提高二界面胶结质量的矿渣钻井液滤饼可固化技术.pdf

第 3 3卷 第 1期 2 0 1 6年 1月 钻井液与完井液 DI ULL I NG F L UI D CoM P L ET I ON F LUI D 、 ， 0 1 ． 3 3 No ．1 J a n．2 0l 6 d o i 1 0 ． 3 6 9 6 8 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 0 1 4 提高二界面胶结质量的矿渣钻井液滤饼可固化技术 梅雨垄， 李明， 刘璐 ， 张冠华， 郭小阳 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 6 1 0 5 0 0 梅雨望等 ． 提高二界面胶结质量的矿渣钻井液滤饼可固化技术 『 J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 6 ，3 3 1 6 8 7 2 ． 摘要 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XR D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。 关键 词矿渣钻井液 ； 滤饼可 固化技术 ； 冲洗液 中图分类号 T E 2 5 6 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 ． 5 6 2 0 2 O l 6 o 1 0 0 6 8 0 5 S o l i d i fi c a t i o n o f S l a g Mu d Ca k e t h a t I mp r o v e s Ce me n t a t i o n Qu a l i t y o f t h e S e c o n d Bo n d i n g I n t e r f a c e M E I Yu lam，LI Mi n g ，L I U L u ，ZHANG Gu a n h u a ，GUO Xi a o y a n g S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o fO i l a n d G a s R e s e r v o i r G e o l o g y a n d E x p l o i t a t i o n ， S o u t h w e s t Pe t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 5 0 0 ， Ch i n Ab s t r a c t P o o r s o l i d i fi c a t i o n o f fi l t e r c a k e r e s u l t s i n p o o r c e me n t a t i o n q u a l i t y o f t h e s e c o n d b o n d i n g i n t e r f a c e b e t we e n fi l t e r c ake a n d c e me n t s h e a t h ． T e c h n o l o g y f o r t h e s o l i d i fi c a t i o n o f s l a g mu d c ake i s p r e s e n t e d t o t r y t o i m p r o v e t h e c e me n t a t i o n q u a l i ty o f t h e s e c o n d b o n d i n g i n t e r f a c e ． Th i s t e c hn o l o g y i s b a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s l a g ， wh i c h c a n b e a c t i v a t e d b y a a l i ． S e v e r a l s t u d i e s h a v e b e e n c o n d u c t e d ， i n c l u d i n g e ff e c t s o f s l a g mu d c ak e o n the c e me n t a t i o n p e r f o r ma n c e o f the s e c o n d b o n d i n g i n t e rfa c e ； fl u s h i n g fl u i d for t hi s t e c hn o l o g y ； a n d p h a s e c o mp o s i t i o n a n d f u n c t i o n i n g me c h a n i s m o f fi l t e r c a k e i n s p e c t e d u s i n g XRD． T h e s tud i e s s h o w tha t t h e s l a g mu d c ak e s o l i d i fi c a t i o n t e c h n o l o g y h e l p s i mp r o v e t h e c e me n t a t i o n q u a l i t y a n d the c e me n t a t i o n mo r p h o l o gy o f t h e s e c o n d b o n d i n g i n t e rfa c e ． T h e fl u s h i n g fl u i d f u r t h e r i mp r o v e s the c e me n t a t i o n q u a l i ty． S l a g mu d c ake ， h a v i n g the p o t e n t i a l o f b e i n g s o l i d i fi e d ， a f t e r p e n e t r a t i o n a n d