矿渣MTC固化泥饼能力及其行为原因分析

矿渣MTC能不能实现泥饼的固化胶结,是否能提高第二界面胶结强度,对矿渣MTC的推广应用极其关键,为此系统比较了矿渣MTC水泥浆与油井水泥浆在没有泥饼、普通钻井液泥饼、多功能钻井液泥饼3种情况下的界面胶结性能,并对泥饼固化的原因进行了分析研究.实验结果表明,没有泥饼存在时,油井水泥浆的胶结性能明显优于矿渣MTC;普通泥饼存在时,水泥浆和MTC均不能得到令人满意的胶结性能;油井水泥浆不能使多功能钻井液泥饼固化胶结,而矿渣MTC能够实现多功能钻井液泥饼的固化胶结.结果还表明,泥饼固化的首要条件是泥饼中必须含有胶凝材料,由于普通泥饼中没有胶凝材料,所以不论是什么固井液都不能使其固化.而矿渣的活性是潜在的,只有被激活才能发挥胶凝性能,因此油井水泥浆无法与多功能钻井液泥饼发生同步的水化固化反应,只有矿渣MTC浆体与多功能钻井液泥饼相遇,才能既保证有胶凝组分的存在又具有足以激活矿渣水化的可溶性激活组分,从而有效实现泥饼的固化,提高固井质量.     

泥饼固化提高固井二界面胶结强度的微观分析

采用XRD、ESEM-EDX和TG-DSC测试分析方法,对泥饼固化提高固井二界面胶结强度的机理进行了研究。结果表明,泥饼固化法制备的固井二界面凝饼中生成了水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和沸石类凝胶。它们是由泥饼改性剂中的活性物质、黏土矿物被溶蚀析出的活性物质、水泥水化产生的水化离子和凝饼形成剂共同作用形成的。这些胶凝物质填充在黏土矿物和钻井岩屑之间,并将之粘接在一起,相互胶结形成了连续相,实现了固井二界面的整体固化胶结。图7表1参12     

MTA方法固井二界面整体固化胶结实验

基于泥饼仿地成凝饼的科学构想,采用力学性能评价(如胶结强度)、微观结构分析(如X射线粉末衍射分析、热失重分析、环境扫描电子显微镜分析)和流体溶蚀实验等方法对MTA方法固井二界面整体固化胶结进行了实验研究。研究结果表明:随着养护时间的延长,用MTA方法得到的固井二界面胶结强度较目前提高了37.81%~1 606.31%;泥饼与水泥浆发生了局部的同步水化硬化反应,且生成了少量的团状水化硅酸钙(CSH(Ⅰ))凝胶和片沸石类凝胶,显示固井二界面整体固化胶结;流体溶蚀实验表明,采用目前方法,养护成型的样品浸泡28 d后,泥饼还原成了浑浊的稀钻井液,而用MTA方法得到的凝饼与水泥硬化体已胶结为一体,且凝饼未被溶蚀,表现为杯内流体仍清澈。这印证了两个事实:一是泥饼仿地成了凝饼,二是固井二界面已整体固化胶结。图6表1参16     

养护时间和泥饼改性剂对固井二界面胶结强度的影响

建立了切合实际的固井二界面仿真实验系统和评价方法,包括仿地井筒制备、泥饼形成、样品养护和固井二界面胶结强度测试。以取自油田的相关样品为基础,研究了养护时间和泥饼改性剂加量对固井二界面胶结强度的影响。在38℃、75℃、90℃下,无论泥饼改性剂是2%或是3%,固井二界面胶结强度均随养护时间的延长而增大,且从2 d到7 d增长较快,而从7 d到14 d增长趋于平缓,最大胶结强度达1.142 MPa。在上述不同温度、不同养护时间条件下,泥饼改性剂加量由0%增至3%,固井二界面胶结强度逐渐增加。在3%泥饼改性剂加量、养护时间14 d的条件下低温养护下的二界面胶结强度高于高温养护下的强度。论述了泥饼改性剂和凝饼形成剂的联合作用所产生的胶凝效应和微骨料效应。     

