改善固井第二界面膠結質量研究綜述

李　洋，盧海川，邢秀萍，謝承斌，李立榮

（天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451）

改善固井第二界面膠結質量研究綜述

李洋*，盧海川，邢秀萍，謝承斌，李立榮

（天津中油渤星工程科技有限公司，天津300451）

固井第二界面膠結質量是決定固井質量的關鍵因素，而第二界面膠結屬于安全薄弱環節，提高固井第二界面膠結質量是一個亟待解決的復雜問題。影響固井第二界面膠結質量的主要因素包括地層條件，井眼形狀，鉆井液、前置液和水泥漿性能，針對這些影響因素，可取的措施主要有：改善鉆固井工藝工具；采用多功能鉆井液，利用MTC法或MTA法進行整體界面膠結；改善前置液性能；采用微膨脹性能的水泥漿。

固井；第二界面；膠結質量

1　概述

固井工程是油氣鉆井完井工程中的一個重要環節，油氣井的固井質量關系著油氣井壽命以及產能，是保證油氣資源合理開發的關鍵性技術。固井第二界面膠結質量是決定固井質量的關鍵因素［1］。而固井第二界面膠結屬于安全薄弱環節，容易失去封隔性能，發生油氣水竄，從而影響油氣井壽命和產能［2］。提高油氣井固井第二界面膠結質量是一個復雜性工程難題。本文分析了影響固井第二界面膠結質量的主要因素，由于固井二界面膠結系統是一個復雜的系統，因此這些影響因素涉及到了地層條件、鉆井技術和固井技術等諸多領域。對于如何提高固井第二界面膠結質量的研究從20世紀八九十年代就已經開始，目前仍有新的方法在提出。提高二界面膠結質量的方法包括鉆固井工藝、鉆井液、前置液和水泥漿等方面。本文對于近些年出現的這些不同方法進行了綜述。

2　固井第二界面膠結質量的重要性

2.1定義

在完井作業中，通常把套管和水泥環或者固井液固化物之間的膠結面稱作固井第一界面，而把水泥環或固井液固化物與濾餅的膠結面和濾餅與井壁的膠結面共同形成的復合膠結面稱作固井第二界面。固井第二界面封固系統包含了水泥漿、死泥漿、濾餅和井壁4個部分［3］。

2.2重要性

固井作業完成后，第二界面膠結質量是影響油氣井壽命和采收率的關鍵因素。二界面膠結良好能為后續進行壓裂等增產措施做好準備。二界面膠結質量差則會造成固井二界面封固系統失效，引發投產之后的層間竄流問題，從而導致井口冒油冒氣，降低油氣產量，影響油氣田的合理開發，損壞套管，污染地下水源，甚至產生安全問題［4］。

3　影響固井第二界面膠結質量的因素

固井二界面膠結系統是一個復雜的系統，因此影響第二界面膠結質量的因素也是多種多樣的，包括了地層條件、井眼形狀、鉆井液性能以及與地層形成的濾餅情況、前置液、水泥漿性能等。

3.1地層條件

影響固井第二界面膠結質量的地層條件包括地層壓力、地層巖性、地層滲透率和孔隙度、地層溫度以及地層流體狀況。

朱江林等利用高溫高壓固井質量評價儀，室內模擬高壓深層井段不同孔隙度與滲透率的砂巖與泥巖，進行水泥與不同巖性地層膠結性能的實驗。結果表明，水泥與砂巖和泥巖地層的膠結強度隨著孔隙度和滲透率的增加而下降，水泥與泥巖地層的膠結強度大于與砂巖地層的膠結強度［5］。這是因為，孔隙度越高，滲透率越大，水泥漿的失水就越大，導致水泥凝固過程中不能充分水化，第二界面的膠結強度隨之下降。

地層溫度會影響水泥漿體系性能調節和平衡壓力固井。郭辛陽等利用自主研制的界面膠結強度測試儀，模擬井下復雜溫度對固井界面膠結強度的影響。結果表明，水泥漿凝固后，養護溫度變化會使第二界面膠結強度顯著降低，而且溫度變化越大，變化次數越多，降低的幅度也越大［6］。

地層流體也會影響固井第二界面膠結質量，尤其在比較活躍的水層、油層井段，地層流體會在水泥漿凝固過程中對其進行侵污，從而降低第二界面的膠結強度［7］。

3.2井眼狀況

油氣井在鉆井過程中，由于受到地層流體壓力、坍塌壓力的局部變化等因素的影響，導致井眼的橫剖面呈不規則的橢圓或者葫蘆形，地層壁面表面粗糙不平。根據流體力學原理，在直徑突變井段流體易形成只在原地流動而不能向前推進的滾流，所以在水泥漿頂替過程中難以將不規則的橢圓或葫蘆形井段內的鉆井液驅替干凈，形成死泥漿，從而降低水泥漿與井壁的膠結程度，影響固井第二界面的膠結質量。實驗室內模擬殘存鉆井液對二界面膠結強度的實驗證明，死泥漿量的增加會降低水泥漿與井壁的膠結強度［8］。

