考虑多因素的固井二界面胶结抗拉强度室内评价方法

2023-08-29杨春和曾义金郭印同杨广国

石油钻探技术 2023年4期

杨春和，王磊，曾义金，郭印同，杨广国，刘奎

（1.岩土力学与工程国家重点实验室（中国科学院武汉岩土力学研究所），湖北武汉 430071；2.中石化石油工程技术研究院有限公司，北京 102206）

水泥环是固井施工后在套管与地层之间形成的环状水泥石结构，具有封隔地层、加固井眼的作用[1]，其封固性能直接影响着油气井[2–3]、地热井[4–5]、地下储能库[6–7]等的长期安全生产与运行。从套管–水泥环–地层的角度来看，环空密封失效的发生存在于水泥环的3 个部位：水泥环本体、一界面（套管–水泥环界面）和二界面（水泥环–地层界面）。与前面2 个部位相比，由于井壁面不规则、钻井液残留等原因，固井二界面的胶结质量不易控制，是整个环空封隔的最薄弱环节，当前油气井固井质量问题的根源大都是固井二界面封固系统的失效[8]。

针对固井二界面的胶结特性，顾军等人[9]详细阐述了固井二界面封固系统及其重要性；郭辛阳等人[10]认为固井微环隙是导致密封失效的重要原因之一，二界面存在的滤饼及水泥石体积收缩会导致微环隙形成。多位学者[11–15]开展了固井二界面力学胶结强度的试验研究，设计了不同类型的评价装置，模拟了高温高压环境下钻井液在岩心上形成滤饼、钻井液动态冲洗滤饼和水泥环的形成养护等过程，并采用压剪或冲剪的方式获得了界面胶结强度。杨振杰[16]、M.Maagi 等人[17]在其研究中呈现了扫描电镜下水泥浆–滤饼–岩石过渡界面的复杂胶结特征；N.Opedal 等人[18]采用CT 扫描重构的方法，研究了冲剪作用后水泥石–地层界面的贯通破坏路径。

文献调研可知，以往的研究主要聚焦于水泥环–地层界面的胶结剪切强度，很少针对胶结抗拉强度开展研究，主要瓶颈在于尚未系统建立含界面试样的制备及相应的测试方法，二界面张拉破裂是一种典型的破裂模式，可由水泥石收缩、温度压力扰动等因素诱发[19–20]。此外，以往的评价方法也较少考虑岩性和界面粗糙度这2 个重要因素，评价维度较为单一。为此，笔者综合考虑了岩性、界面粗糙度、钻井液污染、冲洗液清洗和水泥浆体系等主要因素，形成了岩石–水泥石组合体试样制备方法，从冲洗效率、胶结细观结构、抗拉强度、破裂形貌等多个维度，建立了较为全面系统的固井二界面胶结抗拉强度室内评价方法，通过多因素试验，验证了该方法的有效性，并初步获得了各因素对固井二界面胶结抗拉强度的影响规律。

1 评价方法的建立

考虑固井二界面的形成过程和影响因素的多样性，该评价方法主要包括岩样制备、岩样界面钻井液沉积与冲洗液清洗、岩石–水泥石组合体试样制备、岩石–水泥石界面细观结构表征和界面胶结抗拉强度测试等步骤。

1.1 岩石–水泥石组合体试样制备

1）岩样制备。先将岩石样品加工成ϕ50 mm ×25 mm 的圆柱岩样，接着利用数控高精度雕刻机和线切割设备在岩样中部制作界面，再将岩样与后续水泥浆接触的表面制备成粗糙起伏的形貌，以模拟井壁。可根据地层岩性，选择页岩、砂岩、灰岩等不同岩性的岩石制备岩样。

2）岩样界面处理。岩样表面沉积钻井液，模拟钻井液在井壁面沉积形成滤饼的过程，可考虑钻井液类型、温度、压力和时间等因素的影响。岩样表面用冲洗液清洗，模拟固井工序中前置冲洗液清洗残留钻井液的过程，可考虑冲洗液类型和不同冲洗条件，采用冲洗效率指标评价冲洗效果。冲洗效率的计算公式为：

式中：η为冲洗效率；m0为岩样的初始质量，g；m1为钻井液沉积并倒出表层流动部分后岩样的质量，g；m2为清洗后岩样的质量，g。

3）岩石–水泥石组合体试样制备。将处理完界面的岩样放入模具，浇注水泥浆，在设定的温度、压力条件下充分养护，确保水泥石内部结构和强度趋于稳定，可考虑水泥浆类型、养护温度、压力、时间等因素。对养护后组合体试样水泥石部分的端面进行切割打磨，得到可用于抗拉强度测试的标准组合体试样（ϕ50 mm × 25 mm 圆柱）。

1.2 界面细观结构表征

利用工业显微镜观测岩石–水泥石组合体试样的界面，分析界面处岩石–水泥石胶结状态、钻井液残留分布、孔洞–微裂缝形态等特征。

1.3 界面胶结抗拉强度测试设备及试验原理

利用中国科学院武汉岩土力学研究所自主研制的RMT-150C 岩石力学测试系统测试岩石–水泥石界面抗拉强度，测试过程中为避免加载接触区域应力集中，采用了国际岩石力学协会推荐的弧面加载方式（见图1）。界面抗拉强度的计算公式为：

