摘　要：為有效清除水基鉆井液濾餅，提高固井界面膠結強度和固井質量，基于水溶性纖維的強沖刷原理和濾餅氧化分解原理，研究出一種新型的固井沖洗液(WD-C)：0.5％WF-H纖維+2.2％WF-O氧化劑+0.35％FeSO4+1.8％KCI+3.0％膨脹珍珠巖粉+水，密度為1.03g／cm³。為此，系統地測試評價了該沖洗液對水基鉆井液濾餅的清洗效率和改善固井界面膠結強度的性能，并通過紅外光譜(IR)、掃描電鏡(SEM)和元素分析(EDS)等方法分析了其對界面膠結物的理化特征和微觀結構的影響。結果表明，該沖洗液對水基鉆井液濾餅具有良好的沖洗作用(沖洗干凈時間在10min內)，且界面膠結處的水泥顆粒能夠正常水化，生成水化硅酸鈣凝膠、Ca(OH)2和棒狀鈣礬石(AFt)晶體，并相互交織并形成致密網絡結構，能顯著提高固井二界面膠結強度，進而提高固井質量。該研究成果為解決高效快速清除水基鉆井液濾餅、提高固井二界面膠結強度技術難題提供了又一種新的技術方法。

關鍵詞：沖洗液  水基鉆井液  沖洗效率  濾餅  固井  界面膠結  固井質量

A new cementation flushing fluid for efficiently removing wellbore filter cake

Abstract：For effectively removing the water-based drilling fluid filter cake and improving interracial cementation strength and cementing quality，a new type of cementation flushing fluid(WD-C)was developed based on the strong flushing principle of water soluble fiber and the oxygen01ysis principle of filter cake．It is composed of 0.5％WF-H fiber，2.2％WF-O oxidant，O.35％FeSO4，1.8％KCl，3.0％swollen powder perlite and water with its density of 1.03g／cm³．This cementation flushing fluid was systematically tested and evaluated in terms of its washing efficiency on the filter cake of water-based drilling fluid and its capacity to improve the bonding strength of cementation interface．In addition，an analysis was performed of its effect on the physical chemical characteristics and the micro-structures of interfacial cements by means of infrared spectrum(IR)，scanning electron microscope(SEM)and energy dispersive X-ray detector(EDS)．It is shown that the new cementation flushing fluid presents excellent washing effect on water-based drilling fluid filter cake(with washing time within lo rain)．The cement particles at the cemented interface can be hydrated normally，and hydrated calcium silicate gel，Ca(OH)2 and rod-shaped ettringite(AFt)crystal are generated and interwoven with each other.In this wav，dense network structures are formed，so the bonding strength of the second cementing interface rises significantly，and then cementing quality is improved．Based on the research results，one more technology is set up for removing the water-based drilling fluid filter cake efficiently and improving the bonding strength of the second cementing interface.

Keywords：Flushing fluid；Water-based drilling fluid；Washing efficiency；Filter cake；Well cementin9；Interfacial cementation；Cementing quality

鉆井工程復雜事故。然而在固井時，殘留的鉆井液及濾餅會阻止水泥漿與井壁直接接觸，并且在水泥漿水化時進一步發生脫水、干枯或粉化現象，易在井眼環空界面處形成微環隙，從而降低界面膠結強度，嚴重影響固井質量，甚至引起油氣水竄流^[1-3]。多年來，如何有效地清除鉆井液濾餅，一直都是固井工程上的難題^[4]。在此，筆者開展了一種基于水溶性纖維強效沖刷和高效氧化降解原理的新型、高效固井沖洗液研究，測試了其對水基鉆井液濾餅的沖洗效率，評價了增強界面膠結強度的性能及機理，為水基鉆井液濾餅的高效清除和提高固井界面膠結強度難題提供一了種新方法和技術手段。

1　新型固井沖洗液的設計原理

1．1　水溶性纖維的強沖刷原理

通過在水基濾餅沖洗液中加入特殊的水溶性纖維WF-H，其分子結構上具有-0H、C＝O、N-H、-COOH等親水性基團，不僅能在水溶液中能夠高度分散，而且還會與水分子、聚合物分子間由于氫鍵的靜電作用從而形成三維的空間網絡結構，增大了沖洗液的沖刷清洗能力和懸浮能力，有利于將鉆井液和濾餅沖刷清洗干凈^[5-6]。

