亲油水泥浆界面封隔性能评价研究.pdf

1958西南石油大学学报（自然科学版）2024 年 2 月 第 46 卷 第 1 期Journal of Southwest Petroleum University（Science&Technology Edition）Vol.46 No.1 Feb.2024DOI：10.11885/j.issn.1674 5086.2021.10.03.01文章编号：1674 5086（2024）01 0115 11中图分类号：TE256文献标志码：A亲油水泥浆界面封隔性能评价研究黄 盛1，2，周 灿1，2，李早元1，2*，杨 川3，刘 洋31.油气藏地质及开发工程全国重点实验室 西南石油大学，四川 成都 6105002.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川 成都 6105003.中国石油川庆钻探工程有限公司井下作业公司，四川 成都 610052摘要：页岩气井油基钻井液条件下固井时，套管与井壁表面附着油膜或油基钻井液易导致水泥环界面封隔能力下降，形成窜流通道，影响后期增产改造作业。虽然前置液能有效提高界面润湿反转，但受用量、冲洗效率等因素限制，界面仍会出现油膜附着情况。为此，在水泥浆中加入亲油表面活性剂，制备形成亲油水泥浆，赋予水泥环亲油能力。采用接触角、剪切胶结强度、界面水力封隔测试等评价了亲油水泥石的亲油能力及界面封隔效果。研究发现，非极性溶剂在亲油水泥石表面接触角远低于常规水泥石表面，具备良好的亲油性能；亲油水泥石与含白油、油基钻井液的套管、页岩岩芯胶结后，一、二界面抗流体窜流压力分别提升 500%和 400%，胶结强度分别提高 205%和 122%；亲油表面活性剂的加入不会对水泥水化程度、水泥浆工程性能及水泥石力学性能产生负面影响。结果表明，亲油表面活性剂掺入后可有效提高水泥环与含油界面的封隔能力，具备提高油基钻井液条件下水泥环 套管 地层界面胶结与封隔性能的潜力。关键词：页岩气；固井；界面封隔；油基钻井液；表面活性剂A Study on the Hydraulic Isolation Property of Cement-casing andCement-formation Interfaces by Oleophilic Cement SlurryHUANG Sheng1，2,ZHOU Can1，2,LI Zaoyuan1，2*,YANG Chuan3,LIU Yang31.National Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China2.Petroleum Engineering School,Southwest Petroleum University,Chengdu,Sichuan 610500,China3.Downhole Operation Company,CCDC,Chengdu,Sichuan 610052,ChinaAbstract:When cementing with oil-based drilling fluid in shale gas wells,oil in casing and wellbore is easy to reduce theinterface isolation performance and form channeling circulation channels,which will have a negative impact on subsequentproduction.Although the pre-fluid can effectively improve the interface wetting reversal,the oil film retention and adhesionwill still occur due to the limitation of flushing efficiency.To this end,we add oil-wetting surfactants to cement slurry,and formoil-wetting cement slurry,giving cement oil-wetting ability.Contact angle,shear bonding strength and