李　洋，盧海川，邢秀萍，謝承斌，李立榮

（天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451）

改善固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量研究綜述

李洋*，盧海川，邢秀萍，謝承斌，李立榮

（天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451）

固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量是決定固井質(zhì)量的關(guān)鍵因素，而第二界面膠結(jié)屬于安全薄弱環(huán)節(jié)，提高固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量是一個(gè)亟待解決的復(fù)雜問題。影響固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量的主要因素包括地層條件，井眼形狀，鉆井液、前置液和水泥漿性能，針對(duì)這些影響因素，可取的措施主要有：改善鉆固井工藝工具；采用多功能鉆井液，利用MTC法或MTA法進(jìn)行整體界面膠結(jié)；改善前置液性能；采用微膨脹性能的水泥漿。

固井；第二界面；膠結(jié)質(zhì)量

1　概述

固井工程是油氣鉆井完井工程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，油氣井的固井質(zhì)量關(guān)系著油氣井壽命以及產(chǎn)能，是保證油氣資源合理開發(fā)的關(guān)鍵性技術(shù)。固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量是決定固井質(zhì)量的關(guān)鍵因素［1］。而固井第二界面膠結(jié)屬于安全薄弱環(huán)節(jié)，容易失去封隔性能，發(fā)生油氣水竄，從而影響油氣井壽命和產(chǎn)能［2］。提高油氣井固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量是一個(gè)復(fù)雜性工程難題。本文分析了影響固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量的主要因素，由于固井二界面膠結(jié)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此這些影響因素涉及到了地層條件、鉆井技術(shù)和固井技術(shù)等諸多領(lǐng)域。對(duì)于如何提高固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量的研究從20世紀(jì)八九十年代就已經(jīng)開始，目前仍有新的方法在提出。提高二界面膠結(jié)質(zhì)量的方法包括鉆固井工藝、鉆井液、前置液和水泥漿等方面。本文對(duì)于近些年出現(xiàn)的這些不同方法進(jìn)行了綜述。

2　固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量的重要性

2.1定義

在完井作業(yè)中，通常把套管和水泥環(huán)或者固井液固化物之間的膠結(jié)面稱作固井第一界面，而把水泥環(huán)或固井液固化物與濾餅的膠結(jié)面和濾餅與井壁的膠結(jié)面共同形成的復(fù)合膠結(jié)面稱作固井第二界面。固井第二界面封固系統(tǒng)包含了水泥漿、死泥漿、濾餅和井壁4個(gè)部分［3］。

2.2重要性

固井作業(yè)完成后，第二界面膠結(jié)質(zhì)量是影響油氣井壽命和采收率的關(guān)鍵因素。二界面膠結(jié)良好能為后續(xù)進(jìn)行壓裂等增產(chǎn)措施做好準(zhǔn)備。二界面膠結(jié)質(zhì)量差則會(huì)造成固井二界面封固系統(tǒng)失效，引發(fā)投產(chǎn)之后的層間竄流問題，從而導(dǎo)致井口冒油冒氣，降低油氣產(chǎn)量，影響油氣田的合理開發(fā)，損壞套管，污染地下水源，甚至產(chǎn)生安全問題［4］。

3　影響固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量的因素

固井二界面膠結(jié)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此影響第二界面膠結(jié)質(zhì)量的因素也是多種多樣的，包括了地層條件、井眼形狀、鉆井液性能以及與地層形成的濾餅情況、前置液、水泥漿性能等。

3.1地層條件

影響固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量的地層條件包括地層壓力、地層巖性、地層滲透率和孔隙度、地層溫度以及地層流體狀況。

朱江林等利用高溫高壓固井質(zhì)量評(píng)價(jià)儀，室內(nèi)模擬高壓深層井段不同孔隙度與滲透率的砂巖與泥巖，進(jìn)行水泥與不同巖性地層膠結(jié)性能的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，水泥與砂巖和泥巖地層的膠結(jié)強(qiáng)度隨著孔隙度和滲透率的增加而下降，水泥與泥巖地層的膠結(jié)強(qiáng)度大于與砂巖地層的膠結(jié)強(qiáng)度［5］。這是因?yàn)?，孔隙度越高，滲透率越大，水泥漿的失水就越大，導(dǎo)致水泥凝固過程中不能充分水化，第二界面的膠結(jié)強(qiáng)度隨之下降。

