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一种可固化防漏工作液水化机理研究

文档作者：李早元周靖东邓智中郭小阳文档来源：油气藏地质及开发工程国家重点实验室• 西南石油大学，		点击数：	更新时间： 2024年02月27日
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第34 卷 第2 期
2017 年3 月
Vol. 34 No. 2
Mar. 2017
钻 井 液 与 完 井 液
DRILLING FLUID &amp;amp; COMPLETION FLUID
doi: 10.3969/j.issn.1001-5620.2017.02.017
一种可固化防漏工作液水化机理研究
李早元，　周靖东，　邓智中，　郭小阳
（油气藏地质及开发工程国家重点实验室• 西南石油大学，成都300452）
李早元等，一种可固化防漏工作液水化机理研究[J]. 钻井液与完井液，2017，34（2）：93-98.
LI Zaoyuan, ZHOU Jingdong, DENG Zhizhong,et al.Research on the hydration mechanism of a kind of solidifiable leakageproof
working fluid[J].Drilling Fluid &amp;amp; Completion Fluid，2017，34（2）：93-98.
摘要　研究了一种低密度（1.30 g/cm3）可固化防漏工作液，用于解决低压易漏失井段在固井时，因地层承压能力低、
易漏失、窜槽，导致固井质量不高的问题。通过在优质的隔离液中加入一种具有固化性能的材料（2.60～2.90 g/cm3）替代
常规的加重剂，配制一种低密度可固化工作液。该工作液能有效平衡地层压力并在环空中固化，从而对易漏地层起到防漏
效果、提高固井质量。重点分析了该体系的固化后试样强度及水化机理，研究发现：工作液固化强度发展的实质是OH- 对
固化剂玻璃体结构的破坏；通过对配方的调节能实现从30～90 ℃固化试样都具备一定的抗压强度。该体系的研发对于防
漏工作液的设计提供了一种新的思路，同时还可以运用于钻井工程中堵漏，提高地层的承压能力。
关键词　井漏；堵漏；固化剂；强度；水化机理
中图分类号：TE256.6　　　　文献标识码：A　　　　文章编号：1001-5620（2017）02-0093-06
Research on the Hydration Mechanism of A Kind of Solidifiable Leakage-proof Working Fluid
LI Zaoyuan, ZHOU Jingdong, DENG Zhizhong, GUO Xiaoyang
(Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu, 610500)
Abstract While cementing in the low pressure and easy to leak hole section, low formation bearing pressure、leakage and channeling
often lead to low cementing quality. So a low density (1.30 g/cm3) working fluid which can be solidifiable and prevent leakage was
studied to solve the problem. The working fluid was made form the high quality spacer fluid in which a kind of curing properties of
the material (2.60～2.90 g/cm3)replacing weighting material was added. The working fluid can effectively balance formation pressure
and cure in annulus, thus preventing leakage and improving cementing quality. The strength of samples after curing and hydration
mechanism of the working fluid were mainly analyzed in the paper. The results showed that the structure of the curing strength
development is that hydroxyl ions damaged the vitreous body structure of the curing agent. Through the adjustment of the formula,
curing test specimens from 30～90 ℃ had a certain compressive strength. The research and development of the working fluid system
provided a new way for the design of the leak protection working fluid. The working fluid system can also be applied to sealing in
drilling engineering to increasing the formation bearing pressure.