interfacial hydraulicisolation tests were used to evaluate the oil-wetting ability and interfacial isolation effect of the cement.It is found that thecontact angle of non-polar solvent on the surface of oil-wetting cement is much lower than that on the surface of conventionalcement,and the non-polar solvent has good oil-wetting performance.After oil-wet cement cementing with casing and shalecore containing white oil and oil-base drilling fluid,the resistance to fluid cross-flow pressure of the cement-casing interfaceand cement-formation interface were increases by 5 times and 4 times,and the shear bonding strength increases by 205%and122%,respectively.The addition of oil-wetting surfactant has no negative effect on the hydration degree of cement,mechanicalproperties of cement and basic engineering performance of cement stone.The results show that the addition of the oil-wettingsurfactant can effectively improve the cement ring and oil-bearing interface,and has the potential to improve the cement sheath,casing and formation interface bonding and isolation performance under oil-based drilling fluid condition.Keywords:shale gas;well cementing;interface isolation;oil base drilling fluid;surfactant网络出版地址：http：/ 盛，周 灿，李早元，等.亲油水泥浆界面封隔性能评价研究J.西南石油大学学报（自然科学版），2024，46（1）：115 125.HUANG Sheng,ZHOU Can,LI Zaoyuan,et al.A Study on the Hydraulic Isolation Property of Cement-casing and Cement-formation Interfaces byOleophilic Cement SlurryJ.Journal of Southwest Petroleum University(Science&Technology Edition),2024,46(1):115125.*收稿日期：2021 10 03网络出版时间：2024 01 17通信作者：李早元，E-mail：基金项目：中国石油 西南石油大学创新联合体科技合作项目（2020CX040000）；四川省科技计划（2020JDTD0019）；川庆钻探工程公司 西南石油大学工程技术联合研究院科技项目（CQXN 2020 03）116西南石油大学学报（自然科学版）2024 年引言由于页岩具有脆性和水敏性强的特点，导致页岩井壁稳定性不高，与水基钻井液相比，油基钻井液抑制性强、润滑性好，有利于保持页岩井壁稳定，因此，页岩气井储层钻井时常采用油基钻井液1 4。但由于油基钻井液黏附性强，使用后套管及井壁上会附着油基钻井液，在一、二界面上形成非极性的油膜，而水泥浆为极性工作液，两者间存在较强界面张力，相容性差，导致水泥环无法与一、二界面形成良好的胶结，严重影响固井质量，进而影响后期作业。