摘 要

摘　要：固井中由于環(huán)空繞流等原因會(huì)造成水泥漿和鉆井液摻混，現(xiàn)場(chǎng)相容性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鉆井液中的生物增黏劑會(huì)引發(fā)混漿流動(dòng)性急劇變差，致使施工作業(yè)泵壓快速升高，嚴(yán)重時(shí)將有可能導(dǎo)

摘　要：固井中由于環(huán)空繞流等原因會(huì)造成水泥漿和鉆井液摻混，現(xiàn)場(chǎng)相容性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鉆井液中的生物增黏劑會(huì)引發(fā)混漿流動(dòng)性急劇變差，致使施工作業(yè)泵壓快速升高，嚴(yán)重時(shí)將有可能導(dǎo)致固井失敗。為此，開(kāi)展了生物增黏劑對(duì)水泥漿性能及結(jié)構(gòu)的影響實(shí)驗(yàn)：①用紅外光譜、X射線衍射儀、掃描電鏡對(duì)摻入生物增黏劑前后的水泥漿的結(jié)構(gòu)、物相和微觀形貌進(jìn)行觀察對(duì)比；②用原子吸收分光光度計(jì)分析水泥漿濾液的離子種類及含量，并考察水泥漿濾液中金屬離子對(duì)鉆井液和生物增黏劑溶液的影響。結(jié)果表明，生物增黏劑造成混漿流動(dòng)性變差的機(jī)理在于：水泥漿與鉆井液摻混后，生物增黏劑與水泥漿水化產(chǎn)生的Al³⁺、Fe³⁺交聯(lián)形成凝膠并大量包裹吸附水；混漿中維持其流動(dòng)性的自由水顯著減少，使得混漿流動(dòng)性急劇變差；混漿出現(xiàn)“假凝”，表現(xiàn)為稠化時(shí)間顯著縮短；水泥漿水化進(jìn)程延緩表現(xiàn)為水泥環(huán)抗壓強(qiáng)度發(fā)展緩慢。

關(guān)鍵詞：生物增黏劑  水泥漿  接觸污染  作用機(jī)理  交聯(lián)  凝膠

Impact of a biological tackifier in a drilling fluid system on the performance and structure of a cement slurry

Abstract：Cement slurry and drilling fluid will mix due to the annular streamin9．The test of assessing the compatibility between a cement slurry and a drilling fluid showed that a biological tackifier in a drilling fluid caused a bad mobility of the mixture，quick pressurization of operation pumps，and even cementing failures．Therefore，we conducted tests on the impact of a biological tackifier on the performance and structure of a cement slurry．First，we observed and compared the structure，phase and microstructure of a cement slurry with infrared spectroscopy，X-ray diffraction instrument and SEM before and after adding a biological tackifier．Then，we analyzed the types and contents of ions of the filtrate in a cement slurry with atomic absorption spectrophotometer，and inspected the impact of metal ions in a cement slurry filtrate on the drilling fluid with a biological tackifier．Test results revealed the mechanism of how a biological tackifier caused a bad mobility of the mixture：after a cement slurry and a drilling fluid were mixed，Al³⁺ and Fe³⁺ produced by the hydration of the biological taekifier and the cement slurry were cross linked to form a gel to wrap and adsorb a large amount of water；so free water making the mixture flow was obviously decreased，thereby to make the mobilitv of the mixture worse sharply；“mendacious congealing”of the mixture obviously shortened the thickening time；and the delay of the cernent slurry hydrating process was represented by a slow increase in the compressive strength of cement sheath．

Keywords：biological tackifier，cement slurry，exposed pollution，mechanism，cross link,gel

