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固井材料

固井二界面封固系统及其研究现状

顾军高德利（石油大学〈北京〉石油天然气工程学院）

摘要固井二界面问题是一个亟待解决的工程难题。

文章主要做了三方面工作：

一是阐述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，建立了系统的状态变化模型和动态破坏模型；二是从油田开采和防止气窜两个角度，剖析了固井二界面封固系统失效的危害性，阐释了解决固井二界面问题的重要性；三是调查分析了国内外固井二界面问题的研究现状，提出了固井二界面问题的研究方向和解决途径。

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，采用类似储层保护的技术和方法，才能实现固井二界面封固系统的整体固化胶结。

否则，这一难题还将会长期伴随固井界。

关键词:

固井二界面封固系统油田开采防止气窜整体固化胶结

1固井二界面封固系统的概念

1.1基本定义

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。

1.2系统组成分析

（1）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，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，因此其性能的优劣不仅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。

（2）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，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并不多。

（3）滤饼滤饼是水泥饼和泥饼的组合：

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。

（4）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，还与地层渗透率有关。

1.3系统状态分析

固井二界面封固系统中每一部分都有不同的形式，而且象水泥浆和死泥浆这两部分都是随时间和温度而变化的，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（图1）。

1.1.4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2）。

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100×10-3μm2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2.5L。

但动态条件下固井二界面封固系统的胶结机理对保证调整井、高压井和气井的固井质量无疑是十分重要的，因此尚待研究和探索。

2固井二界面胶结质量的重要性

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。

因此，对固井二界面封固系统胶结机理进行深入的探索和研究不仅是十分必要的，而且具有重要的现实意义和重大的经济效益。

2.1对油田开采的影响

固井的主要目的就是封隔地层〔1-7〕，它是实现分层开采、分层注水、分层管理和分层改造的基础。

可以说，一口井要达到应有的产能，主要取决于完井过程中所达到的层间封隔程度。

层间封隔不良对需压裂开采的油气藏则更为不利，因为它将直接导致作业时压裂液的漏失和作业后油气藏流体的窜通。

那么，层间封隔程度该如何评价呢？

简单的方法就是把油气层的产量（qr）与其上部和下部地层通过水泥环而产出的流体量（qc）进行对比（图3），即层间封隔指数（IZI）。

层间封隔指数越大，说明层间封隔程度越高：

当IZI趋于无穷大时，表明环空封固系统密封有效，产出的主要是油气且实施各种增产措施效果显著；当IZI趋于零时，表明环空封固系统密封失效，产出的可能主要是底水且实施各种增产措施可能无效。

假设由产层向井内的流动为稳态流动且两个地层的初期油藏压力相等，据达西定律即可得到适用于油气水的IZI关系式

（1）

式中：

Kr－油气层渗透率，×10-3μm2；h－油气层厚度，m；△L－隔层厚度，m；Kc－环空封固系统的当量渗透率，×10-3μm2；rw－井眼半径，m；rc－套管半径，m；S－表皮系数。

就给定油气藏和建成油气井而言，层间封隔指数主要取决于环空封固系统的当量渗透率（Kc），二者成反比关系，即Kc越小，IZI越大，层间封隔越好。

Kc主要取决于：

（1）固井界面的密封程度根据平行板模型结合Niver-Stokes方程可以得到当量渗透率（Kc，×10-3μm2）与微裂隙宽度（w，mm）的关系式为Kc＝8.4×107w2。

显然，只要固井二界面产生宽度很小的微裂隙，就会产生很大的当量渗透率，导致层间封隔指数变小。

（2）水泥环本体的渗透性对于常规水泥来说，水泥环本体的渗透率很低，通常低于0.01×10-3～0.001×10-3μm2。

但假如在水泥浆由液态向固态转变的过程中受到流体侵入的干扰作用，致使水泥浆密度降至1.60g/cm3，水泥环本体的渗透率就会增大到10×10-3μm2，使得水泥环本体具有进水过水能力，导致层间封隔指数变小。

