固井作業中油基鉆井液對水泥漿的污染情況研究

張金生

（大慶鉆探工程公司鉆技一公司海外分公司，黑龍江 大慶 163000）

1 概述

油基鉆井液在井壁穩定、抗污染性、潤滑性等方面均具有獨特的優勢，特別是在頁巖地層、煤層氣地層和海上開采等特殊工況下可以有效提高鉆井安全性和鉆井效率?，F場實踐表明，使用油基鉆井液會顯著影響后續的固井質量。分析認為，這可能是由于油基鉆井液中的使用的油和乳化劑在某種程度上會與水泥漿發生物理和化學反應。因此油基鉆井液的污染會導致水泥漿的特性發生變化，這種情況會給完井作業帶來相應的技術難題。因此，研究固井過程中水泥漿被污染的原因是非常重要的，通過污染原因研究，可以進行相應的技術改進從而減少油基鉆井液對固井質量的影響[1-2]。

常見的油基鉆井液是以基礎油（柴油、白油、氣制油等）作為外相和以氯化鈣飽和鹽水作為內相配制的反相油包水乳液。此外，油基鉆井液中還添加了許多化工產品用以優化其各項性能，例如使用氧化鈣來中和脂肪酸、用聚丙烯酸酯來降低失水量、用潤濕劑來潤濕固相顆粒、使用有機膨潤土來提高粘度、使用加重劑（碳酸鈣或重晶石）來提高密度。

在固井過程中，固井水泥漿和油基鉆井液發生直接接觸，由于油基鉆井液中的水相礦化度相對較高，而水泥漿中的礦化度相對較低，在滲透力的作用下，水泥漿中的自由水會擴散到油基鉆井液中[3-4]。水泥漿的水化產物主要是水合硅酸鈣、氫氧化鈣和微量鐵/鋁，其中水合硅酸鈣是影響水泥漿強度的重要因素之一。如果水泥漿中的自由水減少，會直接影響其流動性、稠化時間和強度。

通過使用隔離液（如納米乳液隔離液）和在水泥漿中添加適當的添加劑可以降低頂替過程中鉆井液對水泥漿的污染[5-6]。但由于油基鉆井液對套管和井壁均有較強的附著力，難以完全清除，使置換效率不能達到100%。在固井作業期間，井筒中的殘留的油基鉆井液仍然會與水泥漿混合，因此，如何合理設計油基鉆井液和水泥漿從而減少相互污染是一直以來研究的重點內容之一。為了更好的了解油基鉆井液對水泥漿性能的影響并探索污染機制，本文研究了摻混不同油基鉆井液后對水泥漿流動度、稠化時間、強度、孔隙度和滲透率的影響，以期為固井作業提供技術支撐。

2 實驗部分

2.1 實驗材料

本實驗使用的水泥漿為深層水平井固井用水泥漿體系。使用的油基鉆井液為深層油基鉆井液體系，油相為柴油，具體配方為：3%有機土+柴油+20%飽和氯化鈣水+3.5%主乳化劑+1.5%輔乳化劑+2%氧化鈣；其中主乳的作用是為了形成結構穩定乳液、輔乳的作用是幫助乳化和潤濕分散在油基鉆井液中的重晶石和巖屑，有機土可以幫助提高粘度和動切力。

2.2 實驗方法

在高速攪拌條件下將不同比例的水泥漿和油基鉆井液直接混合，然后測試常溫流動度、高溫流動度、稠化時間、稠度、抗壓強度、膠凝強度、孔隙度和滲透率等常規性能。

3 結果與討論

3.1 油基鉆井液對水泥漿流動性能的影響

表1 為加入不同百分比的油基鉆井液后水泥漿性能的變化。

從表1數據可知，未摻混油基鉆井液的純水泥漿的常溫流動度為20cm，當摻混5%的油基鉆井液后，流動度小幅度增加為23cm；當摻混量達到25%后，其流動度降低為16.5cm，已經低于安全流動度18cm；當摻混量達到50%后，其流動度降低為9cm，已經無法使用。該固井水泥漿的初始稠度為24.6Bc，摻混5%的油基鉆井液后，稠度降低為20.5Bc，當油基鉆井液的摻混量達到25%時初始稠度增加到34.3Bc，將嚴重的影響頂替效率和最終固井質量。稠化時間的相關數據表明，當摻混油基鉆井液后稠化時間有所延長，未發生急劇縮短的現象，其中摻混5%的油基鉆井液后，稠化時間延長到450min，摻混25%的油基鉆井液后稠化時間延長到482min。摻混油基鉆井液的稠化時間與摻混水基鉆井液的現象正好相反，說明水泥漿被油基鉆井液污染后的主要現象是增稠。

表1 油基鉆井液對水泥漿流性能的影響

3.2 油基鉆井液對水泥石性能的影響

水泥漿被油基鉆井液污染后的性能見表2，污染后的外觀見圖1。養護條件為135℃×20.7MPa×48h。

從表2 和圖1 可知，被油基鉆井污染后，水泥石的抗壓強度和膠凝強度均大幅度降低，這會嚴重影響固 井質量。其中，未被污染的水泥漿的抗壓強度為18.1MPa、膠凝強度為3.5MPa、孔隙度為11.4%、滲透率為0.05mD。摻混5%的油基鉆井液后，水泥石的抗壓強度和膠凝強度分別降低至14.0MPa和2.1MPa，孔隙度和滲透率分別增加至15.6%和0.18mD。摻混25%的油基鉆井液后，水泥石的抗壓強度和膠凝強度分別大幅度降低至4.2MPa 和0.6MPa，降低了76.79%和82.86%；孔隙度和滲透率分別增加至32.5%和0.53mD，分別提高了185%和960%。當油基鉆井液的摻混量達到50%時，由于含油量過大，摻混后的水泥石難以形成完整形狀，結構非常松散，沒有強度（圖1c）。當油基鉆井液的摻混量達到25%時，水泥石出現大量肉眼可見的孔洞（圖1b）。同時，摻入油基鉆井液后，水泥石的孔隙率和滲透率大幅度增加。如圖2d所示，由于水泥顆粒被油基鉆井液包圍，形成蜂窩狀結構，可為井下流體提供通道，固井質量變得非常差。

表2 油基鉆井液對水泥石性能的影響

圖1 摻混油基鉆井液的水泥石外觀

4 結論

（1）油基鉆井液和水泥漿混合后，對水泥漿的各方面性能均有負面影響。

（2）加入油基鉆井液顯著降低了水泥石的抗壓強度和粘結強度。此外，油基鉆井液的油相在水泥骨架顆粒之間也會產生潤滑作用，導致水泥石骨架顆粒在外力作用下容易滑移。

（3）油基鉆井液的存在會導致水泥漿的塑性粘度和動切力增加。油基鉆井液中的潤濕劑與水泥顆粒接觸后改變了Zeta電位值，從而使水泥漿顆粒可以被油基鉆井液的油相潤濕，從而阻礙了水泥水化產物的形成。