3.3鉆井液性能

鉆井液的流動性會影響水泥漿的頂替效率。具有觸變性的鉆井液可以提高頂替效率。降低鉆井液的塑性粘度、動切力和靜切力也能提高頂替效率，進而增加第二界面膠結強度［9］。另外，鉆井液失水會在井壁形成濾餅。濾餅的存在使得第二界面的膠結實質為水泥環與濾餅膠結面以及濾餅與井壁膠結面的復合膠結面。濾餅一般都是比較疏松的，阻礙水泥漿與井壁的直接膠結，還會使水泥漿固化過程中脫水粉化，形成微隙［10］，降低膠結程度，降低程度與泥餅厚度相關，實驗數據調研表明，泥餅厚度在0.5～1mm之間，泥餅增厚對膠結強度影響變化較小；泥餅厚度大于1mm時，膠結強度降低很快；泥餅厚度為5mm時，幾乎無膠結強度［4］。

在比較法上，對于應收賬款質押合同的形式的要求不盡相同。其中我國的臺灣地區和意大利、瑞士的立法明確要求當事人在設立質權時必須要簽訂書面合同；而日本、法國和德國的立法則沒有此項的強制規定，即口頭或者書面形式都可以。

3.4前置液性能

沖洗液能夠稀釋和分散鉆井液，對井壁和套管中殘留的鉆井液起到沖洗作用，從而提高頂替效率，減少濾餅的形成。不同的沖洗液類型、沖洗時間和速率都會影響最終的沖洗效果。

隔離液能對泥餅、井壁表面等進行預處理，改善界面效應，提高頂替效率。

3.5水泥漿性能

水泥漿的密度、失水量、流變性以及固化過程中的體積收縮特性都會對固井第二界面膠結質量產生影響。高密度的水泥漿體系固相含量大，水泥緊密堆積，相對于低密度水泥漿界面膠結更為理想。失水量過大會在界面形成薄膜水層，影響膠結。流變性能會影響頂替效率，間接影響膠結。水泥漿在固化過程中的體積收縮是一種普遍特性，凝固后體積收縮會使水泥環與井壁之間的膠結出現微間隙，從而降低膠結強度。實驗證明，體積收縮會使第二界面膠結強度日漸趨弱［11］。

4　提高第二界面膠結質量的技術

4.1鉆井和固井工藝

鉆井工藝方面，直井段要防斜打直，造斜段要增斜平穩，增斜段要控制好方位和井斜，使井眼軌跡平滑。控制好鉆井液密度和濾失量，使用近平衡技術鉆井，保證井壁穩定，避免將井壁沖成“大肚子”［12］。

4.2鉆井液

采用流變性能良好的鉆井液提高頂替效率，應用鉆井液稀釋技術，在固井前對鉆井液進行預處理，改善鉆井液與水泥漿的相容性，從而提高二界面膠結質量。

通過往鉆井液加一些添加劑也能有效改善膠結質量。在鉆井液中添加一種多元硅界面增強劑LPS，這種處理劑可以通過離子置換參與界面上水泥漿的水化、膠結，并能與井壁發生吸附膠結，提高水泥環—泥餅—地層膠結能力，從而提高二界面固井質量［13］。在鉆井液中添加一種含有無機高分子化合物的乳化液GSN，可以減少濾餅與井壁的孔隙，降低鉆井液濾失和抑制泥頁巖膨脹。水泥漿可以與濾餅中的GSN反應生成不溶物，提高第二界面膠結強度。實驗表明，第二界面膠結強度由0.58MPa提高到1.10MPa［14］。最近也有研究在鉆井液中加入界面膠結增強劑（CIE），CIE包含無機礦物纖維，如硅酸鈣、二氧化硅納米顆粒和低極性聚合物。實驗結果表明，加入CIE后可以使第二界面膠結強度增加3～4倍，這主要是由于CIE所產生的支持效應、誘導效應、靜電排斥效應以及潤滑作用所導致的［15］。

在鉆井液中添加高爐礦渣可以改變濾餅結構，將濾餅轉化為類似水泥物質，增加濾餅強度，從而提高膠結強度。這項技術被稱為MTC，20世紀90年開始在中國開展。很多研究都對此項技術進行了配方和機理的探索。鉆井液中加入礦渣后，需要與MTC固井液配合使用。MTC固井液不同于一般的水泥漿，用礦渣取代了水泥，并添加激活劑。MTC固井液能與泥餅實現整體固化膠結，MTC固化體收縮率小于水泥漿，而且相關實驗數據表明有泥餅存在的情況下MTC固井液膠結強度大于水泥漿［16-17］，MTC固井液中的激活劑Ca（OH）2能與濾餅中的SiO2反應，生成C-S-H凝膠［18］，因而第二界面膠結質量得到提高。該方法的特點是在鉆井液中加入礦渣后不會影響鉆井液性能。