鉆井液與水泥漿的理化性能不同，固井中由于環(huán)空繞流等原因會(huì)造成兩者摻混而產(chǎn)生接觸污染，混漿段流體因化學(xué)不兼容出現(xiàn)流動(dòng)性驟然惡化^[1-3]。接觸污染的危害在于：混漿段流動(dòng)阻力增大影響頂替效率，泵壓快速升高可能壓漏薄弱層而造成注水泥“低返”與“漏封”；混漿高觸變性可能造成“插旗桿”事故等^[4]。目前解決接觸污染的技術(shù)措施有：①開(kāi)展井下不同流體相容性試驗(yàn)，反復(fù)調(diào)節(jié)工作液配方，以改善混漿流動(dòng)性；②調(diào)整鉆井液性能并使用隔離液^[5-7]。但深井固井實(shí)踐表明，混漿難以避免，而某些鉆井液處理劑在摻混比例極小時(shí)仍造成混漿流動(dòng)性惡化是接觸污染難以解決的根本原因之一。在接觸污染研究方面，馬勇^[8-9]等對(duì)鉆井液與水泥漿化學(xué)不兼容原因進(jìn)行了分析；楊香艷^[10-11]提出了“兩漿”相互干涉模型；劉世彬^[2]等進(jìn)行了固井水泥漿防污染試驗(yàn)并篩選了對(duì)水泥漿有促凝作用的鉆井液處理劑；Joel等^[12]和Fakhreldin等^[13]對(duì)受水泥污染后的鉆井液性能進(jìn)行了研究；但上述研究還未探明接觸污染機(jī)理。固井實(shí)踐發(fā)現(xiàn)生物增黏劑、KPAM、JD-6等鉆井液處理劑對(duì)水泥漿流動(dòng)性影響最大^[14-15]。就此開(kāi)展了生物增黏劑對(duì)水泥漿性能與結(jié)構(gòu)影響研究，以探明接觸污染作用機(jī)理。

1　實(shí)驗(yàn)材料及方法

1．1　實(shí)驗(yàn)材料及儀器

實(shí)驗(yàn)所用材料包括G級(jí)油井水泥、鉆井液(取自L002 4井現(xiàn)場(chǎng)，密度2.26g／cm³)、生物增黏劑、鐵礦粉、石英砂、微硅、分散劑、降失水劑、緩凝劑、FeCl3、A1C13、CaCl2、MgCl2等，水泥漿配方為L002-4井固井水泥漿配方(常規(guī)密度1.90g／cm³，高密度2.30g／cm³)。實(shí)驗(yàn)儀器如表1。

 

1．2　實(shí)驗(yàn)方法

依據(jù)GB／T l9139—2012《油井水泥試驗(yàn)方法》和GB／T 5005—2010《鉆井液材料規(guī)范》測(cè)試水泥漿與鉆井液性能。首先研究了生物增黏劑對(duì)水泥漿性能與結(jié)構(gòu)的影響：①配制1.90g／cm³的水泥凈漿，考察生物增黏劑對(duì)水泥漿常規(guī)性能的影響，其中水泥漿流動(dòng)度的測(cè)定依據(jù)GB／T 8077—2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行，水泥漿的高溫流動(dòng)度是將水泥漿在90℃水浴中養(yǎng)護(hù)30min后測(cè)定其流動(dòng)度^[16]；②用X射線衍射儀對(duì)摻入生物增黏劑前后的水泥漿試樣進(jìn)行對(duì)比分析，考察是否有新物相生成；③用紅外光譜儀測(cè)定生物增黏劑基團(tuán)；④用掃描電鏡觀察摻入生物增黏劑前后水泥石微觀形貌變化。

鑒于水泥漿水化產(chǎn)生的各類離子也可能對(duì)鉆井液產(chǎn)生影響，因此研究了水泥漿濾液對(duì)生物增黏劑溶液和鉆井液的影響：①使用高溫高壓失水儀獲得水泥凈漿、常規(guī)密度水泥漿和高密度水泥漿的濾液，使用原子吸收分光光度計(jì)確定濾液中所含金屬離子種類及含量；②測(cè)試金屬離子對(duì)生物增黏劑溶液的影響；③研究溫度和pH值對(duì)加入金屬離子后的生物增黏劑溶液的影響；④水泥漿濾液對(duì)鉆井液的影響。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2．1　生物增黏劑對(duì)水泥漿常規(guī)性能影響

生物增黏劑對(duì)常規(guī)密度水泥漿常規(guī)性能的影響見(jiàn)表2、3。

 

 

由表2可知，生物增黏劑加量0.3％以上會(huì)使水泥漿喪失流動(dòng)度，加量較小時(shí)就對(duì)水泥漿流動(dòng)度影響明顯；由表3可知，加入生物增黏劑急劇縮短水泥漿稠化時(shí)間。

