改善固井第二界面胶结质量研究综述

李　洋，卢海川，邢秀萍，谢承斌，李立荣

（天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451）

改善固井第二界面胶结质量研究综述

李洋*，卢海川，邢秀萍，谢承斌，李立荣

（天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451）

固井第二界面胶结质量是决定固井质量的关键因素，而第二界面胶结属于安全薄弱环节，提高固井第二界面胶结质量是一个亟待解决的复杂问题。影响固井第二界面胶结质量的主要因素包括地层条件，井眼形状，钻井液、前置液和水泥浆性能，针对这些影响因素，可取的措施主要有：改善钻固井工艺工具；采用多功能钻井液，利用MTC法或MTA法进行整体界面胶结；改善前置液性能；采用微膨胀性能的水泥浆。

固井；第二界面；胶结质量

1　概述

固井工程是油气钻井完井工程中的一个重要环节，油气井的固井质量关系着油气井寿命以及产能，是保证油气资源合理开发的关键性技术。固井第二界面胶结质量是决定固井质量的关键因素［1］。而固井第二界面胶结属于安全薄弱环节，容易失去封隔性能，发生油气水窜，从而影响油气井寿命和产能［2］。提高油气井固井第二界面胶结质量是一个复杂性工程难题。本文分析了影响固井第二界面胶结质量的主要因素，由于固井二界面胶结系统是一个复杂的系统，因此这些影响因素涉及到了地层条件、钻井技术和固井技术等诸多领域。对于如何提高固井第二界面胶结质量的研究从20世纪八九十年代就已经开始，目前仍有新的方法在提出。提高二界面胶结质量的方法包括钻固井工艺、钻井液、前置液和水泥浆等方面。本文对于近些年出现的这些不同方法进行了综述。

2　固井第二界面胶结质量的重要性

2.1定义

在完井作业中，通常把套管和水泥环或者固井液固化物之间的胶结面称作固井第一界面，而把水泥环或固井液固化物与滤饼的胶结面和滤饼与井壁的胶结面共同形成的复合胶结面称作固井第二界面。固井第二界面封固系统包含了水泥浆、死泥浆、滤饼和井壁4个部分［3］。

2.2重要性

固井作业完成后，第二界面胶结质量是影响油气井寿命和采收率的关键因素。二界面胶结良好能为后续进行压裂等增产措施做好准备。二界面胶结质量差则会造成固井二界面封固系统失效，引发投产之后的层间窜流问题，从而导致井口冒油冒气，降低油气产量，影响油气田的合理开发，损坏套管，污染地下水源，甚至产生安全问题［4］。

3　影响固井第二界面胶结质量的因素

固井二界面胶结系统是一个复杂的系统，因此影响第二界面胶结质量的因素也是多种多样的，包括了地层条件、井眼形状、钻井液性能以及与地层形成的滤饼情况、前置液、水泥浆性能等。

3.1地层条件

影响固井第二界面胶结质量的地层条件包括地层压力、地层岩性、地层渗透率和孔隙度、地层温度以及地层流体状况。

朱江林等利用高温高压固井质量评价仪，室内模拟高压深层井段不同孔隙度与渗透率的砂岩与泥岩，进行水泥与不同岩性地层胶结性能的实验。结果表明，水泥与砂岩和泥岩地层的胶结强度随着孔隙度和渗透率的增加而下降，水泥与泥岩地层的胶结强度大于与砂岩地层的胶结强度［5］。这是因为，孔隙度越高，渗透率越大，水泥浆的失水就越大，导致水泥凝固过程中不能充分水化，第二界面的胶结强度随之下降。

地层温度会影响水泥浆体系性能调节和平衡压力固井。郭辛阳等利用自主研制的界面胶结强度测试仪，模拟井下复杂温度对固井界面胶结强度的影响。结果表明，水泥浆凝固后，养护温度变化会使第二界面胶结强度显著降低，而且温度变化越大，变化次数越多，降低的幅度也越大［6］。

地层流体也会影响固井第二界面胶结质量，尤其在比较活跃的水层、油层井段，地层流体会在水泥浆凝固过程中对其进行侵污，从而降低第二界面的胶结强度［7］。

3.2井眼状况

油气井在钻井过程中，由于受到地层流体压力、坍塌压力的局部变化等因素的影响，导致井眼的横剖面呈不规则的椭圆或者葫芦形，地层壁面表面粗糙不平。根据流体力学原理，在直径突变井段流体易形成只在原地流动而不能向前推进的滚流，所以在水泥浆顶替过程中难以将不规则的椭圆或葫芦形井段内的钻井液驱替干净，形成死泥浆，从而降低水泥浆与井壁的胶结程度，影响固井第二界面的胶结质量。实验室内模拟残存钻井液对二界面胶结强度的实验证明，死泥浆量的增加会降低水泥浆与井壁的胶结强度［8］。

