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固井二界面封固系统研究顾 军1 高德利2（1.中国地质大学武汉油气井工程学科 2.中国石油大学北京）摘要 固井二界面问题是一个亟待解决的工程难题，它会直接影响勘探开发的效果和效益已是不争的事实。本文首次提出了固井二界面封固系统的概念，分析了系统组分对固井二界面封固系统的作用或影响，完善了系统的状态变化模型和动态破坏模型。笔者认为，固井二界面问题的研究和解决必须要从系统的角度出发，才能从根本上解决固井二界面的胶结问题。否则，这一难题还将会长期伴随固井界。目前油田固井质量的问题大致体现在四个方面：一是投产之后的层间窜问题；二是固井后管外冒油气水问题；三是整个环空的“声变”问题；四是固井一界面的“声幅”问题。但无论哪一个问题，抛开射孔、压裂等开采作业的影响，可以说产生这些固井质量问题的根源都是固井二界面封固系统失效，也是为什么测井资料看起来密封良好的环空在完成完井数周或数月后会检测到有气体出现的真正原因1。但是，国内外解决固井二界面问题基本都未考虑死泥浆的影响，即只注重研究泥饼的影响，往往强调提高顶替效率和冲刷泥饼，结果则是固井二界面胶结问题依然十分突出。因此，对固井二界面封固系统的构成和性质进行深入的探索和研究不仅十分迫切和必要，而且具有重要的现实意义和重大的经济效益。固井二界面封固系统的概念（1）界面 界面就是两种不相容和不反应的物质相接触时的交界区域，简单地说就是两相的接触面，它有气-液、气-固、液-固、固-固和液-液（两种不相容液体，可有反应也可无反应）形式。实际上，任何材料都是以各种性质的界面相邻接的2。固体与液体或气体之间的接触面常称为固体的表面图1（a）和（b），固体与固体之间的接触面称为界面，它既可以是材料中两个不同的固相的分界面图1（c），也可以是材料中两个相似但方向不同的晶体的分界面图1（d）。液体固体气体固体表面表面（b）固体与气体之间的表面（a）固体与液体之间的表面固相A固相B界面晶体B晶体A（d）晶体与晶体之间的分界面（c）固相与固相之间的分界面图1 界面的概念（2）固井二界面封固系统 就油气井完井工程而言，通常把套管与水泥环之间的胶结面称之为固井一界面，把水泥环与地层（或外层套管）之间的胶结面称之为固井二界面。固井二界面封固系统（图2）是指由水泥浆、死泥浆、滤饼和地层壁面四部分构成的一个固化胶结整体，它是对固井二界面这一概念更深层更内涵更实用的概括和阐释35。渗透层滤液水泥浆死泥浆滤饼套管地层壁面图2 固井二界面封固系统物理模型（3）对界面性质的初步认识 就建筑工程中的复合材料而言，界面胶结历来被认为是整体结构的薄弱环节，阻碍着水泥石性能的进一步发展和提高，常常会影响甚至破坏强度、渗透性等重要性能陆。这是为什么呢？原因有二：一是界面与内部相比，界面的结构和性状都是不正常的；二是界面实际上有一个过渡区（图3），它具有多孔、疏松、晶体粗大且径向排列的特点。因此，界面的反应及其物理状态对水泥石的力学性能和耐久性有重要的影响，即界面胶结强度往往是整体结构强度的关键7。固井一界面结构与建筑工程的钢筋混凝土结构很相似，目前已得到了很好的解决，但固井二界面问题则是一个复杂性课题：若水泥浆能与地层壁面直接接触，就与建筑工程中的水泥骨料问题类似，遗憾的是水泥浆无法与地层壁面直接接触。图3 过渡区结构示意图氢氧化钙（CH）水化硅酸钙（C-S-H）钙矾石（C-A-H）水泥石本体过渡区骨料显然，无论是固井一界面或是固井二界面，研究其性质都应分为两个部分或两个阶段来进行，即水泥浆凝固之前属于表面问题，这个阶段重点考虑固体表面的吸附、润湿和粘附效应；水泥浆凝固之后属于界面问题，这个阶段重点考虑固体界面的粘接、增强和固化程度。