地層溫度會(huì)影響水泥漿體系性能調(diào)節(jié)和平衡壓力固井。郭辛陽等利用自主研制的界面膠結(jié)強(qiáng)度測(cè)試儀，模擬井下復(fù)雜溫度對(duì)固井界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，水泥漿凝固后，養(yǎng)護(hù)溫度變化會(huì)使第二界面膠結(jié)強(qiáng)度顯著降低，而且溫度變化越大，變化次數(shù)越多，降低的幅度也越大［6］。

地層流體也會(huì)影響固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量，尤其在比較活躍的水層、油層井段，地層流體會(huì)在水泥漿凝固過程中對(duì)其進(jìn)行侵污，從而降低第二界面的膠結(jié)強(qiáng)度［7］。

3.2井眼狀況

油氣井在鉆井過程中，由于受到地層流體壓力、坍塌壓力的局部變化等因素的影響，導(dǎo)致井眼的橫剖面呈不規(guī)則的橢圓或者葫蘆形，地層壁面表面粗糙不平。根據(jù)流體力學(xué)原理，在直徑突變井段流體易形成只在原地流動(dòng)而不能向前推進(jìn)的滾流，所以在水泥漿頂替過程中難以將不規(guī)則的橢圓或葫蘆形井段內(nèi)的鉆井液驅(qū)替干凈，形成死泥漿，從而降低水泥漿與井壁的膠結(jié)程度，影響固井第二界面的膠結(jié)質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬殘存鉆井液對(duì)二界面膠結(jié)強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)證明，死泥漿量的增加會(huì)降低水泥漿與井壁的膠結(jié)強(qiáng)度［8］。

3.3鉆井液性能

鉆井液的流動(dòng)性會(huì)影響水泥漿的頂替效率。具有觸變性的鉆井液可以提高頂替效率。降低鉆井液的塑性粘度、動(dòng)切力和靜切力也能提高頂替效率，進(jìn)而增加第二界面膠結(jié)強(qiáng)度［9］。另外，鉆井液失水會(huì)在井壁形成濾餅。濾餅的存在使得第二界面的膠結(jié)實(shí)質(zhì)為水泥環(huán)與濾餅?zāi)z結(jié)面以及濾餅與井壁膠結(jié)面的復(fù)合膠結(jié)面。濾餅一般都是比較疏松的，阻礙水泥漿與井壁的直接膠結(jié)，還會(huì)使水泥漿固化過程中脫水粉化，形成微隙［10］，降低膠結(jié)程度，降低程度與泥餅厚度相關(guān)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)研表明，泥餅厚度在0.5～1mm之間，泥餅增厚對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度影響變化較小；泥餅厚度大于1mm時(shí)，膠結(jié)強(qiáng)度降低很快；泥餅厚度為5mm時(shí)，幾乎無膠結(jié)強(qiáng)度［4］。

在比較法上，對(duì)于應(yīng)收賬款質(zhì)押合同的形式的要求不盡相同。其中我國(guó)的臺(tái)灣地區(qū)和意大利、瑞士的立法明確要求當(dāng)事人在設(shè)立質(zhì)權(quán)時(shí)必須要簽訂書面合同；而日本、法國(guó)和德國(guó)的立法則沒有此項(xiàng)的強(qiáng)制規(guī)定，即口頭或者書面形式都可以。

3.4前置液性能

沖洗液能夠稀釋和分散鉆井液，對(duì)井壁和套管中殘留的鉆井液起到?jīng)_洗作用，從而提高頂替效率，減少濾餅的形成。不同的沖洗液類型、沖洗時(shí)間和速率都會(huì)影響最終的沖洗效果。

隔離液能對(duì)泥餅、井壁表面等進(jìn)行預(yù)處理，改善界面效應(yīng)，提高頂替效率。

3.5水泥漿性能

水泥漿的密度、失水量、流變性以及固化過程中的體積收縮特性都會(huì)對(duì)固井第二界面膠結(jié)質(zhì)量產(chǎn)生影響。高密度的水泥漿體系固相含量大，水泥緊密堆積，相對(duì)于低密度水泥漿界面膠結(jié)更為理想。失水量過大會(huì)在界面形成薄膜水層，影響膠結(jié)。流變性能會(huì)影響頂替效率，間接影響膠結(jié)。水泥漿在固化過程中的體積收縮是一種普遍特性，凝固后體積收縮會(huì)使水泥環(huán)與井壁之間的膠結(jié)出現(xiàn)微間隙，從而降低膠結(jié)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明，體積收縮會(huì)使第二界面膠結(jié)強(qiáng)度日漸趨弱［11］。

