有衍生物生成，進而從機理上研究鉆井液外加劑中的降濾失劑與CaCl2對水泥漿的污染特性。

2.3.1 微觀形貌分析 圖1～圖3分別為純水泥漿以及摻混鉆井液外加劑的水泥漿經(jīng)養(yǎng)護后分別放大500倍、5 000倍以及50 000倍的形貌圖。從純水泥漿放大500倍SEM圖中（圖1）可以看出，在不同條件下水泥石結(jié)構(gòu)的形貌幾乎相同，雖然水泥漿養(yǎng)護了48 h，但仍有許多水泥顆粒未充分水化，呈固態(tài)小球狀，吸附在已水化水泥漿表面。從放大5 000倍與50 000倍的SEM圖中分析可知，水泥中C3S與C2S不斷水化，伴隨巨大的氫氧化鈣晶體析出，圖1b中未水化的水泥顆粒吸附在Ca（OH）2晶體表面，導(dǎo)致硅酸鈣凝膠形成受到抑制，停留在水化初期階段，進而使得C-S-H凝膠比面積小，形成的水泥石孔隙較多、抗壓強度不高（圖1c）。

從圖2b和圖2c中可以看出一些絮狀松散結(jié)果的物質(zhì)附著在Ca（OH）2晶體表面，該形貌與圖1b和圖1c相差較大。由于CaCl2可以加速鋁酸鹽的水化速度而起到促凝作用，因此，在CaCl2混入下，使水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠轉(zhuǎn)化為絮狀松散結(jié)構(gòu)，提高水化速率，且C-S-H凝膠的C/S比值較高并有多皺的薄片結(jié)構(gòu)［1］；同時水化硅酸鈣的孔隙尺寸變大，結(jié)構(gòu)疏松，滲透率增加，如圖2c所示。

從圖3b和圖3c中分析得到，形成的水泥石相對于純水泥（圖1b和1c）而言較為致密。因為鉆井液中降濾失劑類型為腐殖酸類，其難溶于水，但易溶于堿溶液，而水泥在水化過程中生成大量的Ca（OH）2，該過程一方面可促使降濾失劑溶解，另一方面引起C3S、C2S、C2A及C4AF水化更充分，形成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等產(chǎn)物，使得水泥石相對致密。

通過以上分析可知，鉆井液中CaCl2與降濾失劑均可加快水泥水化過程。因此，當(dāng)兩類物質(zhì)加入到水泥漿中后，引起在常溫與中溫下水泥漿的流動度降低、流變性變差。

圖1 水泥漿在89 ℃條件下養(yǎng)護48 h電鏡掃描圖Fig. 1 SEM diagram of cement slurry after curing for 48 h at 89 ℃

圖2 水泥漿中混入CaCl2后在89 ℃條件下養(yǎng)護48 h電鏡掃描圖Fig. 2 SEM diagram of cement slurry blended with CaCl2 after curing for 48 h at 89 ℃

圖3 水泥漿中混入鉆井液中降失水劑后在89 ℃條件下養(yǎng)護48 h電鏡掃描圖Fig. 3 SEM diagram of cement slurry blended with filtration reducer after curing for 48 h at 89 ℃

2.3.2 衍生物組成分析 應(yīng)用掃描電鏡、XRD衍射儀及紅外光譜儀研究摻混CaCl2和降濾失劑對水泥水化過程中衍生物生成情況的影響。

（1）電鏡掃描組分分析。表4為應(yīng)用掃描電鏡微區(qū)成分分析功能，對純水泥石、氯化鈣與水泥漿以及降濾失劑與水泥漿混合后養(yǎng)護形成水泥石的組分進行分析的結(jié)果。從表4可知，不同混合條件下水泥石主要成分為CaO、SiO2及硅酸鈣，其中CaO與SiO2含量分別為44%和11%左右，主要是水泥熟料中的CaO與SiO2分別占63%和20%左右。同時，由于樣品水化過程僅為48 h，水化未徹底完成，使得水泥漿中的CaO與SiO2含量較高。

此外，純水泥漿中含有的硅酸鈣組分多于添加了CaCl2和Ca（OH）2的漿體。該因素引起原因為：一方面CaCl2中的Cl–易進入C-S-H凝膠層，引起內(nèi)壓快速升高，使得C-S-H凝膠表層過早破壞而加快了水化速度，導(dǎo)致硅酸鈣含量較少；另一方面降濾失劑溶于堿溶液生成腐殖酸鈣，消耗了水泥漿溶液的Ca（OH）2，引起形成的水化硅酸鈣不太穩(wěn)定，致使其含量降低。