3.3钻井液性能

钻井液的流动性会影响水泥浆的顶替效率。具有触变性的钻井液可以提高顶替效率。降低钻井液的塑性粘度、动切力和静切力也能提高顶替效率，进而增加第二界面胶结强度［9］。另外，钻井液失水会在井壁形成滤饼。滤饼的存在使得第二界面的胶结实质为水泥环与滤饼胶结面以及滤饼与井壁胶结面的复合胶结面。滤饼一般都是比较疏松的，阻碍水泥浆与井壁的直接胶结，还会使水泥浆固化过程中脱水粉化，形成微隙［10］，降低胶结程度，降低程度与泥饼厚度相关，实验数据调研表明，泥饼厚度在0.5～1mm之间，泥饼增厚对胶结强度影响变化较小；泥饼厚度大于1mm时，胶结强度降低很快；泥饼厚度为5mm时，几乎无胶结强度［4］。

在比较法上，对于应收账款质押合同的形式的要求不尽相同。其中我国的台湾地区和意大利、瑞士的立法明确要求当事人在设立质权时必须要签订书面合同；而日本、法国和德国的立法则没有此项的强制规定，即口头或者书面形式都可以。

3.4前置液性能

冲洗液能够稀释和分散钻井液，对井壁和套管中残留的钻井液起到冲洗作用，从而提高顶替效率，减少滤饼的形成。不同的冲洗液类型、冲洗时间和速率都会影响最终的冲洗效果。

隔离液能对泥饼、井壁表面等进行预处理，改善界面效应，提高顶替效率。

3.5水泥浆性能

水泥浆的密度、失水量、流变性以及固化过程中的体积收缩特性都会对固井第二界面胶结质量产生影响。高密度的水泥浆体系固相含量大，水泥紧密堆积，相对于低密度水泥浆界面胶结更为理想。失水量过大会在界面形成薄膜水层，影响胶结。流变性能会影响顶替效率，间接影响胶结。水泥浆在固化过程中的体积收缩是一种普遍特性，凝固后体积收缩会使水泥环与井壁之间的胶结出现微间隙，从而降低胶结强度。实验证明，体积收缩会使第二界面胶结强度日渐趋弱［11］。

4　提高第二界面胶结质量的技术

4.1钻井和固井工艺

钻井工艺方面，直井段要防斜打直，造斜段要增斜平稳，增斜段要控制好方位和井斜，使井眼轨迹平滑。控制好钻井液密度和滤失量，使用近平衡技术钻井，保证井壁稳定，避免将井壁冲成“大肚子”［12］。

4.2钻井液

采用流变性能良好的钻井液提高顶替效率，应用钻井液稀释技术，在固井前对钻井液进行预处理，改善钻井液与水泥浆的相容性，从而提高二界面胶结质量。

通过往钻井液加一些添加剂也能有效改善胶结质量。在钻井液中添加一种多元硅界面增强剂LPS，这种处理剂可以通过离子置换参与界面上水泥浆的水化、胶结，并能与井壁发生吸附胶结，提高水泥环—泥饼—地层胶结能力，从而提高二界面固井质量［13］。在钻井液中添加一种含有无机高分子化合物的乳化液GSN，可以减少滤饼与井壁的孔隙，降低钻井液滤失和抑制泥页岩膨胀。水泥浆可以与滤饼中的GSN反应生成不溶物，提高第二界面胶结强度。实验表明，第二界面胶结强度由0.58MPa提高到1.10MPa［14］。最近也有研究在钻井液中加入界面胶结增强剂（CIE），CIE包含无机矿物纤维，如硅酸钙、二氧化硅纳米颗粒和低极性聚合物。实验结果表明，加入CIE后可以使第二界面胶结强度增加3～4倍，这主要是由于CIE所产生的支持效应、诱导效应、静电排斥效应以及润滑作用所导致的［15］。

在钻井液中添加高炉矿渣可以改变滤饼结构，将滤饼转化为类似水泥物质，增加滤饼强度，从而提高胶结强度。这项技术被称为MTC，20世纪90年开始在中国开展。很多研究都对此项技术进行了配方和机理的探索。钻井液中加入矿渣后，需要与MTC固井液配合使用。MTC固井液不同于一般的水泥浆，用矿渣取代了水泥，并添加激活剂。MTC固井液能与泥饼实现整体固化胶结，MTC固化体收缩率小于水泥浆，而且相关实验数据表明有泥饼存在的情况下MTC固井液胶结强度大于水泥浆［16-17］，MTC固井液中的激活剂Ca（OH）2能与滤饼中的SiO2反应，生成C-S-H凝胶［18］，因而第二界面胶结质量得到提高。该方法的特点是在钻井液中加入矿渣后不会影响钻井液性能。

