在固井过程中，泥饼层的存在使水泥环—泥饼界面处出现微裂纹，导致水泥与地层界面胶结质量差, 为层间流体提供窜流的通道[1-2]，进而发生环空窜流。
由于泥饼中只含有潜在的胶凝性矿物，其本身不具有固化性能。油井水泥浆的固化反应并不能引发泥饼的水化反应。泥饼的固化仍需要可溶性活性离子浸入，激发其活性。泥饼固化法是钻开封固段前在钻井液中加入泥饼改性剂，固井施工时在注水泥浆前先采用一定数量的前置液处理井壁泥饼，实现固井二界面整体固化胶结的固井新方法。该方法改变了泥饼性质，较常规固井方法可明显提高水泥浆-泥饼-地层系统的整体固化性能，在双江油田现场应用效果良好。
实验用钻井液采自南阳双江油田；GM-Ⅱ型泥饼改性剂(中国地质大学(武汉)研制)；凝饼形成剂(中国地质大学(武汉)研制)；G级油井水泥(葛洲坝水泥厂生产)；现用水泥浆配方：G级油井水泥+1.5%W-99+0.5%TWNP+0.3%USZ+1.1%G203；抗冲击防窜水泥配方：G级油井水泥+1.5%W-99+0.5%TWNP+0.3%USZ+1.1%G203+1.8%CD-10+2.0%CD-60；自制仿地井筒的渗透率约为450×10-3 μm2，孔隙度为15 %，内筒直径33 mm，外筒直径100 mm，高度为55 mm左右。
本实验采用对比的方法研究不同条件下固井二界面的胶结情况，实验样品分4组：a组为钻井液原浆泥饼与现用水泥浆体系；b组为泥饼固化法泥饼与现用水泥浆体系；c组为钻井液原浆泥饼与抗冲击防窜水泥浆体系；d组为泥饼固化法泥饼与抗冲击防窜水泥浆体系。每组实验样品分别在两种养护温度(45 ℃、80 ℃)、两种泥饼厚度(0.5 mm、1.0 mm)的条件下进行实验与测试，方法见文献[1]。
按上述实验步骤，本实验制取了4组共192个实验样品，每种条件下测量3个样品取平均固井二界面胶结强度，结果见表 1。
从表 1可以看出，各水泥浆体系中泥饼固化法样品的固井二界面胶结强度均高于原浆样品，可见本泥饼固化法成功地提高了固井二界面胶结强度，且效果明显，提高幅度较大。为更好地反映各组样品固井二界面胶结强度的变化情况，下文将表 1数据按实验条件分类作图，并作分析。
图 1为养护温度为45 ℃，泥饼厚度为0.5 mm条件下得到的各组样品固井二界面胶结强度随时间的变化趋势。
本实验中b、d两组均为泥饼固化法泥饼与不同水泥浆体系样品；a、c两组均为钻井液原浆泥饼与不同水泥浆体系样品。由图 1可见，钻井液原浆样品的固井二界面胶结强度较低，曲线变化平缓，后期也没有明显增长；泥饼固化法样品的固井二界面胶结强度较大，明显高于钻井液原浆样品，且在一定范围内随着养护时间的延长，固井二界面胶结强度也在增长。
由图 1可见，钻井液原浆样品中c组(抗冲击防窜水泥浆体系)比a组(现用水泥浆体系)的固井二界面胶结强度值略大，这说明该条件下在双江油田现行的固井施工方法中选用抗冲击防窜水泥浆体系对保障固井质量更为有利。泥饼固化法样品中d组(抗冲击防窜水泥浆体系)和b组(现用水泥浆体系)的固井二界面胶结强度初期相差不大，15天后b组强度略有下降，而d组强度一直保持较大的增长趋势，这可能与抗冲击防窜水泥石有较好的强度与韧性，体积收缩小有关。
采用泥饼固化法后，相应时间内现用水泥浆体系样品(b组比a组)的固井二界面胶结强度值分别提高3 704.95%、911.98%、3 771.89%和4 538.74%；抗冲击防窜水泥浆体系样品(d组比c组)的固井二界面胶结强度值分别提高547.90%、230.86%、636.15%和632.81%。可见，泥饼固化法比双江油田现用固井方法的固井二界面胶结强度提高幅度较大，随养护时间延长，提高效果更明显。
