固井二界面质量现状及实验技术研究
1 绪论
1.1 研究的目的与意义
固井质量一直是石油勘探开发中备受关注的问题，它对特殊工艺井钻井、油水井开采寿命和勘探开发效益有直接的影响。目前油田固井质量的问题大致体现在四个方面：一是投产之后的层间窜问题；二是固井后管外冒油气水问题；三是整个环空的“声变”问题；四是固井一界面的“声幅”问题[1]。但是无论哪一个问题，抛开射孔、压裂等开采作业的影响，可以说产生这些固井质量问题的根源都是固井二界面失效。因此，对固井二界面封固系统胶结机理进行深入的探索和研究不仅是十分必要的，而且具有重要的现实意义和重大的经济效益。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 基本概念
界面就是两种不相容和不反应的物质相接触时的交界区域，简单地说就是两相的接触面，它有气一液、气～ 固、液一固、固一固和液～液(两种不相容液体，可有反应也可无反应)形式。实际上，任何材料都是以各种性质的界面相邻接触面。固体与液体或气体之间的接触面常称为固体的表面(图1-1a、1-1b)，固体与固体之间的接触面称为界面，它既可以是材料中两个不同的固相的分界面(图1-1c)，
也可以是材料中两个相似但方向不同的晶体的分界面(图1-1d)。
图1-1 界面的概念示意图
就油气井完井工程而言，通常把套管与水泥环之间的胶结面称为固井一界面，
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西南石油大学2009届本科毕业论文
把水泥环与地层(或外层套管)之间的胶结面称为固井二界面。
就建筑工程中的复合材料而言，界面胶结历来被认为是整体结构的薄弱环节，阻碍着水泥石性能的进一步发展和提高，常常会影响甚至破坏强度、渗透性等重要性能。这是为什么呢?原因有两个：一是界面与内部相比，界面的结构和性状都是不正常的；二是界面实际上有一个过渡区(图1-2)，它具有多孔、疏松、晶体粗大且径向排列的特点。
图1-2 过渡区结构示意图
界面的反应及其物理状态对水泥石的力学性能和耐久性有重要的影响，即界面胶结强度往往是整体结构强度的关键。固井一界面结构与建筑工程的钢筋混凝土结构很相似，目前已得到了很好的解决，但固井二界面问题则是一个复杂性课题：若水泥浆能与地层壁面直接接触，就与建筑工程中的水泥一骨料问题类似，遗憾的是水泥浆无法与地层壁面直接接触。显然，无论是固井一界面或是固井二界面，研究其性质都应分为两个部分或两个阶段来进行，即水泥浆凝固之前属于表面问题，这个阶段重点考虑固体表面的吸附、润湿和粘附效应；水泥浆凝固之后属于界面问题，这个阶段重点考虑固体界面的粘接、增强和固化程度[2]。
1.2.2 顾军等提出的二界面封固系统及破坏模型[2-3]
固井二界面封固系统是指由水泥浆、死泥浆、滤饼和地层壁面四部分构成的一个固化胶结整体，它是对二界面这一概念更深层更内涵更实用的概括和阐释。具体模型见图1-3.
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固井二界面质量现状及实验技术研究
图1-3 固井二界面封固系统物理模型图
1.2.2.1 系统组成分析
就界面而言，固井二界面封固系统是至少由5个界面组成的间歇复合界面，即纯水泥浆与受污染水泥浆之间的界面、受污染水泥浆与死泥浆之间的界面、死泥浆与水泥饼之间的界面、水泥饼与滤饼之间的界面和滤饼与地层壁面之间的界面。
就材料而言，固井二界面封固系统是由不同材料组成的复合体，即： (1)水泥浆。水泥浆在这里是一个广义的概念，它指由油井水泥与水泥外加剂或外掺料配制的各种水泥浆，也指由特种胶凝材料配制的各种不含或含少量油井水泥的固井液(如MTC浆等)。水泥浆是实现固井二界面封固系统有效密封的重要基础，因此其性能的优劣不仅关系到固井作业的成败，还直接决定着整个环空封固系统的有效性。
(2)死泥浆。死泥浆是指注替过程中无法或难以参与循环的那部分老化物质，它主要包含三个部分：一是测井、下套管等作业期间已胶凝、脱水或干枯的钻井液，二是缝孔内或井径不规则处局部窝存的钻井液，三是糊在井壁上由钻井液、前置液和水泥浆等形成的疏松混合物。死泥浆的存在不但会严重影响顶替效率，而且还会污染近二界面处的水泥浆，造成此处水泥石强度很低甚至形不成强度，导致固井二界面封固系统密封失效，因此是不利因素。但遗憾的是，因为对死泥浆性质的描述和评价非常困难，目前国内外对它的了解并不多。
(3)滤饼。滤饼是水泥饼和泥饼的组合。一方面，钻井时在一定的温度和压差下，钻井液首先滤失进入近井地层，固相颗粒必然会由大而小地沉积到渗滤面，使得孔缝越堵越小，最终形成一层固体颗粒胶结物—泥饼。另一方面，固井时尽管有泥饼的阻挡会使水泥浆渗入地层的量减少，但因此时的工作压差和滤失量更
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西南石油大学2009届本科毕业论文
大，仍会在泥饼上再形成一层水泥饼。泥饼是钻井所必不可少的，因为它可稳定井壁和保护储层；但滤饼对固井二界面封固系统则是有害无益的，因为不管滤饼有多薄，都会在井壁上形成一个不可固化层，使水泥环与地层岩石之间存在不同程度的剥离而产生微裂缝，促使固井二界面胶结力变小，导致固井二界面封固系统密封失效，因此是有害因素。
(4)地层壁面。井眼内的地层壁面是一个不规则无定形的柱状曲面。从建筑学角度讲，地层壁面的凹凸不平说明其表面粗糙度很大，无疑应该有利于界面胶结，但对于油气井而言，因它会窝存钻井液，使此有利因素变成了不利因素。目前油田普遍存在界面胶结好而二界面胶结差的现象，也从某一侧面说明了这一点。地层壁面对固井二界面封固系统的影响取决于井壁的规则程度，即井径扩大率。
1.2.2.2 系统状态分析
固井二界面封固系统中每一部分都有不同的形式，而且像水泥浆和死泥浆这两部分都是随时间和温度而变化的，每部分的每一状态对应其它部分的状态，形成了多项组合状态，每一种状态的密封程度都有可能不同(见图1-4)。
图1-4 地层壁面一滤饼一死泥浆一水泥浆（环）状态（变化）示意图
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