水基鉆井液用固井界面親和劑的研制

王廣雷

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

1 主要的評(píng)價(jià)方法

為了更真實(shí)地模擬并定量評(píng)價(jià)固井二界面膠結(jié)質(zhì)量，建立一種新型固井二界面評(píng)價(jià)方法，此種評(píng)價(jià)方式以泥餅性能檢測(cè)、二界面膠結(jié)強(qiáng)度及等效滲透率為評(píng)價(jià)手段。研究結(jié)果表明，該評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單適用、數(shù)據(jù)重復(fù)性好、對(duì)比性強(qiáng)，能夠較為真實(shí)地模擬了二界面與水泥漿的膠結(jié)情況。此評(píng)價(jià)方法一方面可以直接量化泥餅性能和二界面膠結(jié)強(qiáng)度；另一方面可以間接地表征出界面的滲透率，為界面親和劑的研制提供定性定量的數(shù)據(jù)參考。

1.1 泥餅性能檢測(cè)方法

利用泥餅厚度強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)量?jī)x（如圖1所示）來測(cè)定鉆井液濾失后其濾餅的各項(xiàng)參數(shù)。該儀器由不銹鋼的測(cè)量臺(tái)和智能多功能測(cè)量?jī)x兩大部分組成。其工作原理是通過流水自動(dòng)加壓，迫使濾餅在外力逐漸增加后發(fā)生變形，施加于濾餅上的外力與變形量的關(guān)系，從而計(jì)算出濾液的虛厚、真厚及強(qiáng)度。

圖1 泥餅厚度強(qiáng)度自動(dòng)測(cè)量?jī)x示意圖

1.2 等效滲透率檢測(cè)方法

利用中壓鉆井液濾失儀形成濾餅，沖掉浮泥餅后再將濾餅烘干并擠壓成碎片（大約0.15～0.25cm2），然后把水泥漿與濾餅碎片混拌均勻后放入水泥滲透率養(yǎng)護(hù)模具中，帶溫養(yǎng)護(hù)48h后取出60℃烘干直到樣品無質(zhì)量變化，待其冷卻至室溫后測(cè)定其滲透率（如圖2所示），即為二界面等效滲透率。

圖2 等效滲透率樣品

1.3 第二界面膠結(jié)強(qiáng)度檢測(cè)方法

首先模擬井下條件在環(huán)形人造巖芯的內(nèi)壁上形成濾餅，然后把水泥漿與附有濾餅的巖芯內(nèi)壁進(jìn)行固結(jié)并養(yǎng)護(hù)一定齡期，最后測(cè)定巖芯與水泥環(huán)柱間的膠結(jié)強(qiáng)度，即為二界面膠結(jié)強(qiáng)度。

1.3.1 人造巖芯的制備

利用特種的膠粘材料，把石英砂制成高160mm、內(nèi)徑120mm、外徑160mm的環(huán)形人造巖芯（如圖3所示），其滲透率為（10～100）×10-3μm2。

圖3 環(huán)形人造巖芯

1.3.2 濾餅的形成

首先將鉆井液在常壓稠化儀進(jìn)行加溫?cái)嚢?0min，取出之后及時(shí)倒入環(huán)形人造巖芯中，然后利用巖芯加持器在鉆井液面上施加0.7MPa的壓力并維持30min，使得鉆井液只能從巖芯內(nèi)壁向巖芯外壁濾失，從而也就真實(shí)地模擬了井下濾失的實(shí)際情況。

1.3.3 二界面的固結(jié)與養(yǎng)護(hù)

濾餅形成后將鉆井液倒掉，再將內(nèi)壁浮泥餅沖掉，然后將一定體積的水泥漿倒入巖芯中加蓋進(jìn)行常壓加溫候凝養(yǎng)護(hù)48h。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，取出巖芯，待其冷卻至室溫后測(cè)定人造巖芯與水泥漿的膠結(jié)強(qiáng)度。

2 界面親和劑的組成及評(píng)價(jià)試驗(yàn)