p r e - a c t i v a t i o n b y the fl u s h i n g fl u i d ， e x c h ang e s ma t t e r s wi th c e me s l u r r y ． Bo t h the s l a g mu d c ake a n d t h e c e me m d u r i n g thi s c o u r s e h y d r a t e s i mu l t a n e o u s l y , p r o d u c i n g C S H g e l s wh i c h e n c a p s u l a t e a n d l i n k s o l i d p a r t i c l e s a n d fi l l t h e s p a c e s a mo n g c e me n t p a r t i c l e s ， mak i n g th e fi l t e r c a k e a n d c e me n t s h e a th s o l i d i f y a s a wh o l e ． I t h a s b e e n p r o v e d t h a t t h i s t e c hn o l o g y , wh e n u s e d i n c o mb i n a t i o n wi t h the d e s i g n e d fl u s h i n g fl u i d ， i s b e n e fi c i a l t o t h e i mp r o v e me n t o f t h e c e me n t a t i o n q u a l i ty o f t h e s e c o n d b o n d i n g i n t e rfa c e ． Th e s e s tud i e s are o f i mp o r t a n c e t o t h e u s e o f i n o r g a n i c g e l ma t e r i a l s i n d r i l l i n g fl u i d s ， e s p e c i a l l y the r e c y c l i n g o f i n d u s t r i a l wa s t e s ． Ke y wo r d s S l a g d r i l l i n g fl u i d ； Fi l t e r c a k e s o l i d i fi c a t i o n t e c h n o l o g y ； F l u s h i n g fl u i d 钻井液 中的固相在循环过程中经 吸附、沉积作 用附着在井壁 ，形成滤饼。滤饼不能固化 ，是 阻隔 水泥浆与井壁形成一体化胶结，导致第二界面胶结 强度下降的主要原因。为降低滤饼对第二界面胶结 质量的影响，目前通常采用物理冲洗、化学清除、 生物降解等清洗技术， 但清除效果差、效率低，且 基金项目 塔里木油田公司局级项目 “ 工艺安全与钻完井工程基础研究” T L M2 0 1 1 J T 0 5 o 第一作者简介 梅雨垄，硕士研究生，1 9 9 0年生，毕业于西南石油大学材料科学与工程专业，现从事固井工程材料 及技术研究工作。电话 1 8 5 8 1 8 3 9 4 3 0； E ma i l 3 9 3 6 1 6 4 8 8 q q ． c o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 0 钻 井 液与 完 井 液 2 0 1 6年 1月 ；S j _ _ _ Ca i Na 0H 2 iS i Na C a 0 H 2 S i O S i ； H O H 2 S i _OH 兰S i 一 0H Na OH } E S i 一 0_ Na H0H 2 H 3 S i 0 4 一 2 C a 2 4 O _ C a z S i 2 O 3 H2 0 2 H2 0 3 矿渣钻井液可 固化滤饼第二界面胶 结强度 考察矿渣钻井 液可固化滤饼第二界面胶结强 度，分别考察不同循环时间下普通钻井液和矿渣钻 井液滤饼对第二界面胶结强度的影响， 结果见表 2 ， 通过 X R D分析滤饼物相组成 ，结果见图 3 。 表 2 不 同循环 时间下钻 井液滤饼 对二界面胶结强度的影响 滤 饼 一三 堕 塑 2 0mi n 4 0mi n 6 0mi n 注 养护条件为 7 O℃、4 8 h 。 一- I 一 J I “ lI ． ．1I ．．．．．．．． 茏 滓 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 2 o 图 3 钻井液 ／ 矿渣钻井液滤饼 X R D分析 由表 2和图 3 可知 ，普通钻井液滤饼第二界面 胶结强度随时间增加变化不大 ； 矿渣钻井液滤饼第 二界面胶结强度较普通钻井液滤饼有一定提高 ，且 随循环时间增加而增加。未经冲洗液冲洗的矿渣钻 井液滤饼 ，其组分与普通钻井液基本相同，主要成 分为 S i O ， 2 为2 6 。 、 C a S i O 2 为 3 0 。 、 3 3 。 等 和 B a S O 2 为 2 5 。 、 2 6 。、 2 9 。 、 4 3 。 等 。这说明 ， 矿渣水化需在强碱环境 中进行 ，钻井液不能满足其 充分水化的条件； 仅靠水泥浆水化产生的碱性环境， 激活效果也不明显。 4 渗透型冲洗液 为提高可固化滤饼的固化性能，使滤饼在固井 作业接触水泥浆之前就具有较高的水化活性 。为此 设计一种冲洗液 ，在钻井液循环后 ，先于水泥浆注 入井筒，对井壁可固化滤饼进行冲洗激活。为进一 步提高激活效率，在冲洗液中加人渗透剂，以提高 滤饼表面活性 ，扩大物质交换孔道。 4 ． 1 激活剂和渗透剂的优选 选 用矿渣常用激活剂 Na 2 S i O 、Na O H、C a C 1 ， 以及 渗透剂 S DS 、AE O一 9进行研究 ，结果见表 3 。 由表 3 可知，3 种激活剂复配加人冲洗液后，第二 界面胶结强度显著提高 ； 激活效果依次为 N a O H、 C a C I 、N a 2 S i O 。