地层—泥饼—水泥环(固井二界面)胶结机理探索分析

张卫华

（大庆钻探国际事业部，吉林松原138000）

大庆油田开发以来，特别是钻调整井以来，油田的固井技术得到了全面的发展，形成了“压稳、居中、替净、密封”八字方针，围绕“八字”方针通过攻关形成了几十项配套固井技术。其中，在固井顶替效率研究、水泥浆失重与水气窜规律研究、水渗流与地质因素研究、防窜机理与抗窜水泥外加剂研究、地层压力预测与钻关技术研究、射孔对水泥环损伤与韧性水泥体系研究、固井工艺与工具的研究上取得了重要成果，满足了油田开发的需要。

目前油田老区进入高含水后期开采阶段，二次加密、三次加密开发对固井质量提出了更高的要求。如何在固井二界面上进一步保证全封固段特别是隔层的封固质量，减少开发薄差层时层间窜问题的发生，是油田钻井和开发共同面临的一个关键问题。

地层—泥饼—水泥环胶结机理的研究从一个新的角度研究了固井二界面问题，这对进一步深入研究固井二界面问题，改善二界面的封固质量有着重要的意义。

1 泥饼形成规律实验

泥饼是固井二界面研究中较为关键的一个因素，在泥饼形成规律方面主要考虑了五个方面的影响因素：岩芯的渗透率、压差、时间、动态程度和钻井液体系。

图1给出了动态泥饼形成过程中三种典型滤失关系曲线。

图1 泥饼形成滤失量与时间关系曲线

曲线1是1mD以上的岩芯在动态条件下形成泥饼过程中的滤失量与时间的关系曲线，呈直线关系，开始很短时间就有滤失液体出现，不同压力、渗透率、动态程度其关系趋势都是一样的，不同的只是直线的斜率不一样。分析曲线的斜率，它的物理意义既是泥饼的渗透率。这种条件下形成的泥饼冲洗时只能冲掉表面的浮泥饼，真泥饼冲不掉。

曲线2是0.1~1mD的隔层岩芯的实验情况，1.5h后，滤液穿透实验岩芯，开始滤出，随时间增加，滤失量稳定增加，呈直线关系。但是，观察泥饼情况时，发现在岩芯上不存在泥饼，只有吸附的钻井液，用水一冲即掉。实验证明了隔层在一定条件下是可以进水的，但是在动态情况下，未形成真泥饼。

曲线3也是0.1mD以下的隔层岩芯的动态泥饼形成过程的曲线。在实验过程中，既无滤失产生，也无泥饼形成。实验证明，即使都是隔层的岩芯，也有细微的岩性差别。

2 界面胶结强度实验

用带有泥饼的岩芯和无泥饼的隔层岩芯在二界面模拟试验装置中在45℃条件下养护水泥环，养护分加压和不加压两种情况，养护24h后，在压力机上测定二界面的滑脱力，计算出二界面的胶结强度，实验结果见表1。

表1 二界面胶结强度数据表

对表1的数据进行分析可以得到以下几点认识：

（1）隔层的岩芯在无泥饼条件下直接养护水泥，在加压状态下，界面强度平均为0.61MPa；

（2）GSY钻井液形成的动态泥饼与水泥环胶结，在加压状态下养护，界面胶结强度平均为0.48MPa，与水泥同岩芯胶结的界面强度相差0.14MPa，比较接近，说明该钻井液体系具有很好的界面胶结性能和界面亲和性；其静态条件下的胶结强度也达到了0.45MPa，进一步说明这种钻井液与水泥环的亲和性比较好。在某种意义上说，该钻井液与水泥环和地层都有一定程度的胶结能力；

（3）YJG钻井液动态泥饼条件的胶结强度为0.24MPa，说明也有一定的二界面密封作用，但是静态泥饼以及不加压养护条件下，二界面基本没有胶结强度。

从上述三方面分析看，改善钻井液的性能，提高钻井液的界面亲和性、改善界面的密封程度是应该进一步考虑的问题。

3 抗窜实验

（1）泥饼破裂强度实验。在泥饼形成后，由岩芯中孔给渗透性岩芯渐加压，考查泥饼阻渗抗裂能力，对于三种钻井液形成的泥饼，YJG和SJ钻井液的泥饼，在加压0.1~0.2MPa时，泥饼开始破裂，加压流体从岩芯中窜出，其泥饼破坏的形式是泥饼分层，并逐层被加压流体冲击而大部分脱落，见图2。GSY钻井液形成的泥饼，其抗破裂压力为0.2~0.5MPa，其破坏的形式是随着压力的增高，泥饼局部被压破出裂缝，而其它部分完好。这说明GSY钻井液形成的泥饼与岩芯的亲和性较好，泥饼自身的质量较高，抗水侵能力强。

图2 泥饼破裂强度实验照片

（2）抗窜实验。取一定渗透率的岩芯，非渗透隔层岩芯，将两岩芯粘接在一起，即模拟渗透性与隔层整合接触。在3MPa压力下形成泥饼，再使用不同类型的水泥浆，养护24h形成渗透层、隔层、泥饼、水泥环的二界面状态，给渗透层加压力，考察泥饼、水泥环以及隔层的抗窜能力，记录抗窜压力，窜通通道及泥饼、水泥环的变化等。

从实验结果看出（表2），DSK水泥浆的抗窜压力高于原浆。GSY钻井液的抗窜压力优于YJG钻井液。从窜通通道上看，它们均有相同特性，即水首先从界面窜出，并逐渐向水泥环扩散，继续加压，达到一定压力后，压力突降，二界面整体状态被破坏。

表2 抗窜实验对比表

4 结论及建议

（1）泥饼在井下岩芯上的形成程度与质量以及冲洗后的状态对二界面的质量有着直接的影响。

（2）实验证明通过选择钻井液，可以提高二界面的胶结强度。

（3）通过对地层—泥饼—水泥环胶结机理的研究，取得了相应的认识，但二界面问题还有待于更进一步深入研究，建议进一步以“八字”方针为基础，研究一套适合二界面封固质量要求的钻井液新体系；研究一套与地层、泥饼配伍的水泥浆新体系；研究一套提高二界面质量的新的工艺技术措施；研制一套评价二界面质量的新装置，建立二界面评价标准，达到进一步改善固井二界面质量的目的。