李早元　柳洪华　郭小阳　辜 涛　欧红娟

“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

油基钻井液组分对水泥浆性能的影响及其机理

李早元柳洪华郭小阳辜 涛欧红娟

“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

李早元等. 油基钻井液组分对水泥浆性能的影响及其机理.天然气工业,2016,36(3):63-68.

针对固井时油基钻井液与水泥浆掺混易产生接触污染进而影响施工安全的问题，开展了油基钻井液各组分对水泥浆流变性、稠化时间、抗压强度等性能影响的研究，同时结合扫描电镜、X射线衍射仪、红外光谱等手段，初步探索了油基钻井液各组分对水泥浆性能影响的机理。实验结果表明：油基钻井液的掺混会使水泥浆流变性变差、水泥石抗压强度降低，影响顶替效率及水泥环的封隔能力；柴油、主乳化剂、副乳化剂等单组分对水泥浆流变性能的影响不大，而由柴油、内部水相与乳化剂搅拌形成的乳状液则会对水泥浆性能产生几乎与油基钻井液同等程度的影响。研究结果表明：乳状液圈闭了水泥浆中的自由水，导致浆体变稠，使水泥颗粒无法与自由水有效结合，阻碍水泥浆的水化，导致水泥石结构疏松多孔，影响了水泥石的强度。对策建议：可使用添加合适表面活性剂的先导浆、隔离液等措施来缓解接触污染。

油基钻井液 水泥浆 接触污染 强度 乳状液 自由水 水化

由于钻井液与水泥浆的组成和物理化学性能存在较大差异，固井过程中水泥浆一旦与钻井液接触，会不同程度的改变水泥浆施工性能，产生接触污染，对固井顶替效率和施工影响巨大[1]，甚至会危及固井施工安全，造成固井工程事故[2-7]。研究者对于水基钻井液与水泥浆接触污染机理已进行了大量的研究工作，并提出了具有针对性的解决措施[8-12]。如李静等人在探明水泥浆与钻井液接触污染机理的基础上，提出通过隔离液的合理选材和设计能够有效避免接触污染，提高顶替效率，改善固井质量[12]。与水基钻井液相比，油基钻井液有其自身的特殊性[13-14]，油基钻井液以油为连续相，其中包含乳化剂、润湿剂、亲油胶体及石灰等物质，对水泥浆性能的影响规律及机理均存在差异。固井时，诸如水泥石强度低、注水泥不到位、水泥浆稠化时间缩短等问题一直存在[15]，如塔里木油田尾管固井污染分析中，油基钻井液的污染占43%，为固井安全作业留下隐患。因此急需针对油基钻井液各组分与水泥浆掺混引起的化学污染机理进行分析。笔者通过室内实验，探究了水泥浆与油基钻井液及其组分接触后主要性能的变化趋势及影响程度，结合扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、红外光谱等分析手段，对二者化学不兼容机理进行分析。为固井作业时有针对性的调整钻井液性能，有效地避免接触污染提供了实验和理论依据。

1　实验部分

1.1实验材料和仪器

UDM-2油基钻井液体系，VERSACLEAN油基钻井液体系，水泥浆配方为：G级水泥+2%防气窜剂+25%硅粉+5%降失水剂+1%分散剂+2%缓凝剂+0.2%消泡剂+水，油基钻井液所用的柴油、有机土，主乳化剂及副乳化剂。实验仪器如表1所示。

表1　实验仪器表

1.2实验方法

依据GB/T 19139—2012《油井水泥石试验方法》测试了水泥浆与油基钻井液及水泥浆与油基钻井液各组分在100∶0、95∶5、75∶25和50∶50的体积掺混比例条件下，不同物质掺混对水泥浆性能的影响[16]。实验过程为：①用柴油、主乳化剂、副乳化剂、水相配制乳状液，将油基钻井液及组分（柴油、主乳化剂、副乳化剂、有机土、乳状液）按比例混入新配制好的水泥浆中，在4 000 r/min条件下混合均匀；②测试不同掺混比例条件下混浆的常温和高温（93℃）养护20 min后的流动度、六速读值及稠化时间；③测试高温高压养护48 h后混浆水泥石的抗压强度和界面胶结强度；④用SEM分析仪考察油基钻井液各组分掺混后对水泥石微观结构的影响；⑤用红外光谱仪分析掺混后水泥石化学组成的变化；⑥用X射线衍射仪考察油基钻井液掺混后水泥石的物相变化。

