31泥浆转化为水泥浆技术及多功能钻井液技术.docx
《31泥浆转化为水泥浆技术及多功能钻井液技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《31泥浆转化为水泥浆技术及多功能钻井液技术.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
31泥浆转化为水泥浆技术及多功能钻井液技术
泥浆转化为水泥浆技术及多功能钻井液技术
吴达华（中国石油天然气集团公司工程技术研究院）
摘要：
泥浆转化为水泥浆技术和多功能钻井液技术是新型固井技术，由于它具有的技术、环保和经济优势引起了固井界的广泛重视，上世纪90年代我国系统地开展了该技术的研究，已在我国各油田广泛地推广应用，尤其在调整井固井、长封固段固井、热采井固井、用钻井设备进行固井和漏失井固井中形成了明显的特色。
本文对泥浆转化为水泥浆技术和多功能钻井液技术的国内外现状及发展趋势进行较为详细的综述。
主题词：
泥浆转化为水泥浆多功能钻井液矿渣水泥
一、概 要
波特兰水泥一直是地层封隔和支撑套管的主要固井手段，人们在提高泥浆的顶替效率上一直进行着不懈的努力，但未能达到期望的目标，原因是泥浆和水泥浆不相容，残存在环空内和挂在套管上的泥浆及附着于裸眼表面的泥饼很难完全清除干净，它们将严重影响着水泥浆的各项性能，如流变性、凝结时间和强度发展等，尤其残存在冲刷层或井眼扩大部分的泥浆与泥饼，在周围水泥浆固化后，由于水泥石的吸水使之粉化、龟裂易形成流体窜通的通道（图1左）。
泥浆转化为水泥浆技术与多功能钻井液技术（UF）的开发就是为了解决由于这种泥浆窜槽引起的固井失败。
早在上世纪五十年代，开始研究用钻开地层的钻井液转化为水泥浆进行固井的方法，因为转化的钻井液和基础泥浆的相容性好，提高了泥浆的顶替效率，减少了泥浆窜槽，得到了较好的地层封隔（图1中）。
至九十年代初，国际社会对环保要求越来越高，废弃泥浆的处理费用日趋升高；性能优异的分散剂和有机促凝剂的开发，以及高炉矿渣泥浆固化技术的采用；形成了以Wilsion为代表的波特兰水泥转化技术和Cowan为代表的矿渣转化技术（slag-mix），使MTC技术所具有的技术、经济和环境优势得以在工业实践中真正体现。
尤其是矿渣MTC技术具有:
游离CaO含量甚低，对泥浆钙侵少，泥浆体系适用围广；强度发展快，不影响测井；在较宽的温度范围内固化，可应用于长封固段固井的特点，更引起了广泛关注。
但是泥浆转化为水泥浆技术只提高了泥浆的顶替效率，而残存在环空内的泥浆及泥饼仍不能固化，未能彻底改变水泥环与地层的界面胶结，因此Shell公司在九十年代中期又开发了多功能钻井液技术，它和MTC技术的有机结合，显著提高了二界面胶结强度。
在国内，MTC技术的开发及广泛应用始于九十年代中期，许多研究院所和油田开展了这项工作的研究，几乎全部采用矿渣MTC技术，并于1995年在胜利油田（临盘）中试了矿渣MTC技术，1998年在长庆油田中试了多功能钻井液和MTC相结合的技术，经过这几年在矿渣水泥石的力学性能和长期性能的不断深入研究，固井工艺的不断探索和改善，使该技术基本上在我国的所有油田都进行了应用，并在长庆、大港、胜利、中原、吐哈和滇黔桂等油田已经成为主要的固井技术之一。
二、MTC技术和多功能钻井液技术的特点
利用废弃的完井泥浆的降失水性和悬浮性，通过加入廉价的高炉水淬矿渣、激活剂，将泥浆转化为性能完全可以和油井水泥浆相媲美的泥浆固化液。
该泥浆固化液的稠化时间任意调节；具有降失水、防气窜和微触变性能；渗透率低；抗高温性、沉降稳定性、与泥浆的相容性均优于油井水泥浆。
