钻井工程固井胶结界面研究现状.doc

钻井工程固井胶结界面研究现状杨振杰1 李家芬2 苏长明2(1.西安石油大学石油工程学院，西安 710065；2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083)摘要 固井质量一直是石油勘探开发中备受关注的问题，对特殊工艺井钻井、油水井开采寿命和勘探开发效益有直接的影响。而对固井胶结界面的研究是从根本上提高固井质量急需开展的一项基础研究工作。为了推动固井胶结界面研究工作的开展，本文对国内外近年来有关固井界面研究的文献进行了分析，着重分析了这一研究领域目前所采用的研究方法手段和对提高固井界面胶结强度的基本认识。在文献分析的基础上，提出了作者对今后深入开展固井界面研究工作的观点。主题词 固井 胶结界面 微观结构 界面胶结强度 机理研究作者简介 杨振杰，1958年6月生。1982年毕业于西南石油学院钻井工程专业。毕业后长期在报告油田从事现场钻井泥浆技术工作和科研工作，现在西安石油大学石油工程学院从事科研教学工作，教授级高级工程师，2002年获西南石油学院油气开发工程工学博士学位。联系电话面即两相的接触面，对于复合材料而言，界面胶结历来被认为是整体结构的薄弱环节。界面的结构、性质及改善，对复合材料的宏观行为有重要影响。复合材料由于其优异的性能在建筑材料中得到越来越广泛的应用，对界面的研究也就越来越成为重要的课题，目的是弄清界面的性质，对其进行改性，以改善材料的整体性能1。特别是混凝土和砂浆，由于浆体和集料之间有一个过渡区，其特点是多孔、疏松、晶体粗大且定向排列2。因此，水泥浆体和集料之间的反应及界面的物理状态对混凝土的力学性能和耐久性有重要的影响，界面胶结强度往往是整体结构强度的关键3。吴中伟教授4认为，在混凝土中，集料或钢筋等增强材料与水泥石之间的界面，一直被认为是薄弱环节，阻碍着混凝土性能的进一步提高；强度、抗渗、抗冻和耐蚀等重要性能常常因界面上存在的缺陷而受到损失，甚至受到严重的破坏。因此，要想大幅度地提高水泥基复合材料的性能，为这一大类材料开阔新的用途，且能达到节能、经济和耐久等目的，首先必须深入研究界面问题，并有所突破。对石油工程中的固井作业来说，界面环境更加复杂，影响因素更多，界面胶结强度对工程质量的影响就更大。固井的双界面胶结质量及强度，直接影响油井的使用寿命和开发效益已是一个不争的事实。特别是在开发后期的调整区块，层系细分，产层薄、隔层薄，通常还要采取增产措施后才能进行生产，对固井界面的胶结质量要求更高。因此，随着油田开采强度的加大，对封固界面抗冲蚀破坏性能要求越来越高，迫切需要解决影响界面胶结质量的各种问题，特别是流体渗流条件下的界面胶结强度的建立和保持问题。越来越多的工程实践表明，对于石油工程中的固井和挤堵作业涉及的界面胶结质量和强度问题，仅仅局限于固井液体系的改进完善是很不够的，要想真正实现技术上的突破，就必须开展胶结界面微观结构的基础研究工作5。国内外已越来越重视固井界面的研究工作，认为界面胶结质量是影响油气井使用寿命的关键因素。固井界面封固失效，会降低开发效益，引起环保（污染地下水源）和安全（天然气窜到地面）的危害12。深入开展固井界面的研究工作，能够透过新的视点研究固井胶结质量问题，创新性地提出强化界面胶结强度的途径，在相关领域发展新型的工艺技术，这对全面提高固井工程和油水井堵漏的界面胶结质量，适应油田开发的各种特殊要求，提高油气井使用寿命、保护油气层和提高开发效益有重要意义。1 钻井工程固井界面研究的方法1)功能材料动态性能测试装置和模拟固井射孔综合试验装置 哈尔滨建筑大学和大庆钻井工艺研究所王详林，钟启刚等人6为了研究在一定温度和压力下固化体的动态力学性能，他们和中科院力学研究所合作，研制了一台带围压和温度的多功能材料动态性能测试装置，可分别进行材料的拉伸，压缩和扭转试验。