表4 混入不同外加劑條件下水泥石成分的SEM掃描結(jié)果Table 4 SEM result on cement set compositions after the adding of different additives

（2）XRD衍射結(jié)果分析。X射線粉末衍射儀采用 Cu Kα射線，衍射角 2θ范圍為 5°～65°，衍射角精密度和重現(xiàn)性小于0.002，衍射峰的準(zhǔn)確性/線性度小于0.04。從圖4中可以看出3種類型水泥石的衍射的特征峰幾乎一致，主要物相為水化硅酸鈣、石膏、Ca（OH）2、SiO2，除 Ca（OH）2的特征峰存在差異外，其他特征峰強度無明顯變化，幾乎重合。該結(jié)果表明CaCl2和降濾失劑的摻混，使得水泥漿中無新的物相生成，僅改變了水泥漿水化進程。

圖4 混入不同外加劑條件下水泥石成分的XRD分析結(jié)果Fig. 4 XRD analysis result on cement set compositions after the adding of different additives

（3）紅外光譜結(jié)果分析。三類水泥石的紅外光譜圖如圖5所示，三類水泥石的特征峰位置幾乎一致。研究結(jié)果表明當(dāng)CaCl2與降濾失劑混入到水泥漿中后無新的官能團生成，化學(xué)干涉不是造成油基鉆井液與水泥漿接觸污染的內(nèi)因。

圖5 混入不同外加劑條件下水泥石成分的紅外光譜分析結(jié)果Fig. 5 Infrared spectrum analysis result on cement set compositions after the adding of different additives

3 油基鉆井液與水泥漿接觸污染作用機理探討

Discussion on the contact contamination mechanisms between oil-base drilling fluid and cement slurry

已有文獻對水基鉆井液與水泥漿接觸污染機理的研究成果認為：（1）鉆井液外加劑對水泥漿性能影響，如潤濕劑、固壁防塌劑、表面活性劑在宏觀上引起水泥漿在稠化過程中出現(xiàn)包心及稠化時間縮短現(xiàn)象；在微觀上外加劑對水泥漿水化產(chǎn)生的Al3+、Fe3+交聯(lián)形成凝膠并大量包裹吸附水，降低了漿體中自由水含量，引起漿體流動性變差（；2）鉆井液發(fā)生鈣侵，認為水基鉆井液組分中擁有較多的黏土含量，同時水泥漿水化過程中會產(chǎn)生大量的Ca2+，當(dāng)兩者混合時，水泥漿中的Ca2+要置換吸附在黏土表面上的Na+，使得鈉土變?yōu)殁}土，從而增多并加強了鉆井液中的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，致使鉆井液的黏度、切力和濾失量增加［5］。

然而，油基鉆井液在配方組成與功用方面與水基鉆井液存在著較大區(qū)別，油基鉆井液組分主要包括：主乳化劑、輔乳化劑、有機土、降濾失劑及CaCl2。從油基鉆井液各外加劑使用功能可知，主乳化劑、輔乳化劑及有機土用于增加油膜體系穩(wěn)定性與界面膜的強度，使得油基鉆井液以液滴形式分散于其他相中。如圖6a所示，把油基鉆井液滴入水泥漿濾液中時，油基鉆井液以液滴形式分散于濾液中，且在水中幾乎不會形成油膜。然后在旋轉(zhuǎn)黏度計上用轉(zhuǎn)速300 r/min進行攪動以模擬鉆井液與水泥漿混漿時的狀態(tài)，經(jīng)攪拌后鉆井液液滴逐漸聚并成大顆粒，基本上也沒有形成油膜或油帶，如圖6b所示。因此，油基鉆井液與水泥漿摻混后，難以形成“油包水”或“水包油”的乳化結(jié)構(gòu)而造成水泥漿的污染。

圖6 油基鉆井液在水泥漿濾液中分布形態(tài)圖Fig. 6 Distribution form of oil-base drilling fluid in cement slurry fi ltrate

把一定量的降濾失劑分別加入到水與Ca（OH）2溶液中可發(fā)現(xiàn)，降濾失劑難以溶于水，漂浮在水表面，如圖7a所示；然后在水中加入一定量的CaO固體，經(jīng)攪拌后形成Ca（OH）2溶液，再加入降濾失劑經(jīng)攪拌后，發(fā)現(xiàn)降濾失劑逐漸溶解在Ca（OH）2溶液中，溶液變渾濁，如圖7b所示。該現(xiàn)象原因為降濾失劑為腐殖酸類，易溶于堿溶液形成腐殖酸鈣。在水泥漿水化過程中會產(chǎn)生Ca（OH）2，當(dāng)油基鉆井液中的降濾失劑與其接觸時，將消耗一定量的Ca（OH）2，但同時形成的腐殖酸鈣提高了溶液中Ca（OH）2的溶解度，從而加快了水化進程，表現(xiàn)為漿體提前凝結(jié)。

