摘　要：目前，油基钻井液越来越多地被应用于特殊地质条件和特殊工艺井中，而钻井液与水泥浆之间通常不具有相容性，二者掺混后会产生不同程度的接触污染，可是，油基钻井液对水泥浆性能影响及其机理的研究却相对滞后。为此，实验分析了油基钻井液在不同掺混比例条件下，对水泥浆流动度、稠化时间、抗压强度、胶结强度、孔隙度、渗透率等性能的影响。同时结合超声波抗压强度、XRD、热重分析，初步探索了油基钻井液掺混对水泥性能影响的机理。结果表明，油基钻井液掺混不会大幅度影响水泥浆稠化时间，但会形成絮凝结构，降低水泥浆流动性和顶替效率；掺混后的水泥石抗压强度和胶结强度降低，孔隙度和渗透率升高，影响水泥环封隔能力。油基钻井液掺混对水泥浆性能影响的机理为：水泥浆与油基钻井液掺混形成了乳化结构，造成水泥浆中自由水被束缚，导致水泥浆流动性降低；无法固结的油基钻井液在水泥石中形成孔洞以及油相的润滑作用是使得混浆水泥石强度降低、孔隙度和渗透率升高的主要原因。

关键词：油基钻井液  水泥浆  接触污染  流动度  强度  乳化结构  自由水

Effects of oil-based drilling fluid on cement slurry performance and its mechanisms

Abstract：Oil-based drilling fluid has been widely applied to wells with special geological or technological requirements，but contact contamination occurs while drilling fluid and cement slurry are mixed due to their incompatibility．However，researches on the effect of oil based drilling fluid on the performances of cement slurry and its affecting mechanism are relatively lagged．Therefore，tests were conducted on the effect of oil based drilling fluids on cement slurry performances such as mobility，thickening time，compressive strength，bonding strength，porosity and permeability through the change of blending ratio．In addition，preliminary investigation was performed on the influencing mechanism of oil-based drilling fluid blending on cement slurry performances by means of ultrasonic compressive strength，XRD and TGA analysis．It is shown that oil-based drilling fluid blending does not significantly change the thickening time of cement slurry，but results in the formation of some flocculation structures which will reduce mobility and replacement efficiency of cement slurry．The isolating capacity of the mixed cement sheath drops greatly due to the decrease of compressive strength and bonding strength and the increase of porosity and the permeability．To sum up，the influencing mechanism of oil-based drilling fluid blending on cement slurry performances is as follows．An emulsion structure is formed after oil-based drilling fluid and cement slurry are mixed．Then the mobility of cement slurry drops because its free water is constrained by the emulsion structure．Strength reduction and porosity and permeability increase of set cement is mainly caused by lubrication effect of oil phase and by pores which are formed in set cement by unconsolidated oil-based drilling fluids．

Keywords：Oil based drilling fluid；Cement slurry；Contamination；Mobility；Strength；Emulsion structure；Free water

钻井液与水泥浆是理化性质不同的两种油气井工作液，二者之间通常不具有相容性，掺混后会产生不同程度的接触污染。与水泥浆和钻井液相比，混浆的流动能力发生重要改变，主要表现为流动性变差，影响固井顶替效率；稠化时间急剧缩短，形成“插旗杆”“灌香肠”等工程事故隐患；水泥水化过程可能发生改变，使其固结物不具备层间封隔能力等^[1-2]。对于水基钻井液与水泥浆之间的接触污染目前已经开展了大量研究并形成了一些解决办法^[3-9]，对于油基钻井液对水泥浆性能的影响及其机理研究却相对滞后。油基钻井液优良的抑制性、抗温性和润滑性，使其大量地应用于页岩气、盐膏层、大位移、大斜度等特殊地质和特殊工艺井中^[10-13]。伴随着油基钻井液使用范围的扩大，因油基钻井液与水泥浆接触污染引起的事故复杂和固井质量问题也随之增多，如塔里木克深某井在127.00mm尾管固井作业中发生“插旗杆”事故、四川长宁某页岩气水平井在127.00mm套管固井作业中发生“灌香肠”事故，对油基钻井液与水泥浆之间的接触污染问题开展研究成为一项迫切的工作。笔者以国内某油田在用高密度油基钻井液和水泥浆体系为基础，评价了不同掺混比例条件下，油基钻井液对水泥浆流变性、稠化时间、抗压强度、胶结强度、孔渗特性等关键性能的影响。同时结合超声波强度、XRD、热重等方法分析了油基钻井液掺混对水泥浆水化过程的影响，初步分析了油基钻井液对水泥性能影响的机理，以期为有效解决油基钻井液与水泥浆之间的接触污染问题提供参考。

