用多功能钻井液设计超低密度矿渣水泥浆

本文针对陕甘宁盆地中部低渗透天然气田低压易漏地层二级固井中存在的问题，利用高炉矿渣、漂珠的潜在活性及比重较小的特点，结合多功能钻井液固井技术的优点，用多功能钻井液设计超低密度（１２０ｇ／ｃｍ３～１４０ｇ／ｃｍ３）矿渣水泥浆。用该水泥浆为领浆和纯Ｇ级水泥浆为尾浆对天然气井进行一次性注水泥固井，替代分级固井技术。室内研究结果表明：超低密度矿渣钻井液固化液中激活剂可以扩散到滤饼和残留的多功能钻井液中，使套管、水泥石和地层三者之间达到完整的胶结，使地层封隔效果良好，水泥石抗压强度高，水泥浆流变性好，体系稳定，稠化时间满足现场施工要求，并解决了分级固井技术中存在的固井质量问题。     

提高第二界面固井质量的钻井液与前置液研究

针对提高第二界面固井质量的问题．研究出了多功能钻井液和SF-1冲洗前置液。对这两种体系的性能评价表明：加入矿渣后多功能钻井液的滤失量大大降低．泥饼的胶结强度提高，从而降低了钻井液对地层的损害；加有活性组分的SF-1前置液具有较强的稀释钻井液、降低粘度和切力的作用，提高了钻井液和水泥浆的相容性。现场应用表明．多功能钻井液须与MTC固井液配合使用．才具有提高第二界面固井质量的效果；SF-1前置液改善了水泥环与套管和水泥环与井壁的胶结环境．增强胶结力，提高了水泥浆的顶替效率．有效地提高了固井质量。密度介于钻井液与水泥浆之间的加重前置液在现场使用效果良好．固井质量优质，钻井液与水泥浆界面清晰。     

多功能钻井液可提高固井质量

矿渣是一种潜在的水硬材料,在水基钻井液中加入少量细目矿渣即配成多功能钻井液。固井时,用多功能钻井液和矿渣,并加适量激活剂即配制成矿渣钻井液固化液,可实现固井。文中介绍了多功能钻井液的性能和固化试验,矿渣钻井液固化液中激活剂扩散试验及抗压强度、流变性、稳定性、初终凝时间和硫酸盐侵蚀试验。认为,多功能钻井液在井下条件下,时间长了也可固化;激活剂能扩散到滤饼和未被顶替走的多功能钻井液中促其固化;矿渣水泥石能抗硫酸盐侵蚀,可满足固井要求。多功能钻井液提高固井质量技术特别适用于大位移井、水平井固井。     

多功能完井液和高密度矿渣固井液技术研究

针对泥饼对固井质量的影响和调整更新井固井的技术难点,结合泥浆转化水泥浆技术,配制了多功能完井液,配合高密度矿渣固井液代替纯水泥在调整更新井封固油层,多功能完井液形成的泥饼厚度在小于1.5 mm时能完全固化,可提高第一、二界面的胶结质量,多功能完井液和矿渣固井液相容性好,能提高顶替效率,有效地防止窜槽,经长庆马岭地区中78-5井和南174-5井现场应用结果表明,两口井固井质量均为优质井,而且能大幅度降低固井成本,但高密度矿渣固井液在施工中平均密度低于设计密度,还有待于进一步完善。     

影响井壁泥饼固化质量的因素分析

解决固井第二界面胶结问题的根本是实现泥饼与井壁和固井液的整体固化胶结。研究了固井液的类型、pH值、泥饼厚度、矿渣含量、养护时间对泥饼整体固化胶结质量的影响。实验结果表明,MTC固井液能与多功能钻井液泥饼整体固化胶结,多功能钻井液中矿渣含量达一定值后才能实现整体固化胶结,且随矿渣含量的增大,胶结强度增大,当矿渣含量为20%时,养护3 d胶结强度可达2 MPa以上;含矿渣泥饼在高碱环境下且厚度小于2.5mm时才能固化,随养护时间的延长泥饼的胶结强度增大,在养护前3 d内,其增长速率最快。该研究结果对提高泥饼整体固化胶结强度,提高第二界面胶结质量有重要意义。     

油井水泥浆与多功能钻井液泥饼界面离子扩散阻碍机理

对泥浆转化为水泥浆（MTC）固井液水化离子可扩散进入多功能钻井液泥饼的机理已有研究,但对油井水泥浆水化离子不能扩散运移进入多功能钻井液泥饼的机理尚未清楚。采用离子色谱仪、原子吸收分光光度计和X射线衍射仪,从油井水泥浆与MTC固井液离子组成的差异性入手,对油井水泥水化离子向多功能钻井液泥饼扩散运移的阻碍机理进行了研究。结果表明,油井水泥浆中Ca²⁺的质量分数远远大于MTC固井液中Ca²⁺的质量分数,在油井水泥与多功能钻井液泥饼界面生成了CaCO₃、CaSO₄和Ca(OH)₂,而MTC固井液中Na⁺的质量分数则大于油井水泥浆中Na⁺的质量分数;Na⁺可改变泥饼中活性颗粒表面的ζ电位和破坏钻井液有机处理剂表面形成的水膜是MTC固井液中水化离子能扩散运移进入多功能钻井液泥饼的主要原因,而在油井水泥与多功能钻井液泥饼界面生成的CaCO₃、CaSO₄和Ca(OH)₂沉淀堵塞孔道则是油井水泥浆水化离子不能扩散运移进入多功能钻井液泥饼的主要机理。     