拉压试验可在三向应力状态下进行，能够测定出动静态弹性模量，动态断裂韧性和破碎吸收能等参数。模拟固井射孔综合试验装置模拟固井条件进行射孔试验，以检验射孔时各种改性配方制作的水泥环的实际力学状态，通过验窜压力能够测定出界面胶结强度。2) HTHP剪切胶结强度试验仪 界面的胶结强度比较能够直接地反映出固化体的韧性和强度，脆裂严重的固化体往往表现出低的胶结强度，甚至不能形成界面封隔能力。JJNahm 和R . N . Romero 7为研究矿渣MTC 固化体的界面封隔性能使用了带一个长剪切管和两个短剪切管的HTHP剪切胶结强度试验仪，能够测出剪切胶结强度，剪切破坏后活塞与固化体表面的摩擦力，更重要的是能够测出剪切破坏后再养护两周的剪切胶结强度。实验发现矿渣MTC 固化体不仅具有较高的剪切胶结强度，而且具有独特的胶结界面再愈合能力，即套管柱与固化体的胶结被破坏后，矿渣MTC固化体经过一段时间的养护后，胶结强度又有所恢复。对这种自愈合机理的深入研究，可能有助于获得一种强化矿渣MTC固化体韧性与强度的有效手段。研究表明，水泥浆形成的固化体没有这种胶结界面再愈合能力，界面胶结被剪切破坏后，养护两周界面胶结强度恢复值为零。3)水泥环界面剪切胶结强度测试仪水泥环界面剪切胶结强度测试仪8是天津施工技术研究院研制的一台能够较准确地反映出固化体在井下高温高压情况下界面胶结性能仪器。该仪器的特点是能够较真实地反映出固化体一二界面的胶结情况，特别是二界面胶结，采用的是先用泥浆在环形的岩心表面形成泥饼，然后再用固井液模拟井下高温高压条件形成固化体，从而测出较真实的一二界面剪切胶结强度，从中反映出矿渣MTC固化体的强度和韧性。4)钻屑-油井水泥混合浆体固化体抗压强度测定法赵黎安，孟宪宝9等人用简便独特的研究方法探讨了钻屑与油井水泥的胶结特性。他们将实际的地层岩芯破碎，在周围裹上泥浆后烘干过筛，制成带有1mm厚泥饼的碎岩屑。在实验室内，模拟水泥环与地层胶结全过程，分析了泥饼以及采用不同配方的水泥浆对各种钻屑与油井水泥胶结强度的影响。通过半定量的方法，即对钻屑-油井水泥混合浆体形成的固化体抗压强度的测定，来表征不同钻屑不同水泥浆体系组合（即净油井水泥、沸石油井水泥、海泡石沸石油井水泥与净钻屑和带泥饼钻屑等八种组合）形成的界面胶结强度，并借助SEM分析了界面的微观结构。研究结果表明：水泥净浆与有泥饼的钻屑根本无胶结。只要是有泥饼存在，不管有多薄，都会在井壁上形成不可固化之夹层，使水泥环与地层岩石之间存在不同程度的剥离，产生微裂缝，导致界面胶结强度的下降，留下层间窜的隐患。沸石油井水泥的胶结强度较高，而且加入海泡石能在界面上起到纤微胶联与强化作用。5)“水泥环界面胶结强度仪”和“水泥环界面压窜试验仪”罗长吉，王允良10等人专门设计了“水泥环界面胶结强度仪”和“水泥环界面压窜试验仪”等装置开展了水泥环界面胶结强度与水泥抗压强度关系的研究；水泥界面胶结强度发展规律的研究；水泥界面胶结强度与表观体积胀缩特性的关系研究及水泥界面胶结强度与水泥水化热效应的关系研究，对水泥界面胶结特性取得了一些初步的认识。他们的基本结论是：（a）水泥环界面胶结强度发展规律与抗压强度发展规律不完全相同，反映出界面胶结强度除与抗压强度有关外，还与水泥环表观体积膨胀收缩以及热效应有关。（b）从界面胶结强度发展趋势看，水泥环第二界面胶结强度随时间的变化日趋薄弱。油井水泥表观体积收缩是影响第二界面强度的重要因素。（c）体积膨胀的水泥对提高第二界面胶结强度是有利的。（d）水泥水化热效应，会使水化早期界面胶结强度增加，但也会使以后的界面胶结强度特别是第二界面胶结强度降低。在井内条件下，水泥量大，散热情况不佳，热效应更为强烈。为减少热效应，应研究低水化热水泥。6)水渗流模拟装置陶晓楼等人11认为，注水开发及套管损坏会造成地层压力的重新分配，加上地层流体的渗流，严重影响了注水地区的调整井固井质量。