MTC法存在一些問題，如必須與MTC固井液配合才能起作用，容易出現高溫脆裂［19］，只能應用于表層套管和技術套管。由此，近年來顧軍等研究出了一種泥餅仿地成凝餅（MTA）的方法，用于實現非MTC法固井二界面整體固化膠結。在鉆井液中加入泥餅改性劑，前置液中加入凝餅形成劑，與水泥漿進行室內模擬實驗。結果表明，固井二界面膠結強度隨養護時間的延長而大幅度提高，泥餅與水泥漿發生了同步水化硬化反應，實現了MTA法固井二界面整體固化膠結［20］。

采用MTA方法進行固井，可使固井二界面膠結強度大幅度提高6.53～23.21倍。MTA法現已應用于澀北氣田固井，固井二界面膠結優質率達到80.01%～98.11%，解決了淺層氣井氣竄問題［21］。

4.3前置液

使用不同前置液沖洗，第二界面膠結強度也會出現不同，前置液性能會影響第二界面膠結質量［22］。

通過增加沖洗液的清洗能力，清除殘留鉆井液，最大限度清除井壁上的虛泥餅，實現紊流頂替，改善井壁膠結狀態，從而增強二界面膠結質量。另外也可在前置液中加入某些活性組分。馬文英等研究出了SF-1沖洗前置液體系，將具有活性組分的礦物材料加入到前置液中，對泥餅和套管進行預處理，能夠形成具有水化活性的表面，增強水泥漿與泥餅的親和力，激活泥餅固化活性，從而提高二界面膠結強度［17］。另外有文獻中提出可以通過增加前置液的接觸時間，加強前置液對聚合醇MMH正電膠鉆井液的沖蝕作用來提高前置液性能，提高固井二界面膠結質量［12］。

4.4水泥漿

針對于地層條件對于二界面膠結質量的影響，可選用力學性能與地層相近的水泥漿，在孔隙度較大的地層采用濾失量較小的水泥漿可提高二界面膠結質量。

研究及改善具有微膨脹性能的水泥漿體系，包括加入JFR活化纖維，高鎂廢渣以及晶體生長的膨脹材料等。加入JFR活化纖維能提高水泥石的抗衰減和抗收縮性，降低API失水量［23］；高鎂廢渣（HMS）微膨脹水泥漿體系線膨脹率較于普通水泥漿體系有明顯升高［24］；加入晶體生長的膨脹材料在不同溫度壓力條件下均能補償水泥漿體的收縮，產生0.1%～0.7%的線膨脹［25］。微膨脹水泥體系經實驗和現場施工證明能夠減小水泥環與地層之間產生的微環隙和微裂隙，提高二界面膠結質量［23-27］。

另外在水泥漿中加入聚合物和彈性纖維，能夠降低水泥漿失水量，增加韌性，防止出現裂縫，有利于提高二界面膠結質量［28］。

5　結論與建議

提高二界面固井質量是一個系統工程，需要從地層情況、鉆井固井工藝工具、鉆井液體系、前置液、水泥漿體系等方面入手，采取全方位措施才能很好地解決固井二界面質量差的問題。

鉆井工藝方面避免“大肚子”井眼，保證井眼軌跡平滑，固井工藝方面采取各種措施清除鉆井液，提高頂替效率。采用流變性能良好的鉆井液提高頂替效率。在鉆井液中加入一些添加劑，包括多元硅LPS、乳化液GSN、CIE等，降低濾餅厚度，增加濾餅強度，提高膠結質量。MTC方法通過在鉆井液中添加高爐礦渣可以改變濾餅結構，將濾餅轉化為類似水泥物質，增加濾餅強度，實現整體固化膠結，是一種比較可取的方法。近年來出現的MTA法對MTC法進行了補充，能應用于高溫作業，實現了第二界面整體固化膠結。提高沖洗液對于鉆井液的稀釋和沖洗能力，實現紊流頂替，提高與水泥漿和鉆井液的相容性。在前置液中加入一些活性組分可以在水泥環和泥餅表面形成水化活性的表面，增強水泥漿與泥餅的親和力。根據地層條件選擇合適的水泥漿，采用具有微膨脹性能的水泥漿體系，目前已有多種材料可使水泥漿具有微膨脹性能，但仍需進一步的改善，使其能應用于更多不同條件下的固井作業中。在不影響其他性能的基礎上，降低失水量，提高密度，可在一定程度上增加二界面膠結質量。

［1］Van Der Tuuk Opedal N，Tors?ter M，Vr?lstad T，et al.Potential Leakage Paths along Cement-formation Interfaces in Wellbores；Implications for CO2Storage［J］.Energy Procedia，2014，51：56-64.