图 2为养护温度为45 ℃，泥饼厚度为1.0 mm条件下得到的各组样品固井二界面胶结强度随时间的变化趋势。
本实验增大了实验样品的泥饼厚度。由图 2可以看出，两组钻井液原浆样品(a组、c组)的固井二界面胶结强度曲线基本吻合，强度较小；两组泥饼固化法样品(b组、d组)的固井二界面胶结强度值虽有差别，但较原浆泥饼都有明显提高，且随时间变化均有较大增长。
该条件下，钻井液原浆样品中a组与c组的固井二界面胶结强度相近。这说明泥饼较厚时，双江油田现行固井方法中现用水泥浆体系和抗冲击防窜水泥浆体系的固井质量相差不大。泥饼固化法中b组样品固井二界面胶结强度优于d组样品，这说明泥饼较厚时，泥饼固化法选用现用水泥浆体系更适合，两者搭配效果更好。
采用泥饼固化法后，相应养护时间内现用水泥浆体系(b组比a组)的固井二界面胶结强度分别提高5619.45%、7750.88%、106537.50%和15674.50%；抗冲击防窜水泥浆体系(d组比c组)的固井二界面胶结强度分别提高757.30%、3783.00%、8126.67%和7921.35%。可见该条件下，泥饼固化法比双江油田现用固井方法的固井二界面胶结强度值有更大幅度的提高。
图 3为养护温度为80 ℃，泥饼厚度为0.5 mm条件下得到的各组样品固井二界面胶结强度随时间的变化趋势。
本实验提高了实验样品的养护温度。如图 3所示，较高温度下，钻井液原浆样品的固井二界面胶结强度(a组、c组)较低温时有所增大，但其绝对强度值仍不理想；泥饼固化法样品固井二界面胶结强度(b组、d组)明显优于原浆样品。
高温下，钻井液原浆样品中a组与c组的固井二界面胶结强度前期相近，15天后a组值略有增大。这说明温度较高时，双江油田现行固井方法中选用现用水泥浆体系和抗冲击防窜水泥浆体系的固井质量相差不大。泥饼固化法中b组固井二界面胶结强度优于d组，可见温度较高条件下，泥饼固化新方法选用现用水泥浆体系更适合。
该条件下采用泥饼固化法后，相应养护时间内现用水泥浆体系(b组比a组)的固井二界面胶结强度值分别提高1 918.27%、1 979.69%、940.60%和471.50%；抗冲击防窜水泥浆体系(d组比c组)的固井二界面胶结强度值分别提高1 115.90%、1 055.31%、656.28%和1 543.72%。可见在温度较高时，泥饼固化法样品的固井二界面胶结强度比双江油田现用常规固井方法明显提高，且提高幅度比低温时更大。
图 4为养护温度为80 ℃，泥饼厚度为1.0 mm条件下各组样品固井二界面胶结强度随时间的变化趋势。
本实验既提高了实验样品的养护温度，也增大了泥饼厚度。该条件下钻井液原浆样品的固井二界面胶结强度(a组、c组)较小，后期也没有明显提高；泥饼固化法样品的固井二界面胶结强度(b组、d组)优于原浆样品，且在一定范围内随着养护时间延长，固井二界面胶结强度也在增长。
图 4显示，钻井液原浆样品中c组比a组的固井二界面胶结强度稍好，这说明该条件下在双江油田现行的固井施工方法中选用抗冲击防窜水泥浆体系对固井质量更为合适。泥饼固化法中b组固井二界面胶结强度数据优于d组，说明该方法中选用现用水泥浆体系更为合适。