由于无需额外添加剂即可保证良好的固井液性能，直接成本要明显低于同等性能的油井水泥浆；它既可用常规的注水泥工艺进行施工，也可用井场的钻井设备直接进行固井作业，施工灵活，特别适合于边缘地区和海上固井作业；由于矿渣的密度较水泥轻，配浆量大，特别适合于灰量较大的低密度水泥。
多功能钻井液利用矿渣的潜在活性的的特点，因此在打开目的层前，在钻井液中加入一定浓度的磨细矿渣（研究表明当矿渣浓度超过5%后，可明显改善界面胶结），并通过添加剂调节钻井液的性能，使满足完井要求；固井时采用矿渣MTC技术，在固化液中激活剂的扩散和渗透作用下能使附着于地层的泥饼和未替净的泥浆固化，可实现相当于100%的顶替效率。
我们采用高温高压界面胶结强度测试仪，在模拟井下的温度及压力条件，分别对多功能钻井液的钻井-固井方法和常规的钻井-固井方法进行了二界面胶结强度实验，其结果如下：
1：
在环空内，泥浆失水30min后，常规水泥浆在65℃,21MPa下养护48h，二界面胶结强度为0MPa
2：
在环空内，泥浆失水30min后，常规水泥浆再失水30min，在同样条件下养护48h，二界面胶结强度为0.44MPa
3：
在环空内，泥浆失水30min后，MTC泥浆固化液在同样条件下养护48h，二界面胶结强度为0.48MPa
4：
在环空内，UF失水30min后，MTC泥浆固化液再失水30min，然后在同样条件下养护48h，二界面胶结强度为0.97Mpa。
无论从剪切胶结强度的实验结果和水泥环和模拟岩心的剪切面的目测都表明了多功能钻井液和MTC技术的结合可有效提高二界面的胶结强度。
三、矿渣泥浆固化液的组成和综合性能
矿渣泥浆固化液主要由泥浆、水、矿渣、激活剂及分散剂和/或缓凝剂组成。
其中泥浆用来悬浮矿渣和控制失水，矿渣是胶凝材料，分散剂和水可调节流动性能，激活剂及分散剂和/或缓凝剂用来调节凝结时间。
1、矿渣
高炉矿渣是利用高炉冶炼生铁时的副产物，在1400～1500C下由铁矿石的土质和石灰石助溶剂熔融化合而成，熔融的矿渣比铁水轻，漂浮在生铁水的上面，自高炉流出后，经过水淬处理后矿渣熔浆固化成灰白色的或乳黄色的细小颗粒，即高炉水淬矿渣（BFS）。
每年我国排渣量在3000万吨以上（1990年），分布在我国的18个省、市、自治区，质量系数大于1.40的矿渣占总量的95%以上，是一种代替水泥的廉价水化材料。
高炉水淬矿渣主要呈玻璃体形态，偶见析晶。
其玻璃体由网架形成体和改性体组成。
网架形成体主要由SiO32-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；AL3+和Mg2+不仅是网架的形成体，又是网架的改性体。
而这层较为稳定的“保护膜”---硅氧四面体网络，是矿渣具有潜在活性的原因。
矿渣主要成分与油井水泥类似，主要有CaO、MgO、SiO2、AL2O3、等化合物，同时还含有少量的Fe2O3、MnO、TiO2、P2O5等，与油井水泥相比，CaO含量较低，但SiO2含量较高。
GB203-94规定用质量系数来评价矿渣品质，质量系数Ko是CaO、MgO和AL2O3与SiO2、MnO和TiO2的含量比，Ko大于1.40的矿渣可用来生产矿渣水泥，也同样可以用作固井的主体材料。
2、激活剂
影响矿渣水化特性的主要因素有：
（1）玻璃体含量，主要由冷却速度控制；
（2）矿渣加工后的细度；（3）化学组成；（4）水化温度。
玻璃态含量越高、质量系数越大、细度越细、温度越高，则活性越高，强度发展越快。
磨细的水淬矿渣和水混合后，在其表面将发生轻微的水化反应，使部分物质溶解和水化，形成C-S-H凝胶，但进一步水化被矿渣玻璃体表面的低渗透保护膜所阻止，水化反应被几乎终止。
激活剂的作用就是使矿渣玻璃体结构破坏，促进矿渣在常温下进行水化反应。
高炉水淬矿渣的激活剂很多，可分为两大类：