目前，固井时多采用含表面活性剂的前置液进行冲洗，利用表面活性剂分子的润湿反转和乳化作用改变井壁及套管界面的润湿性并分散多余油污，降低其与水泥浆的界面张力，提高一、二界面胶结质量5。如斯伦贝谢公司的 Frederik 等研发的专门适用于各种类型的油基钻井液条件下，固井冲洗液用表面活性剂，该体系选用烷基多糖苷型表面活性剂，辅以油脂甲基酯等作助溶剂；路博润公司的 Roderick 等研究了一种新型表面活性剂溶液，加入隔离液中可有效提高对油基钻井液的冲洗效率和相容性；Komocki 等研发了一种由表面活性剂、润湿剂和流型调节剂组成的隔离液，对油基钻井液冲洗效果较好6 8。国内李韶利等也研制出一种加入表面活性剂等化学剂就能具备高效冲洗性能的前置液9 11。虽然加入表面活性剂能提高前置液的性能和冲洗效率同时对水泥环胶结起到了正作用，但由于页岩井水平段冲洗效率不足，尤其是深层页岩长水平段（段长 1 500 m）前置液无法有效发挥作用，仍然存在被油基钻井液污染的井壁及套管界面，导致固井胶结面质量差的问题。以往研究者们对水泥浆润湿性的改性方法通常为表面喷涂或设计微乳液12 15，但固井工况下并不适用。因此，本文采用表面活性剂改性的方法设计亲油型水泥浆，赋予水泥浆亲油的性能，降低水泥浆与被污染一、二界面的界面张力，使含油套管和亲油水泥石具有更好的胶结效果，降低附着油膜（油基钻井液）对一、二界面胶结的不利影响。通过接触角、表面能等参数确定所使用的表面活性剂16 20，形成具备亲油表面的水泥石。通过实验室自研的界面水力封隔装置对含油一、二界面进行水压击穿测试，同时进行一、二界面胶结强度实验来研究亲油水泥石对一、二界面封隔性能的改善作用；并对加入表面活性剂的水泥强度和水化过程以及水泥石基本工程性能进行分析21 26，探究表面活性剂的加入对水泥本身性能的影响。1 仪器与材料材料与试剂：油井 G 级水泥（嘉华特种水泥股份有限公司）、降失水剂 G33S（卫辉市化工有限公司）、表面活性剂 QYJ（市售）、消泡剂 XP 1（成都川锋化学工程有限责任公司）、无水乙醇（成都市科龙化工试剂厂）、1 溴代萘（成都市科龙化工试剂厂）、乙二醇（成都市科龙化工试剂厂）及 5#白油（工业级）市售。仪器：OWC 9360 恒速搅拌器（沈阳航天航空大学应用技术研究所）、TG 1220C 常压稠化仪（沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司）、OWC 118F型双温强度养护箱（沈阳航天航空大学应用技术研究所）、JY PHb 型接触角测试仪（承德优特检测仪器制造公司）、界面水力封隔实验装置（自研设备）、YAW 300 全自动电子伺服压力试验机（长春浩园试验机公司）、高温高压稠化仪（沈阳航天航空大学应用技术研究所）及六速旋转黏度计（沈阳泰格石油仪器设备制造有限公司）。2 实验及测试方法2.1 水泥浆制备本文采用基础水泥配方（水泥浆配方见表 1），其目的是更易观察和分析表面活性剂对水泥石表面的亲油改善效果，并且避免其他外加剂与亲油表面活性剂产生协同或互斥作用而干扰实验本身结果。其中，降失水剂主要起到避免水泥浆沉降、控制其滤失性保证水泥浆自身稳定性的作用，消泡剂主要作用是消去因加入表面活性剂后搅拌所形成的气泡，水泥浆的水灰比控制在 0.44，所有外加剂的组分含量均是以水泥灰 100%为参照进行计算。水泥浆的配制方法参考 GB/T 10238201527进行。分别称量水、水泥灰和所用外加剂，用恒速搅拌器，选择 4 000 r/min 的转速搅拌 15 s，边搅拌边加入水泥灰，加水泥灰结束后用 12 000 r/min 的转速高速搅拌 35 s，此时加入消泡剂并采用变速模第 1 期黄 盛，等：亲油水泥浆界面封隔性能评价研究117式进行消泡，配浆完成后将水泥浆放入常压稠化仪中预制 20 min 进一步消泡，即获得实验所用的两种配方的水泥浆。表 1水泥浆配方Tab.1Formula of cement slurry样品配方/%水泥灰降失水剂水表面活性剂消泡剂常规水泥浆10024400.001亲油水泥浆1002440.50.0012.2 接触角及表面能测试将水泥浆倒入内径为 100.0 mm 的塑料表面皿中，常压90C养护72h，形成表面积较大的水泥石，将养护后的水泥石表面用 120、400、800 及 1 200 目砂纸逐级打磨光滑后，用 JY PHb 接触角测量仪分别选取极性溶剂（乙二醇、水）与非极性溶剂（1 溴代萘、5#白油）测量其接触角，通过接触角的测量结果表征水泥石表面的润湿性。