采用泥饼固化法后，相应养护时间内现用水泥浆体系(b组比a组)的固井二界面胶结强度值分别提高4 578.57%、5 011.67%、5 258.82%和2 177.32%；抗冲击防窜水泥浆体系(d组比c组)的固井二界面胶结强度值分别提高了1 090.15%、331.19%、1 138.32%和402.58%。这说明在温度高、泥饼厚的条件下，泥饼固化法样品仍比双江油田现用常规固井方法的固井二界面胶结强度大，且提高效果更明显。
固井二界面胶结质量的好坏与其界面物质组成密不可分。本实验将现用水泥浆体系中养护温度为45 ℃，养护时间为7天，泥饼厚度为0.5 mm的样品固井二界面成分碾磨，测试红外光谱，测试结果反映的是样品各个键与基团吸收红外能量的总和，可分析样品颗粒表面与内部的平均构成，以剖析固井二界面胶结强度差异的深层原因，结果见图 5。
(1) 钻井液原浆样品固井二界面成分的FT-IR图谱分析。从图 5可见，钻井液原浆样品固井二界面成分的FT-IR图谱中的主要红外光谱特征为：高频区3 623 cm-1较强的吸收带为蒙脱石的羟基伸缩振动；3 438.43 cm-1处宽的吸收带为粘土矿物H2O的伸缩振动；1 635.68 cm-1处中等宽度的吸收带较强，为H2O弯曲振动[3]。1 948.5 cm-1处为斜长石类矿物主要特征吸收带[4]。1 032.79 cm-1为高岭石硅氧四面体中Si—O键振动[5]。688.6 cm-1与伊利石的Al—O的伸缩有关。800 cm-1~600 cm-1范围的吸收带为蒙脱石的Si-O键伸缩振动；779.21 cm-1处的峰较强，且裂开为两个略小的双肩，可能为蒙脱石与石英中Si-O键的振动耦合。718.48 cm-1、693.74 cm-1处的吸收峰与蒙脱石Si-O键的振动有关，但此处吸收很弱。出现在600 cm-1~200 cm-1之间的吸收峰为蒙脱石的Si-O键弯曲振动、M-O键(M=Al，Mg，Fe等)振动及OH-平移耦合振动。500 cm-1附近的强吸收带主要与Si-O键振动有关，为强度不一的两个带，分别为Si-O-Mg与Si-O-Fe吸收带，在526.96 cm-1与468.27cm-1处，谱带较窄且峰形尖锐，此吸收带为Si-O键与M-O键的振动耦合，与八面体阳离子Al3+被Mg2+、Fe3+部分替代有关，而425.91 cm-1处的谱峰较弱，可能与Si-O键弯曲振动有关[4, 6]。此外，2 924.76 cm-1、2 519.47 cm-1处可能为加入双江钻井液中的有机物所致，因为该区正处于有机物所特有的官能团区。
可见双江泥浆中的主要矿物为蒙脱石、高岭石、石英、伊利石，此外可能还有长石，绿泥石等。根据矿物学知识可知，层状硅酸盐矿物在常温下不具备活性。因此，双江钻井液原浆泥饼质量欠佳，其主要矿物成分常温下呈稳定性，不具备化学反应条件。
(2) 泥饼固化法样品固井二界面成分的FT-IR图谱分析。由图 5可知, 泥饼固化法样品与原浆样品的固井二界面成分FT-IR图谱主要区别在于：原浆样品曲线中3 623 cm-1处、718.48 cm-1处吸收带在泥饼固化法样品曲线中消失了，即蒙脱石层间水的羟基伸缩振动峰没有显现，说明在泥饼改性剂的作用下蒙脱石已被改性。原浆样品固井二界面成分图谱在3438.43 cm-1处的谱峰移至泥饼固化法样品图谱的3 462.04 cm-1处，两者相差较大，可能不是同一种物质。泥饼固化法样品图谱的3 462.04 cm-1和1 430.52 cm-1处代表的物质为C-H-S(Ⅰ)凝胶[7-8]；新增的669.71 cm-1处的振动峰为钙沸石的特征峰，470 cm-1处的谱峰为片沸石特征峰[9]，说明泥饼固化法样品养护7天的样品水化产物中生成了C-S-H(Ⅰ)凝胶及沸石类凝胶。