固井二界面封固系统的组成分析固井二界面封固系统是由多个界面和不同材料组成的复合体，即固井二界面问题的研究和解决不仅要考虑多个界面的问题，还要考虑材料差异的问题。（1）系统界面组成 就界面而言，固井二界面封固系统是至少由五个界面组成的间歇复合界面，即纯水泥浆与受污染水泥浆之间的界面、受污染水泥浆与死泥浆之间的界面、死泥浆与水泥饼之间的界面、水泥饼与泥饼之间的界面和泥饼与地层壁面之间的界面。（2）系统材料组成 就材料而言，固井二界面封固系统是由不同材料组成的复合体，即：水泥浆 水泥浆在这里是一个广义的概念，它既指由油井水泥与水泥外加剂和/或外掺料配制的各种水泥浆（如掺加轻质材料配制的密度小于1.75g/cm3的水泥浆，称为低密度水泥浆；掺加各种性能调节剂配制的密度在1.752.10g/cm3范围内的水泥浆，称为常规密度水泥浆；掺加加重材料配制的密度大于2.10g/cm3的水泥浆，称为高密度水泥浆；此外，还有特种水泥浆如泡沫水泥浆、防窜水泥浆、膨胀水泥浆、抗盐水泥浆、触变水泥浆、纤维水泥浆、超细水泥浆防冻水泥浆等），也指由特种胶凝材料配制的各种不含或含少量油井水泥的固井液（如MTC浆等）。水泥浆是实现固井二界面封固系统有效密封的重要基础，因此其性能的优劣关系到固井作业的成败，还直接决定着整个环空封固系统的有效性。死泥浆 死泥浆是指注替过程中无法或难以参与循环的那部分老化物质，它主要包含三个部分：一是测井、下套管等作业期间已胶凝、脱水或干枯的钻井液，二是缝孔内或井径不规则处局部窝存的钻井液，三是糊在井壁上由钻井液、前置液和水泥浆等形成的疏松混合物。死泥浆的存在不但会严重影响顶替效率（图2），而且还会污染近二界面处的水泥浆，造成此处水泥石强度很低甚至形不成强度，导致固井二界面封固系统密封失效，因此是不利因素。但遗憾的是，因为对死泥浆性质的描述和评价非常困难，目前国内外对它的了解和研究并不多，甚至被忽略了。滤饼 滤饼是泥饼和水泥饼的组合：一方面，钻井时在一定的温度和压差下，钻井液首先滤失进入近井地层，固相颗粒必然会由大而小地沉积到渗滤面，使得孔缝越堵越小，最终形成一层固体颗粒胶结物泥饼；另一方面，固井时尽管已有泥饼的阻挡会使水泥浆渗入地层的量减少，但因此时的工作压差和滤失量更大，仍会在泥饼上再形成一层水泥饼。泥饼是钻井所必不可少的，因为它可稳定井壁和保护储层；但滤饼对固井二界面封固系统来说则是有害无益的，因为不管滤饼有多薄，都会在井壁上形成一个不可固化层，使水泥环与地层岩石之间存在不同程度的剥离而产生微裂缝，促使固井二界面胶结力变小，导致固井二界面封固系统密封失效，因此是有害因素。地层壁面 井筒内的地层壁面是一个不规则无定形的柱状曲面。从建筑学角度讲，地层壁面的凹凸不平说明其表面粗糙度很大，无疑应该有利于界面胶结，但对于油气井而言，因它会窝存钻井液，使此有利因素变成了不利因素。目前油田普遍存在一界面胶结好而二界面胶结差的现象也从某一侧面说明了这一点。地层壁面对固井二界面封固系统的影响取决于井壁的规则程度，即井径扩大率。显然，固井二界面封固系统的四个组成部分都与封固段地层的性质密切相关：一是水泥浆性能与地层性质有关，尤其是水泥浆密度更取决于地层孔隙压力、地层坍塌压力和地层破裂压力；二是窝存的死泥浆量和地层壁面的性状也取决于封固段地层的稳定性；三是滤饼形成和滤饼性质不仅与钻井液性能有关，还与地层渗透性有关。固井二界面封固系统的组合状态和破坏模型（1）系统状态分析 固井二界面封固系统中每个部分都有其不同的组分和构成形式，而且象水泥浆和死泥浆这两部分都是随着时间和温度变化而变化的，每部分的每一状态对应其它部分的状态，形成了多项组合状态8，每一种状态的密封程度都有可能不同（图4）。