Key words Circulation loss; Sealing; Curing agent; Compressive strength; Hydration mechanism
油田开发中后期由于注采失衡、地层连通性好、
地层承压能力低，造成钻进过程中多次发生漏失，
从而导致井眼条件难以满足固井的需要[1-3]。常用
解决措施，在水泥浆中加入一定量的堵漏材料，或
加入一定量的漂珠降低水泥浆密度，起到防漏、堵
漏的效果。然而，堵漏材料不仅容易造成浮箍浮鞋
失灵，而且使浆体的流变性变差；漂珠受剪切搅拌
和压力的影响较大，在浆体通过套管鞋时密度容易
急剧升高，防漏的效果不佳[4-6]。因此，研发一种
能有效提高界面胶结质量并起到防漏、堵漏效果的
基金项目：国家自然科学基金“基于多相渗流理论的环空气窜机理及应用基础研究”（51574203）。
第一作者简介：李早元，博士，1976 年生，毕业于西南石油大学油气井工程专业，现在从事油气井固井与完井工程
教学与科研工作。电话 13982045007 ；E-mail ：swpilzy@swpu.edu.cn。
万方数据
94 钻　井　液　与　完　井　液 2017 年 3 月
低密度工作液，显得尤为必要。本文通过在隔离液
中加入固化剂来替代传统的加重剂，配制出一种低
密度（1.30 g/cm3）可固化防漏工作液。并进行以
下几方面研究：首先分析了固化剂组分结构；其次
从水化过程和强度发展角度，研究了不同激发剂与
固化剂的水化机理；最后探讨了低温条件下该工作
液早强机理。其研究结果有助于解决易漏失井在固
井过程中，由于水泥浆低返造成环空不能有效封固
的问题，达到提高固井质量的目的。
1　实验材料和方法
1.1　实验材料
固化剂（四川省乐山市嘉华水泥有限公司），
其主要成分（ 氧化物形式表示） 比例见表1 ；
GYW-301 高聚物组成，激发剂A、激发剂B，膨
润土（成都川峰化学工程有限责任公司）。
固化剂密度为2.65 g/cm3，比表面积为1.11 m2/g，
表面积平均粒径为5.39 μm，体积平均粒径为20.75
μm（见图1）。
表1　固化剂主要成分 (%)
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 其他
37.70 13.21 2.82 33.14 6.30 6.83
图1　固化剂粒径分布
1.2　实验设备
JEM-2100F 型透射电子显微镜（日本电子）；
D/Max-2200/PC 型X 射线衍射仪（ 日本理学）；
TAM Air 型水化热测量仪（TA 仪器）；Malvern
2000 型激光粒度仪（Malvern）；JJ-1 型精密增力电
动搅拌器（金坛市金南仪器厂）；DZKW-4 型恒温
水浴锅（北京中兴伟业仪器有限公司）；TYE-300B
型压力机（无锡建议仪器机械有限公司）。
1.3　实验方法
首先配制隔离液基液（ 水+5% 膨润土+
1.7%GYW301）水化一定时间。然后在基液中加入
激发剂，当激发剂充分溶解后均匀加入固化剂并保
持搅拌。最后把浆体导入模具中并放置于恒温水浴
锅内养护24～48 h 测试抗压强度的发展。为研究
体系的固化机理，对固化剂进行了XRD、HRTEM
测试，分析了其内部结构；同时通过测试体系水化
热研究其水化机理。
2　实验结果与讨论
研究的工作液密度为1.30 g/cm3，主要用于解
决浅层、易漏失井段固井质量不高的难题，其配方
为：水+1.7%GYW301+5% 膨润土+50% 固化剂+
激发剂。
2.1　固化剂内部结构分析
为研究固化剂的内部结构，首先对固化剂进
行了XRD 检测，其结果如图2 所示，无明显衍射
峰出现，说明固化剂是一种以非晶相为主的物质。
为了对固化剂内部结构更精确的分析，对其进行
了HRTEM（高清透射电镜）检测，从HRTEM 形
貌及傅里叶变换是一个光晕可知，固化剂主要成分
为一种玻璃态物质，这和XRD 检测结果相吻合。
结合成分检测（见表1）、HRTEM 分析（见图3）
及能谱分析（见图4）可知，固化剂主要含Ca、
Si、O、Al 几种元素， 且Ca、Si 主要以Ca—O
键、Si—O 键的形式存在。固化剂中Ca—O 键、
Si—O 键单键强度弱得多，且其比表面积达到了
1.11 m2/g（见图1），具有较高的热力学不稳定性[7]，
故只要克服一定的活化能就可以使固化剂玻璃体表
面的富钙相（主要成分为CaO、MgO，氧化物形
式表示）先破坏，然后水分子就可以进入固化剂
颗粒内部与固化剂颗粒中的活性组分发生水化反