同时选取两种测量溶剂用 Young 方程及接触角法计算水泥石的表面能。其中，接触角法中选择 Fowkes 方程19 20通过式（1）进行计算，其中，dgl，dgs均可在化学手册中查得，且公式中假设 gs=dgs，只需测得接触角即可计算固体的表面能。gl(1+cos)=dgsdgl(1)式中：gl固体表面能，mJ/m2；接触角度，（）；gs气液表面能，mJ/m2，通过查表获取；dgs气体与固体的色散分量，mJ/m2；dgl气体与液体的色散分量，mJ/m2。2.3 界面水力封隔性能测试本文采用自研界面水力封隔评价装置（图 1）评价一、二界面水力封隔能力，采用水为窜流介质，评价流体沿界面的窜通压力。采用钢柱模拟一界面套管，页岩岩芯模拟井壁二界面，钢柱与页岩岩芯直径均为 25.00 mm，高度为 50.00 mm。将钢柱和岩芯在油基钻井液或 5#白油中浸泡 5 h 后取出，静置 2 h，模拟含油（油基钻井液）界面。将静置后的钢柱或岩芯放入内径 50.00 mm，高 50.00 mm 的圆柱形模具中，在环空浇筑水泥，密封上下端面后在90C，0.1 MPa 条件下养护 72 h。养护后将样品装入界面水力封隔评价装置内，装置两端分别为进液端和出液端，装置内通过恒速泵给橡胶套施加围压，密封胶套与样品间隙，防止流体从边壁窜流。采用千德乐 Quizix Q5000 高压驱替泵（图 2）向样品端面施加液压，模拟窜流介质，并记录流体压力。界面水力封隔失效后，压力下降，此时，记录得到的最大压力即为界面抗流体窜通的压力，通过式（2）换算得到单位长度下水泥环封隔压力。G=pL(2)式中：G单位长度可封隔的压力，MPa/m；p流体窜通压力，MPa；L样品试样的长度，m。b!#$a%&()*+,-.图 1界面水力封隔评价装置及内置胶套Fig.1Device for measure capability of interface isolationand built-in rubber sleeve图 2Quizix Q5000 高压驱替泵Fig.2Quizix Q5000 high pressure displacement pumpb!#a$#图 3二界面试样正视图及俯视图Fig.3Front view and top view of the cement-shale coreinterface sample118西南石油大学学报（自然科学版）2024 年2.4 界面胶结强度测试界面胶结试样与 2.3 节相同，将养护后的试样取出，在岩芯或钢柱顶端放置一压头，采用电子伺服压力机对样品进行加载测试，加载速率 100 N/s，界面胶结强度测试如图 4 所示。根据式（3）计算界面胶结强度S=pDH(3)式中：S界面胶结强度，MPa；p界面失效压力，N；D岩芯或钢柱直径，mm；H岩芯或钢柱高度，mm。!#$%&()*+图 4界面胶结强度测试Fig.4Test ofbonding strength of interface2.5 抗压强度及抗拉强度测试参照油井水泥试验方法：GB/T 19139201228测试抗压强度，将常规水泥浆与亲油水泥浆倒入50 mm50 mm50 mm 的标准方模中密封后，在水浴箱中 90C养护 72 h 和 168 h，养护完毕后对样品进行抗压强度测试，测试结果为 3 组试样平均值。抗拉强度参照标准 NB/T 14004.2201629，采用巴西劈裂法进行测试，将常规水泥浆与亲油水泥浆倒入圆柱形模具中，底面分别用玻璃板密封，在常压高温水浴箱中 90C养护 72 h 和 168 h，养护完毕后对该样品进行抗拉强度测试，测试结果为 3 组试样平均值。2.6 XRD 与 TG 测试采用 X 射线衍射（XRD）表征水泥水化产物类型，采用热重分析（Thermo Gravimetry，TG）表征水泥水化程度。将养护后的水泥石破碎，取中心部位小块用无水乙醇浸泡 48 h，终止水化反应，然后放入洁净玛瑙研钵中，加入无水乙醇研磨，防止试样碳化。研磨后放入 50C真空干燥箱中干燥 24 h。XRD 测试扫描步长：0.02，扫描范围：590，扫描速度：4/min；TG 测试温度：室温 1 000C，升温速率：10C/min。