國外已越來越重視固井界面的研究工作,認(rèn)為界面膠結(jié)質(zhì)量是影響油氣井使用壽命的關(guān)鍵因素。

 

  固井界面封固失效,會降低開發(fā)效益,引起環(huán)保(污染地下水源)和安全(天然氣竄到地面)的危害[4]。

 

  而固井前地層表面的狀態(tài)與性質(zhì)對固井二界面的影響很大,地層表面的狀態(tài)與性質(zhì)又直接受到鉆井液性能、在地層表面形成的泥餅的性能和質(zhì)量、泥頁巖地層的巖性和砂巖地層滲透率的影響,其中鉆井液性能的影響最為關(guān)鍵。鉆井液對固井膠結(jié)質(zhì)量的影響是人們一直關(guān)注和研究的問題,但大量研究工作集中在認(rèn)識鉆井液本身對固井質(zhì)量的不利影響上。

 

  單高軍等人[5]用人造巖心和金屬棒浸泡在不同油基鉆井液組分和體系中24 h,然后分使用前置液沖洗和不使用前置液沖洗兩種情況,分別注入水泥漿養(yǎng)護(hù)后測定一、二界面的膠結(jié)強(qiáng)度。他們通過研究后認(rèn)為:油基鉆井液各組分對第一、第二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度均有較明顯的影響,各組分及其體系形成的界面膠結(jié)強(qiáng)度都明顯低于對應(yīng)的空白巖心和金屬棒形成的界面膠結(jié)強(qiáng)度;用特殊前置液清洗15 min后,第一、第二界面剪切膠結(jié)強(qiáng)度成倍提高;混漿試驗表明,隨混漿比增大,水泥漿初、終凝時間明顯延長,膠凝強(qiáng)度和水泥石抗壓強(qiáng)度明顯下降。

 

  趙黎安等人[6]用簡便獨特的研究方法探討了鉆屑與油井水泥的膠結(jié)特性。他們將地層巖心破碎,在周圍裹上鉆井液后烘干過篩,制成帶有1 mm厚泥餅的碎巖屑。在實驗室內(nèi),模擬水泥環(huán)與地層膠結(jié)全過程,分析了泥餅以及采用不同配方的水泥漿對各種鉆屑與油井水泥膠結(jié)強(qiáng)度的影響。通過半定量的方法,即對鉆屑)油井水泥混合漿體形成的固化體抗壓強(qiáng)度的測定,來表征不同鉆屑不同水泥漿體系組合(即凈油井水泥、沸石油井水泥、海泡石沸石油井水泥與凈鉆屑和帶泥餅鉆屑等八種組合)形成的界面膠結(jié)強(qiáng)度,并借助SEM分析了界面的微觀結(jié)構(gòu)。趙黎安等人的研究結(jié)果表明:水泥凈漿與有泥餅的鉆屑根本無膠結(jié)。只要是有泥餅存在,不管有多薄,都會在井壁上形成不可固化的夾層,使水泥環(huán)與地層巖石之間存在不同程度的剝離,產(chǎn)生微裂縫,導(dǎo)致界面膠結(jié)強(qiáng)度的下降,留下層間竄的隱患。

 

  顧軍等人[7]認(rèn)為濾餅是水泥餅和泥餅的組合。

 

  一方面,鉆井時在一定的溫度和壓差下,鉆井液首先濾失進(jìn)入近井地層,固相顆粒必然會由大而小地沉積到滲濾面,使孔縫越堵越小,最終形成一層固體顆粒膠結(jié)物)))泥餅。另一方面,固井時盡管有泥餅的阻擋會使水泥漿滲入地層的量減少,但因此時的工作壓差和濾失量更大,仍會在泥餅上再形成一層水泥餅。泥餅是鉆井所必不可少的,因為它可穩(wěn)定井壁和保護(hù)儲層;但濾餅對固井二界面封固系統(tǒng)則是有害無益的,因為不管濾餅有多薄,都會在井壁上形成一個不可固化層,使水泥環(huán)與地層巖石之間存在不同程度的剝離而產(chǎn)生微裂縫,使固井二界面膠結(jié)力變小,導(dǎo)致固井二界面封固系統(tǒng)密封失效,因此使用優(yōu)質(zhì)鉆井液提高固井二界面膠結(jié)質(zhì)量     是有害因素。