地聚物基油气井固泥材料

地聚物是一类由碱激发剂和胶凝材料制备而成的、由SiO₄和AlO₄四面体单元组成的具有三维立体网状结构的无机聚合物材料。该类材料具有力学性能优异、与无机基材黏结强度高和流动性良好等特点。针对油气井中残余的泥饼导致水泥浆无法有效黏结“固井二界面”的问题,通过添加偏高岭土MK与油井钻井液中的黏土同构地聚物达成油井固泥效果。通过水玻璃和偏高岭土制备了低黏度、高渗透率的地聚物基固泥材料。该地聚物基固泥材料的玻璃模数为1.5,MK添加量为2.5%,其在常压和高压环境下均能渗入泥饼;经90 ℃固化10 h后泥饼的抗压强度分别为3.0 MPa和1.0 MPa;同时,固化后的泥饼能提高固井二界面的胶结性能,“地层-水泥”界面和“套管-水泥”界面的胶结强度分别为0.6和1.0 MPa。X射线衍射分析结果表明,MK的加入虽然无法改变最终固化后泥饼的结晶性能,但适量加入MK能提高胶凝材料的含量,从而进一步提高固化后泥饼的抗压强度和胶结强度。      

固井二界面泥饼的固化反应

对比考察了现有技术和泥饼固化(MCS)技术的固井二界面胶结强度,通过环境扫描电子显微镜(ESEM)考察了固井二界面泥饼的微观形貌,并通过差示扫描量热仪(DSC)测试对固化反应动力学进行了动态分析。实验结果表明,95℃水浴养护3 d、7 d和15 d条件下,MCS技术的固井二界面胶结强度分别较现有技术的平均提高了439.33%、471.37%和194.11%。ESEM分析表明,MCS技术使固井二界面胶凝固化为一个胶结致密整体,泥饼固化效果显著。在泥饼固化剂作用下,泥饼发生了溶蚀-胶凝固化反应,实现了固井二界面整体固化胶结。Kissinger法和Ozawa法求取的固化反应表观活化能分别为101.33 k J/mol和106.55 k J/mol;固化反应级数为0.95,泥饼固化反应是由多个简单反应复合而成的复杂反应。     

固井二界面问题与泥饼仿地成凝饼科学构想

研究了固井二界面封隔失效机理。给出了相应的实验证据。实验研究表明,固井二界面问题的根源是镶嵌干水泥浆与地层岩石之间的泥饼。据此提出了泥饼仿地成凝饼（MTA）解决固井二界面问题的科学构想,并阐述了MTA的研究方法和技术关键。结论认为．实现基于MTA的油井水泥浆一泥饼一地层岩石的整体固化胶结．才能从源头上解决固井二界面问题．满足油气开采的需要。     

泥饼厚度对固井二界面胶结强度的影响

泥饼夹在水泥浆和地层之间,其质量会直接关系到固井二界面的胶结质量.用现场钻井液在自制的仿制井筒上形成不同厚度的泥饼,然后注入水泥浆养护一定时间.通过测出不同样品的二界面抗压强度,计算出二界面胶结强度.实验结果表明,随着泥饼的增厚,二界面胶结强度显著降低,根据拟合趋势线得出二界面胶结强度与泥饼厚度呈指数关系,当泥饼厚度达到5 mm时,固井二界面胶结强度将降为零.分析其根本原困在于,泥饼的内部结构并不是均一的,而是连续变化的,越靠近地层,泥饼越致密,泥饼的强度越大,与地层的胶结也越好,但是越靠近水泥浆,泥饼越疏松,孔隙度和渗透率越大,其强度越弱,二界面的胶结强度也就越小.     

一种页岩气井表层套管和技术套管固井用泥饼固化剂

为进一步解决页岩气井表层套管和技术套管环空带压难题,介绍了一种适用于水基钻井液条件下的泥饼固化剂GJE.性能评价结果表明,采用GJE的固井二界面胶结强度较未采用GJE的固井二界面胶结强度提高了24.65～29.67倍,且GJE与页岩气井表层套管和技术套管用钻井液、前置液和弹韧性防气窜水泥浆体系具有良好的相容性,满足固井...     

渗透固结型环氧树脂基油气井常温固泥材料

在油气井钻井过程中固井二界面胶结强度低是导致固井环气窜问题的重要原因。采用含可反应稀释剂的低黏度、高渗透性的环氧树脂（HP环氧树脂）与水泥浆共混,混合水泥浆中的环氧树脂在高压下可以渗透扩散至泥饼中,经固化后可明显改善水泥浆和泥饼之间的界面胶结强度。实验结果表明,HP环氧树脂自身固化具有较高的抗压性能,加入表面活性剂Tween-80可提高其与水泥浆的相容性,形成均一的体系,HP环氧改性水泥浆的各项性能指标符合工程需求。通过接触角、SEM等测试验证了环氧树脂通过“渗入-扩散-胶结”来增强界面黏接力的机理。结果表明, HP环氧树脂占比为5%的共混水泥浆,其1 d的抗压强度为24.3 MPa,用其进行泥饼胶结时,固化1 mm厚泥饼的胶结强度可达0.45 MPa,如果将HP环氧树脂的含量升至10%,胶结强度还能进一步提升至0.55 MPa。从微观形貌中可以看出,HP环氧树脂从水泥浆中渗透扩散至泥饼中,使得形成的泥饼界面更加致密,从而提高改性水泥浆-泥饼界面的胶结强度。      

