提高固井界面强度的钻井液研究与应用.pdf

第35卷第5期 2007年9月 石 油 钻 探 技 术 PETROL EUM DRILLING TECHNIQUES Vol135 ,No15 Sep. ,2007 收稿日期2007203214 ;改回日期2007206214 基金项目中国石油化工股份有限公司科研项目 “固井双界 面胶结强度强化机理及应用技术研究”编号P04070部分成果 作者简介李家芬1960 - ,女,1983年毕业于抚顺石油学 院应用化学专业,高级工程师。 联系电话01051616647 固井与泥浆 提高固井界面强度的钻井液研究与应用 李家芬1苏长明1杨振杰2宋本岭3张进双1 1 1 中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院,北京 100083 ;2.西安石油大学 石油工程学院,陕西 西安 710065 ;3.胜 利石油管理局 渤海钻井总公司,山东 东营 257200 摘 要在钻井液中加入超细活性矿物和稳定井壁的材料能使固化体水化产物结构致密,固化体本体强度和 界面胶结强度得到强化。在钻井液中加入特制活性矿物微晶,能使胶体中存在大量具有较高能量的自由表面,为 泥饼水化反应提供有利的场所,降低水化成核反应的势垒,使水化反应充分均匀,固化体结构更加牢固,也就从根 本上强化了界面胶结强度。通过室内研究,固化体第一界面的胶结强度提高30 以上,第二界面提高50 以上; 现场4口井的应用表明,固井质量全为优质,平均井径扩大率小于4 。 关键词活性矿物;钻井液;胶结强度;固井质量 中图分类号TE254 . 3 文献标识码B 文章编号10012089020070520072204 目前,普遍认为改善外泥饼质量是提高固井质 量的最佳选择,但还存在以下问题[1] 1 用于堵漏的 大量惰性材料粘在井壁上,会严重影响固井胶结质 量,如果将这些堵漏材料在固井前清除掉,又会使固 井施工难以进行 ;2 混入钻井液中的原油使钻杆、 井 壁表面憎水性增强,固井胶结质量难以保证 ;3 井径 不规则,顶替效率低,残留的钻井液无法与固井液牢 固胶结 ;4 缺乏对外泥饼的质量评价和表征的试验 研究,尤其是对高含水地层形成的外泥饼质量评价 和表征更是稀少。研究表明,在钻井液和固井液中 加入超细活性矿物,可以显著提高固井界面胶结强 度。笔者在室内动、 静态条件下对活性矿渣与钢管 胶结界面的力学性能和微观结构进行了研究,结果 表明,固化体第一界面、 第二界面胶结强度分别提高 30 和50 。 1 活性矿物对钻井液性能的影响 超细活性矿物可以使固化体水化产物结构致 密,固化体本体强度和界面胶结强度得到强化。其 中的微晶是为了达到掌握和控制某种特定物质的成 核而在反应体系中引入的第二相粒子。掺入其组成 和生成晶体相同或极为相似的微晶作为晶核时,则 会促使平衡状态下水化物的析出,并使局部规整反 应的晶体受到微晶结构的诱导,从而加速水化硬化 过程。在钻井液中加入特制的活性矿物微晶,能使 胶体中存在大量具有较高能量的自由表面,为泥饼 水化反应提供有利的场所,降低水化成核反应的势 垒,使水化反应充分均匀,固化体结构更加牢固,也 就从根本上强化了界面胶结强度[2]。笔者研究了两 种超细矿物CXKZ和MGS对钻井液性能的影响。 1 超细矿物对钻井液密度的影响 超细活性矿 物对钻井液密度的影响与石灰石基本一致,其密度 略低于相同加量下的重晶石加重钻井液。说明在不 影响钻井液流变性能的情况下,超细矿物也可以作 为加重剂使用。 2 超细矿物对钻井液API滤失及摩阻的影响 一般认为,活性矿物对钻井液的滤失量控制会产生 负面影响,增加钻井液滤失量,影响泥饼质量。但经 过加工的超细矿物,对钻井液的滤失量无不良影响, 在试验用的聚磺钻井液体系中超细矿物的加量增加 至钻井液总量的5 以上时,滤失量有较大幅度的 减少并趋于平稳,泥饼质量也得到进一步改善,摩阻 系数变化不大,这对现场施工比较有利。 3 超细矿物对聚磺钻井液流变性的影响 在聚 磺钻井液中加入超细矿物后,没有对其流变性能产 生不良影响,当加量达到30 后表观粘度和塑性粘 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 度才略高于基浆;CXKZ加量小于30 时,钻井液 的表观粘度和塑性粘度反而有所降低。 2 活性矿物对界面胶结强度的影响 211 固井液中加入活性矿物 活性矿物CXKZ的主要化学成分为CaO、 MgO、SiO2和Al2O3等,同时还含有少量的Fe2O3、 MnO、TiO2和P2O5。CXKZ的玻璃体由网架形成 体和网架改性体组成。