他们在分析了大庆油田地质特点的基础上建立了水渗流模拟装置，并利用它进行了压差和水渗流影响水泥胶结质量的试验研究，结果表明，当压差为1-8MPa时对固井质量影响不大；当压差大于8MPa时对固井质量影响较大，但水渗流是影响固井胶结质量的主要因素，水渗流影响固井胶结质量的临界流速是49.76mm/h。7）H. K. J. Ladva 12等人通过泥饼剪切强度与含水量实验仪（Scraping apparatus）、光谱分析仪、粘结强度测定仪（Adhesion tester）和小尺寸井眼模拟实验装置（the small-wellbore simulator）等设备，研究了水泥浆与地层胶结界面之间的化学反应和界面胶结强度和封固失效部位的影响因素。对于砂岩地层着重研究了泥饼质量对界面胶结强度的影响，而对于非渗透地层也研究了泥浆膜对界面胶结强度的影响。测定了水泥浆与泥饼发生化学反应的深度和程度，同时测定了此时的含水剖面和剪切应力。揭示了抑制性钻井液对膨胀和非膨胀泥页岩固井二界面胶结强度的影响。实验结果表明，钻井液泥饼与固井液的化学反应直接影响二界面的胶结强度和剪切破坏的位置。在模拟二界面的封固实验中，胶结破坏面是在泥饼内部，而气窜位置是在泥饼与地层的界面上。膨胀水泥浆对泥饼渗漏通道的影响目前正在研究。对于在钻井液作用下容易发生压力传递，分散膨胀的不稳定泥页岩，尽管用不同的钻井液进行处理，仍然没有胶结强度，破坏面在不断变化。而对于不容易受压力传递影响，相对稳定的泥页岩，二界面胶结强度较高。 作者认为，进一步改善二界面胶结强度的潜力是研究能够改善胶结界面过渡带形态和结构的化学处理剂。2 目前提高界面胶结强度的主要途径1)对被胶结表面进行施工前的预处理对于石油工业来说，被胶结表面（如套管、泥饼和地层孔道等）的表面性质就更加复杂，改善界面效应层结构比较可行的工作就是对被胶结表面进行施工前的预处理。对被胶结表面进行预处理的一个基本措施是通过研究高效的冲洗隔离液，改善胶结表面的水润湿性，提高对虚泥饼的冲洗能力，从而提高界面胶结强度，国外对此已开展了大量工作13,14。Ronald E. Sweatman15 等人用密度为17 bl/gal的矿渣水泥浆（分带表面活性剂和不带表面活性剂两种）对OBM污染了的砂岩岩芯进行了剪切胶结强度试验。研究结果表明，通过用OMRS油基泥浆冲洗隔离液清洗岩芯表面后能够将剪切胶结强度由未清洗表面的3psi提高到497psi，如果在矿渣水泥浆中再加入表面活性剂，则又能进一步提高到757psi。他们的研究结果说明了提高界面胶结强度有多种途径和方法，需要进行更多的机理研究，才能有所突破。P.A. Parcevaux16等人认为水泥浆具有低收缩性和高弹性，再加上良好的表面冲洗技术，就能够获得最理想的界面胶结质量。国内许多学者也认为提高二界面胶结质量的另一个有效的办法是固井前对套管特别是井壁表面进行有效的处理17-21。DFS冲洗隔离17是由加工后的碱金属硅酸盐、硅基的腐蚀性惰性粒子、高胶质的水化粘土、氧化硅和水按一定比例配制而成。隔离液与钻井液和固井液相容性好，混浆过程中无絮凝物产生，同时具有良好的隔离和紊流冲洗能力，对胶结界面进行了预处理，再加上冲洗隔离液中的胶结强度增强组分，使水泥石与泥饼和套管的界面胶结强度明显提高。试验表明，用DSF冲洗隔离液冲洗过的界面，其胶结强度比清水冲洗后的界面胶结强度提高两倍以上。该项研究说明了使用冲洗隔离液对已形成的泥饼在固井前进行有效的表面处理，不失为一个强化界面胶结强度的途径。 对泥浆进行表面处理可起到下列作用：（a）可减小薄弱的界面过渡层对界面胶结强度的不利影响；（b）通过增强油基泥浆和混油泥浆泥饼表面的水润湿性，提高界面胶结强度；（c）用含大量的活性组分的冲洗隔离液填充不规则井眼，可以对恶劣的井眼质量进行补救。吴梅芳19等人进行了油基泥浆泥饼与水泥浆固化体的界面胶结强度的增强试验。