综合考虑工作液外加剂配伍性、 激 活效 果 等 因素 ，确定 Na S i O 、N a O H和 C a C 1 ， 加量分别为 1 0 ％、2 ％和 5 ％。 表 3 冲洗液中激活剂对滤饼第二界面胶结强度的影响 注 钻井液循环 2 0mi n ，冲洗液 冲洗 2 0mi n ，在 7 0℃ 养护 4 8 h 。 选 用 了 S DS 、A E O ． 9渗透剂 ，考察 了渗透剂 对滤饼第二界面胶结强度的影响，结果见表 4 。由 表 4可知 ，加人不 同 比例 的 S D S 、AE O一 9后 ，胶 结强度提高 ，增幅为 2 9 ％～6 9 ％ ； 当 S DS 、A E O一 9 加量分别为 0 ． 6 ％、0 ．4 ％时，第二界面胶结强度提 升效果最好 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 钻 井 液与 完 井 液 2 0 1 6年1 月 结强度，但钻井液难以有效激活滤饼中的矿渣，有 必要配合使用冲洗液。冲洗液中的激活剂能够直接 或问接对矿渣进行预先激活 ，使滤饼在接触水泥浆 之前就具有较高的活性，激活剂 N a S i O 、N a O H、 C a C 1 的加量分别为 1 0 ％、2 ％、5 ％ ； 冲洗液中的 渗透剂能够扩大滤饼表面的物质交换孔道，提高 激活剂向滤饼 内部迁移的渗透率，渗透剂 S D S 、 A E O ． 9 加量分别为 0 ．6 ％、O ．4 ％。 2 ． 可固化滤饼的固化分为 2个阶段 与水泥浆 接触前 ，滤饼 中的矿渣与冲洗液 中的激活剂反应 ； 与水泥浆接触后，组分相互渗透 ， 水泥浆 自 发水化 硬化的同时 ，矿渣与其水化产物发生水化反应 ，产 物均为 C S H凝胶 。C S H凝胶对 固相颗粒 包覆 、连接 ，形成网状胶连 ，增强界面结构 ，强化 界面过渡区 ； 颗粒状 c s H凝胶填充结构骨架 ， 实现第二界面胶结强度的提高。 参 考 文 献 【 1 ] 孙剑 ，崔茂荣 ，马勇，等 ． 水平井钻井完井液滤饼清 除技术 [ J ] ． 钻井液与完井液 ，2 0 0 9 ，2 9 5 7 3 ． 7 5 ． S un J i a n， Cu i M ao r o n g， M a Y o ng， e t a 1 ． M ud c a k e r e mo v a l i n h o r i z o n t a l we l l s [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 0 9 ，2 9 5 7 3 ． 7 5 ． [ 2 ] 张顺平 ． 可固化钻井液的滤饼固化技术研究 [ D] ． 成都 西南石油大学，2 0 1 3 ． Zh a n g S h un p i n g． M u d c a k e s o l i d i f y t e c hn o l o g y o f s o l i d i fi a b l e d r i l l i n g f l u i d [ D] ． C h e n g d u S o u t h we s t P e o l e u m Un i v e r s i t y，2 0 1 3 ． [ 3 ] 刘威 ． 可固化工作液二界面胶结质量评价方法的研究 [ D] ． 成都 西南石油大学，2 0 1 3 ． L i u W e i ．Re s e a r c h o n e v a l u a t i o n me t h o d o f t h e s e c o n d i n t e r f a c e c e me n t i n g q u a l i t y o f s o l i d i f i a bl e w o r k i n g fl u i d [ D] ． C h e n g d u S o u t h we s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， 2 01 3． [ 4 ] 彭志刚，何育荣，冯茜 ． 矿渣 MT C固化泥饼能力及其 行为原 因分析 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 5 ，2 2 5 2 0． 2 3． P e n g Z h i g a n g ，He Y u r o n g ，F e n g Qi a n ，e t a 1 ． An a l y s i s o n c a p a b i l i ty a n d b e h a v i o r r e a s o n o f s l a g mt c s o l i d i f y i n g c a k e [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 5 ， 2 2 5 2 O 一 2 3 ． [ 5 ] 曾欣，李早元，李明，等 ． 影响井壁泥饼 固化质量的 因素分析 f J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 2 ，2 9 5 6 1 ． 6 4 ． Z e n g Xi n， L i Z a o y u a n，L i M i n g， e t a 1 ． Af f e c t i n g f a c t o r s ana l y s i s o n mu d c ake c e me n t i n g q u a l i t y [ J ] ．Dr i l l i n g F l u i d ＆ C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 2 ，2 9 5 6 1 ． 6 4 ． [ 6 ]6 赵启阳，邓慧，王伟，等 ． 一种可固化堵漏工作液的 室内研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 3 ，3 0 1 4 1 ． 