4　提高第二界面膠結(jié)質(zhì)量的技術(shù)

4.1鉆井和固井工藝

鉆井工藝方面，直井段要防斜打直，造斜段要增斜平穩(wěn)，增斜段要控制好方位和井斜，使井眼軌跡平滑?？刂坪勉@井液密度和濾失量，使用近平衡技術(shù)鉆井，保證井壁穩(wěn)定，避免將井壁沖成“大肚子”［12］。

4.2鉆井液

采用流變性能良好的鉆井液提高頂替效率，應(yīng)用鉆井液稀釋技術(shù)，在固井前對(duì)鉆井液進(jìn)行預(yù)處理，改善鉆井液與水泥漿的相容性，從而提高二界面膠結(jié)質(zhì)量。

通過往鉆井液加一些添加劑也能有效改善膠結(jié)質(zhì)量。在鉆井液中添加一種多元硅界面增強(qiáng)劑LPS，這種處理劑可以通過離子置換參與界面上水泥漿的水化、膠結(jié)，并能與井壁發(fā)生吸附膠結(jié)，提高水泥環(huán)—泥餅—地層膠結(jié)能力，從而提高二界面固井質(zhì)量［13］。在鉆井液中添加一種含有無機(jī)高分子化合物的乳化液GSN，可以減少濾餅與井壁的孔隙，降低鉆井液濾失和抑制泥頁巖膨脹。水泥漿可以與濾餅中的GSN反應(yīng)生成不溶物，提高第二界面膠結(jié)強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明，第二界面膠結(jié)強(qiáng)度由0.58MPa提高到1.10MPa［14］。最近也有研究在鉆井液中加入界面膠結(jié)增強(qiáng)劑（CIE），CIE包含無機(jī)礦物纖維，如硅酸鈣、二氧化硅納米顆粒和低極性聚合物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入CIE后可以使第二界面膠結(jié)強(qiáng)度增加3～4倍，這主要是由于CIE所產(chǎn)生的支持效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)、靜電排斥效應(yīng)以及潤(rùn)滑作用所導(dǎo)致的［15］。

在鉆井液中添加高爐礦渣可以改變?yōu)V餅結(jié)構(gòu)，將濾餅轉(zhuǎn)化為類似水泥物質(zhì)，增加濾餅強(qiáng)度，從而提高膠結(jié)強(qiáng)度。這項(xiàng)技術(shù)被稱為MTC，20世紀(jì)90年開始在中國(guó)開展。很多研究都對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了配方和機(jī)理的探索。鉆井液中加入礦渣后，需要與MTC固井液配合使用。MTC固井液不同于一般的水泥漿，用礦渣取代了水泥，并添加激活劑。MTC固井液能與泥餅實(shí)現(xiàn)整體固化膠結(jié)，MTC固化體收縮率小于水泥漿，而且相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明有泥餅存在的情況下MTC固井液膠結(jié)強(qiáng)度大于水泥漿［16-17］，MTC固井液中的激活劑Ca（OH）2能與濾餅中的SiO2反應(yīng)，生成C-S-H凝膠［18］，因而第二界面膠結(jié)質(zhì)量得到提高。該方法的特點(diǎn)是在鉆井液中加入礦渣后不會(huì)影響鉆井液性能。

MTC法存在一些問題，如必須與MTC固井液配合才能起作用，容易出現(xiàn)高溫脆裂［19］，只能應(yīng)用于表層套管和技術(shù)套管。由此，近年來顧軍等研究出了一種泥餅仿地成凝餅（MTA）的方法，用于實(shí)現(xiàn)非MTC法固井二界面整體固化膠結(jié)。在鉆井液中加入泥餅改性劑，前置液中加入凝餅形成劑，與水泥漿進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)而大幅度提高，泥餅與水泥漿發(fā)生了同步水化硬化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了MTA法固井二界面整體固化膠結(jié)［20］。

采用MTA方法進(jìn)行固井，可使固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度大幅度提高6.53～23.21倍。MTA法現(xiàn)已應(yīng)用于澀北氣田固井，固井二界面膠結(jié)優(yōu)質(zhì)率達(dá)到80.01%～98.11%，解決了淺層氣井氣竄問題［21］。

4.3前置液

使用不同前置液沖洗，第二界面膠結(jié)強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)不同，前置液性能會(huì)影響第二界面膠結(jié)質(zhì)量［22］。

