26固井二界面封固系統(tǒng)研究

1、1固井二界面封固系統(tǒng)研究固井二界面封固系統(tǒng)研究顧軍1高德利2（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉油氣井工程學(xué)科2.中國(guó)石油大學(xué)〈北京〉）摘要固井二界面問(wèn)題是一個(gè)亟待解決的工程難題，它會(huì)直接影響勘探開(kāi)發(fā)的效果和效益已是不爭(zhēng)的事實(shí)。本文首次提出了固井二界面封固系統(tǒng)的概念，分析了系統(tǒng)組分對(duì)固井二界面封固系統(tǒng)的作用或影響，完善了系統(tǒng)的狀態(tài)變化模型和動(dòng)態(tài)破壞模型。筆者認(rèn)為，固井二界面問(wèn)題的研究和解決必須要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，才能從根本上解決固井二界面的膠結(jié)問(wèn)

2、題。否則，這一難題還將會(huì)長(zhǎng)期伴隨固井界。目前油田固井質(zhì)量的問(wèn)題大致體現(xiàn)在四個(gè)方面：一是投產(chǎn)之后的層間竄問(wèn)題；二是固井后管外冒油氣水問(wèn)題；三是整個(gè)環(huán)空的“聲變”問(wèn)題；四是固井一界面的“聲幅”問(wèn)題。但無(wú)論哪一個(gè)問(wèn)題，拋開(kāi)射孔、壓裂等開(kāi)采作業(yè)的影響，可以說(shuō)產(chǎn)生這些固井質(zhì)量問(wèn)題的根源都是固井二界面封固系統(tǒng)失效，也是為什么測(cè)井資料看起來(lái)密封良好的環(huán)空在完成完井?dāng)?shù)周或數(shù)月后會(huì)檢測(cè)到有氣體出現(xiàn)的真正原因〔1〕。但是，國(guó)內(nèi)外解決固井二界面問(wèn)題基本都未考

3、慮死泥漿的影響，即只注重研究泥餅的影響，往往強(qiáng)調(diào)提高頂替效率和沖刷泥餅，結(jié)果則是固井二界面膠結(jié)問(wèn)題依然十分突出。因此，對(duì)固井二界面封固系統(tǒng)的構(gòu)成和性質(zhì)進(jìn)行深入的探索和研究不僅十分迫切和必要，而且具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和重大的經(jīng)濟(jì)效益。固井二界面封固系統(tǒng)的概念固井二界面封固系統(tǒng)的概念（1）界面）界面界面就是兩種不相容和不反應(yīng)的物質(zhì)相接觸時(shí)的交界區(qū)域，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是兩相的接觸面，它有氣液、氣固、液固、固固和液液（兩種不相容液體，可有反應(yīng)也可無(wú)反應(yīng)

4、）形式。實(shí)際上，任何材料都是以各種性質(zhì)的界面相鄰接的〔2〕。固體與液體或氣體之間的接觸面常稱為固體的表面〔圖1－（a）和（b）〕，固體與固體之間的接觸面稱為界面，它既可以是材料中兩個(gè)不同的固相的分界面〔圖1－（c）〕，也可以是材料中兩個(gè)相似但方向不同的晶體的分界面〔圖1－（d）〕。液體固體氣體固體表面表面（b）固體與氣體之間的表面（a）固體與液體之間的表面固相A固相B界面晶體B晶體A（d）晶體與晶體之間的分界面（c）固相與固相之間的分界

5、面圖1界面的概念3固井二界面封固系統(tǒng)是由多個(gè)界面和不同材料組成的復(fù)合體，即固井二界面問(wèn)題的研究和解決不僅要考慮多個(gè)界面的問(wèn)題，還要考慮材料差異的問(wèn)題。（1）系）系統(tǒng)界面界面組成就界面而言，固井二界面封固系統(tǒng)是至少由五個(gè)界面組成的間歇復(fù)合界面，即純水泥漿與受污染水泥漿之間的界面、受污染水泥漿與死泥漿之間的界面、死泥漿與水泥餅之間的界面、水泥餅與泥餅之間的界面和泥餅與地層壁面之間的界面。（2）系）系統(tǒng)材料材料組成就材料而言，固井二界面封固系