网架形成体主要由SiO3 2 - 组成;网架改性体主要由Ca2 组成,它存在于网架 形成体的空隙中,以平衡电荷;矿渣中的Al3 和 Mg2 不仅是网架的形成体,而且也是网架的改性 体,Ca2 以离子键形式存在于六元配位键内,钙或 其它类似离子含量的增加伴随着硅氧四面体网络结 构解聚而增加。这层较为稳定的保护膜 硅氧四 面体网络,是CXKZ具有潜在活性的原因。CXKZ 对界面胶结强度的影响见表1。试验样品的颗粒粒 径为01025 mm。 浸泡岩心和钢管的钻井液配方 配方1为310 膨润土浆 013 CMC低粘 011 KPAM 012 J T2888聚合物钻井液 ; 配方2为310 膨润土浆 013 CMC低粘 110 腐植酸钾 011 NaOH 013 FCLS分散 钻井液 ; 配方3为8 膨润土浆; 配方4为310 膨润土浆 017 CMC低粘 011 K2PAM 210 PSP 210 腐植酸钾 011 NaOH聚磺钻井液。 表1 活性矿物CXKZ对固井界面胶结强度的影响 试验 编号 钻井液配方固井液配方 胶结强度/ MPa 第一界面第二界面 11 22 33 44 A 11500170 01250152 141006130 01200102 51 62 73 84 B 01501106 01251122 51500114 11000102 91 102 113 124 C 11000134 251002118 21001108 81000114 注固井液配方A为G级油井水泥 10 CXKZ;配方B为G 级油井水泥 20 CXKZ;配方C为G级油井水泥 30 CXKZ;水 灰比均为0144 ,下同。 由表1可以看出,固井液体系中复配20 和 30 的活性矿物CXKZ后,聚合物钻井液、 分散钻 井液和聚磺钻井液的固井第二界面胶结强度都有明 显提高,但对第一界面胶结强度的增强作用规律性 不强。加入30 CXKZ的固井液对分散钻井液的 界面胶结强度改善效果最明显。值得注意的是,钻 井液体系为膨润土浆时,固井液体系复配活性矿物 CXKZ后对界面胶结强度的改进不明显。 212 钻井液固井液中同时加入活性矿物 在钻井液中加入不同的活性矿物,形成不同的 钻井液,让其浸泡钢管和岩心,测定第一、 二界面的 胶结强度,考察它们在不同固井液体系中对第一、 二 界面胶结强度的影响,探索通过改进钻井液体系提 高界面胶结强度的途径[3]。试验结果见表2、 表3。 表2 FS聚合物钻井液体系对界面胶结强度的影响 试验 编号 钻井液配方固井液配方 胶结强度/ MPa 第一界面第二界面 1基浆 2基浆 10 FS 3基浆 20 FS 4基浆 30 FS 5基浆 6基浆 10 FS 7基浆 20 FS 8基浆 30 FS D E 310001040 015011720 012501440 815001400 410011326 012501300 315031440 115011800 注基浆为310 膨润土浆 013 CMC低粘 011 KPAM 012 J T2 888 聚合物钻井液 ; 配方D为G级油井水泥净浆,水灰 比为0144 ;配方E为G级油井水泥 20 FS ,水灰比为0144 ;下同。 表3 CXKZ聚合物钻井液体系对界面胶结强度的影响 试验 编号 钻井液配方固井液配方 胶结强度/ MPa 第一界面第二界面 9基浆 10基浆 10 CXKZ 11基浆 20 CXKZ 12基浆 30 CXKZ 13基浆 14基浆 10 CXKZ 15基浆 20 CXKZ 16基浆 30 CXKZ D B 3100104 2150112 21100132 8100152 0151106 4100128 13152172 3101102 分析试验结果可以得出下列认识 1 对于纯聚合物钻井液而言,固井液体系中加 入20 的活性矿物FS对第一、 二界面的胶结强度 有较大的改进作用。但在聚合物钻井液中加入活性 矿物FS后,无论是对纯油井水泥净浆还是加入活 37第35卷第5期 李家芬等提高固井界面强度的钻井液研究与应用 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 性矿物FS后的油井水泥浆,对第一界面胶结强度 都无明显的增强作用,甚至有降低的作用,但对第二 界面的胶结强度有一定的增强作用。而固井液体系 中加入20 的活性矿物CXKZ后对第二界面胶结 强度有明显的增强作用,但对第一界面胶结强度的 增强效果不明显。在聚合物钻井液中加入CXKZ 后,对于纯油井水泥净浆而言,第一、 二界面的胶结 强度都有明显提高;同样,加入CXKZ的聚合物钻 井液对于加入20 CXKZ的油井水泥浆而言,第二 界面的胶结强度明显改善,效果较好;但对第一界面 胶结强度的增强作用不如在净浆中好。