通過增加沖洗液的清洗能力，清除殘留鉆井液，最大限度清除井壁上的虛泥餅，實(shí)現(xiàn)紊流頂替，改善井壁膠結(jié)狀態(tài)，從而增強(qiáng)二界面膠結(jié)質(zhì)量。另外也可在前置液中加入某些活性組分。馬文英等研究出了SF-1沖洗前置液體系，將具有活性組分的礦物材料加入到前置液中，對(duì)泥餅和套管進(jìn)行預(yù)處理，能夠形成具有水化活性的表面，增強(qiáng)水泥漿與泥餅的親和力，激活泥餅固化活性，從而提高二界面膠結(jié)強(qiáng)度［17］。另外有文獻(xiàn)中提出可以通過增加前置液的接觸時(shí)間，加強(qiáng)前置液對(duì)聚合醇MMH正電膠鉆井液的沖蝕作用來提高前置液性能，提高固井二界面膠結(jié)質(zhì)量［12］。

4.4水泥漿

針對(duì)于地層條件對(duì)于二界面膠結(jié)質(zhì)量的影響，可選用力學(xué)性能與地層相近的水泥漿，在孔隙度較大的地層采用濾失量較小的水泥漿可提高二界面膠結(jié)質(zhì)量。

研究及改善具有微膨脹性能的水泥漿體系，包括加入JFR活化纖維，高鎂廢渣以及晶體生長(zhǎng)的膨脹材料等。加入JFR活化纖維能提高水泥石的抗衰減和抗收縮性，降低API失水量［23］；高鎂廢渣（HMS）微膨脹水泥漿體系線膨脹率較于普通水泥漿體系有明顯升高［24］；加入晶體生長(zhǎng)的膨脹材料在不同溫度壓力條件下均能補(bǔ)償水泥漿體的收縮，產(chǎn)生0.1%～0.7%的線膨脹［25］。微膨脹水泥體系經(jīng)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工證明能夠減小水泥環(huán)與地層之間產(chǎn)生的微環(huán)隙和微裂隙，提高二界面膠結(jié)質(zhì)量［23-27］。

另外在水泥漿中加入聚合物和彈性纖維，能夠降低水泥漿失水量，增加韌性，防止出現(xiàn)裂縫，有利于提高二界面膠結(jié)質(zhì)量［28］。

5　結(jié)論與建議

提高二界面固井質(zhì)量是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要從地層情況、鉆井固井工藝工具、鉆井液體系、前置液、水泥漿體系等方面入手，采取全方位措施才能很好地解決固井二界面質(zhì)量差的問題。

鉆井工藝方面避免“大肚子”井眼，保證井眼軌跡平滑，固井工藝方面采取各種措施清除鉆井液，提高頂替效率。采用流變性能良好的鉆井液提高頂替效率。在鉆井液中加入一些添加劑，包括多元硅LPS、乳化液GSN、CIE等，降低濾餅厚度，增加濾餅強(qiáng)度，提高膠結(jié)質(zhì)量。MTC方法通過在鉆井液中添加高爐礦渣可以改變?yōu)V餅結(jié)構(gòu)，將濾餅轉(zhuǎn)化為類似水泥物質(zhì)，增加濾餅強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)整體固化膠結(jié)，是一種比較可取的方法。近年來出現(xiàn)的MTA法對(duì)MTC法進(jìn)行了補(bǔ)充，能應(yīng)用于高溫作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了第二界面整體固化膠結(jié)。提高沖洗液對(duì)于鉆井液的稀釋和沖洗能力，實(shí)現(xiàn)紊流頂替，提高與水泥漿和鉆井液的相容性。在前置液中加入一些活性組分可以在水泥環(huán)和泥餅表面形成水化活性的表面，增強(qiáng)水泥漿與泥餅的親和力。根據(jù)地層條件選擇合適的水泥漿，采用具有微膨脹性能的水泥漿體系，目前已有多種材料可使水泥漿具有微膨脹性能，但仍需進(jìn)一步的改善，使其能應(yīng)用于更多不同條件下的固井作業(yè)中。在不影響其他性能的基礎(chǔ)上，降低失水量，提高密度，可在一定程度上增加二界面膠結(jié)質(zhì)量。

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TE256

A

1004-5716（2016）06-0062-04

2015-06-17

2015-06-18

李洋（1990-），男（漢族），山東臨沂人，助理工程師，現(xiàn)從事固井技術(shù)開發(fā)工作。