 

  郭小陽等人[8]認(rèn)為泥餅性能關(guān)系到井壁穩(wěn)定,而且也嚴(yán)重影響固井二界面的膠結(jié)質(zhì)量,聚合物鉆井液泥餅質(zhì)量差是致命弱點,特別是在強(qiáng)水敏和高滲透地層未注意泥餅造壁保護(hù)作用,而且在進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換過程中未能及時形成優(yōu)質(zhì)泥餅,井下就會出現(xiàn)因井壁不穩(wěn)定被迫提高體系粘度、切力、觸變性的情況。此外,多數(shù)油田不重視使用泥餅刷清除滲透性產(chǎn)層處的井壁附著泥餅,劣質(zhì)泥餅混入水泥漿將影響水泥膠結(jié)和聲幅測井的質(zhì)量。在固井后如果膠結(jié)質(zhì)量不良,會導(dǎo)致投產(chǎn)后層間分隔失效,影響油氣層強(qiáng)化改造工程的工藝效果。因此,應(yīng)重視鉆井液應(yīng)用技術(shù)與井壁穩(wěn)定、泥餅清除要求的技術(shù)銜接,固井前最好是在完鉆前,根據(jù)巖性及時轉(zhuǎn)換鉆井液體系,形成優(yōu)質(zhì)泥餅護(hù)壁,為調(diào)整鉆井液性能滿足提高固井質(zhì)量工藝措施的實施創(chuàng)造條件。因此,郭小陽等人提出,鉆井液性能對提高復(fù)雜井固井質(zhì)量具有不可忽視的潛在影響,應(yīng)把鉆井液、前置液、水泥漿視為相互關(guān)聯(lián)的完整工作液體系進(jìn)行研究,探討第二界面與層間封隔效果的影響機(jī)理,滿足提高復(fù)雜井固井質(zhì)量的要求。

 

  姚曉等人[9]認(rèn)為,地層、濾餅和水泥環(huán)三種不同組成的材料構(gòu)成了二界面封固系統(tǒng)。系統(tǒng)涉及地層特性(隔層、滲透層、硬地層、軟地層、裂縫性地層等)、井下壓力系統(tǒng)、濾餅特性(虛泥餅、實泥餅或無泥餅)和水泥漿/水泥石特性(密度、濾失量、體積收縮、滲透率等)等,其中濾餅的性質(zhì)和水泥漿體的脹縮特性是需要首先解決的關(guān)鍵問題。

 

  調(diào)整鉆井液性能,減少井壁泥餅是保證固井質(zhì)量的基本條件。由于泥餅與水泥漿之間根本上不膠結(jié),使用低劣的鉆井液體系要取得良好固井質(zhì)量是不可能的。已有研究表明:在井壁存在2 mm厚的濾餅,當(dāng)其收縮率達(dá)到0.1~0.4Lm2時,足以引發(fā)環(huán)空竄流。

 

  弓玉杰等人[10]從注水井對固井質(zhì)量影響的角度,論述了鉆井液性能在控制固井質(zhì)量方面的重要作用。如果在固井施工后,環(huán)空介質(zhì)的靜壓或阻抗能力低于水淹層的地層孔隙壓力,地層流體將首先對鉆井液的濾餅產(chǎn)生破壞,然后才進(jìn)入環(huán)空,對固井膠結(jié)質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。由此可見,水淹層的高壓水只有通過破壞了的濾餅通道才能產(chǎn)生相應(yīng)的破壞作用,如果濾餅未被破壞,那么地層水的滲流就會遇到阻力,其破壞作用就會大大減低,水泥漿就能夠正常凝固,膠結(jié)界面難以產(chǎn)生微縫隙,水淹層封固質(zhì)量就可能得到保證。