1　实验材料及方法

1．1　实验材料及仪器

所用油基钻井液为取自国内某油田X井149.20mm井段完钻油基钻井液(哈里伯顿UMD 2柴油基钻井液体系，密度1.85g／cm³)，水泥浆为该井137.00mm尾管固井水泥浆体系，配方为100％干灰(G级水泥+30％硅粉+5％微硅)+5％降失水剂+1％分散剂+2％缓凝剂+0.2％消泡剂+水，液固比0.45，水泥浆密度为1.90g／cm³。实验仪器如表1所示。

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在100：0、95：5、75：25和50：50的体积掺混比例条件下，油基钻井液掺混对水泥浆性能的影响^[14]。试验过程为：①将油基钻井液按比例混入新配制好的水泥浆中，在4000r／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20min后的流动度以及稠化时间；③测试高温高压养护48h后混浆水泥石的抗压强度和界面胶结强度；④测试高温高压养护48h后混浆水泥石的孔隙度和渗透率；⑤用水泥超声波强度分析仪考察油基钻井液掺混对水泥浆凝结过程的影响；⑥用X射线衍射仪和热重分析仪考察油基钻井液掺混后水泥石的物相变化。

胶结强度测试方法为：①选内径为5cm，长度为8cm的碳钢管模拟套管，实验前刷洗干净；②向模拟套管内加入配置好的水泥浆或混浆，两端盖上密封盖好后养护48h，再用压力实验机测出使水泥石与模拟套管之间发生相对运动时最大的力；③测出最大压力之后再按下列两式计算结果：界面胶结强度一压力计读数／水泥石胶结面积水泥石胶结面积一模拟套管内圆周长×模拟套管高度

2　实验结果与讨论

2．1　油基钻井液掺混对水泥浆性能的影响

油基钻井液掺混对水泥浆流动度和稠化时间的影响见表2，掺混后混浆如图1所示。

由表2和图1可知，在95：5的掺混条件下，混浆的常温和高温流动度有所增加，但混浆中出现了少量絮凝颗粒。当油基钻井液掺混比例提高到75：25时，混浆中出现了大量的絮凝结构，流动度大幅降低，初始稠度也随之增加，这将严重地影响顶替效率和固井质量。当油基钻井液的掺混比例达到50：50时，混浆经高温(93℃)养护后呈干稠状并丧失流动能力，这在固井作业中可能引发严重的工程事故，造成固井失败。稠化实验结果表明，混浆的稠化时间没有因油基钻井液的掺混而急剧缩短，反而出现了延长。这与水基钻井液与水泥浆接触污染后流动度和稠化时间同时缩短的现象不同^[1-6]，表明实验条件下油基钻井液掺混对水泥浆的作用是增稠而不是促凝。

油基钻井液掺混后对水泥石性能的影响见表3。养护后水泥石的形貌如图2所示。

由表3可知，油基钻井液掺混后的水泥石抗压强度和胶结强度出现了较大幅度的降低，这表明混浆水泥石不具备层间封隔能力，如果出现窜槽和顶替不充分，将对固井质量和环空水力密封产生不利影响^[15-16]。当掺混比例达到50：50时，混浆虽已经凝结成形，但由于含有大量油分，结构松散，无法形成强度。同时油基钻井液掺混后的水泥石孔隙度和渗透率急剧升高，从图2中可以看出，水泥石与油基钻井液75：25掺混水泥石中形成了大量肉眼可见的孔洞，这可为井下流体窜流提供通道。