图1 试样中部界面的受力状态Fig. 1 Stress state of middle interface of rock sample

式中：σft为界面抗拉强度，MPa；P为组合体界面中心位置起裂扩展时对应的荷载，N；D为试样直径，mm；h为试样厚度，mm。

观测并分析张拉破裂后的岩石–水泥石界面，获得裂缝路径、界面形貌、有效胶结区域等特征。

2 新评价方法合理性验证试验

考虑岩性、界面粗糙度、钻井液沉积、冲洗液冲洗和水泥浆等影响固井二界面胶结强度的主要因素，设计了界面胶结抗拉强度评价试验，一方面检验所建评价方法的有效性，另一方面初步评价各因素对界面胶结抗拉强度的影响。具体的试验方案设计见表1，各因素下进行3 次重复试验。

表1 试验方案设计Table 1 Experimental scheme design

选择页岩和砂岩2 种岩性的岩样，页岩岩样取自重庆涪陵龙马溪组页岩露头，砂岩岩样取自鄂尔多斯盆地致密砂岩露头，测试了页岩和砂岩岩样的物理力学参数，结果见表2。由表2可知，页岩的抗压强度、弹性模量和抗拉强度均显著高于砂岩，砂岩的渗透率显著高于页岩。

表2 不同岩性岩样的力学参数Table 2 Mechanical parameters of rock sample with different lithology

对于岩样界面粗糙度，共设置了3 种界面形态：1）光滑界面，表面完全平整光滑，是一种理想状态；2）轻微起伏界面，粗糙度为0.2 mm，用于模拟真实井壁的轻微凹凸起伏状态；3）较大起伏界面，粗糙度为1.0 mm，较大的凹凸起伏对应局部地层破碎较严重、存在轻微掉块垮塌的区域（见图2）。

图2 岩样表面粗糙度设置Fig. 2 Roughness setting of rock surface

对于岩样的界面处理，采用取自重庆涪陵页岩气井钻井现场的油基钻井液和冲洗液，共设置3 种钻井液沉积与冲洗方案：1）新鲜干净表面，不做任何处理，作为空白对照组；2）10 mL 钻井液沉积6 h+10 mL 冲洗液（60 ℃）冲洗+10 mL 清水（60 ℃）冲洗，对应清洗较为充分的情况；3）10 mL 钻井液沉积6 h+10 mL 清水（60 ℃）冲洗，对应清洗效果较差的情况。

制备岩石–水泥石组合体试样时，分别选择了常规水泥浆、3% 弹韧性水泥浆、6% 弹韧性水泥浆、9% 弹韧性水泥浆和树脂水泥浆等5 种水泥浆，在60 ℃、常压条件下养护28 d，以确保水泥石内部结构和强度趋于稳定，对水泥石部分的端面进行切割和打磨，得到可用于试验的标准组合体试样（ϕ50 mm × 25 mm 圆柱），制备完成的典型组合体试样见图3。

图3 制备完成的部分典型组合体试样Fig. 3 Some prepared typical rock-cement composite specimens

3 试验结果分析

3.1 界面冲洗效率

采用冲洗液+清水冲洗界面粗糙度为0，0.2 和1.0 mm 的页岩岩样，冲洗效率分别为93.0%，91.2%和89.6%。可以看出，随界面粗糙度增大，冲洗效率小幅度降低，原因在于页岩表面凹陷低洼位置的钻井液不易清洗干净。采用清水、冲洗液+清水冲洗界面粗糙度0.2 mm 页岩岩样时的冲洗效率分别为76.5%和91.2%，表明清水无法有效清洗页岩表面附着的油基钻井液，而加入冲洗液可显著提高冲洗效果。在相同的钻井液沉积和清洗条件下，由于页岩结构致密，渗透率较小（0.21 μD），钻井液残留较少，冲洗效率较高（91.2%）；而砂岩结构相对疏松，渗透率较大（0.76 mD），钻井液残留较多，且附着紧密，不易清洗，清洗效率仅为63.1%。

3.2 界面胶结细观结构

岩石–水泥石典型的界面胶结细观结构如图4所示。在冲洗液和清水联合冲洗后，由于页岩表面的冲洗效率较高，页岩–水泥石界面无明显缺陷，整体胶结良好（见图4（a）和图4（b）），界面处的水泥石部分存在胶结过渡带，厚度约0.33～0.87 mm，该区域内水泥石胶结相对疏松，含较多孔隙；随着界面粗糙度增加，胶结过渡带厚度增大，且缺陷区域更大。页岩表面仅用清水冲洗时，页岩–水泥石界面附近可观测到残留钻井液分布，局部厚度超过600 μm，滤饼内部还含有较多微裂缝、孔洞，界面整体胶结较差（见图4（c））。砂岩表面用冲洗液和清水冲洗后，由于冲洗效率较低，砂岩–水泥石界面处残留的钻井液连续分布，界面处具有较多孔洞、微裂缝等缺陷，界面整体胶结最差（见图4（d））。