MTC法存在一些问题，如必须与MTC固井液配合才能起作用，容易出现高温脆裂［19］，只能应用于表层套管和技术套管。由此，近年来顾军等研究出了一种泥饼仿地成凝饼（MTA）的方法，用于实现非MTC法固井二界面整体固化胶结。在钻井液中加入泥饼改性剂，前置液中加入凝饼形成剂，与水泥浆进行室内模拟实验。结果表明，固井二界面胶结强度随养护时间的延长而大幅度提高，泥饼与水泥浆发生了同步水化硬化反应，实现了MTA法固井二界面整体固化胶结［20］。

采用MTA方法进行固井，可使固井二界面胶结强度大幅度提高6.53～23.21倍。MTA法现已应用于涩北气田固井，固井二界面胶结优质率达到80.01%～98.11%，解决了浅层气井气窜问题［21］。

4.3前置液

使用不同前置液冲洗，第二界面胶结强度也会出现不同，前置液性能会影响第二界面胶结质量［22］。

通过增加冲洗液的清洗能力，清除残留钻井液，最大限度清除井壁上的虚泥饼，实现紊流顶替，改善井壁胶结状态，从而增强二界面胶结质量。另外也可在前置液中加入某些活性组分。马文英等研究出了SF-1冲洗前置液体系，将具有活性组分的矿物材料加入到前置液中，对泥饼和套管进行预处理，能够形成具有水化活性的表面，增强水泥浆与泥饼的亲和力，激活泥饼固化活性，从而提高二界面胶结强度［17］。另外有文献中提出可以通过增加前置液的接触时间，加强前置液对聚合醇MMH正电胶钻井液的冲蚀作用来提高前置液性能，提高固井二界面胶结质量［12］。

4.4水泥浆

针对于地层条件对于二界面胶结质量的影响，可选用力学性能与地层相近的水泥浆，在孔隙度较大的地层采用滤失量较小的水泥浆可提高二界面胶结质量。

研究及改善具有微膨胀性能的水泥浆体系，包括加入JFR活化纤维，高镁废渣以及晶体生长的膨胀材料等。加入JFR活化纤维能提高水泥石的抗衰减和抗收缩性，降低API失水量［23］；高镁废渣（HMS）微膨胀水泥浆体系线膨胀率较于普通水泥浆体系有明显升高［24］；加入晶体生长的膨胀材料在不同温度压力条件下均能补偿水泥浆体的收缩，产生0.1%～0.7%的线膨胀［25］。微膨胀水泥体系经实验和现场施工证明能够减小水泥环与地层之间产生的微环隙和微裂隙，提高二界面胶结质量［23-27］。

另外在水泥浆中加入聚合物和弹性纤维，能够降低水泥浆失水量，增加韧性，防止出现裂缝，有利于提高二界面胶结质量［28］。

5　结论与建议

提高二界面固井质量是一个系统工程，需要从地层情况、钻井固井工艺工具、钻井液体系、前置液、水泥浆体系等方面入手，采取全方位措施才能很好地解决固井二界面质量差的问题。

钻井工艺方面避免“大肚子”井眼，保证井眼轨迹平滑，固井工艺方面采取各种措施清除钻井液，提高顶替效率。采用流变性能良好的钻井液提高顶替效率。在钻井液中加入一些添加剂，包括多元硅LPS、乳化液GSN、CIE等，降低滤饼厚度，增加滤饼强度，提高胶结质量。MTC方法通过在钻井液中添加高炉矿渣可以改变滤饼结构，将滤饼转化为类似水泥物质，增加滤饼强度，实现整体固化胶结，是一种比较可取的方法。近年来出现的MTA法对MTC法进行了补充，能应用于高温作业，实现了第二界面整体固化胶结。提高冲洗液对于钻井液的稀释和冲洗能力，实现紊流顶替，提高与水泥浆和钻井液的相容性。在前置液中加入一些活性组分可以在水泥环和泥饼表面形成水化活性的表面，增强水泥浆与泥饼的亲和力。根据地层条件选择合适的水泥浆，采用具有微膨胀性能的水泥浆体系，目前已有多种材料可使水泥浆具有微膨胀性能，但仍需进一步的改善，使其能应用于更多不同条件下的固井作业中。在不影响其他性能的基础上，降低失水量，提高密度，可在一定程度上增加二界面胶结质量。

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TE256

A

1004-5716（2016）06-0062-04

2015-06-17

2015-06-18

李洋（1990-），男（汉族），山东临沂人，助理工程师，现从事固井技术开发工作。