碱性激活剂和硫酸盐激活剂，两类激活剂可以共存，常用的激活剂有：
shell公司的专利激活剂NaOH、Na2CO3体系和建筑水泥中的CaO、Ca2SO4体系，另外无机磷酸盐和硅酸盐也可以作为矿渣的激活剂。
BA激活剂体系是由集团公司工程技术研究院94年开发的，具有激活能力强、强度发展快、引起泥浆的絮凝程度低、形成的泥浆固化体安定性好的特点，是一种兼具激活和交联作用的激活剂。
固体激活剂BAS-1是液体激活剂BA-1L和激活助剂BA-2L通过共结晶或喷雾干燥获得的混合物，可直接和矿渣干混或水溶于泥浆中。
表1 BAS-1与其它激活剂体系的比较
基本配方（g）
激活剂体系
抗压强度
（52C×24h）MPa
矿渣
膨润土
水
500
10
275
30gNaoH+20gNa2CO3
10.1
500
10
275
75g半水石膏+20gCaO
5.0
500
10
250
35gBAS-1
16.4
矿渣在BA激活剂体系的作用下生成AFm相，X—衍射和SEM研究表明：
矿渣的水化产物为Ca3Mg（SiO4）2xH2O,和Ca1.5SiO3.5xH2O，没有明显的Ca（OH）2生成；在高温条件下，形成稳定的C7S6H4及C3F2S3结晶产物；从SEM照片看矿渣固化体的结构致密，但结晶产物没有水泥明显；这些是泥浆固化体比水泥石有更好的抗腐蚀和抗高温能力的主要原因之一。
3、分散剂
完井泥浆往往有较高的固相，较高的膨润土含量和较大的切力，因此在加入矿渣前，一般需对泥浆进行稀释。
用水稀释泥浆会降低泥浆中的有益成份（降失水剂）的浓度，而且搬土对泥浆固化液的抗压强度发展有利，因此需化学释剂。
泥浆中常用的稀释剂都可用于泥浆固化液中，如铁铬盐、木质素磺酸盐、丹宁、腐植酸和磺化苯乙烯马来酸酐共聚物等。
MT-1分散剂是有效的泥浆固化液的分散剂，它还起到延缓矿渣水化的作用，且对矿渣强度的发展影响较小。
4、缓凝剂
由于矿渣和水泥不同的水化特征，使有些油井水泥缓凝剂的缓凝效率减弱，有时甚至失去作用。
一般在矿渣泥浆固化体中，如使用温度不超过100C，通过调节MT-1分散剂和激活剂的掺量即可满足要求。
但温度更高时，就必须加缓凝剂BR-1，它能有效的延缓玻璃态中硅酸盐物质的水化反应，其使用温度可达170℃以上。
5、矿渣泥浆固化液综合性能
表2.不同密度的泥浆固化液性能
密度范围，Kg/m3
1200～1400
1400～1600
1700～2100
稠化时间，min
任意可调
任意可调
任意可调
流动度，cm≥
20
20
20
抗压强度，MPa
25℃×48h≥
45℃×24h≥
45℃×48h≥
3.0
3.0
6.0
3.5
5.0
8.0
10.0
14.0
20.0
API失水量，ml/7.0MP≤
250
250
100
高温强度
不衰退
游离液，ml
0
0
0
沉降稳定性，Kg/m3≤
--
20
20
矿渣泥浆固化液和常规水泥浆一样，稠化时间、失水和流动性能是可以通过调节配方来满足施工要求，它的抗压强度也很大程度上取决于单位体积中的胶凝材料的含量，并表现出随养护龄期的延长而逐渐增加的趋势，当然所选择的矿渣、泥浆的体系和组成、添加剂对强度的发展也有较大的影响；它和常规的油井水泥浆相比，还主要有以下特点：
过渡时间短、沉降稳定性好、渗透性低、体积不收缩、与泥浆相容和触变性好的特点，而且对矿渣泥浆固化体的力学性能研究表明：
它的断裂韧性不亚于油井水泥，模拟射孔实验也证明了这一点。
目前已被成功转化的泥浆体系有：
聚合物不分散泥浆、胺盐聚合物泥浆、正电胶泥浆、聚合物分散泥浆、三钾聚合物泥浆、三磺泥浆、盐水泥浆、部分混油泥浆和井场的废液，在20~230℃的温度范围内其性能可以达到表2要求，显然矿渣泥浆固化液的性能可满足各种注水泥作业的要求。