1．2　濾餅氧化分解原理

在沖洗液中加入一種復配的高活性氧化劑WF-O，該氧化劑物質在溶液中能夠生成具有高反應活性的羥基自由基(OH·)、氧自由基來氧化高分子聚合物，通過氧化作用使聚合物分子鏈發生斷裂，變為低分子量有機物而降低黏性，失去橋連和附著作用，將致密、堅韌的濾餅變為松散、破碎結構，使高聚物包裹黏附的膨潤土、細目碳酸鈣等無機填充物暴露出來，使濾餅及固相顆粒易于被沖洗液沖刷掉，從而提高沖洗液的清洗效率^[7-9。

2　實驗材料和測試方法

2．1　實驗材料

新型固井沖洗液體系WD-C：0.5％WF-H纖維+2.2％WF-O氧化劑+0.35％FeSO4+1.8％KCl+3.0％膨脹珍珠巖粉+水，密度為1.03g／cm³；現場常用固井沖洗液體系，主要由滲透劑、分散劑、懸浮劑和加重劑等組成，采用配方為：10％沖洗劑+水，密度為1.01g／cm³；水基鉆井液為聚合物防塌鉆井液體系，由中石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術公司提供，具體配方組成為：水+0.2％Na2CO3+3％膨潤土+0.4％磺酸鹽共聚物+1.6％天然聚合物濾失劑+3％磺化酚醛樹脂SMP-Ⅱ+0.7％有機胺+1.0％聚合物抑制劑JBY+1.2％鋁基聚合物+3.5％膠乳瀝青+2％潤滑劑+0.5％表面活性劑司盤80+3％超細碳酸鈣+15％加重劑，鉆井液密度為1.30g／cm³；臨朐油井G級水泥由勝利黃河固井公司提供；無水乙醇由國藥集團提供。

2．2　沖洗效率評價方法

將旋轉黏度汁的金屬轉筒內、外壁都沾滿鉆井液或濾餅，置于轉速100r／min下清洗，每隔一定時間后計量稱重，計算清洗下來的鉆井液占沾在旋轉黏度計轉筒上總鉆井液的百分比，即為沖洗效率^[10-13]。

2．3　界面膠結強度的測試

將人造砂巖巖心浸入水基鉆井液鉆井液中，置于75℃下靜置30min使砂巖巖心表面充分吸附、黏滯著鉆井液；然后將砂巖巖心置于75℃的沖洗液中浸泡30min，觀察砂巖巖心表面的鉆井液的清洗情況；將砂巖巖心放入膠結強度模具中間，四周倒入配制好常規油井水泥漿(水泥漿密度為1.90g／cm³)，將膠結強度模具密封后放入75℃水浴養護箱中養護；在壓力機上，通過頂替模具分別頂替水泥環和砂巖巖心，便可測定養護24h、72h的界面膠結力，除以界面膠結面積，即得到界面膠結強度，并與空白砂巖巖心的界面膠結強度進行對比分析^[14-16]。

2．4　界面膠結物的表征與分析

選擇有代表性的界面膠結物樣品，研磨成細粉末至75mm，進行紅外光譜分析；將界面膠結物樣品塊用導電膠粘貼在銅質樣品座上，真空鍍金，然后采用日本日立公司S4800場發射掃描電子顯微鏡觀察膠結物形貌，加速電壓5.0kV，并進行元素分析。

3　固井沖洗液的清洗效率測試

按照國家標準GB／T l 6783．1—2012鉆井液現場測試第1部分：水基鉆井液分別在75℃／3.5MPa條件下進行水基鉆井液30min濾失實驗，然后取下水基鉆井液所形成的濾餅，并用膠帶小心地將濾餅固定在旋轉黏度計外筒上，然后對旋轉黏度計外筒和濾餅總質量進行稱重。采用旋轉黏度計轉速100r／min，分別評價現場常用固井沖洗液、新型固井沖洗液WD-C在75℃條件下對水基鉆井液濾餅的清洗效率，測試結果如表1所示。測試結果表明：①現場固井沖洗液對水基鉆井液濾餅的沖洗效果差，沖洗10min、甚至20min仍有大量鉆井液濾餅黏附在濾紙上，沖洗30min后，濾紙上仍有一層黏附物無法沖洗干凈，此時沖洗效率為76.92％。②新型固井沖洗液WI>C對水基鉆井液濾餅具有較優的沖洗效果，能夠在較短時間內將鉆井液濾餅沖洗干凈，10min時的沖洗效率達到93.41％，能夠滿足現場固井沖洗要求。綜上所述，說明新型固井沖洗液WDC能夠在較短時間內、有效地將井眼周圍的水基鉆井液濾餅沖洗干凈，這有利于增強固井界面膠結強度，提高固井質量。