基于地质聚合物原理实现泥饼固化的固井质量改善方法

钻井液在井壁上形成的一层不可固化的泥饼是固井二界面质量出现问题的主要因素,而泥饼固化技术是解决固井二界面问题的新思路。笔者结合矿渣固化泥饼技术和MTA固井技术的优势,提出了基于地质聚合物原理实现泥饼固化的新思。实验研究结果表明,在钻井液中加入偏高岭土和超细矿渣2种潜活性材料,当膨润土、偏高岭土和超细矿渣的比例为3︰3︰1时,钻井液形成的泥饼在激活剂的作用下能够具有较高强度;激活参数优化结果表明,激活剂硅酸钠的最佳加量为偏高岭土加量的72%,用于激活矿渣的氢氧化钠最佳加量为偏高岭土加量的2%,最优激活时间为15 min。此外,研究了偏高岭土和超细矿渣与钻井液的配伍性,发现2种材料对钻井液性能影响较小。通过泥饼固化实验结果显示,钻井液基浆的泥饼强度提高了63倍,2种钻井液体系的泥饼强度分别提高了16倍和20倍,表明该技术具有广阔的研究前景。      

提高二界面胶结质量的矿渣钻井液滤饼可固化技术

难以固化的滤饼直接导致固井第二界面胶结质量差。为提高第二界面胶结质量,基于矿渣受碱激发特性,提出矿渣钻井液滤饼可固化技术,并进行了研究,考察了矿渣钻井液滤饼对第二界面胶结性能的影响;对该技术配套冲洗液进行研究;通过XRD测试分析滤饼物相组成及作用机理。结果表明,矿渣钻井液滤饼可固化技术有助于提高第二界面胶结强度,改善第二界面胶结形貌;配套冲洗液显著提高上述技术效果;矿渣钻井液滤饼具有潜在固化活性,经冲洗液渗透、预激活,并与水泥浆成分交换,共同水化,生成C-S-H凝胶,包覆、连接固相颗粒,填充结构孔隙,实现滤饼、水泥环整体固化,第二界面胶结强度提高。研究表明,矿渣钻井液滤饼可固化技术与配套冲洗液技术有助于提高第二界面胶结质量,该研究对无机矿物凝胶材料在钻井液中的应用,特别是工业废料的环境保护再利用,具有科学的理论指导意义。      

固井过程中井壁虚泥饼的可冲刷性研究

井壁泥饼的存在对固井质量的影响很大,往往会造成水泥环第二界面胶结变差,引起油气水窜,破坏井筒密封完整性。从流体的剪切应力出发,分析了水泥浆在偏心环空下产生的壁面剪应力大小。并利用水利工程中河流泥沙起动理论,分析了要冲刷掉泥饼需要的临界起动剪应力。最后通过比较环空各处2个力的大小,确定环空泥饼的可冲刷性。能够清晰反映固井过程中环空每个周相角下和整个环空的泥饼可冲刷性。研究表明,泥饼颗粒和厚度对泥饼可冲刷性影响很大,套管偏心也会对其产生影响。     

提高水泥环第二界面胶结质量的固井技术

文章深入分析了水泥环第二界面胶结质量的影响因数,指出改善固井质量是一个系统工程。介绍了旋流固井工艺技术以及该技术在苏北洲城油田中的运用情况。实际应用表明,该工艺技术基本解决了现有固井工艺技术不能很好清除粘覆在井壁上的泥饼问题以及不规则椭圆或葫芦状井眼水泥浆顶替效率低下问题,能明显提高水泥环第二界面的胶结质量。     

钻井液造壁性对固井质量的影响

为更真实地考察水基钻井液与固井质量的关系，建立了评价固井第二界面胶结强度的新方法——人造岩心法。通过测定在聚磺钻井液中浸泡24h形成吸附层的铁棒和高温高压滤失实验后形成滤饼的人造岩心经3种不同方式处理后形成的第一、第二界面胶结强度，得出了造壁性影响固井质量的一般规律。研究表明，对铁棒上的吸附层和人造岩心上的滤饼进行部分清除后，两界面的胶结强度均高于未处理的铁棒和岩心与水泥浆的胶结强度；对铁棒和岩心采用特制的冲洗液进行冲洗后，两界面的胶结强度大为改善，比清除部分吸附层和虚滤饼的铁棒和岩心与水泥浆的胶结强度还高。     