四、现场应用
泥浆转化为水泥浆技术和多功能钻井液技术自开发以来已在长庆、中原、河南、胜利、大港、辽河、滇黔桂、吐哈等油田得到了大量应用，固井上千井次，在某些油田已经成为主要的固井技术，尤其在调整井固井、长封固段固井、热采井固井、用钻井设备进行固井和漏失井固井中形成了明显的特色。
1、调整井固井
调整井固井的主要难点是长期注水导致地层压力层系复杂，水层和油层间隔小，有的甚至油水同层，因此对二界面的胶结要求特别严格，否则会导致层间封隔的失败。
而泥浆转化为水泥浆技术和多功能钻井液技术的开发就是为了提高二界面的胶结强度，因此无论是国内还是国外一直是该技术的主要应用领域。
长庆陇东油田是长庆局开发较早的区块，由于注水开采，压力层系已发生了严重变化，水层活跃，底水油藏现象较为普遍。
98年在马岭地区共完钻53口井，由于水层、油层和油水同层封固质量不好，或者层间封隔差，导致挤水泥作业时有发生，开发了短过渡、高早强、低失水水泥浆体系后，固井质量大有改善，但仍有个别井固井质量不能满足开采需要。
98年8月用多功能钻井液和MTC相结合的技术中试了2井次，取得了全优的固井质量，99年又固井4口；为了检验多功能钻井液对固井质量的提高是否有利，单独用MTC技术固井3次。
以中78-5井为例作一介绍：
中78—5井：
采油井，设计井深1358米，开钻日期1998年8月11日，二开日期1998年8月12日，8月19日钻至延6（井深1300米），14:
00用矿渣对钻井液进行处理，处理前钻井液预计有80方，钻井液成分为：
5%膨润土+0.25%Na2CO3+0.2%PAC141+0.375%CMC+0.075%FA367+0.075%K-PAM+11%重晶石。
现场进行的实验配方为：
井浆+3%膨润土+0.4%SMP+0.075%CMC+0.2%SMK+5%BFS。
首先加入3T膨润土和约20方水，而后加入5吨BFS，500KgSMP，150KgSMK,75KgCMC。
15:
30加重完毕，开始循环钻进，22:
00完钻，完钻井深1369米,8月20日固井。
表2 多功能钻井液现场跟追性能
Fann-35粘度度计读数
Ф600/Ф300/Ф200/Ф100
密度
g/cm3
粘度
s
API失水
ml
泥饼
cm
PH
原浆
34/21/16/10
1.10
37
12
0.6
9
设计浆
1.13
48
6
0.5
11
16:
15
1.13
43
12
0.8
11
17:
00
44/37/24/12
1.13
52
9
0.5
11
22:
00
35/21/15/10
1.13
52
7
0.5
11
固井前
36/22/16/10
1.13
52
6
0.5
11
显然钻井液在两个循环周后，矿渣、膨润土和所加添加剂已充分混合和水化,从现场结果看多功能钻井液虽然静切力较大、触变性较好，但流型好，携带钻屑能力较强；失水可达到设计要求，而且泥饼光滑坚硬；机械钻速与重晶石加重的钻井液相比没有明显差别。
完钻后用矿渣MTC技术固井，固井水泥浆的配方性能见表3，施工的尾浆矿渣固井液平均密度为1.75g/cm3，候凝24小时后测井，结果为优质。
表3 固井液配方和性能
BFS
（g）
水泥（g）
BAS-1
（g）
SMK
（g）
MUD
（g）
密度g/cm3
抗压强度
Mpa（24h,48h）
初/终凝min
稠化时间
min
流动度cm
100
13.3
5.3
0
146
1.35
5.2（6.8）
150/180
>180
24
100
6
4
1
53
1.83
26.8
65/85
79
22
100
6
4
1
63
1.75
19.5
82/100
*嘉华G级中抗水泥+2.5%J-2A
1.91
22.7