2．2　油基钻井液掺混对水泥浆水化过程的影响

利用水泥超声波强度分析仪考察了不同油基钻井液掺混比例条件下混浆的凝结过程，实验结果如图3所示。

由图3可知，虽然油基钻井液的掺混影响了水泥石强度的最终强度，但是未掺混的净浆和掺混后的混浆约在10h出现了一个水泥快速水化、强度迅速升高的过程，说明油基钻井液的掺入没有影响水泥石的水化过程，这与稠化实验结果相对应。不同掺混比例水泥石的XRD分析结果(图4)表明，油基钻井液掺混后除了引入加重剂重晶石外，混浆水泥石中没有物相的消失和新物相的生成。不同掺混比例水泥石的热重分析(图5)结果表明，混浆水泥石中的特征水化产物氢氧化钙含量没有发生较大变化。以上分析实验结果表明，化学干涉不是造成油基钻井液与水泥浆接触污染的主要原因。

2．3　油基钻井液与水泥浆接触污染机理分析

油基钻井液与水泥浆的润湿性完全相反，二者之间不能互溶。如图6所示，在搅拌等外力作用下，油基水泥浆以油滴或油带的形式分散在水泥浆中，近似地形成了一种以水泥浆为连续相的“水包油”乳化结构。除了会形成“水包油”的结构外，油基钻井液还会包裹水泥浆中的自由水，形成“水包油包水”多重乳化结构，从而对水泥浆中的自由水产生了束缚作用。在低掺混条件下，混浆中“水包油包水”多重乳化结构的数量是有限的，因此对水泥浆性能的影响是有限的。但在较高的油基钻井液掺混比例条件下，会形成大量的“水包油包水”多重乳化结构，使得水泥浆中自由水被大量束缚，导致混浆流动性降低甚至丧失。与此不同的是，李明等^[5-6]指出水基钻井液中的生物增黏剂等聚合物与水泥浆中的Al³⁺、Fe³⁺等高价金属离子形成凝胶并大量包裹自由水是造成水基钻井液对水泥浆产生接触污染后混浆流动度明显降低的直接原因。此外，Skalle等^[17]和Aughenbaugh等^[18]指出，由于油基钻井液中的分散相为盐度较高的CaCl2溶液，油水界面相当于半透膜，当与水泥浆接触时，水泥浆中的盐度较低的自由水会在内外盐度差的作用下向内部迁移，这会进一步导致水泥浆流动能力降低。

水泥石的强度不仅与水泥本身的水化程度和水化产物组成有关，还与水泥石的孔隙率、孔结构等因素有关^[19-20]，其中，水泥石孔洞越多，其力学强度越差。由于油基钻井液油滴或油带不具有固结能力，会在水泥石中形成孔洞，破坏水泥石骨架的连续性和结构完整性。同时油相还可在水泥石骨架颗粒之间起到润滑作用，使得水泥石在受外力作用时骨架颗粒之间更易发生滑移变形^[21]。因此，由油基钻井液掺混而形成的孔洞和油相的润滑作用使得掺混后的水泥石强度降低，孔隙度和渗透率升高。

3　结论

1)油基钻井液掺混会对水泥浆的流动度、抗压强度、胶结强度、孔隙度、渗透率等性能产生不良影响，降低固井顶替效率及层间封隔能力，破坏水泥环完整性。

2)由于水泥浆与油基钻井液之间不具有相容性，二者掺混形成乳化结构以及盐度差作用是造成水泥浆的自由水被束缚，流动性能降低的主要原因；无法固结的油基钻井液在水泥石中形成孔洞以及油相在水泥石骨架颗粒之间的润滑作用则是使得油基钻井液掺混后的水泥石强度降低、孔隙度和渗透率升高的主要原因。

参考文献

[1]马勇，郭小阳，姚坤全，唐庚，丛长江．钻井液与水泥浆化学不兼容原因初探[J]．钻井液与完井液，2010，27(6)：46-48．

Ma Yong，Guo Xiaoyang，Yao Kunquan，Tang Geng，Cong Changjiang．Research of chemical contamination between drilling fluids and slurry[J]．Drilling Fluid＆Cornpletion Fluid，2010，27(6)：46-48．