一种油井水泥石高温稳定剂

针对普通加砂水泥石经受高温后抗压强度衰退的问题,研发出一种油井水泥石高温稳定剂,该稳定剂对水泥浆的稠化时间、水泥石常温强度发育、流变性无副作用,与油井水泥外加剂配伍性良好,形成的水泥石高温下（320℃、450℃）抗压强度不衰退,优于加砂水泥石及超细二氧化硅水泥石。同时加入高温稳定剂的水泥浆还具有很好的胶结强度,约是加砂水泥石环的4倍,超细二氧化硅水泥石环的3.5倍。该高温稳定剂在蒙古林油田现场应用2口井,整个施工过程顺利,固井质量较好,一二界面胶结质量良好,具有良好的应用前景。     

非渗透性低失水水泥浆保护储层的机理研究

固井水泥浆会对储层造成损害已是不争的事实。实验分析和理论研究表明：①高pH值条件下水泥浆中的大量过饱和无机物离子与地层水作用将产生大量结晶物和沉淀物（诸如Ca(OH)₂、CaCO₃、CaSO₄等），它们进入储层必然会缩小裂缝和孔喉，导致储层导流能力下降而损害储层；②钻井液动态污染后，若去掉外滤饼，再经水泥浆污染后岩心的整段渗透率恢复值只有35%～45%，此时仅靠内滤饼作用，油层保护效果不是太好，固相颗粒侵入深度将超过5.5 cm；钻井液动态污染后，若不去掉外滤饼，再经水泥浆污染后岩心的整段渗透率恢复值高达60%～70%，此时内外滤饼共同作用，油气层保护效果较好，固相颗粒侵入深度将只有2.5 cm。这说明外滤饼的存在对水泥浆的固相和液相确有很大的阻渗作用，而以降失水剂RC800为主配出的非渗透性低失水水泥浆会在近井壁地带形成一层高分子薄膜，阻止了水泥浆固相和滤液侵入储层，它相当于恢复了因要提高固井质量而人为破坏了的外滤饼的作用，从而保护了油气储层。     

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以高炉矿渣为水化材料，使钻井液转化为水泥浆固井技术，与多功能钻井液固井工艺技术相结合，井壁形成可固化的坚硬的泥饼，有助于地层封隔，减少或阻止循环漏失和固井注水泥中水泥浆通过漏失层位的液柱回落。多功能钻井液可以提高井眼的完整性和固井注水泥质量。文中介绍对调整井设计密度为１．１６ｇ／ｃｍ３，用高炉矿渣代替重晶石加重的多功能钻井液。试验研究了矿渣钻井液固化液在多功能钻井液中的扩散过程和矿渣钻井液固化液的抗压强度、流变性、稳定性等性能。研究结果表明：矿渣钻井液固化液中的激活剂能扩散到泥饼和残留于环空中的钻井液中，使钻井液滤饼和残留于环空中的钻井液全部固化，实现第一界面、第二界面的良好胶结，防止油气水窜，提高固井质量。矿渣钻井液固化液抗压强度高，流变性和稳定性好，有利于提高固井质量。多功能钻井液固井技术对提高水平井固井质量有较大的技术优势，建议研究应用。     

井壁强化与堵漏双作用可钻水泥实验研究

针对常规复合堵漏材料之间无胶结、易被钻井液冲刷、使用油井水泥堵漏会造成新井眼的问题,研究开发了井壁强化与堵漏双作用可钻水泥。将超细碳酸钙粉体加入新型胶凝材料硫铝酸盐水泥中,调节胶凝材料的可钻性,研究表明,当超细碳酸钙粉体的加入量不大于7%时,水泥凝胶材料的强度随粉体加入量的增加而增加,而当粉体的加入量大于7%时,水泥凝胶材料的强度随粉体加入量的增加而减小,即可钻性变好;在硫铝酸盐中加入0.4%减水剂、0.3%提黏剂、0.6%缓凝剂时,其稠化时间达到155 min,为安全施工提供了条件;在可钻水泥中加入12%鳞片状云母、1%纤维、1.5%石灰岩颗粒作为堵漏剂,较好地增强了体系堵漏性能,能够较好地封堵3 mm和5 mm缝板裂缝。可钻水泥的研发为实现钻井过程中井壁强化与堵漏双作用提供了技术保障。