图4是一口井的实例，用它分析层间封隔指数（IZI）与油气藏性质（Krh△L）、微裂隙（w）和环空封固系统渗透率（Kc）之间的关系。

可以看出，对于由薄层分隔开的低渗透油气层的情况，因Krh△L变小，就要求更低的渗透率和更高的层间封隔。

若仅仅考虑水泥环本体的原始渗透率，这个问题并不大，因为大多数水泥石的渗透率都低于0.01×10-3μm2。

但若出现连续的微裂隙，就会使整个情况恶化：

当

IZI＝50时，就要求w必须小于1.1μm，而此时的当量渗透率为120×10-3μm2。

值得注意的是：

1.1μm这样的微裂隙宽度比水泥颗粒的平均直径小两个数量级，因机械膨胀、温度变化等很容易在固井界面引起此数量级的变化。

或许，这些变化不是连续的，但提高固井界面的胶结质量和水泥环本体的密实程度仍是极其重要的。

2.2对环空气窜的影响

固井后地层流体沿界面通道或孔隙流道窜至井口或另一地层的现象称为环空气窜，它不仅会使后续钻采作业无法进行，还可能造成全井报废的恶果。

环空气窜是一个非常复杂的问题，虽对它已认识和研究60余年，但至今尚无完善的理论和有效的方法。

据资料报道〔8〕，全世界约有25％的完钻井都不同程度地存在环空气窜问题，且一旦窜流发生，就易变成难以解决的问题，因此防止环空气窜仍是提高环空封固质量的关键所在。

那么，固井二界面封固系统的胶结质量对环空气窜有何影响呢？

目前相对完善的环空气窜学说有三种：

一是界面胶结学说，即无论采用何种水泥浆体系，只要存在微裂隙，气体就可以从固井一、二界面窜通；二是失重桥堵学说，即水泥浆水化和失水出现胶凝，造成水泥结构收缩，导致环空静液压力下降到不能平衡地层孔隙压力时，气体就可以在胶凝状态的水泥中渗透；三是胶凝结构学说，即因水泥浆的胶凝作用而导致环空静液压力下降到小于地层孔隙压力时，气体不但可以在胶凝状态的水泥浆中渗透，还可以通过胶凝或凝固程度很高的水泥石孔隙结构发生气窜。

但是，无论那种环空气窜学说，气体都必须沿某条路径到达井口或进入另一个可渗透性地层，才得以完成气窜过程。

气窜路径可能有三种：

固井两个界面、钻井液通道和未凝固水泥浆。

但研究表明〔9，10〕，尽管未凝固水泥浆渗透率较高而有可能成为渗流路径，但因其气窜临界距离有限〔11〕，因此未凝固水泥浆不可能造成气窜，即通过水泥浆或基质的渗流不是气窜的原因。

综上所述，环空气窜的根本原因是固井二界面封固系统的胶结质量问题，即尽管环空静液压力大于地层孔隙压力，但因井筒热力变化或压力波动形成的界面微裂隙和滤饼或死泥浆形成的旁通渠道或微窜槽（图5），仍会给被圈闭于地层的气体创造窜流路径。

这也就是为什么测井资料看起来密封良好的环空在完井数周或数月后会检测到有气体出现的真正原因。

3固井二界面问题研究现状

环空或层间油气水窜流的研究始于1940年〔12〕，国内外有关文献资料数以百篇，但专门研究固井二界面胶结质量问题的文献却不多〔13-18〕。

归纳起来，先前的研究内容主要集中在三个方面：

一是初步分析了影响固井二界面胶结质量的因素；二是实验探讨了固井二界面胶结强度发展规律；三是总结介绍了提高固井二界面胶结质量的一些工艺技术措施。

3.1影响固井二界面胶结强度的因素

（1）地层特性地层特性是影响固井二界面胶结质量的一个重要因素。

除地层压力异常和地层流体活跃等动态因素之外，主要是地层的渗透性。

若地层渗透率低于某一临界渗透率K*（0.01×10-3～10×10-3μm2），试验已证实难以形成泥饼〔19〕，认为一般条件下只会有一层钻井液膜。

从表1可以看出：

无泥饼的岩心与水泥胶结良好，界面渗透率在0.01×10-3～0.1×10-3μm2之间，基本接近水泥石渗透率；带钻井液膜的岩心与水泥形成的界面渗透率也较低，密封性能够满足要求。