6、統(tǒng)是由不同材料組成的復(fù)合體，即：①水泥漿水泥漿在這里是一個(gè)廣義的概念，它既指由油井水泥與水泥外加劑和或外摻料配制的各種水泥漿（如摻加輕質(zhì)材料配制的密度小于1.75gcm3的水泥漿，稱為低密度水泥漿；摻加各種性能調(diào)節(jié)劑配制的密度在1.75～2.10gcm3范圍內(nèi)的水泥漿，稱為常規(guī)密度水泥漿；摻加加重材料配制的密度大于2.10gcm3的水泥漿，稱為高密度水泥漿；此外，還有特種水泥漿如泡沫水泥漿、防竄水泥漿、膨脹水泥漿、抗鹽水泥漿、觸變水泥漿

7、、纖維水泥漿、超細(xì)水泥漿防凍水泥漿等），也指由特種膠凝材料配制的各種不含或含少量油井水泥的固井液（如MTC漿等）。水泥漿是實(shí)現(xiàn)固井二界面封固系統(tǒng)有效密封的重要基礎(chǔ)，因此其性能的優(yōu)劣關(guān)系到固井作業(yè)的成敗，還直接決定著整個(gè)環(huán)空封固系統(tǒng)的有效性。②死泥漿死泥漿是指注替過(guò)程中無(wú)法或難以參與循環(huán)的那部分老化物質(zhì)，它主要包含三個(gè)部分：一是測(cè)井、下套管等作業(yè)期間已膠凝、脫水或干枯的鉆井液，二是縫孔內(nèi)或井徑不規(guī)則處局部窩存的鉆井液，三是糊在井壁上由鉆井

8、液、前置液和水泥漿等形成的疏松混合物。死泥漿的存在不但會(huì)嚴(yán)重影響頂替效率（圖2），而且還會(huì)污染近二界面處的水泥漿，造成此處水泥石強(qiáng)度很低甚至形不成強(qiáng)度，導(dǎo)致固井二界面封固系統(tǒng)密封失效，因此是不利因素。但遺憾的是，因?yàn)閷?duì)死泥漿性質(zhì)的描述和評(píng)價(jià)非常困難，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)它的了解和研究并不多，甚至被忽略了。③濾餅濾餅是泥餅和水泥餅的組合：一方面，鉆井時(shí)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(huì)由大而小地沉積到滲濾面，使得孔縫

9、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(shí)盡管已有泥餅的阻擋會(huì)使水泥漿滲入地層的量減少，但因此時(shí)的工作壓差和濾失量更大，仍會(huì)在泥餅上再形成一層水泥餅。泥餅是鉆井所必不可少的，因?yàn)樗煞€(wěn)定井壁和保護(hù)儲(chǔ)層；但濾餅對(duì)固井二界面封固系統(tǒng)來(lái)說(shuō)則是有害無(wú)益的，因?yàn)椴还転V餅有多薄，都會(huì)在井壁上形成一個(gè)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，促使固井二界面膠結(jié)力變小，導(dǎo)致固井二界面封固系統(tǒng)密封失效，因此是有

10、害因素。④地層壁面井筒內(nèi)的地層壁面是一個(gè)不規(guī)則無(wú)定形的柱狀曲面。從建筑學(xué)角度講，地層壁面的凹凸不平說(shuō)明其表面粗糙度很大，無(wú)疑應(yīng)該有利于界面膠結(jié)，但對(duì)于油氣井而言，因它會(huì)窩存鉆井液，使此有利因素變成了不利因素。目前油田普遍存在一界面膠結(jié)好而二界面膠結(jié)差的現(xiàn)象也從某一側(cè)面說(shuō)明了這一點(diǎn)。地層壁面對(duì)固井二界面封固系統(tǒng)的影響取決于井壁的規(guī)則程度，即井徑擴(kuò)大率。顯然，固井二界面封固系統(tǒng)的四個(gè)組成部分都與封固段地層的性質(zhì)密切相關(guān)：一是水泥漿性能與地層