相关研究认为C-S-H凝胶和泥饼中的矿物颗粒能起到类似混凝土胶结结构的作用，将泥饼层紧密连结成致密的整体，对胶结体系的整体强度很有意义；沸石类凝胶有很大的粘性，在形状和粒度上有较好的匹配性，能将大大小小的独立矿物粘结在一起形成团聚状，使整体结构十分致密[11]。这些物质的出现无疑会提高泥饼质量，对固井二界面强度产生有利影响。因此，可以判断泥饼固化法样品固井二界面胶结强度高于原浆样品的主要原因是泥饼层中产生了C-S-H(Ⅰ)凝胶及沸石类凝胶。
(1) 养护时间的影响。数据显示，一定范围内随着养护时间的延长，泥饼固化法样品的固井二界面胶结强度不断增长，而钻井液原浆样品的固井二界面胶结强度却变化不大。这是因为泥饼固化法样品泥饼中的潜在活性成分被激发，随着养护时间的延长，其泥饼与水泥的固化反应更加充分，C-S-H(Ⅰ)凝胶及沸石类凝胶含量不断增多，整体固化程度提高，在宏观上的表现就是固井二界面胶结强度不断上升。但随着固化反应程度的进一步提高，其固井二界面胶结强度曲线会逐渐平缓。钻井液原浆样品泥饼中只含有潜在活性成分，活性未被激发，泥饼本身不能发生固化反应。其固井二界面胶结强度不但不会随时间增长，反而可能因为养护后期水泥石体积收缩、泥饼粉化龟裂等原因而有所下降。
(2) 泥饼厚度的影响。数据显示，泥饼厚度较大时，各组样品固井二界面胶结强度均明显降低，这可能与泥饼厚度影响了泥饼质量有关。泥饼厚度主要通过固相含量与粒度分布影响泥饼质量，即使钻井液中固相颗粒粒径搭配合理，随着其含量的逐渐增多也将对泥饼质量产生不利影响[10-11]。一般认为：相同钻井液体系下，泥饼越厚对固井二界面胶结强度越不利。
(3) 养护温度的影响。在较高温度下，各组样品固井二界面胶结强度整体上有所提高，这可能与温度影响了活性物质扩散与化学反应的速率有关。泥饼固化法中，温度对水泥和泥饼的固化反应影响符合一般化学反应的规律，故遵从温度与扩散系数的关系和阿累尼乌斯(S.A.Arrhenius)公式，即活化物质扩散速率与扩散活化能成反比，与温度成正比；反应速率常数与活化能成反比，而与温度成正比。一定范围内，温度越高，活性成分越容易进入泥饼且化学反应速率越大，对泥饼固化法样品泥饼层中生成C-S-H(Ⅰ)凝胶及沸石类凝胶越有利，宏观上的表现就是其固井二界面胶结强度越大。而钻井液原浆泥饼中不发生固化反应，温度对其固井二界面胶结强度影响微小。所以温度越高，泥饼固化法提高固井二界面胶结强度的效果也就越明显。
(1) 泥饼固化的固井新方法较双江油田现用常规固井方法能大幅提高固井二界面胶结强度，且在养护时间长、温度高和泥饼厚的情况下提高效果更为明显。
(2) 在双江油田钻井液体系中，泥饼固化法固井施工选用现用水泥浆体系更为合适，对提高固井二界面胶结质量优于选用抗冲击防窜水泥浆体系。
(3) 泥饼固化法提高固井二界面胶结强度的主要原因是在泥饼中生成了C-S-H(Ⅰ)凝胶及沸石类凝胶。这两种物质有显著胶凝性，使泥饼与水泥发生一定程度的同步固化，进而提高了固井二界面的胶结强度。
2012, Vol. 41 Issue (2): 191-195
2012, Vol. 41 Issue (2): 191-195