应。在通常情况下，固化剂中易被水极化的离子键
比较少，还不足以克服富钙相的分解活化能，所
以固化剂热力学活度非常低，表现出水化惰性[8]。
要使固化剂的活性被激活，就必须让固化剂处于
极性分子或高浓度OH- 离子溶液中。这些极性分
子或OH- 离子能够使离子键和共价键断裂，固化
剂分解为[SiO4]4-、[AlO4]5-、Ca2+ 等多种产物，固
万方数据
李第 34 卷 第 2 期 早元等：一种可固化防漏工作液水化机理研究 95
化剂颗粒分散和溶解后溶液中形成的水化产物高
度过饱和，水化产物不断成核、生长，最后生成
物之间彼此交叉搭接，形成网状的胶凝结构[9-10]。
图2　固化剂XRD 检测
图3　固化剂HRTEM 分析
图4　HRTEM 能谱分析
2.2　激发剂A对工作液强度发展的影响
激发剂A 是一种强碱性物质，其溶解在基液
中能提供一定浓度的OH-，浆体激发效果受激发剂
加量、温度的影响，下面通过实验研究在不同激发
剂加量、温度条件下浆体的固化能力，其固化效果
如图5、图6 所示。
图5　激发剂A 不同加量的固化试样24 h 抗压强度
图6　激发剂A 不同加量的固化试样48 h 抗压强度
由图5 可知，浆体在50 ℃养护，当激发剂A
的掺量为5% 时，固化体强度达到2.25 MPa ；随着
养护温度的升高，浆体固化出现强度对激发剂A
的需求量依次降低；温度升高对浆体固化有很大的
促进作用。由图6 可知，48 h 与24 h 浆液强度的
发展大致相同；延长养护时间，浆体固化后强度
有不同程度的提高，且掺有4% 激发剂A 的浆体
在50 ℃下养护48 h 和掺有1% 激发剂A 的浆体在
90 ℃下养护48 h 均发展出强度。
为研究激发剂A 的水化过程，对抗压强度
优选出的最大激发剂加量和中间加量进行了水化
热测试（仪器测试极限温度为50 ℃），其结果如
图7 所示。激发剂A 电离释放出OH- 离子，OH-
离子进入玻璃体内部孔穴使玻璃体解体，在水化
反应初期检测到大量的放热，水化反应速率呈现
上升趋势；且温度升高对浆体固化有很大的促进
作用。固化剂中的Si—O 和Al—O 键在OH- 作
用下断裂，然后富硅相再离解出[SiO4]4-，游离
出Ca2+ 和[SiO4]4-、[AlO4]5- 离子[11]。这过程中随
着水化反应的进行OH- 大量的消耗，水化反应速
率有所降低，在水化热曲线中体现为，形成一个
放热峰后，放热速率呈下降趋势（见图7）。激发
剂比例由3% 增加到5%，水化反应速率有较大提
高（见图7）， 说明增加OH- 浓度能加速反应进
行，生成更多的水化产物。固化剂结构破坏以后，
大量Ca2+ 与OH- 结合[SiO4]4- 生成硅酸钙凝胶，
如下所示。
Na2SiO3+xCa（OH）2+yH2O → SiO2 ·xCa·yH2O+2NaOH
固化剂分解出的含Al 组分，水化产物是水化
铝酸钙及其他硅铝酸盐，如下所示[12]。
Al2O3+xCa（OH）2+yH2O → xCaO·Al2O3 ·（x+y）H2O
为研究温度对强度的影响，对同一激发剂加量
（3%）进行了50 ℃的水化热实验。温度由30 ℃升高
万方数据
96 钻　井　液　与　完　井　液 2017 年 3 月
到50 ℃以后（图7），标准热流量的峰值左移，且
峰值超过3.0×10-3 W/g。说明温度升高可以使水
化加速反应的时间提前，水化反应的速率加快，促
使浆体快速形成一定的胶凝结构，有助于强度发展。
图7　加激发剂A 工作液的水化热
2.3　激发剂B对工作液强度发展的影响
激发剂B 是一种硅酸盐，水解可以产生一定
浓度的OH- 起到激发效果，其在不同加量、温度
条件下激发效果如图8 所示。
图8　加激发剂B 固化试样24 h 抗压强度
由图8 可知，在70 ℃下养护24 h，浆体固化
后强度随着激发剂B 掺量的提高不断增加；在养
护温度为90 ℃时，掺有2% 激发剂B 的浆体强度
达到3.88 MPa，且随着激发剂B 加量的增加强度
基本维持不变。
由图9 可知，在50 ℃下养护48 h 后，掺有3%
激发剂B 的浆液固化后强度达到0.44 MPa，70 ℃、
90 ℃在激发剂B 掺量为2% 时出现强度且均高于
3.4 MPa ；随着激发剂B 加量的增加所有温度养护
的配方，固化体强度都有增高的趋势。
从强度测试结果分析可知，激活剂B 有助于
低温条件下后期强度的发展，为研究激发剂B 的
激发效果对其进行了水化热测试。测试结果见图
10。由图10 可知，激发剂B 整个水化过程放热相
对较低，标准热流量曲线下降趋势较快。加量增