2．2　加入生物增黏劑后水泥石的XRD分析

水泥凈漿與加入0.3％生物增黏劑的水泥漿的XRD圖譜如圖1。由圖1可知水泥中物相主要有Ca(OH)2、C3S、C3A、C3AF等。加入生物增黏劑后Ca(OH)2的特征峰(2q＝18°、34°、47°、52°左右)強(qiáng)度下降，可能是加入生物增黏劑水泥水化過(guò)程延緩。除Ca(OH)2的特征峰外，其他各物相結(jié)構(gòu)特征峰的強(qiáng)度無(wú)明顯變化，并且所有物相結(jié)構(gòu)的特征峰均一致重合，說(shuō)明摻入生物增黏劑水泥漿沒(méi)有新物相生成。

 

2．3　紅外光譜分析

生物增黏劑的紅外光譜分析圖見(jiàn)圖2。由圖2可知其主要有羥基、羧基、醛酮基、酯基等。其b主鏈上含有D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸。每8個(gè)殘?zhí)腔?/span>D-葡萄糖醛酸有一個(gè)甘露糖支鏈。每16個(gè)殘?zhí)腔赡苡?/span>1個(gè)1-羧基-亞乙基D葡萄糖。

 

水泥凈漿與加入0.3％生物增黏劑的水泥漿的紅外光譜圖如圖3所示。由圖3可知，與水泥凈漿相比，加入0.3％生物增黏劑后水泥石中C3S的特征峰強(qiáng)度(871cm^-1，521.04cm^-1，440.55cm^-1)有所增加，可能是生物增黏劑在一定程度上抑制了C3S的水化。

 

2．4　水泥漿濾液中金屬離子種類及含量

使用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定水泥漿濾液中金屬離子種類及含量，結(jié)果見(jiàn)表4，水泥濾液中金屬離子主要有Ca²⁺、Fe³⁺、Ma²⁺、Al³⁺。

 

2．5　水泥漿濾液中金屬離子對(duì)生物增黏劑溶液和鉆井液的影響

配制0.5％生物增黏劑溶液(圖4)，分別在其中加入0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％的FeCl3、CaCl2、AlC13、MgCl3，結(jié)果如下：①加入Al³⁺后，溶液迅速生成大量半透明白色獨(dú)立的小粒徑球狀凝膠，里面包裹了大量的水，隨著加量增大，凝膠量不斷增多，直到加量0.4％后不再變化；②加入Fe³⁺后，溶液迅速生成大量棕黃色獨(dú)立的小粒徑球狀凝膠，里面包裹了大量的水，隨著加量增大，凝膠體積不斷增大，直到加量0.4％后不再變化(圖5)；③加入Mg²⁺和Ca²⁺后溶液無(wú)明顯變化。

 

 

考察了溫度對(duì)加入Al³⁺和Fc³⁺后的生物增黏劑溶液的影響，溫度選取30℃、50℃、70℃、90℃，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，凝膠物質(zhì)略微減少且溶液變清，但90℃后仍有大量凝膠物質(zhì)。用NaOH調(diào)節(jié)溶液pH值分別至9、10、11、12、13，考察了pH值對(duì)加入Al³⁺和Fe³⁺后的生物增黏劑溶液的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著pH值的增大，溶液無(wú)明顯變化，在此pH值范圍內(nèi)溶液均有凝膠生成；當(dāng)pH高于11后，溶液先產(chǎn)生凝膠，繼而沉淀于杯底。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是：生物增黏劑的側(cè)鏈上含有羧基，可與水泥漿水化產(chǎn)生的A1³⁺、Fe³⁺這2種金屬離子發(fā)生交聯(lián)，形成凝膠并大量包裹吸附水。

將3種水泥漿濾液加入到鉆井液后，鉆井液的流動(dòng)度與流性指數(shù)見(jiàn)表5。

 

由表5可知，當(dāng)將3種水泥漿濾液加入鉆井液后，均出現(xiàn)流動(dòng)度迅速下降，流性指數(shù)明顯降低的現(xiàn)象。隨著水泥漿濾液比例的增加，流動(dòng)度與流性指數(shù)下降的趨勢(shì)更加明顯。