130/154
87
24
注：
低密度为领浆，*为在马岭调整井中使用的油井水泥浆配方。
固井质量分析：
99年马岭区块用油井水泥浆体系固调整井18口，其中合格井17口，优质井8口，优质率47%；用矿渣固井9口，其中有6口井采用了多功能钻井液技术，3口井没有采用；在采用UF+MTC技术的6口井中，5口井为优质，优质率83.3%；在单独用MTC技术固的3口井中，优质井为1口，优质率为33.3%，表明多功能钻井液技术的使用对提高固井质量有益。
2、在低压易漏长封固段固井中的应用
在许多油田的勘探开发中，为了节约成本，井身结构越来越简单，好多2000~3800m的井都下两层套管：
表层套管+油层套管,往往要穿越多套压力层系。
为了起到保护套管的目的，又要求水泥返到井口，将给固井造成很大难度。
为了减少固井施工中的U型管效应和防止压漏地层，经常选用低密度水泥作领浆，因此对低密度水泥提出了在很宽的温度范围内固化、沉降稳定性好和水泥石渗透率低等要求。
矿渣由于比重比水泥轻，泥浆或膨润土可以大大吸附自由水，配浆量大，不用减轻材料最低密度可达1.45g/cm3，仍可保持良好的水泥浆性能，成本相对较低；形成的水泥石结构致密耐腐蚀，因此是长封固段固井的首选水泥浆体系，目前在长庆、吐哈、胜利等油田有大量的应用。
长庆油田陕甘宁盆地天然气井由于延长组、刘家沟地层破裂压力低（0.012~0.0145Mpa/m），气层分布在长达500~600米的井段，裸眼段长达2500-3800米，上部洛河水层，不仅地层承压能力低，易发生漏失；贮水量丰富，含有多种对套管有严重腐蚀性的介质，水泥浆要求返出地面。
依此特点，在分级固井中一般上部都采用矿渣膨润土浆作为领浆，密度为1.3~1.45g/cm3。
但是在有些井区延长组和刘家沟组破裂压力很低，虽然实施泥浆封堵技术后地层承压能力仍很低，钻井时出现大的漏失，因此固井中不得不采取正注反挤的工艺，要求固井水泥浆必须具有良好的堵漏作用，否则返高难以达到要求。
利用多功能钻井液的可防止循环漏失的作用和矿渣泥浆固化液强度快速发展的特点，在G36-7井的固井施工中得到了初次应用。
于固井前首先配置40方的矿渣堵漏浆，配方为：
原浆+0.625%CMC+6.25%HD-1+1.25%HD-2+10%BFS,密度为1.10g/cm3,漏斗粘度达到滴流，先用40吨泡沫水泥和33吨纯水泥正注施工，预计返高1800米（刘家沟组），但漏失层很可能在延长组（预计井深1400米）。
当正注水泥浆候凝3小时后，实施反挤施工，将配置好的40方多功能钻井液液为先导浆，后面注入80方的矿渣固化液，配方为：
375gBFS+50g膨润土+50g水泥+25gBAS-1,施工密度为1.62g/cm3。
性能为：
初凝/终凝时间（45℃）67/85min，抗压强度（45℃）24小时达到8.0Mpa。
虽然固井中出现了漏失，但固井结果表明1400米至井口有水泥，与下部水泥只有100多米的空井段，而且固井质量全部优质，说明该体系有良好的堵漏作用。
而以前的正注反挤工艺中虽然也采用了触变性很大的堵漏泥浆作为先导浆，但水泥返高较低不能达到要求。
3、在浅层热采井中的应用
滇黔桂广西百色油田林逢热采井油气藏埋层浅，50~200米，平均井深220米，油水层多，平均每口井有6~7个水层，2~3个油层，1~2个油水同层，水层非常活跃，尤其是砂二组水层异常活跃，井温低，井底温度38C。
为了满足热采的需要（蒸汽吞吐温度250C），对固井质量要求是：
全井合格，尤其是油层段必须优质,油层、水层层间分隔要好；注采过程中井口不能发生气窜的现象。
为了进一步摸清地下情况，在钻井中要求每口井取芯，钻井周期长，平均在15~20天，导致泥饼厚度增加。