4　沖洗液對界面膠結強度的影響

圖1為現場常用固井沖洗液沖洗后的巖心與水泥漿的膠結實物外觀圖。從圖1中可明顯看到在巖心與水泥石界面處存在有一層微間隙，猶如“三明治”結構，這是未清洗掉的水基濾餅干化后形成的虛濾餅層，與水泥石和巖心間均無法有效膠結，沒有結構強度，不能實現對地層流體的有效封隔，反而為固井后流體的竄流提供了通道。圖2為WD-C沖洗后的巖心與水泥石的膠結實物外觀圖。從圖2中可明顯看到在巖心與水泥石界面處緊密結合在一起，沒有殘留的虛濾餅層和微間隙產生，界面相互間膠結非常好，非常有利于對地層流體實現有效封隔，防止固井后竄流發生。

表2為現場常用沖洗液、WD-C清洗后的巖心與水泥石界面膠結強度測試結果^[12]。測試結果表明：現場常用沖洗液由于無法將巖心上的濾餅清洗干凈，其巖心與水泥石固井二界面膠結強度非常低，并且經過72h養護后，第二界面膠結強度增長不大，膠結強度值仍較小，達不到有效封隔地層的要求；而濾餅經過新型固井沖洗液WD-C高效清洗后，其巖心與水泥石固井二界面膠結強度非常明顯的增大，24h養護后的二界面膠結強度是現場常用沖洗液清洗方式的4.25倍，72h養護后的二界面膠結強度是現場常用沖洗液清洗方式的4.31倍。

5　沖洗液對界面膠結物理化特征的影響

5．1　界面膠結物的紅外光譜分析

圖3為現場常用沖洗液、WD-C清洗后的巖心水泥膠結物紅外光譜(IR)分析。通過對比可明顯看出：現場常用沖洗液清洗后的巖心水泥膠結物中存在強、寬的氫鍵結合羥基的伸縮振動吸收峰(3430cm^-1)，這說明現場常用沖洗液清洗后巖心表面仍含有大量鉆井液中的高分子聚合物處理劑，高分子聚合物處理劑常含有羥基、羧基等基團，并且鉆井液中的高分子聚合物會阻止界面處水泥顆粒水化。WD-C清洗后巖心膠結物IR譜圖中的羥基伸縮振動特征吸收峰強度明顯減弱，并且在3642cm^-1處出現了水泥水化產物Ca(OH)2的O-H伸縮振動強烈吸收峰，在983cm^-1、460cm^-1處出現了水化硅酸鈣凝膠(CSH)中Si-O鍵的伸縮振動和彎曲振動吸收峰，這說明WD-C能夠將水基濾餅清洗干凈，有利界面處水泥顆粒水化，證實了新型固井沖洗液非常有利于濾餅的高效清除。

5．2　界面膠結物的元素分析

表3為現場常用沖洗液、WD-C清洗30min后的巖心—水泥之間膠結物元素分析(EDS)結果。

對比分析表3可知：①現場常用沖洗液清洗后的巖心界面膠結物中含有Mg、Al、Fe元素，這些元素來源于鉆井液中處理劑，說明現場常用沖洗液無法有效地將巖心上濾餅的清洗干凈。②現場常用沖洗液清洗后的巖心膠結物中Ｏ元素含量明顯高于新型固井沖洗液WD-C清洗后的巖心膠結物，除了水泥中硅酸鹽物質的Ｏ元素外，還含有大量鉆井液中碳酸鈣、重晶石加重劑和高分子聚合物等物質，碳酸鈣(caCO3)、重晶石(BaS0。)和聚合物中所含有羥基、羧基和醛基等有機基團是使膠結物Ｏ元素含量高的主要原因。③新型固井沖洗液WD-C清洗后的巖心膠結物中含有較多Ca、Si元素，Ca、Si元素來源于水泥水化產物，說明新型沖洗液WD-C能夠有效地清洗掉巖心上的濾餅，從而使水泥充填在巖心  濾餅水泥之間，并發生水化反應，有助于提高界面膠結強度。