2　实验结果与讨论

2.1油基钻井液对水泥浆性能的影响

用六速旋转黏度计测出常温和高温条件下不同掺混比例水泥浆的六速值并计算流变特性参数，结果见表2。

表2　油基钻井液对水泥浆流变性的影响表

从表2可以看出，随油基钻井液掺混比例增加，混浆的流动度依次减小，流性指数先减小后增大，稠度系数先增大后减小，且均在水泥浆与油基钻井液比例为1∶1时达到最大或最小值，高温时呈现干稠状。说明随着油基钻井液在水泥浆中的掺混量的增加，水泥浆明显变稠，无法满足施工安全泵送的要求，会导致泵压增大甚至憋泵等事故；同时，污染后的混浆在套管壁的黏附量增多、黏附力增大，在井壁上形成的泥饼厚度增加，导致界面胶结强度降低。

油基钻井液掺混对水泥浆稠化时间和抗压强度、胶结强度的影响见表3。

表3　油基钻井液对水泥浆稠化时间和强度的影响表

水泥浆稠化时间随钻井液加量变化如表3所示，加入5%的油基钻井液时，水泥浆的稠化时间略有增加；当加量为25%时，稠化时间急剧缩短，已不能满足施工要求；当油基钻井液加量为50%时，稠化时间比25%加量时略有增加，但仍污染严重。当水泥浆中混入5%的油基钻井液时，抗压强度和胶结强度已经大幅度降低。随油基钻井液比例的增加，抗压强度和胶结强度急剧下降，当加量达到50%时已无强度，这将严重影响固井质量和水泥环的层间封隔能力[17-18]。

2.2油基钻井液各组分对水泥浆性能的影响

为使实验效果明显，加大了油基钻井液中各组分的掺混比例。在分析油基钻井液对水泥浆性能影响的基础上，探究了油基钻井液各组成部分分别对水泥浆流变性及水泥石强度的影响如表4所示。

表4　油基钻井液各组分对水泥浆流变及抗压强度的影响表

由表4可知，掺入较多柴油和乳状液时会严重影响水泥浆的流变性，流性指数值降低，稠度系数值增大，导致临界雷诺数增大，使达到紊流的临界排量增大，不利于环空顶替，影响固井质量；水泥浆分层严重，无法正常水化形成水泥石，抗压强度为0。如图1所示，将水泥浆与乳状液的混浆93 ℃下养护后，出现白色絮凝物质；水泥浆与柴油的混浆无法形成水泥石，水泥浆与乳状液掺混水泥石分层严重，无强度。综合对比，对水泥浆性能的影响程度为：乳状液＞柴油＞有机土＞副乳化剂＞主乳化剂，与油基钻井液组分对胶结强度影响的研究结果相似[19]。

图1　油基钻井液组分对水泥浆影响典型图

3　油基钻井液与水泥浆接触污染作用机理

3.1SEM分析

实验获得了油基钻井液不同加量及不同组分对水泥性能影响的规律，对水泥流动度、流变性、强度等性能均有不同程度的影响。因此通过SEM对混浆水泥石的微观形貌进行分析，如图2所示。

图2　油基钻井液不同组分掺混后水泥石SEM图

由图2可知，纯水泥结构致密，无明显的大孔洞；乳状液的加入，使水泥产生非常多的大、小孔洞，结构疏松；加入柴油后，由于油水不相容，水泥石结构疏松，油相阻碍了水泥中水化物的正常水化，因此导致水泥石无强度；掺入有机土后对水泥石强度影响不大，但由于有机土吸水作用较强，影响水泥浆流变性；单纯加入主乳化剂和副乳化剂后，使浆体产生一些胶联，使混浆的稠度略有增加，但对流变性及强度均影响较小。由此可见，乳状液对水泥浆性能影响最为严重，这与实验所得结论相符合。

3.2红外光谱分析

为进一步探究油基钻井液对水泥浆性能影响的机理，对纯水泥浆、水泥浆与油基钻井液及水泥浆与乳状液掺混后进行红外分析测试[20]（图3）。

图3　水泥浆与油基钻井液、乳状液掺混红外分析图

由图3可知，乳状液和油基钻井液对水泥浆的影响相近。水泥浆水化时，800～600 cm-1范围内为C3A和C4AF谱带消失，而油基钻井液和乳状液与水泥浆掺混后的波谱中在617 cm-1左右处明显存在尖峰，同时3 640 cm-1处无Ca(OH)2的羟基振动带吸收峰，说明掺混后阻碍了水泥中水化颗粒发生水化作用；如果水泥浆正常水化，1 350～1 550 cm-1处的碳酸钙会出现缓肩且逐渐减少，但加入油基钻井液后峰强变强；加入乳状液后，虽然出现缓肩迹象，但仍然很明显，表明乳状液掺入后阻碍了水泥水化。通过红外光谱分析可知，乳状液对水泥影响可达到与油基钻井液近似相同的效果。