4 4 ． Z h a o Qi y a n g ，De n g H u i ，Wa n g We i ，e t a 1 ． L a b o r a t o r y s t u d y o n c u r i n g l o s t c i r c u l a t i o n c o n t r o l fl u i d [ J ] ． D r i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ，2 0 1 3 ，3 0 1 4 1 ． 4 4 ． [ 7 ] 尚建丽，刘琳 ． 矿渣 ． 粉煤灰地质聚合物制备及力学 性能研究 [ J ] ． 硅酸盐通报 ，2 0 1 1 ，3 0 3 7 4 1 ． 7 4 4 ． Sh a n g J i a nl i ， Li u Li n ． St ud y o n p r e p a r a t i o n a n d me c h a n i c a l p r o pe r t i e s of s l a g a nd f l y a s h ba s e d g e o p o l y me r i c [ J ] ．B u l l e t i n o ft h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y ， 2 0 1 1 ，3 0 3 7 4 1 ． 7 4 4 ． [ 8 ] 聂轶苗 ，马鸿文 ， 苏玉柱 ． 矿物聚合材料固化过程中 的聚合反应机理研究 [ J ] ． 现代地质，2 0 0 6 ，2 0 2 3 4 0 ． 3 4 6 ． Ni e Yi m i a o，M a Ho n g we n， S u Yu z h u ． M e c h a n i s m o f p o l y me r i z a t i o n d u rin g t h e s o l i d i fic a t i o n o f f l y a s h - b a s e d g e o p o l y me r s [ J ] ． Ge o s c i e n c e ，2 0 0 6 ，2 0 2 3 4 0 - 3 4 6 ． [ 9 ] 张雄，鲁辉，张永娟 ，等 ． 矿渣活性激发方式的研 究进展 [ J ] ． 西安建筑科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 ，4 3 3 3 7 9 ． 3 8 4 ． Z h a n g Xi o n g ，Lu Hu i ，Z h a n g Yo n g j u a n ，e t a 1 ． R e s e a r c h p r o g r e s s o f s l a g a c t i v a t i o n [ J ] ．X／ ’a n U n i v ． o f A r c h ． ＆T e c h ． N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ，2 0 1 1 ， 4 3 3 3 7 9 3 8 4 ． [ 1 0 ]马勇，崔茂荣 ，郭小阳 ． 钻井液造壁性对固井质量 的 影响 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 7 ，2 4 2 3 7 - 3 8 ，4 7 ． M a Yo n g，Cu i M a o r o n g，Gu o Xi a o y an g ．Ef f e c t o f wa l l b u i l d i n g o f d r i l l i n g mu d s o n t h e c e me n t j o b q u a l i t y [ J ] ． Dr i l l i n g Fl u i d＆ C o m p l e t i o n F l u i d，2 0 0 7 ，2 4 2 3 7 3 8．4 7 ． [ 1 1 】程荣超，步玉环， 王瑞和 ． 高炉矿渣改善固井水泥界面 胶结性能研究 [ J ] ． 天然气工业，2 0 0 7 ，2 7 2 6 3 6 6 ． Che ng Rong c ha o， Bu Yuh ua n， W a ng Rui he． Ex pe r i me n t a l s t u d y o n bl a s t f u r n a c e s l a g BFS t o i mp r o v e c e m e n t bo n d i n g q ua l i t y o f c e me n t i n g o p e r a t i o n [ J ] ．Na t u r a l Ga s I n d u s t r y ，2 0 0 7 ，2 7 2 6 3 ． 6 6 ． [ 1 2 】 杨长辉 ， 宋洋， 陈科， 等 ． 表面活性剂在碱矿渣水泥系 统中的吸附特征研究 [ J ] ． 混凝土，2 0 0 9 1 1 4 2 4 5 ． Y a n g Ch a n gh ui ， So ng Y a n g， Che f K e， e t a 1 ． Ad s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f s u r f a c t an t i n a l k a l i a c t i v a t e d s l a g c e me n t s y s t e ms [ J ] ． C o n c r e t e ，2 0 0 9 1 1 4 2 - 4 5 ． [ 1 3 】R e g o u r d M． S t r u c t u r e a n d b e h a v i o u r o f s l a g p o r t l a n d c e me n t h y d r a t e s [ C】 ． 7 t h I n t e r n a t i o n a l C o n g r e s s o n t h e Ch e mi s t r y o f Ce me n t ， P a r i s ，F r a n c e ， 1 ， I I I - 2 ／ 1 1 - 2 6 ． 收稿 日期2 0 1 5 1 1 ． 0 2 ；HG F 1 6 0 1 c1 4 ；编辑 王超 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m