表1低渗岩心与水泥的界面试验（水灰比44％）

试验方案

试验条件

渗透率

（×10-3μm2）

温度（℃）

养护时间（h）

纯水泥浆－岩心

50

24

0.0586

分散水泥浆－岩心

45

24

0.0659

纯水泥浆－岩心沾薄钾基钻井液

50

24

6.8672

纯水泥浆－岩心沾薄硅基钻井液

50

24

2.1443

若地层渗透率很高（大于0.01×10-3～10×10-3μm2），钻井液中的大小颗粒会依次沉积到地层壁面，形成非均质性泥饼〔20〕。

从表2可以看出：

无论形成的是疏松的厚泥饼或是不同钻井液形成的实泥饼，岩心与水泥都难以胶结密实，界面缝隙清晰可见，当量渗透率大于130×10-3μm2，密封性极差。

表2高渗岩心与水泥的界面试验（水灰比44％）

试验方案

试验条件

当量渗透率

（×10-3μm2）

泥饼厚度（mm）

养护时间（h）

纯水泥浆－厚泥饼岩心

5

24

431.16

纯水泥浆－实钾基钻井液泥饼岩心

5

24

1425.68

纯水泥浆－实硅基钻井液泥饼岩心

3.5

24

130.25

（2）水泥体积减缩水泥与水发生水化反应生成的产物体积总是小于水化前的总体积，纯水泥的体积收缩率可高达5％。

这种体积减缩有内部体积减少和表观体积收缩两种形式：

前者是以真空微孔隙的形式分布于水泥石中，使水泥石的孔隙压力下降，会诱导地层流体侵入环空；后者在早期则明显不同，即前1d内膨胀，而后缓慢收缩（图6）。

正是由于这种早期溶胀现象，会使水泥环早期界面强度偏高，而后由于水泥石的收缩现象，会使二界面胶结能力减弱，甚至形成微环隙，从而不可避免地导致水泥石与井壁界面的胶结强度降低。

图6水泥体积减缩

（3）界面污染情况如果冲洗顶替不净，砂岩井壁上附有一层钻井液形成的泥饼，则固井后水泥环界面胶结强度将大大降低。

表3给出了某一实验测得的固井二界面在各种污染情况下的胶结强度。

表3不同界面情况下固井二界面胶结强度

界面情况

界面胶结强度（MPa）

抗窜能力（MPa）

干净非渗透地层

2.39

1.80

钻井液污染非渗透地层

0.58

0.75

干净渗透地层

1.43

--

钻井液污染渗透地层并形成泥饼

0.17

--

注：

钻井液粘度是32s。

从表中可见，非渗透井壁粘附一层钻井液后，其界面强度和抗窜能力都明显下降。

钻井液在渗透性砂岩井壁形成泥饼后，与固井二界面的胶结强度则更低，仅为不带泥饼的12％左右。

而且，钻井液粘度越大，固井二界面胶结强度越低。

此处地层渗透性对界面胶结质量的影响程度虽与前述观点有一定差异，但影响规律却是一致的，即高渗透性地层的界面胶结强度大大低于低渗透性地层的界面胶结强度。

（4）井眼状况受钻井过程中多种因素的影响，井眼横剖面多呈不规则圆形或糖葫芦形，纵剖面多呈锯齿形，若还存在几个大肚子井段，不管顶替排量多大，都很难将其中的钻井液驱替干净。

弯曲井眼中的套管不易居中，极大地改变了顶替过程中环空的流速分布，增加了驱替窄边钻井液的难度，而这些残留的钻井液往往与水泥浆不相容，导致水泥浆流变性恶化影响施工安全，同时也会大大降低固井二界面的胶结强度。