2.7 亲油水泥基本工程性能评价为使所研究的水泥体系可正常应用于固井施工并不造成较大负面影响，因此，对水泥浆基本工程性能做出评价，包括水泥浆的流变性能、流动度、水泥浆游离液、稠化时间以及高温高压失水量。实验依照国家标准 GB/T 19139201228进行，实验水泥浆使用亲油水泥浆和常规水泥浆进行对比实验。3 结果与分析3.1 亲油表面活性剂对水泥石湿润性的影响表 2 和图 5 为实验中不同测试介质在水泥石表面接触角数据和测试图，极性溶剂（水、乙二醇）在常规水泥石表面的接触角在 6777，在亲油水泥石表面的接触角在 3546，说明该表面活性剂对水泥石表面的水润湿性有所改善，即增强了该表面的亲水性；当使用非极性溶剂（5#白油、1 溴代萘）测量时，在常规水泥石表面接触角为 3537，而在亲油水泥石的表面接触角仅为911，可见该表面活性剂大大改善了水泥石表面的油润湿性，该特性的改善使得水泥石在油润湿和水润湿的表面都能有更好的接触，利于界面的胶结。为了进一步分析亲油水泥石与常规水泥石表面性能，分别采用水和 1 溴代萘接触角计算两种水泥石的表面能，结果如图 6 所示，当用水作为计算溶剂时，其表面能由 32.78103J/m2提升至56.03103J/m2；用 1 溴代萘作为计算溶剂时，其表面能由 53.53103J/m2提升至 62.13103J/m2，理论上，固体表面能越大固体表面对分子的吸附作用越强，即表面能越大对井壁或套管表面的吸附作用越强，两组实验均可以看出，表面活性剂对提高水泥石表面能有所帮助。表 2水泥石接触角数据Tab.2Contact angle of cement测试介质水泥石平均接触角/（）常规水泥石亲油水泥石水7746乙二醇67351 溴代萘35115#白油379第 1 期黄 盛，等：亲油水泥浆界面封隔性能评价研究119d!#$%,&()*c+,#$%,&()*b!#$%,()*a+,#$%,()*图 5水泥石润湿角测试图Fig.5Contact angle test of cement!#$%&#$%80604020032.7856.0353.5362.13#$%()*/()mJ m-2+,-./0#1-123图 6水泥石表面能Fig.6Surface energy of cement3.2 亲油水泥对环空界面封隔性能及胶结强度的改善图 7 图 10 所示为含白油、油基钻井液（Oil-based Mud，OBM）的一、二界面水力封隔性能测试曲线图，图中曲线分为 3 个阶段，即：加压段、稳压段及泄压段。图中曲线第一次出现明显下降趋势的时刻即为界面被水压击穿的时刻，对应压力即为界面所承受的最大压力，击穿后压力下降，但没有降至 0，原因是界面形成流体通道，但通道间隙较小，流体通过仍然存在阻力；若所施加压力达到仪器承压极限时还未发生泄压则进行手动泄压，图中最后较大幅度的下降即为手动泄压。从图 7 图 10 可以看出，常规水泥石对含油界面几乎无封隔效果，而用表面活性剂改性后的水泥石承压能力得到了明显的提升。在一界面水力封隔实验中，如图 7 白油组常规水泥石的封隔能力仅为50 MPa/m，亲油水泥石高达 250 MPa/m；图 8 油基钻井液组常规水泥石几乎无法承受压力，加压就会立马被击穿，而亲油水泥石封隔能力为 250 MPa/m，有明显的改善效果。二界面水力封隔实验中，图 9 白油组常规水泥石封隔能力仅有 50 MPa/m，亲油水泥石在 250 MPa/m 左右；图 10 常规水泥石在油基钻井液组中依旧没有承压能力，亲油水泥石封隔能力约为 20 MPa/m，虽在 20 MPa/m 时出现泄压，但可从曲线看出，该体系仍能稳住压力而不产生较大的空隙，可见亲油水泥石对含油界面的封隔能力大有增益。图 7 图 10 中，含白油界面与含油基钻井液界面承压能力差异较大，是因为白油为工业级 5#白油，纯度较高，且不含固相物质，在界面上仅能形成一层薄膜，而油基钻井液黏度大，固相含量高，浸泡油基钻井液后的界面相当于附着一层远厚于白油膜的泥饼，严重阻碍水泥环与界面胶结。所以实验中含油基钻井液界面的承压能力远低于含白油的界面。图 11 为一、二界面剪切胶结强度测试结果，可以看出，油基钻井液的存在会大大降低两界面的胶结强度，此时若用常规水泥浆，一界面胶结强度仅有 0.12 MPa，而加入表面活性剂后，胶结强度有所提120西南石油大学学报（自然科学版）2024 年升，增加到 0.24 MPa；而测试中由于 5#白油黏度低，不存在固相等特点，污染情况相对于油基钻井液来说轻许多，所以测试结果中白油污染胶结强度本身就较高，达到 0.49 MPa，而加入表面活性剂后，对 5#白油污染的一界面也有明显改善，胶结强度达到了0.70 MPa。