另外，當(dāng)油基鉆井液中的CaCl2與水泥漿接觸時，CaCl2的加入一方面提高了液相中 Ca（OH）2的溶解度，加速了C3S的水化速度；另一方面Cl–的存在改變了C-S-H凝膠的結(jié)構(gòu)，并提高了它的滲透性，使得更多的水泥顆粒提前水化［1］。因此，CaCl2與水泥漿混合時起到促凝的作用。

圖7 降失水劑加入在水與Ca（OH）2溶液中的形態(tài)圖Fig. 7 Form of fi ltrate reducer in the solution of Ca(OH)2 and water

4 結(jié)論

Conclusions

（1）油基鉆井液與水泥漿發(fā)生摻混時，鉆井液中的降濾失劑與CaCl2加快了水泥的水化過程，降低常溫與中溫條件下的水泥漿流變性與流動度。

（2）通過電鏡掃描形貌、電鏡和XRD組分以及紅外光譜官能團分析表明，降濾失劑與CaCl2的摻混僅加快了水泥的水化進程，未引起水泥漿在水化過程中產(chǎn)生新的衍生物。

（3）油基鉆井液與水泥漿難以形成“油包水”或“水包油”乳化結(jié)構(gòu)，使得兩者發(fā)生摻混時由于難以形成束縛水而降低水泥漿的流動性或?qū)е聺{體增稠。

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（修改稿收到日期 2017-08-23）

〔編輯 薛改珍〕

Discussion on the internal causes of contact contamination between oil-base drilling fluid and cement slurry

YUAN Zhongtao1, YANG Mou2, LI Xiaochun1, LI Xiaoxiao2, ZHANG Feng1, LIU Zhongfei1

1. PetroChina Tarim Oil field Company,Korla841000,Xinjiang,China;
2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu610500,Sichuan,China

Oil-base drilling fluid is widely used for the drilling of deep wells and complex-structure wells owing to its better properties. With its wide application, however, the complicated conditions occur more and more frequently in the hole because of the contact contamination between the oil-base drilling fluid and the cement slurry. In this paper, the effects of the drilling fluid and its additive on the properties of cement slurry were firstly analyzed. Then, the phase and microscopic morphology of cement slurry before and after it was blended with drilling fluid and its additive were investigated by means of modern analysis technologies, e.g. SEM, XRD and FTIR. It is shown that the cement slurry is condensed and thickened for the content of calcium hydroxide is consumed and increased in the different stages of cement hydration by the fi ltrate reducer and the calcium chloride in the oil-base drilling fluid, respectively, and consequently the mobility of the cement slurry gets worse seriously. The primary emulsion, auxiliary emulsion and clay increase the strength and thickness of the film at the interface of oil-base drilling fluid, so the emulsified structures of oil in water/water in oil cannot be formed easily. As a result, the contamination is induced. The systematic study plays a signi fi cant role in understanding the essence of contact contamination between oil-base drilling fluid and cement slurry, providing the technical reference for the prevention of contact contamination between them.

oil-base drilling fluid; cement slurry; contact contamination; univariate analysis

∶

袁中濤，楊謀，李曉春，李肖肖，張峰，劉忠飛.油基鉆井液與水泥漿接觸污染內(nèi)因探討［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：574-579.

TE254

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0574 – 06 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.008

中石油重大專項“前陸沖斷帶超深井鉆完井技術(shù)（編號：2014E-2102）；和國家自然科學(xué)基金“深井井筒-地層傳熱傳質(zhì)環(huán)境下井筒溫度壓力時變特性研究”（編號：51504210）。

袁中濤（1983-），2009年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，現(xiàn)從事固井方面的研究，工程師。E-mail∶ yuanzt-tlm@petrochina.com.cn

楊謀（1982-），2012年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣井工程專業(yè)，從事固井傳質(zhì)傳熱學(xué)、流體力學(xué)、固體力學(xué)及工藝研究，副教授。E-mail∶ ym528919@126.com

: YUAN Zhongtao, YANG Mou, LI Xiaochun, LI Xiaoxiao, ZHANG Feng, LIU Zhongfei. Discussion on the internal causes of contact contamination between oil-base drilling fluid and cement slurry［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 574-579.