此外，顶替模拟实验发现，井径扩大率越大，顶替效率往往越低。

当井径扩大率达到15％时，切开井筒断面可见：

由井径小到井径大的大肚子井段内，形成钻井液、前置液、水泥浆相互混掺的滞留区域，水泥浆凝固后强度很低，密封性能也很差。

（5）钻井液性能钻井液性能仅局限于满足钻井设计和携带岩屑的要求是远远不够的。

实践证明，性能良好的钻井液不仅可提供一个较为规则的井眼，而且还会在井壁上形成薄而韧的泥饼，从而保证了固井质量。

但厚而疏松的泥饼会使水泥浆不能直接接触井壁，并在水泥水化过程中脱水粉化，形成微裂隙，引起油气水窜，降低了水泥环界面胶结质量和密封性能。

综上所述，影响固井二界面胶结质量的因素虽然很多，但仍可系统地分为四大类，即

表4影响固井二界面胶结质量的因素

地层

钻井液

水泥浆

其它

地层孔隙压力

死泥浆量

水泥浆失水量

井径扩大率

地层破裂压力

滤饼强度

水泥浆胶凝性

顶替效率

地层渗透性

钻井液粘切

水泥浆收缩性

压稳程度

界面亲和性

滤饼水化性

水泥浆密度变化

停工时间

3.2固井界面胶结强度发展规律

研究表明，固井界面水泥石强度发展规律除与水泥本身强度有关外，还与水泥凝结硬化过程中其表观体积的胀缩特性有关。

图7是某一实验得到的固井界面水泥石强度发展曲线。

图7固井二界面胶结强度发展曲线

可以看出，固井二界面胶结强度的发展有如下规律：

（1）固井一界面胶结强度随着养护时间的延长而增大，这与水泥石抗压强度的发展是相近的，但其增长速度比抗压强度缓慢。

（2）固井二界面胶结强度开始随着养护时间的延长而增大，但约1d以后，有逐渐减少的趋势。

这与水泥石抗压强度的发展是不同的。

（3）固井二界面胶结强度发展曲线与水泥石表观体积的胀缩曲线很相近，说明水泥环第二界面胶结强度发展除与水泥石本身强度有关外，还与水泥石表观体积的胀缩有关。

（4）2d之前，固井二界面胶结强度高于一界面胶结强度，但2d之后，固井二界面胶结强度则低于一界面胶结强度，且随着养护时间的延长，二者的差值有逐渐增大的趋势，因此从发展角度看，固井二界面将是日趋薄弱的环节。

3.3提高固井二界面胶结质量的措施

（1）做好井眼准备一个清洁、稳定、合格的井眼是提高固井二界面胶结质量的首要条件。

为了在现实的条件下改善井眼状况，提高顶替效率，必须进行充分的井眼准备：

一是下套管前进行通井，必须每隔30～60m短起下钻一次，并开泵循环钻井液（环空返速1m/s以上）。

二是下套管后，调整钻井液性能，适当降低钻井液的静切力、屈服值和塑性粘度，大排量循环2～3周，以确保井眼内岩屑清除干净和钻井液均匀稳定。

三是对于渗漏井段，在最后一周循环时，打入单向压力封闭剂，以保证固井作业顺利实施。

（2）使用机械装置套管扶正器可提高套管柱在井眼中的居中度，配合采用紊流或塞流顶替，有利于提高顶替效率。

泥饼刷作为套管附件可以根据实际井眼条件安装在套管串下部的任何位置，与套管扶正器配合使用安全可靠。

泥饼刷可以清除井壁虚厚泥饼，极大地改善水泥与井壁的胶结环境，从而提高水泥环第二界面胶结质量。

套管外封隔器也可解决固井二界面的密封问题，但它会把地面可观察到的冒油冒气现象转移到了地下，给油田开采埋下了最大的隐患，尤其是高压油气层，表现更突出，危害也更大。

（3）应用膨胀水泥室内试验和现场实践证明，水泥浆在水化硬化过程中体积会收缩，从而在水泥环界面上产生微裂隙，导致地层封隔不良。

应用膨胀水泥能在水泥水化硬化的早期生成钙矾石晶体，改变水泥石的微观结构，产生晶格膨胀使水泥石体积增大，从而有效地弥补了水泥石的体积收缩，增加固井二界面胶结强度。

（4）采用新型前置液这类冲洗前置液不仅因其含有活性组分的矿物材料而对界面产生激发作用，还对界面死泥浆和疏松滤饼具有较强的稀释降粘能力，从而能够部分活化固井界面，增强界面亲和性，提高界面胶结质量。

3.4固井二界面尚待研究的问题

以往对固井二界面的研究不但很少，而且多属经验总结，效果不明显，以致固井二界面胶结质量的问题一直令固井专家困惑。

这就是为什么一界面固得很好而二界面不一定固得好？

究其原因，除实际井眼条件等因素之外，主要是

（1）固井二界面封固系统失效机理研究不太系统，即油井水泥浆体与井壁界面胶结微观结构和相应的物理模型尚不完全清楚。

（2）固井二界面封固系统强化机理不太清楚，也就很难找到比较理想的解决方案和技术对策。

4几点认识

（1）解决固井二界面问题的根本是实现固井二界面封固系统的整体固化胶结。

这不仅要研究主客观复杂因素的影响，还必须考虑射孔作业、开采方式、增产措施等的影响。

（2）固井二界面问题研究的难点主要有：

一是影响固井二界面胶结质量的因素很多；二是死泥浆、滤饼和地层壁面的性状难以描述；三是室内模型与井筒实际相差太大。

（3）固井二界面封固系统能否实现整体固化胶结不仅决定着能否完成固井工程的使命――层间封隔，在一定程度上还关系着环空是否会发生气窜。

（4）只要弄清楚固井二界面封固系统的失效机理和强化机理，并建立起相应的物理模型，就有可能寻找到切实可行的解决方案。

笔者正在从事这方面的研究工作。

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