图 12二界面中，同样是每组添加表面活性剂后胶结强度均要高于常规水泥石。250200150100500()*+/(MPa m-1)012345,-/min!#$%&#$%./01234/05/0图 75#白油污染一界面水力封隔实验Fig.7Cement casing interface hydraulic isolation experimentcontaminated by 5#white oil01234567250200150100500()/min!#$%&#$%*+,-+,.+,/012/(MPa m-1)图 8油基钻井液污染一界面水力封隔实验Fig.8Cement casing interface hydraulic isolation experimentcontaminated by oil based mud fluid024681012141618!#$%&#$%250200150100500()*+,-.)*/)*01/min2345/(MPa m-1)图 95#白油污染二界面水力封隔实验Fig.9Cement formation interface hydraulic isolation experimentcontaminated by 5#white oil因此，当油膜未被前置液冲洗干净时，水泥与套管间仍会因油膜的存在而形成空隙，从而导致气体窜通以及胶结不良等问题。而亲油水泥因加入了表面活性剂改性，其体系中存在大量双亲的表面活性剂分子，表面活性剂会铺展在一、二界面，形成了一个能与套管及井壁形成良好胶结的亲水 亲油薄膜层。通过胶结强度实验验证了该表面活性剂的存在有助于提高含油界面的胶结强度。0123456()*+,-.,-/,-252015105001/min!#$%&#$%2345/(MPa m-1)图 10油基钻井液污染二界面水力封隔实验Fig.10Cement formation interface hydraulic isolation experimentcontaminated by oil based mud fluid()*+5#,0.80.60.40.20-./012/MPa!#$%&#$%0.120.240.490.70345678图 11一界面胶结强度Fig.11Bonding strength of the cement casing interface0.6902.01.51.00.50()*+,-/MPa1.4171.2701.550!#$%&#$%./012345675#8图 12二界面胶结强度Fig.12Bonding strength of the cement formation interface第 1 期黄 盛，等：亲油水泥浆界面封隔性能评价研究121表面活性剂能够将多孔材料表面的油滴分散开，形成乳状后的小油滴分散于连续相介质中，而表面活性剂具有临界胶束浓度（Critical Micelle Con-centration，CMC），达到 CMC 后的表面活性剂形成的分子薄膜强度达到最大26，此时的亲油亲水特性也更加明显；同时，表面活性剂也可降低油的表面张力，使油更容易被分散开30。因表面活性剂存在的强亲油基团可吸附于油膜内、亲水基团暴露在油膜之外，进而在界面上形成了一层由表面活性剂排列而成的亲水 亲油薄膜层，因此，在界面含油时，亲水性的水泥浆也可在此处与含油界面形成良好的吸附进而改善水泥环与界面的胶结，也可因表面活性剂分子存在而分散其他多余油污。针对表面活性剂的这些功能，在亲油水泥浆中表面活性剂在界面上主要发挥 3 种作用：1）溶胀作用；2）润湿反转作用；3）乳化作用。表面活性剂具有双亲基团，当水泥浆中添加该配方中表面活性剂时，表面活性剂分子在水泥浆中分散，并在界面处铺展。若遇大量油基钻井液泥饼，则表面活性剂分子的亲水端会伸入泥饼中，改变泥饼的润湿性，水可轻易渗入泥饼使之膨胀，降低泥饼刚性，进而在顶替过程中被剪切力分散，由于水泥浆中具有两性分子，分散的泥饼在水泥浆中也会被表面活性剂分子所包裹，减少对水泥浆性能的影响；当界面还存在难以清除的油膜时，表面活性剂的亲油端则会伸入油膜中，亲水端留在水泥浆中，大大提高水泥浆与含油界面的相容性；同时，表面活性剂分子降低了油的表面张力，使油基钻井液分散并被表面活性剂包裹，进一步削弱油膜所带来的影响，因此，表面活性剂的存在可削弱两种流体因不相容导致形成的流体窜流通道，同时提高界面胶结性能。