在以往用防气窜水泥浆体系固井共施工了5口井，声幅测井只有一口井合格，而且在后期开采中,发生了井口冒气的现象。
针对以上问题，利用矿渣泥浆固化液的短的过渡时间、好的触变性和耐高温等特点，以提高林逢热采井的固井质量，配方和性能见表4。
表4 矿渣泥浆固化液配方及性能
井号
BFS
g
硅粉
g
搬土g
水泥g
BAS-1g
BA-1L浓度%
密度g/cm3
稠化时间
min
林14-6
600
30
42
48
4.5
1.81
170
林14-10
600
120
60
36
36
6.0
1.78
123
林14-8
600
120
48
48
36
6.0
1.80
157
初凝／终凝
min
流动度
cm
抗压强度（MPa）
38C×8h
38C×1d
38C×2d
38C×7d
25C×
1d
270C×3d
176/210
23
有
3.6
5.0
6.8
有
14.3
89/107
22
2.4
6.8
12.4
14.4
6.8
73/98
21.5
3.2
9.0
14.4
5.4
为了保证固井质量，我们采用了下述工艺措施:
1.每根套管加一个扶正器;2.用激活剂BA-1L溶液作为前置液；3由于环空容积较小，一般为6方左右，为了避免环空内存在混浆.固化液返出地面2-4方。
施工中除林14-6井采用单车注单车替单车碰施工工艺外，其余均采用双车注双车替单车碰的工艺，并使用一个4方混合罐。
现场施工参数及结果见表5。
表5热采井固井的施工情况
井号
完钻井深
米
平均密度Kg/m3
注替排量
l/s
环空返速
m/s
前置液
m3
返出情况
优质段，%
体积
密度
林14-6
200
1860
12
0.56
4
4方
1.75
90.0
林14-8
195
1690
24
0.8
4
2方
1.65
83.0
林14-10
215
1720
24
0.8
4
3.5方
1.72
85.78
4、利用钻井设备进行固井
MTC技术优势之一是可利用钻井设备代替水泥车进行施工。
该固井工艺特别适合于边缘地区和海上固井作业。
中原、滇黔桂等油田采用钻井设备固井共计100多口井次，部分井的固井结果列于表5中。
应首先保证钻井队的所有设备工作正常，清淤干净，准确计算环空容积，将所需泥浆体积隔离到一个干净的泥浆罐中，先稀释泥浆，然后添加激活剂，混合均匀后，通过加料漏斗下灰，以避免矿渣沉底，加料过程必须建立循环；待密度达到设计要求后，既可进行固井施工，用泥浆泵泵送要求体积的泥浆固化液和顶替泥浆，保持施工的连续性；施工结束后，应立即用清水冲洗干净泥浆池及管线。
表6.泥浆泵固井的施工情况
序号
井号
井深，m
固井质量
1
文33-216
1600
优质
2
庆92
2300
优质
3
濮3-135
2200
优质
4
新文13-39
2980
优质
5
唐7井
1900
优质
6
文25-98井
2000
优质
7
濮6-150
2400
优质
8
乌龙一井
450
优质
五、结语
1、MTC技术不仅可用于普通井的表层、技套、油层固井作业，还可用于挤水泥、堵漏及各种水泥塞作业中，尤其适合于调整井、水平井、热采井、盐井、边远开发井及长封固段固井作业；
2、泥浆固化液同普通水泥浆一样，具有稠化时间可调、流动性好、抗压强度满足固井要求，还具有不需添加固井添加剂即可控制较低的失水、微触变、高早强、过渡时间短、耐腐蚀、抗高温、沉降稳定性好的特点；
3、利用钻井设备进行固井，其经济效益更加显著；
4、廉价的工业废渣替代油井水泥，将废弃的完井泥浆回注井内，充分利用三废，减少环境污染；
5、多功能钻井液具有良好的堵漏作用，能有效提高二界面的胶结质量；它与MTC技术的结合，预计在调整井、漏失井、水平井、大斜度井等疑难井的固井中有着广阔的应用前景。
升级会员 