对改善第二 界面胶结强度而言,在聚合物钻井液中加入CXKZ 活性矿物的效果不如加入FS好。 2 对于纯油井水泥净浆而言,在聚磺钻井液中 加入CXKZ后对第二界面胶结强度有一定的增强 效果,其中在聚磺钻井液中加入10 的CXKZ效果 最好;但如果在油井水泥净浆中加入CXKZ活性矿 物,同样的钻井液体系其界面胶结强度增强作用不 明显,规律性不强。而在聚磺钻井液中加入FS后 对第二界面胶结强度的增强效果不如加CXKZ好; 如果在油井水泥净浆中加入FS ,在聚磺钻井液中加 入FS后对第一、 二界面的胶结强度增强作用不明 显,规律性不强。说明对于改善界面胶结强度而言, FS不适合于聚磺钻井液体系中。 3 无论是纯油井水泥净浆还是加入CXKZ后 的油井水泥浆,在分散钻井液中加入CXKZ后对第 二界面胶结强度都有明显的增强效果,规律性较强。 但对第一界面胶结强度的影响不大,增强效果不好。 无论是纯油井水泥净浆还是加入20 FS后的油井 水泥浆,在分散钻井液中加入FS后对第一、 二界面 的胶结强度都没有明显的增强效果,规律性不强,可 见对于同样的分散钻井液体系,使用CXKZ作为界 面胶结强度增强剂的效果比FS好。 4 试验结果表明,在优质钻井液[4]中加入活性 矿物,对界面胶结强度的增强效果与钻井液体系和 活性矿物种类有直接的关系;不同的钻井液体系与 不同活性矿物的配伍性不同,界面胶结强度增强效 果也不同。为了得到最好的界面胶结强度增强效 果,应该对特定的钻井液体系选择最合适的活性矿 物进行复配。 213 含活性矿物的固化体微观结构 含活性矿物钻井液体系形成的泥饼除具有正常 性能外,在地层条件下能够与含活性矿物的水泥浆 固化体有机地固化在一起。其泥饼与固井液整体固 化胶结结构如图1、2所示。 图1 固化体与泥饼的结合界面放大25倍 图2 固化体与泥饼的结合界面放大200倍 图1、2为利用光学显微镜观察到的含活性矿物 钻井液泥饼与含活性矿物水泥浆固化体结合界面的 抛光断面。图的上部浅色区域为水泥浆固化体,下 部深色区域为钻井液泥饼。由图2可见未水化的多 边形矿渣颗粒均匀地分布。 3 现场应用 胜利油田河口采油厂大北区块是重点开发区 块,长期注水使该区块的固井质量一直达不到设计 要求。以往的钻井实践表明,该类热采井,由于地层 岩性极其疏松,钻至油层部位井壁易坍塌,形成大肚 子或糖葫芦井眼,井径扩大率大,给固井施工造成了 困难,严重影响固井质量,且增加了固井费用。为 此,在大北11222井、 大北1229井、 大更52井和大北 1629井试验应用了超细活性矿物提高固井界面胶结 强度的工艺技术。 1 应用的各种作业流体。钻井液稳定井壁的 活性钻井液体系;水泥浆配方 1 前置水泥浆为临 朐G级高抗水泥 215 降滤失剂 018 缓凝剂 110 减阻剂 0125 消泡剂;配方 2 后置水泥 浆为临朐G级高抗水泥 310 降滤失剂 210 晶格膨胀剂 115 减阻剂 215 早强剂 015 消泡剂 20 超细活性材料。 2 提高调整井固井质量的主要技术措施采用 加入活性矿物的承压钻井液体系;使用新型胶乳前 47石 油 钻 探 技 术 2007年9月 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 置液;采用含超细活性材料的晶格膨胀水泥,提高第 一、 二界面的胶结质量。 3 应用效果。试验井固井质量见表4。 表4 试验井固井质量 井名井深/ m井径扩大率, 固井质量 产油液量/ m3 大北11222井3 140211优质11941 8 大北1229井3 210217优质71071 3 大更52井3 480312优质31641 8 大北1629井3 150115优质81081 2 4 结 论 1 在钻井液和固井液体系中加入超细活性材 料,油井水泥与钻井液泥饼的胶结状况有显著的整 合效果。 2 含活性材料的晶格膨胀水泥浆、 稳定井壁的 活性钻井液及增强界面胶结强度的冲洗隔离液3种 流体协同作用使水泥浆的固化体与钻井液泥饼实现 整体胶结固化,界面胶结强度比常规技术提高了 50 以上。 3 超细活性矿物提高固井界面胶结强度的工艺 技术在胜利油田河口采油厂大北区块的4口调整井 进行了现场应用,平均井径扩大率均小于4 ,固井 质量优质。 参 考 文 献 [1] 杨振杰,李家芬.钻井工程固井胶结界面研究现状[J ].石油钻 探技术,2005 ,336 125. [2] 杜江.提高水泥环第二界面胶结质量的固井技术[J ].