图 13 为表面活性剂在含油膜表面时的作用机理图。7893:;&8!#$%&()*+,-./0?/12、3-.45!#$%&(6/0?/12、?$ABC&8a D;EFb?GHEF图 13表面活性剂在界面上的作用机理Fig.13The mechanism of surfactant action at the interface3.3 亲油水泥力学性能的评价图 14 和图 15 为两种水泥石养护 72 h 与 168 h的抗压及抗拉强度。由图 14 可知，加入表面活性剂前后抗压强度变化不大。常规水泥石 72 h 抗压强度为 14.6 MPa，168 h 抗压强度为 21.7 MPa；亲油水泥石 72 h 抗压强度为 13.3 MPa，168 h 抗压强度为20.2 MPa，略低于常规水泥石，但随养护时间增长，强度仍同常规水泥石一样随之升高。两种水泥石的抗拉强度差别则较小，从抗拉强度数据来看，两者呈现的差别是由实验测量误差造成的，在实际测量中，两种水泥石抗拉强度基本持平。由图 14 和图 15 可知，加入表面活性剂对水泥石强度不会产生明显的负面影响。2520151050()*+/MPa72168!#$%&#$%14.613.321.720.2,-./h图 14水泥石抗压强度Fig.14Compressive strength of cement122西南石油大学学报（自然科学版）2024 年4.903.703.354.10654320()*+/MPa1!#$%&#$%72168,-./h图 15水泥石抗拉强度Fig.15Tensile strength of cement3.4 亲油水泥石水化过程及产物分析为了考察表面活性剂的加入是否会影响水泥的水化过程，采用 XRD 和 TG 对水泥石水化产物及水化程度进行了表征分析。从图 16 可知，常规水泥石和亲油水泥石的 XRD 图谱两者的峰位基本相同，在 2=36、4757时出现 CH 的特征衍射峰，在 2=29、37时出现 C3S 的特征衍射峰，在 2=29时出现方解石的特征衍射峰，两曲线可看出，表面活性剂的加入未对水泥浆的水化产生显著影响。2/()CHC S3!#1030507090$%&#()&#图 16常规水泥石与亲油水泥石的 XRD 图谱Fig.16XRD pattern of conventional/oleophilic cement根据水泥石 TG 测试结果，采用 Bhatty 方法31对水泥水化程度进行计算WB=Ldh+Ldx+Ldc(4)=WB0.24 100%(5)式中：WB水泥水化后总的结合水相对含量，%；LdhCSH 脱水的相对质量损失，%；LdxCa（OH）2脱羟基的相对质量损失，%；LdcCaCO3脱碳酸的相对质量损失，%；水化程度，%。在 90C下养护 72 h 后水泥石的热重曲线如图 17 所示，常规水泥石和亲油水泥石的热重在400500C明显下降，对应 Ca（OH）2的分解，且亲油水泥石 400500C时的质量损失为 4.3%，常规水泥石为 4.7%，Ca（OH）2含量略低于常规水泥石，Ca（OH）2参与火山灰反应被消耗。图 18、图 19 通过 TG 与 DTG 曲线划分热重实验中不同物质相对质量损失所对应的区间 Ldh、Ldx和 Ldc，计算得到常规水泥石的水化程度 为 67.5%，亲油水泥石的水化程度 为 68.7%，计算结果见表 3，亲油水泥石水化程度与常规水泥石差别不大，表明加入亲油表面活性剂不会显著影响水泥石的水化反应。()/10095908580+,-./%400600800100020091.0%90.2%86.7%85.5%!#$%&#$%图 17常规水泥石与亲油水泥石 TG 曲线对比Fig.17Comparison of TG curves between conventional andoleophilic cementTG/%100959085800-0.3-0.6-0.9-1.2DTGgs/()-1LdhLdxLdc!/10008006004002000TGDTG图 18常规水泥石 TG/DTG 曲线图Fig.18TG/DTG curve of conventional cementTGDTG0-0.3-0.6-0.9TG/%10095908580!