新型"钻井"固井液工艺和技术(Ⅰ)

新型“钻井”固井液是兼顾钻井,固井两大功能的油田工作液,它采用第一组分－－潜胶凝组分,和膨润土、水及其它处理剂配制成适于长期循环的钻井液体,潜胶凝成分在此时是惰性的;钻井完成后,在钻井液中加入第二组分－－激活剂或聚合物,把钻井液转化为胶凝浆,将胶凝浆泵入环空,上返于设计高度,候凝使之固化,既完成一次注水泥作业,在现场固井时,可以采用泥饼和井眼环空间时固化胶结或先将泥饼预固化,然后后用胶凝浆固井的施工方式。新型“钻井”固井液体系可归纳为：高炉水淬矿渣,激活剂体;金属化合物,聚合物组成的离子型聚合物体系渣,激活剂体系;金属化合物,聚合组成的离子型聚合物体系;金属化合物、磷酸组成的磷酸盐体系,新型“钻井”固井液技术摒弃了传统的固井工艺和固井材料,有效地解决了在占井,固井过程中出现的循环漏失,液柱回落问题,有助于泥饼及井壁的稳定;有效地解决了传统固井水泥浆与钻井液的不相容问题,有效地提高了固井质量,特别是第二界面的胶结质量;淡化了顶替要机理和顶替技术,解决了废弃钻井液排放造成的环境保护问题,它的实现将带来钻井,固井一体化的技术革命,介绍了新型“钻井”固井液的工艺路线及其配方设计。     

深井固井的若干问题

讨论了深井固井的几个问题，包括长封固段顶部水泥抗压强度的最新ISO标准方法、注水泥温度、窄环空固井带来的问题、深井钻井液、固井液的流变性及流变性试验方法、水泥环的收缩及工程设计问题、深井钻井液与完井液对水泥环及套管的腐蚀研究、深井堵漏问题、特高温固井的低密度水泥浆体系。     

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.     

固井液与多功能钻井液泥饼整体固化胶结的可行性探讨

研究了MTC固井液和油井水泥浆固井液与多功能钻井液泥饼的胶结状况。试验结果表明，多功能钻井液泥饼的固化反应直接受到固井液水化反应机理和过程的控制。在MTC浆水化反应初期会产生大量发生水化反应必需的可溶性离子，这些可溶性离子渗透到多功能钻井液泥饼内部，为其提供了可激发水化反应的可溶性离子，从而实现了整体固化胶结；而在油井水泥浆与多功能钻井液泥饼的胶结试验中，能够渗透到泥饼内部的大多是Ca^2 ，而Ca^2 离子极易和泥饼中的膨润土颗粒和处理剂发生絮凝反应，形成不会固化而且破坏胶结强度的絮凝产物，剩下的少量Ca(OH）2难以激活多功能钻井液泥饼的水化反应，因此整体固化胶结难以实现。要实现油井水泥浆固化体与多功能钻井液泥饼的整体固化胶结，应该对固井液体系进行必要的改进，使其在水化反应过程中产生的水溶性离子的种类和数量能够满足泥饼固化的需要；同时应该注意研究新的能够激发和促进泥饼固化水化反应的钻井液添加剂，对钻井液进行必要的改进。     

矿渣MTC固化滤饼能力实验研究

固井液与钻井液滤饼实现整体固化胶结一直是石油工程界期待解决的重大技术难题。由于钻井液滤饼的存在，水泥浆与井壁不能牢固胶结，固井后常常出现油气水窜等严重问题，从而造成固井失败。为此，系统地比较了矿渣MTC水泥浆与油井水泥浆在没有滤饼、普通钻井液滤饼、多功能钻井液滤饼3种情况下的界面胶结性能。实验结果表明，没有滤饼存在时，油井水泥浆的胶结性能明显优于矿渣MTC；普通滤饼存在时，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滤饼固化胶结，而矿渣MTC能够实现多功能钻井液滤饼的固化胶结。多功能钻井液钻井技术与矿渣MTC固井技术联合使用可以适当淡化顶替技术，充分发挥矿渣MTC技术的经济、技术优势，提高固井质量。     

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。      

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。      

高炉矿渣转化的水泥浆在新疆油田的应用

将高炉矿渣加入钻井泥浆中可使后者转化为用于固井的水泥浆。这种水泥浆有助于节约固井成本，减少环境污染和提高地层和水泥环之间的胶结强度。通过加入高炉矿渣，活化剂ＪＸ－１和ＪＸ－２及稀释剂ＤＩＳ－３，已成功地将新疆油田现场聚合物泥浆转化为固井用的水泥浆。