根據(jù)界面增強(qiáng)機(jī)理以及相關(guān)功能評(píng)價(jià)試驗(yàn)需求，對(duì)界面親和劑體系的單劑進(jìn)行優(yōu)選和評(píng)價(jià)試驗(yàn)，從而研選出LP用于削弱泥餅厚度及降低鉆井液粘度切力；FS用于增強(qiáng)泥餅強(qiáng)度及提高界面膠結(jié)強(qiáng)度。針對(duì)硅基陽離子水基鉆井液體系和鉀鹽共聚物水基鉆井液體系，開展了相關(guān)的復(fù)配評(píng)價(jià)及加量配比試驗(yàn)，并已初步形成體系配方0.2%DN+0.5%LP。

2.1 泥餅厚度、強(qiáng)度評(píng)價(jià)試驗(yàn)

2.1.1 降低泥餅厚度

圖4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：LP、FS對(duì)水基鉆井液體系的泥餅厚度的削減均能起到了一定作用，協(xié)同作用效果更明顯。針對(duì)不同的鉆井液體系，實(shí)泥餅厚度削減范圍在35%～45%，虛泥餅厚度削減范圍在30%～60%。

圖4 不同配方界面親和劑泥餅厚度檢測(cè)

2.1.2 提高泥餅強(qiáng)度

圖5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：LP、FS對(duì)水基鉆井液體系的泥餅均能起到了一定的增強(qiáng)作用。針對(duì)不同的鉆井液體系，泥餅強(qiáng)度增加范圍在100%～200%。

圖5 不同配方界面親和劑泥餅強(qiáng)度檢測(cè)

2.2 等效滲透率評(píng)價(jià)試驗(yàn)

按照上述的方法進(jìn)行操作及養(yǎng)護(hù)，利用滲透率測(cè)試儀測(cè)出不同樣品的絕對(duì)滲透率，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出：①同種鉆井液體系濾失時(shí)間越長(zhǎng)，虛泥餅厚度越厚，等效滲透率也逐漸變大，說明膠結(jié)界面處也就越疏松。②不同的鉆井液體系在相同濾失條件下所形成的濾餅也不盡相同，這取決于鉆井液固相含量及性能；一般來說，虛泥餅越厚等效滲透率越高，說明虛泥餅厚度是影響等效滲透率的主要因素。

表1 二界面等效滲透率數(shù)據(jù)表

2.3 第二界面膠結(jié)強(qiáng)度評(píng)價(jià)試驗(yàn)

按照上述的方法進(jìn)行操作及養(yǎng)護(hù)，利用抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)出不同樣品的二界面脫模力，然后再通過換算公式計(jì)算出其二界面膠結(jié)強(qiáng)度，原始數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出：①當(dāng)無泥餅存在時(shí)，膠結(jié)強(qiáng)度較好；當(dāng)有泥餅形成時(shí)，膠結(jié)強(qiáng)度都大大降低，說明泥餅的存在嚴(yán)重影響了固井二界面的膠結(jié)強(qiáng)度。②相同鉆井液體系在不同滲透率巖芯的濾失作用下，形成濾餅的厚度也有所不同。一般來說，滲透率較低的巖芯內(nèi)壁形成濾餅厚度也相對(duì)較薄。③相同鉆井液體系下，泥餅越厚二界面膠結(jié)強(qiáng)度越低；不同鉆井液體系所形成相同厚度的濾餅，二界面膠結(jié)強(qiáng)度也不盡相同，說明二界面的膠結(jié)強(qiáng)度不僅和濾餅厚度有關(guān)，而且和濾餅結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及鉆井液體系也存在著必然的關(guān)系。

表2 二界面膠結(jié)強(qiáng)度數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

（1）推出了一種固井二界面膠結(jié)質(zhì)量評(píng)價(jià)新方法，此評(píng)價(jià)方法一方面可以直接量化泥餅性能和二界面膠結(jié)強(qiáng)度；另一方面可以間接地表征出界面的滲透率，為定量研究鉆井液類型和性能對(duì)第二界面膠結(jié)質(zhì)量的影響奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

（2）研制了一種新型固井界面親和劑。該親和劑的引用不但可以削減泥餅厚度、增強(qiáng)泥餅強(qiáng)度；而且親和劑中的纖維鑲嵌在第二界面交界處與水泥形成“拖曳效應(yīng)”，提高界面膠結(jié)強(qiáng)度，為進(jìn)一步提高固井質(zhì)量提供技術(shù)保障。