石油钻探 技术,1999 ,271 35246. [3] 李家芬,苏长明. CY21无渗透钻井液处理剂的室内试验研究 [J ].石油钻探技术,2006 ,341 32235. [4] 杨振杰,李家芬.使用优质钻井液提高固井二界面胶结质量 [J ].钻井液与完井液,2006 ,232 70275. [审稿 鄢捷年] Research and Application of Drilling Fluid to Improve the Cement Bonding Interface Strength Li Jiafen1 Su Changming1 Yang Zhenjie2 Song Benling3 Zhang Jinshuang1 1. Petroleum Ex ploration and Production Research Institute , Sinopec, Beijing,100083,China;2. School ofPetroleum Engineering , Xiπan University ofPetroleum , Xiπan, S hanxi ,710065, China;3. Bohai Drilling Company , S hengli Petroleum A dministration , Dongying, S handong,257200, China Abstract Adding ultra fine activated mineral and well bore stability material into drilling fluid can make the structure of cement stone stronger and the intensity of cement2to2ation interface higher. Adding special activated mineral microlith into drilling fluid will make abundant free surface with upper en2 ergy in the gel , provide favorable conditions for the hydrate reaction of mud cake and decrease the potential barrier of hydrate nucleation reaction , make the hydrate reaction evenly. At last it can consolidate the bonding interface intensity essentially. Through experimental studies , the first bonding interface strength can be improved by 30 and the second by 50 . The application results in 4 wells show that the quantities of all the four wells are excellent and the average well diameter enlargement rate is less then 4 . Key words activated mineral ;drilling fluid ;bond strength ;cementing quality 大庆油田开发出水平井远程地质导向监控技术 近日,由大庆油田自行研制开发的水平井远程地质导向监控技术现场应用成功,填补了国内水平井远程 地质监测技术的空白。 目前,国内油田在随钻电测LWD实时信息服务及远程地质导向方面尚处在摸索阶段,还没有成熟的 系统及软件,而水平井由于在地质构造、 井身结构以及施工工艺等方面都存在特殊性和复杂性,对地质导向 的精确性要求非常高。为此,大庆油田集中科研技术力量重点攻关,相继攻克了自动数据采集、 井场数据中 心管理、 远程实时传输、 基地数据中心控制和Web实时监控等关键技术,并借助大庆录井公司的卫星通信网 络,通过井场局域网、 卫星网络、 单位企业网及内部办公自动化系统,建立了集井场信息远程传输、 后方信息 接收处理、 网上远程监控与导向等高度自控的一体化配套体系,成功实现了钻井现场数据远程实时共享。 57第35卷第5期 李家芬等提高固井界面强度的钻井液研究与应用 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.