图4 岩石–水泥石界面胶结细观结构Fig. 4 Meso-structure of the rock-cement interfaces

3.3 界面抗拉强度

采用上文的评价方法分析岩性、界面粗糙度、界面清洁度和水泥浆对岩石–水泥石界面抗拉强度的影响。界面粗糙度0.2 mm 页岩和砂岩岩样经相同钻井液污染，采用冲洗液和清水冲洗后，与3%弹韧性水泥浆形成岩石–水泥石界面的抗拉强度如图5所示。从图5 可以看出，页岩–水泥石界面的抗拉强度为0.35 MPa，砂岩–水泥石界面的抗拉强度仅为0.01 MPa，这是因为砂岩冲洗效率较低（63.1%）、残留的钻井液过多造成的。

图5 岩性对岩石–水泥石界面抗拉强度的影响Fig. 5 Influence of lithology on the tensile strength of rockcement interface

界面粗糙度分别为0，0.2 和1.0 mm 的页岩岩样，用相同钻井液污染，采用冲洗液和清水冲洗后，与3%弹韧性水泥浆形成岩石–水泥石界面的抗拉强度如图6 所示。从图6 可以看出：在光滑（粗糙度为0 mm）和较小粗糙度（粗糙度为0.2 mm）的情况下，水泥石和页岩表面的胶结面积差异较小，界面抗拉强度变化不大，约0.35 MPa；当粗糙度较大时（粗糙度为1.0 mm），胶结面积有较大幅度增加，界面抗拉强度明显增强，达到0.62 MPa。

图6 界面粗糙度对岩石–水泥石界面抗拉强度的影响Fig. 6 Influence of surface roughness on the tensile strength of rock-cement interface

界面粗糙度为0.2 mm 的页岩岩样经钻井液污染+冲洗液和清水冲洗、钻井液污染+清水冲洗、保持原状等3 种方式处理后，与3%弹韧性水泥浆形成岩石–水泥石界面的抗拉强度如图7 所示。从图7可以看出；随着界面残留的钻井液增多，抗拉强度急剧降低；在界面完全清洁的状态下，界面抗拉强度为0.83 MPa；钻井液污染后，用冲洗液与清水联合冲洗，界面抗拉强度降至0.35 MPa，而只用清水冲洗，界面抗拉强度仅为0.09 MPa。

图7 界面清洁度对岩石–水泥石界面抗拉强度的影响Fig. 7 Influence of surface cleanliness on the tensile strength of rock-cement interface

界面粗糙度为0.2 mm 的页岩岩样经钻井液污染，与弹韧性水泥浆（弹性材料加量为3%，6% 和9%）、常规水泥浆和树脂水泥浆形成岩石–水泥石界面的抗拉强度如图8 所示。由图8 可知：页岩–树脂水泥石界面的抗拉强度最高，达到1.34 MPa；页岩–常规水泥石界面的抗拉强度为0.60 MPa；页岩–弹韧性水泥石界面的抗拉强度相对最低，为0.29～0.35 MPa，且随着弹性材料加量增大，界面抗拉强度呈缓慢降低趋势。

图8 水泥浆对岩石–水泥石界面抗拉强度的影响Fig. 8 Influence of cement slurry on the tensile strength of rock-cement interface

总体来看，各因素下3 次重复试验的结果离散性较小，表明该评价方法的重现性较好；不同因素之间的测试结果具有较显著的差异，说明该评价方法的区分度较好。

3.4 界面破裂形貌分析

岩石–水泥石界面张拉破裂典型形貌如图9 所示。从图9 可以看出，破裂模式为张拉裂缝，裂缝在界面处起裂并沿着界面扩展，岩石–水泥石组合体沿界面断裂为两半。

图9 岩石–水泥石界面张拉破裂形貌Fig. 9 Tensile fracture morphology of rock-cement interface

经冲洗液和清水联合清洗后界面比较洁净的状态下，在页岩部分的张拉破裂面可以观察到较大面积的残余水泥附着（见图9（a）、图9（b）和图9（c）），表明页岩和水泥石形成了一定的胶结强度；随着界面粗糙度增加，残留水泥的面积有减小趋势，并可观察到局部残留钻井液。冲洗方式对裂缝面特征的影响显著，仅用清水冲洗的情况下，整个页岩断裂面大部分被残留的钻井液覆盖（见图9（d）），与此相对应的是较低的界面抗拉强度。砂岩–水泥石破裂面残留的钻井液更多，原因在于，即使用冲洗液和清水充分清洗，砂岩表面仍然残留大量的钻井液，阻隔砂岩与水泥浆的有效胶结（见图9（e））。页岩–树脂水泥石破裂面的特征与弹韧性水泥石的情况相似，只是页岩表面残留水泥的面积更大（见图9（f）），表明树脂水泥浆和页岩的胶结更为充分，对应的界面抗拉强度也更高。