5．3　界面膠結物的微觀結構SEM分析

圖4為現場常用沖洗液、WD-C沖洗后巖心與水泥漿存75℃養護24h的界面膠結物微觀結構SEM對比。從圖4中可明顯看到在巖心與水泥石界面處水泥由于受到鉆井液中膨脹土和聚合物外加劑的影響，水泥顆?；緵]有水化，水泥顆粒表面覆蓋許多鉆井液中的物質，而沒有水泥的水化產物氫氧化鈣(六方片狀)和水化硅酸鈣凝膠CSH物質(呈現纖維狀)。而經過WD-C清洗后巖心與水泥石界面處的水泥顆粒能夠正常水化，有明顯的水化硅酸鈣CSH凝膠和Ca(OH)2晶體，并且有大量呈棒狀的鈣礬石(AFt)生成，相互交織形成網絡結構，從而有利于提高界面膠結強度。

6　結論

1)水基鉆井液中的高分子聚合物物質會阻礙水泥顆粒的正常水化反應，從而大幅度降低固井二界面膠結強度，因此，高效地清除鉆井液濾餅是提高固井二界面膠結質量的關鍵。目前常用固井沖洗液無法有效地清除掉水基鉆井液濾餅，制約著固井質量的提高。

2)根據水溶性纖維在水溶液形成三維網絡結構的強沖刷原理和濾餅氧化分解原理，設計并研究出一種新型的固井沖洗液WD-C。

3)沖洗液WD-C對水基鉆井液濾餅具有優良的沖洗作用，能夠在10min內將鉆井液濾餅清洗干凈，有效防止因殘留濾餅層而引起的固井微間隙現象發生。

4)沖洗液WD-C對巖心表面水基鉆井液及濾餅的高效清除，保證了固井水泥在水泥  巖心界面處的正常水化，生成水化硅酸鈣凝膠、Ca(OH)2和棒狀鈣礬石(AFt)晶體，相互交織并形成致密網絡結構，實現了固井二界面的有效膠結，有助于提高固井質量。

參考文獻

[1]P1ank J，Tiemeyer C，Buelichen D．A study of cement／mudcake／formation interfaces and their impact on the sealing quality of oilwell cement[C]//paper 170452-MS presented at the IADC／SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference，25-27 August 2014，Bangkok，Thailand．DOI：http：//dx．doi．org／10．2118／170452-MS．

[2]顧軍，李新宏，先花，曾鵬琿，楊易駿，何吉標，等．油井水泥漿與多功能鉆井液泥餅界面離子擴散阻礙機理[J]．石油學報，2013，34(2)：359-365．

Gu Jun，Li Xinhong，Xian Hua，Zeng Penghui，Yang Yijun，He Jibiao，et al．Hindering mechanism of ion diffusion at the interface between oil well cement slurry and mud cake from multifunctional drilling fluid[J]．Acta Petrolei Sinica，2013，34(2)：359-365．

[3]Anugrah A，Budiawan A，Pratomo，DI，Brandl A，Farahani HS．Innovative cement spacer improves well cementing integrity-60 case histories reviewed[C]//paper 170545-MS presented at the IADC／SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference，25 27 August 2014，Bangkok，Thailand．DOI：http：//dx．doi．org／10．2118／170545-MS．

[4]顧軍，何吉標，譙世均，蒲繼才，周福，張文平．MTA方法防氣竄固井技術在澀北氣田的應用[J]．天然氣工業，2014，34(4)：83-87．

Gu Jun，He Jibiao，Qiao Shijun，Pu Jieai，Zhou Fu，Zhang Wenping．Application of the MTA method to gas-channeling prevention in well cementing in Sebei gas field，Qaidam Basin[J]．Natural Gas Industry，2014，34(4)：83-87．

[5]Ahmed RM，Takach NE．Fiber sweeps for hole cleaning[C]// paper 113746-MS presented at the SPE／ICoTA Coiled Tubing and Well Intervention Conference and Exhibition．1-2 April 2008，the Woodlands，Texas，USA．DOI：http：//dx．doi．org／10．2118／113746-MS．

[6]李麗，劉偉，劉徐慧．川西低固相鉆井完井液泥餅清除技術初探[J]．鉆井液與完井液，2010，27(6)：27—29．

Li Li，Liu Wei，Liu Xuhui．Study on filter cake removal technology of low solid drilling and completion fluids in Chuan Xi[J]．Drilling Fluid&Completion Fluid，2010，27(6)：27-29．