［2］顧軍，高興原，劉洪.油氣井固井二界面封固系統及其破壞模型［J］.天然氣工業，2006，26（7）：74-76.

［3］顧軍，高德利，石鳳歧，等.論固井二界面封固系統及其重要性［J］.鉆井液與完井液，2005，22（2）：7-10.

［4］李新育.固井二界面膠結強度影響因素及對策［J］.科技視界，2013（25）：261-261.

［5］朱江林，許明標，張濱海.高壓深層井段地層巖性對固井質量影響研究［J］.石油鉆探技術，2007，3（2）：11-15.

［6］郭辛陽，步玉環，沈忠厚，等.井下復雜溫度條件對固井界面膠結強度的影響［J］.石油學報，2010，31（5）：834-837.

［7］楊振杰，李家芬，蘇長明.鉆井工程固井膠結界面研究現狀［J］.石油鉆探技術，2006，33（6）：1-5.

［8］張鵬偉，肖武鋒，顧軍，等.“死泥漿”影響界面膠結力學性能的實驗研究［J］.石油與天然氣化工，2007，36（2）：145-148.

［9］趙寶輝，高永會，譚文禮.影響水泥環第二界面膠結質量的因素分析［J］.Drilling&Production Technology，2009.

［10］石強，邵喚彬.提高水泥環第二界面膠結質量的固井技術［J］.海洋石油，2006，25（4）：84-87.

［11］羅長吉，王允良，張彬.固井水泥環界面膠結強度實驗研究［J］.石油鉆采工藝，1993，15（3）：47-51.

［12］楊杰，劉海靜，張明玉，等.提高水泥環二界面膠結質量方法的探討［J］.鉆井液與完井液，2005，21（5）：36-39.

［13］孫曉宏，謝鳳臣.LPS多元硅鉆井液提高二界面膠結強度的研究［J］.鉆井液與完井液，2002，19（2）：6-8.

［14］許永志，鄭韜.固井，鉆井液添加劑室內實驗研究［J］.石油鉆采工藝，1994，16（2）：46-48.

［15］Zhang J，Wang J，Su H，Et Al.A Cement Interface Enhancer and Its Action Mechanism［J］.Arabian Journal of Geosciences，2015：1-9.

［16］黃河福，步玉環，田輝，等.Mtc固井液二界面膠結強度實驗研究［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2007，30（6）：46-50.

［17］馬文英，張輝，田軍，等.提高第二界面固井質量的鉆井液與前置液研究［J］.鉆井液與完井液，2003，20（4）：27-30.

［18］Liu H J，Bu Y H，Li F.Experimental and Theoretical Study on Slag Mtc Improving The Cementing Quality of The Second Interface［J］.Advanced Materials Research，2012，361：456-460.

［19］彭志剛，何育榮，劉崇建，等.礦渣Mtc固化體開裂的本質原因分析［J］.天然氣工業，2005.

［20］顧軍，秦文政.Mta方法固井二界面整體固化膠結實驗［J］.石油勘探與開發，2010（2）：226-231.

［21］顧軍，何吉標，譙世均，等.Mta方法防氣竄固井技術在澀北氣田的應用［J］.天然氣工業，2014，34（4）：83-89.

［22］單高軍，崔茂榮，馬勇，等.油基鉆井液性能與固井質量研究［J］.天然氣工業，2005.

［23］許明標，張群，王曉亮，等.微膨脹纖維增強水泥漿的性能試驗研究［J］.石油地質與工程，2007，21（2）：97-99.

［24］孟佳佳，姚曉，黃磊，等.固井用高鎂廢渣微膨脹水泥漿體系［J］.鉆井液與完井液，2014，31（4）：57-60.

［25］劉宏梁，代禮楊，徐學軍，等.不收縮微膨脹水泥漿研究［J］.石油鉆采工藝，2006，27（B06）：22-25.

［26］王曉亮，王馨，許明標，等.一種新型微膨脹水泥漿的性能試驗研究［J］.石油天然氣學報，2007，29（3）：431-433.

［27］李艷輝.觸變性微膨脹水泥漿的研究與應用［J］.中國化工貿易，2014（24）.

［28］ Shahvali A，Azin R，Zamani A.Cement Design for Underground Gas Storage Well Completion［J］.Journal of Natural Gas Science And Engineering，2014，18：149-154.

TE256

A

1004-5716（2016）06-0062-04

2015-06-17

2015-06-18

李洋（1990-），男（漢族），山東臨沂人，助理工程師，現從事固井技術開發工作。