 

  弓玉杰等人通過研究發(fā)現(xiàn),對地層無濾餅和有濾餅出水情況的估算來看,在1 MPa的負(fù)壓下,100@10-3Lm2的無濾餅地層每米井段每小時出水0.5m3,此種情況下導(dǎo)致水侵和管外竄都是有可能的。

 

  同等條件下,有濾餅時(濾餅厚度為1 mm,滲透率為0.001@10-3Lm2),其出水量不到2.5 L,這樣微小的出水量不會對水泥環(huán)造成破壞,也不會發(fā)生空套管或管冒的問題。由此分析,發(fā)生嚴(yán)重的固井質(zhì)量問題時,地層里流體的壓力必須先破壞濾餅,然后才能引發(fā)其它問題。他們通過試驗認(rèn)識到濾餅對隔層液體的外竄有很好的阻抗能力,提出應(yīng)該深入認(rèn)識和研究濾餅在地層上的附著強(qiáng)度和濾餅的破裂強(qiáng)度,尤其是水泥環(huán)-濾餅-地層的膠結(jié)機(jī)理研究和界面親和性的改善研究。

 

  弓玉杰等人還認(rèn)為低壓層固不好井,同樣是由于泥餅質(zhì)量不好或濾餅被破壞,使水泥漿失水量過大影響水泥漿的正常凝固,導(dǎo)致出現(xiàn)聲幅值偏高的現(xiàn)象,這一點從室內(nèi)水泥漿在巖心上失水后的聲幅說明了這個問題。

 

  由此可見,泥餅質(zhì)量對水淹層的固井質(zhì)量至關(guān)重要。其意義是:?控制水泥漿失水,保證固井質(zhì)量;?泥餅自身的質(zhì)量好,就能減輕水淹層對固井界面膠結(jié)強(qiáng)度的不利影響;?如果泥餅自身具有潛在活性,能夠自身硬化和被固井液激發(fā)固化,那么鉆井液泥餅不僅不是薄弱層,反而變成了增強(qiáng)層。

 

  H. K. J. Ladva等人[4]通過專門的研究設(shè)備,研究了水泥漿與地層膠結(jié)界面之間的化學(xué)反應(yīng)和鉆井液體系對界面膠結(jié)強(qiáng)度和封固失效部位的影響。

 

  研究揭示了抑制性鉆井液對膨脹和非膨脹泥頁巖固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度的影響。實驗結(jié)果表明,對于在鉆井液作用下容易發(fā)生壓力傳遞、分散膨脹的不穩(wěn)定泥頁巖,固井二界面膠結(jié)強(qiáng)度很低,破壞面在不斷變化;而對于不容易受壓力傳遞影響、相對穩(wěn)定的泥頁巖,二界面膠結(jié)強(qiáng)度較高。

 

  作者通過研究得出下列認(rèn)識。

 

  (1)Catoosa shale巖心與水泥的膠結(jié)強(qiáng)度最高,該巖心是非膨脹性的頁巖。而微膨脹的Oxfordclay巖心用不同的鉆井液處理后,其膠結(jié)強(qiáng)度變化很大,其中用硅酸鹽鉆井液處理后的巖心膠結(jié)強(qiáng)度最高,超過不用任何鉆井液處理的Oxford clay巖心;油基鉆井液處理的巖心界面膠結(jié)強(qiáng)度最低。

 