[2]刘振通，宋元洪，吴洪波，钟福海，孙万必，蔡斌，等．特殊注水泥作业“插旗杆”事故案例分析与思考[J]．钻井液与完井液，2011，28(6)：81-83．

Liu Zhentong，Song Yuanhong，Wu Hongbo，Zhong Fuhai，Sun Wanxing，Cai Bin，et al．Analysis on trouble of pipe stuck while cementing in special cementing job[J]．Drilling Fluid&Completion Fluid，2011，28(6)：81-83．

[3]易亚军，郭小阳，李明，李早元，程小伟，罗洪文，等．典型水溶性聚合物对水泥浆性能影响研究[J]．塑料工业，2014，42(7)：118-121．

Yi Yajun．Guo Xiaoyang，Li Ming，Li Zaoyuan，Cheng Xiaowei，Luo Hongwen，et al．Research on the effects of typical water-soluble polymer Oil cement slurry performance[J]．China Plastics Industry，2014，42(7)：118-121．

[4]刘世彬，郑锟，张弛，曾凡坤，冷永红，唐炜，等．川渝地区深井超深井固井水泥浆防污染试验[J]．天然气工业，2010，30(8)：51-54．

Liu Shibin，Zheng Kun，Zhang Chi，Zeng Fankun，Leng Yonghong，Tang Wei，et al．An experimental study on the prevention of cement slurry contamination during deep orultradeep well cementing at Sichuan and Chongqing oil／gas fields[J]．Natural Gas Industry，2010，30(8)：51-54．

[5]李明，王伟。郑友志，程小伟，代斌，郭小阳．单因素法分析钻井液处理剂对水泥浆性能的影响[J]．石油与天然气化工，2014，43(3)：297-301．

Li Ming，Wang Wei，Zheng Youzhi，Cheng Xiaowei，Dai Bin，Guo Xiaoyang．Impact of drilling fhfid additives on Performance of the cement slurry by single-factor[J]．Chemical Engineering of Oil and Gas，2014，43(3)：297-301．

[6]李明，杨雨佳，张冠华，郑友志，程小伟，郭小阳．钻井液中生物增黏剂对固井水泥浆性能及结构的影响[J]．天然气工业，2014，34(9)：93-98．

Li Ming，Yang Yujia，Zhang Guanhua．Zheng Youzhi．Cheng Xiaowei，Guo Xiaoyan9．Impact of a biological tackitier in a drilling fluid system on the performance and structure of a cement slurry[J]．Natural Gas Industry，2014，34(9)：93-98．

[7]杨香艳，郭小阳，陈浩，李早元，李云杰，杨远光，等．一种新型广谱水基固井前置液体系的研究[J]．钻井液与完井液，2006，23(1)：58-61．

Yang Xiangyan，Guo Xiaoyang，Chen Hao，Li Zaovuan，Li Yunjie，Yang Yuanguang，et al．Study on a widely acceptable new type cementing front spacer[J]．Drilling Fluid&Completion Fluid，2006，23(1)：58-61．

[8]李静，郭小阳，杨香艳，邓生辉，田咏．隔离液合理选材设计以改善与水泥浆相容性实验探索[J]．钻井液与完井液，2007，24(4)：43-46．

Li Jing，Guo Xiaoyang，Yang Xiangyan，Deng Shenghui，Tian Yong．How to improve the compatibility of spacer fluids with cement slurries：An experimental study on the material selection for spacer fluids[J]．Drilling Fluid&Completion Fluid，2007，24(4)：43-46．

[9]杨香艳，郭小阳，李云杰，胡永东，陈家明，李早元，等．高密度抗污染隔离液在川中磨溪气田的应用[J]．天然气工业，2006，26(11)：83-86．

Yang Xiangyan，Guo Xiaoyang，Li Yunjie，Hu Yongdong，Chen Jiaming，Li Zaoyuan，et al．Application of high density contamination resistant spacer fluid in Moxi gasfield in central Sichuan area[J]．Natural Gas Industry，2006，26(11)：83-86．

[10]崔明磊．油基钻井液性能优化研究[D]．青岛：中国石油大学，2011．

Cui Minglei．Research on oil based drilling fluid performance optimization[D]．Qingdao：China University of Petroleum(East China)，2011．

[11]王中华．国内外油基钻井液研究与应用进展[J]．断块油气田，2011，18(4)：533-537．

Wang Zhonghua．Research and application progress of oilbased drilling fluid at home and abroad[J].Fault-Block Oil and Gas Field，2011，18(4)：533-537.