/10008006004002000LdhLdxLdcDTGgs/()-1图 19亲油水泥石 TG/DTG 曲线图Fig.19TG/DTG curve of oleophylic cement第 1 期黄 盛，等：亲油水泥浆界面封隔性能评价研究123表 3水泥石水化区间及水化程度Tab.3Hydration degree of set cement水泥石Ldh/%Ldx/%Ldc/%WB/%/%常规水泥石7.17.61.516.267.5亲油水泥石7.37.51.716.568.73.5 亲油水泥浆基本工程性能评价结果通过一系列水泥浆的基本工程性能评价，结果见表 4。在实验过程中，可观察到亲油水泥浆的流动度为 21.0 cm，略低于常规水泥浆（23.5 cm）。流变性能、流动度的测试均在水泥浆进行高速搅拌后立马进行，从结果可看出，亲油水泥浆的流变性能弱于常规水泥浆，造成该现象的原因是因为表面活性剂的加入使浆体产生部分更稳定的微小气泡，而气泡具有提高浆体黏度的作用，所以表现为亲油水泥浆的流变性、流动度低于常规水泥浆。失水量与稠化时间测试中，两者差距并不大，由于亲油水泥浆黏度略高于常规水泥浆，对水的悬浮能力有所增强，其失水量较常规水泥浆也要相对降低，在游离液的测试中两者静止 2 h 后表面均不含析出的液体。以上结果表明，亲油表面活性剂的加入不会对水泥浆基本工程性能产生明显的负面影响，能保证水泥浆基本工程性能。表 4水泥浆基本工程性能结果Tab.4Results of basic engineering performance of cement slurry水泥浆性能流变性能（常温）流动度/cm（常温）HTHP 失水/mL（90C，6.9 MPa）稠化时间/min（90C，22 MPa）游离液/mL流性指数 稠度系数/（Pasn）常规水泥浆0.8050.77723.525.52030亲油水泥浆0.7381.38221.021.018904 结论1）在常规水泥浆中加入 0.5%的亲油表面活性剂 QYJ，可显著提高水泥石的亲油性能，极性溶剂在水泥石表面接触角可从 70降低至 41，非极性溶剂在水泥石表面接触角可从 34降低至 14。2）采用剪切胶结方法和界面水力封隔方法测试了亲油水泥对含油（油基钻井液）界面的封隔效果，亲油表面活性剂 QYJ 不仅能提高水泥石的界面胶结强度，同时可以显著提高一、二界面的水力封隔效果，亲油水泥与含白油、油基钻井液的套管、页岩岩芯胶结后，一、二界面抗流体窜流压力均提升了 4 倍以上。3）亲油表面活性剂 QYJ 的加入对水泥石抗压强度、抗拉强度、水化程度及水泥石基本工程性能无明显负面影响，具备提高油基钻井液条件下水泥环 套管 地层界面封隔性能的潜力。参考文献1齐静，李宝贵，张新文，等.适用于油基钻井液的高效前置液的研究与应用J.钻井液与完井液，2008，25（3）：49 51.doi：10.3969/j.issn.1001-5620.2008.03.016QI Jing,LI Baogui,ZHANG Xinwen,et al.The studiesand application of a high performance pad fluid suitablefor use in oil base drilling fluidsJ.Drilling Fluid andCompletion Fluid,2008,25(3):4951.doi:10.3969/j.-issn.1001-5620.2008.03.0162罗立公，关增臣，苏常明，等.油基钻井液在特殊钻井中的应用J.钻采工艺，1997，20（3）：75 78.LUO Ligong,GUAN Zengchen,SU Changming,et al.Application of oil base drilling fluid in special drillingJ.Drilling&Production Technology,1997,20(3):7578.3何涛，李茂森，杨兰平，等.油基钻井液在威远地区页岩气水平井中的应用J.钻井液与完井液，2012，29（3）：1 5.HE Tao,LI Maosen,YANG Lanping,et al.Application ofoil-based drilling fluid in shale gas horizonta