作者认为，用油基泥浆钻井时，油浆在套管壁和井壁上形成一层油浆沉积物和泥饼，严重影响了水泥环与套管和井壁的胶结强度。因此，开发研究了主要由非离子表面活性剂、液态硅酸钠和水组成的DMH化学冲洗液，通过润湿、乳化分散和紊流冲洗作用，提高水泥环与两个界面的胶结强度。模拟第一界面的试验结果是：清水冲洗率为29%，相应胶结强度为0；而DMH化学冲洗液冲洗率为100%，相应的胶结强度为3.26MPa。由试验可见，经DMH化学冲洗液处理过的界面有良好的胶结强度。通过该论文的研究工作，得出一个重要的结论：保持两界面的水润湿性，可使水泥浆与套管和地层牢固地胶结，从而提高固井质量。界面的润湿性质和适当的界面处理对提高界面胶结强度至关重要。 杜江21认为影响水泥环第二界面的胶结强度的主要因素是：（a）地层特性主要体现在封固段地层的渗透率和地层流体的影响。（b）井眼状况主要体现在井眼不规则，对顶替效率的严重影响。未被驱替的残留泥浆往往和泥浆不相容，从而严重地影响了界面胶结强度的发展。（c）泥浆性能主要体现在厚而疏松的泥饼会使水泥浆不能直接接触井壁，并在水泥浆水化过程中脱水粉化，形成微环隙，引起油气水窜，破坏二界面的胶结强度。（d）水泥石的体积收缩水泥石体积收缩不可避免地导致水泥石与套管和井壁两个界面的胶结强度降低。作者除提出应用膨胀水泥改善胶结质量外，也重点强调了对套管和井壁进行表面处理对提高界面胶结强度的重要性。作者认为采用机械手段清除井壁上的虚泥饼，可极大地改善井壁上的胶结环境，提高水泥环的第二界面胶结强度。使用含多种表面活性剂的MS前置液体系，可使井壁表面油润湿状态转变为水润湿状态，也能改善井壁上的胶结环境，提高二界面胶结质量。与没有冲洗过的界面做胶结强度试验， DMH化学清洗液、SMS抗盐高效前置液都能使二界面的胶结强度明显提高。刘东青，周世明20研究了SMS前置液，其组成主要是：高分子聚合物、非离子表面活性剂、井壁稳定剂和加重剂组成。SMS通过物理化学冲洗作用和紊流顶替，有效地冲洗泥浆和泥饼，从而提高一、二界面胶结强度。2)在钻井液中加入高分子化合物乳化液许永志22等人通过钻井液添加剂GSN来提高固井一、二界面胶结强度。钻井液添加剂GSN是一种含有无机高分子化合物的乳化液。在钻井液中破乳时，释放出的高分子化合物有束缚自由水的作用；还可以与粘土结合，生成包被物吸附在井壁上，减小孔隙，降低钻井液失水和抑制泥页岩膨胀。固井时，水泥浆中的二价和多价离子与套管外微滤饼和地层滤饼中的GSN发生反应生成不溶物，可提高水泥界面的胶结强度。室内试验表明，一界面胶结强度由0.34MPa提高到0.68MPa,二界面胶结强度由0.58MPa提高到1.1MPa。3) 研究防水窜固井液体系对于老区调整井而言，由于受长期注水、地层非均质性、断层等影响，加之局部注采不平衡，造成层内层间矛盾突出，使的调整井高压层固井后的水窜严重，对二界面的胶结质量产生严重的影响。罗长吉和姚晓等人23，24-30注重研究固井防窜机理，在机理研究的基础上研究了胶凝强度发展迅速、临界时间短、体积微膨胀的水泥浆体系，以此克服水窜问题对界面胶结质量的影响，提高界面胶结强度。罗长吉等人认为水泥环由于表观体积收缩可能形成界面间隙，特别是第二界面。抗窜水泥不仅有早期膨胀特性，而且在后期仍有微膨胀特性，可提高水泥环界面胶结质量，特别是二界面，如3d二界面胶结强度比A级净浆提高90%。4) 研究应用MTC技术为了从根本上改变钻井液污染水泥浆的问题，从而提高顶替效率，改善二界面胶结状况，提高固井质量，国内外对MTC固井技术进行了大量的研究31，32-37。尽管由于种种技术限制MTC固井技术没有在国内外油田广泛应用，但MTC固井技术解决固井双界面的技术思路对我们进行界面微观结构的研究和提出切实可行的提高界面胶结强度的措施是有极其重要的启示的。 