  (2)通過對膨潤土鉆井液形成的泥餅與水泥漿相互作用的研究,模擬了水泥漿在變化的泥餅上凝固的情形,從中給出二界面膠結(jié)強(qiáng)度形成及影響因素的重要信息。實驗發(fā)現(xiàn)水泥漿與泥餅結(jié)合后,水泥漿與泥餅界面處的含水量逐漸增加,同時泥餅的剪切強(qiáng)度相應(yīng)下降,呈一個鏡像圖。而在硅酸鹽鉆井液形成的泥餅中沒有見到這種變化。水泥漿水化過程中,泥餅含水量增加,強(qiáng)度下降,顯然對界面膠結(jié)強(qiáng)度的發(fā)展不利。

 

  (3)水泥漿與泥餅接觸后,隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行,Ca(OH)2會滲透到整個泥餅中。而且在發(fā)生變化的泥餅中觀察到方解石的峰值,可能是滲透到泥餅中的Ca(OH)2與空氣中的CO2在樣品養(yǎng)護(hù)過程中反應(yīng)形成的產(chǎn)物。

 

  (4)在Oxford clay環(huán)形巖心與水泥漿的膠結(jié)實驗中(將水泥漿灌進(jìn)巖心內(nèi)孔中),一個巖心在膠結(jié)前不用鉆井液處理,養(yǎng)護(hù)后將成形的水泥心取出,可觀察到其破壞面已波及到Oxford clay巖心內(nèi)部;而用硅酸鹽鉆井液在膠結(jié)前對巖心進(jìn)行預(yù)處理,養(yǎng)護(hù)成形后將水泥心取出,發(fā)現(xiàn)水泥與巖心的界面十分清楚完整,界面上可以看到硅酸鈣沉淀,可以認(rèn)為是水泥漿水化過程中大量釋放的Ca(OH)2與硅酸鹽形成的產(chǎn)物。

 

  (5)對于同樣的泥頁巖井壁來說,用不同的鉆井液預(yù)處理后的井壁,與水泥漿結(jié)合后由于水泥漿失水造成的井壁含水量的變化是不同的。硅酸鹽鉆井液井壁的含水量變化最小,井壁穩(wěn)定,封固強(qiáng)度也就較高。說明從地層被鉆開開始,鉆井液的好壞就一直對固井質(zhì)量產(chǎn)生影響。

 

  (6)對于砂巖巖心,用不同的鉆井液在一定的溫度和壓力下在巖心外壁上形成泥餅,然后灌入水泥漿,養(yǎng)護(hù)成形后測定界面膠結(jié)強(qiáng)度。實驗表明砂巖巖心有泥餅存在后,水泥漿與巖心的界面膠結(jié)強(qiáng)度大幅度下降。

 

  作者通過研究后認(rèn)為,進(jìn)一步改善二界面膠結(jié)強(qiáng)度的潛力是研究能夠改善膠結(jié)界面過渡帶形態(tài)和結(jié)構(gòu)的化學(xué)處理劑。

 

  戈羅德諾夫??[11]提出,把井眼圍巖作為三個同心圓柱層所構(gòu)成的物體來分析。第一層,它能夠與在分散介質(zhì)中處于游離狀態(tài)的鉆井液的所有組分直接相互作用,并在地層巖石表面形成泥餅。在第二層,能發(fā)生鉆井液與巖石之間的擴(kuò)散或滲透過程。

 

  在第三層,是在整個鉆井過程中保持天然特性的巖石,完全沒有與鉆井液發(fā)生相互作用。由此可以認(rèn)為水泥環(huán)的第二膠結(jié)界面實際上是固井液與井壁泥餅和已經(jīng)受鉆井液滲透或擴(kuò)散作用影響的近井壁之間的多相膠結(jié)界面,這就造成了水泥環(huán)與地層之間膠結(jié)的復(fù)雜性。由于地層特性、井下溫度壓力等因素是不可控制的客觀因素,由此提高固井二界面膠結(jié)質(zhì)量的關(guān)鍵因素必然是固井液和鉆井液,而鉆井液是影響井壁時間長,控制比較困難的重要因素,沒有好的鉆井液,就不會有好的井壁,也就沒有好的固井二界面封固平臺或基礎(chǔ),這一點常被忽視。