2．6　加入生物增黏劑后水泥漿的SEM分析

生物增黏劑加入水泥漿后，將不同階段的水泥漿迅速用液氮冷凍，使其不再繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，24h后取出用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察其微觀形貌，對(duì)不同階段的水泥結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，水泥凈漿和加入0.5％生物增黏劑后的水泥漿在不同時(shí)間段的SEM圖(放大10000倍)如圖6所示。

 

由圖6可知：生物增黏劑加入水泥漿中，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加聚合成網(wǎng)，形成比較大的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，同時(shí)自由水因?yàn)檫@種反應(yīng)而被圈閉，微觀圖像中孔洞也隨之減少，直至稠化。這種微觀上的變化，在宏觀上的表現(xiàn)即是混漿中的水分不斷減少，造成流動(dòng)度不斷降低，直至失去可泵性。

2．7　生物增黏劑對(duì)水泥漿的接觸污染機(jī)理

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探討生物增黏劑在鉆井液和水泥漿的接觸污染中所起的作用包括以下方面。

1)水泥與水拌和所形成的水泥漿可視為一個(gè)粗分散體系，水泥漿中的水一方面保證水泥水化過(guò)程的進(jìn)行，另一方面以自由水形式來(lái)維持水泥漿的流動(dòng)性。隨著水化的進(jìn)行，水泥漿產(chǎn)生大量的Ca²⁺、Fe³⁺、Mg²⁺、Al³⁺。

2)鉆井液是由膨潤(rùn)土、水、各類處理劑、加重劑組成的多相分散體系，生物增黏劑等處理劑在其中起到維持體系性能的作用。

3)由于井眼條件和套管居中度等因素會(huì)造成環(huán)空偏心窄間隙，易導(dǎo)致井下流體流速差異而造成水泥漿與鉆井液的混漿。

4)混漿后，水泥漿水化產(chǎn)生的Fe³⁺、Al³⁺等高價(jià)金屬離子與鉆井液中的生物增黏劑等聚合物接觸，Fe³⁺和Al³⁺等與生物增黏劑側(cè)鏈中的羥基、羧基等基團(tuán)交聯(lián)生成凝膠，凝膠大量包裹吸附混漿中的自由水，使得混漿中維持其流動(dòng)性的自由水顯著減少，混漿流動(dòng)度急劇降低；凝膠的產(chǎn)生使得混漿的稠度快速增加，表現(xiàn)為混漿出現(xiàn)“假凝”，稠化時(shí)間大為縮短；凝膠大量包裹吸附水也使得水泥水化進(jìn)程延緩，表現(xiàn)為水泥石抗壓強(qiáng)度發(fā)展緩慢。

3　結(jié)論

1)鉆井液與水泥漿摻混后，鉆井液中的生物增黏劑是使混漿段流體出現(xiàn)流動(dòng)性惡化、水泥漿稠化時(shí)間縮短等現(xiàn)象的影響原因之一。

2)生物增黏劑加入水泥漿，未與水泥中各組分直接發(fā)生反應(yīng)，沒(méi)有新物質(zhì)生成，但水泥水化進(jìn)程延緩；生物增粘劑的側(cè)鏈上含有羧基，可與高價(jià)金屬離子發(fā)生交聯(lián)，形成凝膠。

3)水泥漿與鉆井液的接觸污染原因之一在于：鉆井液中的生物增黏劑等處理劑與水泥漿水化產(chǎn)生的A1³⁺、Fe³⁺等高價(jià)金屬離子交聯(lián)形成凝膠并大量包裹吸附水，使得混漿中維持其流動(dòng)性的自由水顯著減少，混漿流動(dòng)度明顯降低；稠度快速增加使得混漿出現(xiàn)“假凝”現(xiàn)象，稠化時(shí)間大為縮短；水泥水化進(jìn)程延緩使得水泥石強(qiáng)度發(fā)展緩慢。

4)水泥漿與鉆井液的接觸污染原因復(fù)雜，開(kāi)展單一處理劑對(duì)水泥漿性能與結(jié)構(gòu)的研究，有助于指導(dǎo)固井前鉆井液調(diào)整和鉆井液處理劑選型。

 

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本文作者：李明  楊雨佳  張冠華  鄭友志  程小偉  郭小陽(yáng)

作者單位：西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

  “油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

  中國(guó)石油西南油氣田公司采氣工程研究院