[7]鄧長明，李娟，葉曉端，鮑為，周靜．新型DF沖洗液的研究與應用[J]．天然氣工業，2006，26(9)：90-92．

Deng Changming，Li Juan，Ye Xiaoduan，Bao Wei，ZhouJing．Research and application of a new type of flush fluid[J]．Natural Gas Industry，2006，26(9)：90-92．

[8]袁萍，謝葵，馬巍，黃一漢，沈飛．復合緩釋型鉆井液濾餅清除劑的研究與應劇硼．鉆井液與完井液，2011，28(4)：32-35．

Yuan Ping,Ma Dai,Huang Yihan,Shen Fei.Study and application of compound sustained-release mud cake scavenger[J].Driling Fluid&Completion Fluid,2011，28(4)：32-35．

[9]朱啟武，何笑薇，周永璋，葉琴琴，何蓮．非酸性氧化型復配鉆井液濾餅清洗劑的研究[J].鉆井液與完井液，2014，31(2)：47-50.

Zhu Qiwu,He Xiaowei,Zhou Yongzhang,Ye Qinqin,He Lian.Study on non-acidic oxidizing compound mud cake remover[J].Drilling Fluid&Completion Fluid,2014,31(2)：47-50.

[10]由福昌，許明標．一種固井前置沖洗液沖洗效率的評價方法[J]．鉆井液與完井液，2009，26(6)：47-48．

You Fuchang，Xu Mingbiao．A method for the evaluation of a prepared flushing fluid for cementing[J]．Drilling Fluid&Completion Fluid，2009，26(6)：47-48．

[11]王廣雷，吳迪，姜增東，諶德寶．固井沖洗效率評價方法探討[J]·石油鉆探技術，2011，39(2)：77-80．

Wang Guanglei，Wu Di，Jiang Zengdong，Chen Debao．Discussion of evaluation method of cementing flushing efficiency[J]．Petroleum Drilling Technology，2011，39(2)：77-80．

[12]姜增東，王廣雷，王萬軍，岳婷，盧士芬．DCX固井模擬沖洗效率評價裝置的研制[J]．石油鉆探技術，2013，41(3)：127-129．

Jiang Zengdong，Wang Guanglei，Wang Wanjun，Yueting，Lu Shifen．Development of cementing evaluation equipment DCX for flushing efficiency[J]．Petroleum Drilling Technology，2013，41(3)：127-1297.

[l3]朱江林，石禮崗，馮克滿，王同友，方國偉，宋茂林．一種物理模擬沖洗液沖洗效率的評價方法[J]．鉆井液與完井液，2012，29(1)：69-70．

Zhu Jianglin，Shi Ligang，Feng Keman，Wang Tongyou，Fang Guowei，Song Maolin．Evaluation method on flushing efficiency of physical simulation fluid[J]．Drilling Fluid&Completion Fluid，2012，29(1)：69-70．

[14]楊振杰，李家芬，蘇長明，陳道元，石鳳岐．新型膠乳沖洗隔離液試驗[J]．天然氣工業，2007，27(9)：51-53．

Yang Zhenjie，Li Jiafen，Su Changming，Chen Daoyuan．Shi Fengqi．Experimental study on latex flush spacer fluid[J]．Natural Gas Industry，2007，27(9)：51-53．

[15]郭辛陽，步玉環，沈忠厚，李娟，王成文，柳華杰．井下復雜溫度條件對固井界面膠結強度的影響[J]．石油學報，2010，31(5)：834 837．

Guo Xinyang，Bu Yuhuan，Shen Zhonghou，IA Juan，Wang Chengwen，Liu Huajie．The effect of downhole complex temperature conditions on the interfacial bonding strength in cementing[J]．Acta Petrolei Sinica，2010，31(5)：834-837．

[16]崔茂榮，馬勇．評價鉆井液濾餅對固井二界面膠結質量影響的新方法[J]．天然氣工業，2006，26(12)：92-93．

Cui Maorong，Ma Yong．A new method for evaluating the effects of drilling fluid filter cake on bond quality of the second cementing interface[J]．Natural Gas Industry，2006，26(12)：92-93．

本文作者：陳二丁  王成文  孟仁洲

作者單位：中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工程技術公司

  中國石油大學(華東)石油工程學院