5）选用合理的钻井液体系 D. G. Cardno38等人发现硅酸盐泥浆对完井固井的胶结质量有较大的改善，大大减少了Lennox 油田的气窜问题。硅酸盐钻井液能够获得规则的井眼和稳定的井壁，但也应该形成了有利于固井二界面胶结强度提高的泥饼，作者对此没有深入的研究，没有探讨硅酸盐泥浆形成的泥饼对二界面胶结的影响机理。R. L. Dillenbeck39等人的研究发现含有钾盐和铵盐的固井液体系对泥页岩段的二界面胶结强度的改善有利。3 对石油工程固井界面研究现状的几点认识1）固井界面的研究工作对于提高固井质量和油气井使用寿命，具有特殊的意义。为了从根本上提高固井双界面的固井质量和开发工程中的封堵作业的界面胶结质量，实现固井和封堵技术的新突破，以适应今后高难度、高强度油田开发的需要，深入细致地研究固井双界面和封堵层的界面微观结构，探讨其与界面胶结强度宏观力学行为的关系应该是我们目前一项紧迫的基础研究工作。2）由于固井作业和封堵作业所面临的界面环境处于复杂的高温高压和动态多变的条件下，给界面微观结构的研究工作造成了更大的困难，因此要求我们在研究工作中必须在测试研究手段和方法方面进行创新，以较准确地模拟井下的实际情况，才能得出正确的研究结论。本文综述的文献中提出的研究方法值得我们在固井界面的研究工作中借鉴和进一步改进提高。3）目前提高固井质量的研究的重点大多数还局限于水泥浆固化体本体抗压强度和施工性能的研究，均试图通过改善固井液体系提高抗压强度来提高界面胶结强度。而这样做出现的问题是花费大，效果不理想，究其原因主要是对胶结界面影响固井质量的机理和程度认识不足。我们所研究的界面胶结环境是一个多因素的复杂体系，水泥浆体系的性能调整仅仅是这个复杂动态体系的一部分，还有固井液固化体的微观结构特征、胶结界面的微观结构特征、钻井液体系、钻井工艺等诸多影响因素，要想有效地解决界面胶结质量问题必须从胶结界面的微观结构和钻井工程整体系统的角度进行研究，在胶结界面微观结构的改善方面积极进行工作，明确钻井工程为完井工程服务的思想，研究思路应该突破现有的固井液体系。4）在研究目前有关固井界面的工作中还存在一个值得注意的问题是，实验研究中大多不考虑界面胶结的动态环境，大量的界面胶结研究均是在静态养护条件下进行的，而固井或封堵施工后的养护及投产过程都是处在一个复杂多变的流动环境中。而在压力下流体的运移特别是投产后注入水和地层水的浸蚀和冲蚀破坏，又往往发生在界面疏松的过渡层中。考虑不到这一点，界面胶结强度的研究工作往往会失去意义，找不到正确的方向。一些研究工作已考虑到水渗流的影响，提出了一些技术指标和改进措施，但对于压力严重失衡、油气水窜严重的调整井，不同方向的水、气、油渗流仍是不可避免的，因此，除了已有的措施外，还必须从改善胶结界面的微观结构上入手，才能较好地解决界面胶结的质量问题，而这一点以往的工作是很不足的。5）在固井界面的研究工作中不仅要关注界面胶结强度的形成阶段，而且应该研究在高压注水和各种增产措施影响下如何保持界面胶结强度的持久可靠性问题，这样才能保证固井界面胶结研究工作的深度和应用价值。参考文献1廉慧珍，董良，陈恩义.建筑材料物相研究基础M.北京:清华大学出版社,1996:131-1702唐明述.水泥浆体与集料的界面反应R.1984（内部资料）3刘元湛，杨培怡等.水泥浆体集料界面的粘接强度J.硅酸盐学报，1988，16（4）：289-2954吴中伟.水泥基复合材料的界面问题J.武汉建材学院学报，1982，2：143-145YLD-1油水井堵漏剂界面胶结强度增强机理研究，西安石油大学学报，2004（3）610大庆石油管理局钻井研究所.MTC动态力学性能及射孔实验报告R. 2000.9（内部资料）:5-7.7Breton D,Carles-Giibergues A,Ballivy G, et al. 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