加到5% 以后，标准热流量曲线下降趋势相对激发
剂加量3% 时变缓慢，增加激发剂加量有助于水化
反应持续高效进行。激活剂B 虽然水化产生的碱
性较弱，但水解能及时的提供[SiO4]4- 离子，加速
[SiO4]4- 离子与Ca2+ 及Al3+ 等离子的缩聚反应生成
胶凝性物质，所以激发剂B 仍然能实现浆体一定
强度的发展。
2NaO2•xSiO2+2（x+1）H2O → NaOH+xSi（OH）4
图9　加激发剂B 固化试样48 h 抗压强度
图10　30 ℃下不同激发剂B 加量的工作液的水化热
为研究温度对强度的影响，对激发剂B 加量
3% 的配方进行了50 ℃的水化热实验。实验温度
由30℃升高到50 ℃以后，标准热流量曲线（30 ℃）
由出现峰值（4.8×10-5 W/g）后快速衰减，转变为
稳定在2.0×10-4 W/g 左右（见图11）。说明温度升
高可以使水化反应的速率加快，促使浆体快速形成
一定的胶凝结构，提高固化试样的抗压强度。
图11　50 ℃下激发剂B 加量为5% 时工作液的水化热
万方数据
李第 34 卷 第 2 期 早元等：一种可固化防漏工作液水化机理研究 97
2.4　激发剂复配对工作液强度发展的影响
研究发现，激发剂单独使用在50 ℃以上能取
得较好的固化效果，但是在50 ℃以下还不能使浆
体固化。激发剂A 属于强碱，反应速率较快，生
成的水化产物可能覆盖在未反应的水化产物表面阻
止水化继续进行，激发剂B 由于碱性较弱，破坏
固化剂结构的速率较慢。在此基础上，通过激发剂
A 和激发剂B 的复配（总比例为5%），从而达到
使激发剂对固化剂的结构破坏一直保持在一个较高
的速率，实现低温条件下的早强，其测试结果如图
12 所示。由图12 可知，在30 ℃下，激发剂A 掺
量为2%～3% 时，浆体开始有0.12 MPa 的强度；
在50、70 ℃下，激发剂A 的比例控制在2%～4%
时抗压强度发展最高；90 ℃时随着激发剂A 的比
例增加抗压强度有缓慢衰竭的趋势。
图12　激发剂复配固化试样24 h 抗压强度
由图13 可知，在30 ℃下养护48 h 相对24 h
试样抗压强度明显提高，且激发剂A 的掺混量为
2%～4% 时试样抗压强度最高，达到2.44 MPa ；
在50 ℃下养护48 h 和在30 ℃下养护48 h 浆体强
度的发展趋势类似；在70、90 ℃下养护48 h 激发
剂A 含量在混配比例中的增加抗压强度有所衰退。
激发剂A 和固化剂接触以后产生大量的水化
产物覆盖在了未反应的固化剂表面阻止了反应的快
速进行，在水化反应的后期其结构缓慢破坏，不能
提供生成强度需要的水化产物的浓度，阻止了低温
早期强度的发展。激发剂B 水化产生的OH- 浓度
较低，虽然提供[SiO4]4- 离子有助于强度的发展，
但由于碱性太弱，对水化反应加速体现得不明显，
所以也限制了其低温早期强度的发展。激发剂的复
配能提供一定的OH- 浓度，同时[SiO4]4- 加速了水
化胶凝产物的形成，促使了水化速率快速的进行。
进行水化热测试对上述观点进一步证实，其结果如
图14 所示，同一温度，当2 种激发剂复配时其水
化速率相对每种激发剂单独使用有很大的提高，标
准热流量峰值最高达到了0.002 0 W/g 是每种激发
剂单独使用好几倍，且破坏结构的水化反应主要集
中在10 h 以前完成，体系的整个反应如图15 所示。
所以，2 种激发复配在30 ℃养护24 h 开始发展有
强度，48 h 强度超过了2 MPa，实现了低温条件下
浆体早期强度的发展。
图13　激发剂复配固化试样48 h 抗压强度
图14　30℃时激发剂复配的工作液水化热
图15　固化剂反应示意图
3　结论
1. 研制的新型防漏工作液，既可以防漏，也可
以防窜，起到提高油气井固井质量的效果。
万方数据
98 钻　井　液　与　完　井　液 2017 年 3 月
2. 固化剂激发的实质是：一定浓度的OH- 破
坏固化剂的结构，生成一定量能起胶凝结构的水化
产物。
3. 温度和激发剂种类及加量是浆体水化反应速
率的主要影响因素，90 ℃激发剂B 使用效果较佳，
在低温条件下2 种激发剂复配激发效果最好。
4. 水化热的实验结果显示，2 种激发剂复配能
有效提高水化反应速率。
参 考 文 献
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（收稿日期2017-1-9；HGF=1605F6；编辑　付玥颖）

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