实虚滤饼实泥饼滤饼缺陷滤饼脱落无滤饼地层壁面滤 饼死泥浆水泥浆（环）正常隔层非正常隔层高压层原始压力层欠压层渗透层隔层井径规则 井径不规则胶凝钻井液脱水钻井液干枯钻井液窝存钻井液糊状混合物水泥浆水泥石（环）稠化硬化图4 地层壁面滤饼死泥浆水泥浆状态示意图（2）系统动态分析 若固井环空介质的静液压力或阻抗能力低于地层的孔隙压力，地层流体必将破坏滤饼而进入环空，结果是水泥浆被稀释，水泥浆水灰比变大，水泥浆密度变低，凝结时间延长，最终会导致水泥浆不能正常凝固甚至不凝固。此种情况下，固井二界面封固系统的密封必然失效，从而引发诸如空套管、管外冒或层间窜等严重问题（图5和图6）。通常，地层流体只有破坏了滤饼才能产生五种水泥浆（环）被破坏的情况，导致环空封固不良而引发诸多质量问题。实验发现，在1MPa负压差下，渗透率为10010-3m2的地层每米井段上每小时渗出流体0.5m3，而若滤饼未被破坏，此量则不到0.0025m3。图5 地层流体侵入对固井环空封固系统的破坏模型一界面声幅变大滤饼破坏滤饼完好不能凝固空套管管外冒外窜地面层间相互窜通水泥浆正常凝固二界面密封失效环空封固不良环空封固良好环空压力失衡地层流体侵入水泥环高压层气体套管固井二界面微裂隙或钻井液通道图6 实际流体运移路径结 论（1）固井二界面封固系统的界面是至少由五个界面组成的间歇复合界面，即纯水泥浆与受污染水泥浆之间的界面、受污染水泥浆与死泥浆之间的界面、死泥浆与水泥饼之间的界面、水泥饼与泥饼之间的界面和泥饼与地层壁面之间的界面。（1）固井二界面封固系统的材料是由水泥浆、死泥浆、滤饼和地层壁面四部分构成的一个复合体，其中死泥浆是指注替过程中无法或难以参与循环的那部分老化物质，滤饼是泥饼和水泥饼的组合。 （3）固井二界面封固系统的四个组成部分都与封固段地层的性质密切相关：一是水泥浆性能与地层性质有关，尤其是水泥浆密度更取决于地层孔隙压力、地层坍塌压力和地层破裂压力；二是窝存的死泥浆量和地层壁面的性状也取决于封固段地层的稳定性；三是滤饼形成和滤饼性质不仅与钻井液性能有关，还与地层渗透性有关。 （4）固井二界面封固系统中每个部分都有其不同的组分和构成形式，而且象水泥浆和死泥浆这两部分都是随着时间和温度变化而变化的，每部分的每一状态对应其它部分的状态，形成了多项组合状态，每一种状态的密封程度都有可能不同。 （5）固井环空介质的静液压力或阻抗能力低于地层的孔隙压力时，地层流体必将破坏滤饼而进入环空，结果是固井二界面封固系统的密封必然失效，从而引发诸如空套管、管外冒或层间窜等诸多严重的胶结质量问题。参考文献1 顾 军.矿场固井技术.北京：石油工业出版社，19972 覃维祖.结构工程材料.北京：清华大学出版社，20003 顾 军.固井二界面封固系统静态胶结机理研究.中国石油大学（北京）博士后研究报告，20054 顾 军，高德利，石凤歧等.固井二界面封固系统及其研究现状.贵阳：十一五固井科研规划及固井技术研讨会论文集，2004-125 顾 军，高德利，石凤歧等.论固井二界面封固系统及其重要性.钻井液与完井液，2005，22（2）6 吴中伟.水泥基复合材料的界面问题.武汉建材学院学报，1982，10（2）7 刘元湛，杨培怡，张承冀等.水泥浆体集料界面的粘结强度.硅酸盐学报，1988，16（4）8 弓玉杰，吴广兴，万发明等.固井二界面问题的初步分析与试验研究.石油钻采工艺，1998，20（6）第一作者简介：顾 军，男，1966年生，云南大理人；工学博士，获中国石油大学（北京）博士后证书。现为中国地质大学（武汉）资源学院石油与天然气工程系高级工程师、研究生导师，主要从事油气井工程的教学和科研工作，主攻方向为油气固井完井工程理论与水泥浆化学、