3.3XRD分析

由实验结果可知，乳状液对水泥浆性能影响最大。因此利用XRD对纯水泥、水泥浆与乳状液的混浆形成的水泥石进行分析（图4）。

由图4可知，水泥与乳状液混合后，CH含量明显降低，但C3S与C2S的含量并没有明显减少，也说明乳状液阻碍了水泥的正常水化。由于乳状液由主乳化剂、副乳化剂、内部水相及柴油混合搅拌而成，而乳化剂属于亲油性表面活性剂，圈闭了水泥浆中的自由水，使浆体变稠水化受阻，影响水泥石的强度发展。

4　结论

1）随着油基钻井液加量的增加，水泥浆的流变性、稠化时间、抗压强度、胶结强度等性能产生不良影响，抗压强度和胶结强度急剧下降，水泥石变得疏松多孔，降低固井顶替效率及层间封隔能力，破坏水泥环完整性。

2）通过分析可知，油基钻井液中的柴油、主乳化剂、副乳化剂、有机土等单组分对水泥浆性能影响不大，而乳状液是引起水泥浆与油基钻井液接触污染的主要原因。乳状液由主乳化剂、副乳化剂、内部水相及柴油混合搅拌而成，乳化剂与柴油共同作用，对水泥浆的流变性及水泥石强度产生严重影响。

3）通过SEM、FTIR、XRD分析可知，乳状液的混入，阻碍了水泥中的水化颗粒与自由水之间的结合，降低水泥石的强度；乳状液中的乳化剂属于亲油性表面活性剂，圈闭了水泥浆中的自由水，使浆体变稠，影响水泥浆的流变性能。

4）由于乳状液对水泥浆性能影响最为严重，为避免水泥浆与油基钻井液接触污染，固井施工时应使用高效的隔离液避免二者接触，并建议在隔离液中加入合适的表面活性剂，使主、辅乳化剂由亲油转变为亲 水状态，产生破乳作用使“油包水”体系解体, 降低乳状液对水泥浆的污染，保障固井作业安全，提高固井质量。

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（修改回稿日期2016-01-08编 辑凌忠）

Impact of the oil-based drilling fl uid components on cement slurry performances and its mechanism

Li Zaoyuan, Liu Honghua, Guo Xiaoyang, Gu Tao, Ou Hongjuan
(State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploration, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China)
NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 3, pp.63-68, 3/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

When the oil-based drilling fluid is mixed with cement slurry during well cementing, contamination may occur and consequently cementing safety is threatened. In this paper, therefore, studies were made on the impact of the oil-based drilling fluid components on cement slurry performances (e.g. rheological property, thickening time and compressive strength). Meanwhile, its corresponding influential mechanism was also explored preliminarily by means of SEM, XRD and FTIR analyses. The experimental results show that the rheological property of cement slurry gets worse and the compressive strength of set cement drops when cement slurry is mixed with the oil-based drilling fluid, thus the displacement efficiency and cement sheath sealing capacity are influenced. Besides, the rheology of cement slurry is less influenced by each single component (e.g. diesel, main emulsifier and assistant emulsifiers). The effect on the rheology of cement slurry from the emulsion which is composed of diesel, aqueous salt solution phase and emulsifier is the same as that of the oil-based drilling fluid. It is indicated that the free water of the cement slurry is trapped by the emulsion, so its liquidity is obviously decreased. Thus, cement particles cannot be combined effectively with free water and cement hydration is hindered. And consequently, set cement is structurally unconsolidated and porous and its strength is damaged. It is recommended to alleviate contact contamination by using forerunning fluids and spacer fluids that are added with appropriate surfactants.

Oil-based drilling fluid; Cement slurry; Contact contamination; Strength; Emulsion; Free water; Hydration

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.03.009

四川省科技计划项目“页岩气钻完井工程技术研究”（编号：2015SZ0003）。

李早元，1976年生，副教授，博士；主要从事固井与完井工程的教学和科研工作。地址：（610500）四川省成都市新都区西南石油大学石油与天然气工程学院。电话：（028） 83037003。ORCID:0000-0002-8950-1236。E-mail:swpilzy@swpu.edu.cn

郭小阳，1951年生，教授，博士生导师；从事固井与完井工程技术领域的重大科学技术攻关研究工作。地址：（610500）四川省成都市新都区西南石油大学明德楼B411。E-mail:guoxiaoyangswpi@126.com