[12]何涛，李茂森，杨兰平，何劲，赵思军，谭宾，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,He Jin,Zhao Sijun,Tan Bin,et al.Application of oil-based drilling fluid in shale gas horizontal well in district of Weiyuan[J].Drilling Fluid&Completion Fluid,2012,29(3)：1-5.

[13]单高军，崔茂荣，马勇，周健，唐仕忠，李福德．油基钻井液性能与固井质量研究[J]．天然气工业，2005，25(6)：70-71．

Shan Gaojun，Cui Maorong，Ma Yong，Zhou Jian，Tang Shizhong，Li Fude．Relation between oil-base drilling fluid performance and cement job quality[J]．Natural Gas Industry，2005，25(6)：70-71．

[14]国家标准化管理委员会，国家质量监督检验检疫总局．GB／T 19139—2012油井水泥石试验方法[S]．北京：中国标准出版社，2013．

State Administration of Quality Supervision Inspection and Quarantine，National Standardization Management Committee．GB／T 19139-2013 Testing of well cements[S]．Beijing：China Standard Press，2013．

[15]顾军，高德利，石凤歧，陈道元，李泽林．论固井二界面封固系统及其重要性[J]．钻井液与完井液，2005，22(2)：7-10．

Gu Jun，Gao Deli，Shi Fengqi，Chen Daoyuan，Li Zelin．The two contacts cementing system in cementing job and its importance[J]．Drilling Fluid＆Completion Fluid．2005，22(2)：7-10．

[16]顾军，高兴原，刘洪．油气井固井二界面封固系统及其破坏模型[J]．天然气工业，2006，26(7)：74-76．

Gu Jun，Gao Xingyuan，Liu Hong．Two interface isolation system of oil／gas well cementing and its damage model[J]．Natural Gas Industry，2006，26(7)：74-76．

[17]Skalle P，Sveen J．Emulsion cement[C]//paper 23075-MS presented at the Offshore Europe Conference，3-6 September 1991，Aberdeen，United Kingdom．DOI：http：//dx．doi．org／10．2118／23075-MS．

[18]Aughenbaugh K，Nair SD，Cowan K，Oort EV．Contamination of deepwater well cementations by synthetic-based drilling fluids[C]//paper 170325-MS presented at the SPE Deepwater Drilling and Completions Conference，10-11 September 2014，Galveston，Texas，USA．DOI：http：// dx．doi．org／10．2118／170325-MS．

[19]丁伟．孔径分布对水泥石抗压强度的影响[J]．混凝土及加筋混凝土，i983，5(6)：56-59．

Ding Wei．Impact of pore size distribution on the compressive strength of cement[J]．Concrete and Reinforced Concrete，1983，5(6)：56-59．

[20]贺行洋，苏英，曾三海，刘月亮，孙维．水泥石强度分析与孔隙率强度模型构造[J]．武汉理工大学学报，2009，31(14)：19-22．

He Xingyang，Su Ying，Zeng Sanhai，Liu Yueliang，Sun Wei．Research on relationship of porosity-strength of cement-based materials and construction of porosity strength[J]．Journal of Wuhan University of Technology，2009，31(14)：19-22．

[21]蔡美峰，何满潮，刘东燕．岩石力学与工程[M]．北京：科学出版社，2002：68-70．

Cai Meifeng，He Manchao，Liu Dongyan．Rock mechanics and engineering[M]．Beijing：Science Press，2002：68-70．

本文作者：李早元  辜涛  郭小阳  康锁柱  李明  欧红娟  柳洪华

作者单位：“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

  中国石油集团渤海钻探工程有限公司第五钻井工程分公司