鉆井液泥餅對固井質(zhì)量的影響研究

  國外已越來(lái)越重視固井界面的研究工作,認為界面膠結質(zhì)量是影響油氣井使用壽命的關(guān)鍵因素。

 

  固井界面封固失效,會(huì )降低開(kāi)發(fā)效益,引起環(huán)保(污染地下水源)和安全(天然氣竄到地面)的危害[4]。

 

  而固井前地層表面的狀態(tài)與性質(zhì)對固井二界面的影響很大,地層表面的狀態(tài)與性質(zhì)又直接受到鉆井液性能、在地層表面形成的泥餅的性能和質(zhì)量、泥頁(yè)巖地層的巖性和砂巖地層滲透率的影響,其中鉆井液性能的影響最為關(guān)鍵。鉆井液對固井膠結質(zhì)量的影響是人們一直關(guān)注和研究的問(wèn)題,但大量研究工作集中在認識鉆井液本身對固井質(zhì)量的不利影響上。

 

  單高軍等人[5]用人造巖心和金屬棒浸泡在不同油基鉆井液組分和體系中24 h,然后分使用前置液沖洗和不使用前置液沖洗兩種情況,分別注入水泥漿養護后測定一、二界面的膠結強度。他們通過(guò)研究后認為:油基鉆井液各組分對第一、第二界面剪切膠結強度均有較明顯的影響,各組分及其體系形成的界面膠結強度都明顯低于對應的空白巖心和金屬棒形成的界面膠結強度;用特殊前置液清洗15 min后,第一、第二界面剪切膠結強度成倍提高;混漿試驗表明,隨混漿比增大,水泥漿初、終凝時(shí)間明顯延長(cháng),膠凝強度和水泥石抗壓強度明顯下降。

 

  趙黎安等人[6]用簡(jiǎn)便獨特的研究方法探討了鉆屑與油井水泥的膠結特性。他們將地層巖心破碎,在周?chē)?a href="http://keyinmall.com/t/鉆井.html" >鉆井液后烘干過(guò)篩,制成帶有1 mm厚泥餅的碎巖屑。在實(shí)驗室內,模擬水泥環(huán)與地層膠結全過(guò)程,分析了泥餅以及采用不同配方的水泥漿對各種鉆屑與油井水泥膠結強度的影響。通過(guò)半定量的方法,即對鉆屑)油井水泥混合漿體形成的固化體抗壓強度的測定,來(lái)表征不同鉆屑不同水泥漿體系組合(即凈油井水泥、沸石油井水泥、海泡石沸石油井水泥與凈鉆屑和帶泥餅鉆屑等八種組合)形成的界面膠結強度,并借助SEM分析了界面的微觀(guān)結構。趙黎安等人的研究結果表明:水泥凈漿與有泥餅的鉆屑根本無(wú)膠結。只要是有泥餅存在,不管有多薄,都會(huì )在井壁上形成不可固化的夾層,使水泥環(huán)與地層巖石之間存在不同程度的剝離,產(chǎn)生微裂縫,導致界面膠結強度的下降,留下層間竄的隱患。

 

  顧軍等人[7]認為濾餅是水泥餅和泥餅的組合。

 

  一方面,鉆井時(shí)在一定的溫度和壓差下,鉆井液首先濾失進(jìn)入近井地層,固相顆粒必然會(huì )由大而小地沉積到滲濾面,使孔縫越堵越小,最終形成一層固體顆粒膠結物)))泥餅。另一方面,固井時(shí)盡管有泥餅的阻擋會(huì )使水泥漿滲入地層的量減少,但因此時(shí)的工作壓差和濾失量更大,仍會(huì )在泥餅上再形成一層水泥餅。泥餅是鉆井所必不可少的,因為它可穩定井壁和保護儲層;但濾餅對固井二界面封固系統則是有害無(wú)益的,因為不管濾餅有多薄,都會(huì )在井壁上形成一個(gè)不可固化層,使水泥環(huán)與地層巖石之間存在不同程度的剝離而產(chǎn)生微裂縫,使固井二界面膠結力變小,導致固井二界面封固系統密封失效,因此使用優(yōu)質(zhì)鉆井液提高固井二界面膠結質(zhì)量     是有害因素。

 

  郭小陽(yáng)等人[8]認為泥餅性能關(guān)系到井壁穩定,而且也嚴重影響固井二界面的膠結質(zhì)量,聚合物鉆井液泥餅質(zhì)量差是致命弱點(diǎn),特別是在強水敏和高滲透地層未注意泥餅造壁保護作用,而且在進(jìn)行體系轉換過(guò)程中未能及時(shí)形成優(yōu)質(zhì)泥餅,井下就會(huì )出現因井壁不穩定被迫提高體系粘度、切力、觸變性的情況。此外,多數油田不重視使用泥餅刷清除滲透性產(chǎn)層處的井壁附著(zhù)泥餅,劣質(zhì)泥餅混入水泥漿將影響水泥膠結和聲幅測井的質(zhì)量。在固井后如果膠結質(zhì)量不良,會(huì )導致投產(chǎn)后層間分隔失效,影響油氣層強化改造工程的工藝效果。因此,應重視鉆井液應用技術(shù)與井壁穩定、泥餅清除要求的技術(shù)銜接,固井前最好是在完鉆前,根據巖性及時(shí)轉換鉆井液體系,形成優(yōu)質(zhì)泥餅護壁,為調整鉆井液性能滿(mǎn)足提高固井質(zhì)量工藝措施的實(shí)施創(chuàng )造條件。因此,郭小陽(yáng)等人提出,鉆井液性能對提高復雜井固井質(zhì)量具有不可忽視的潛在影響,應把鉆井液、前置液、水泥漿視為相互關(guān)聯(lián)的完整工作液體系進(jìn)行研究,探討第二界面與層間封隔效果的影響機理,滿(mǎn)足提高復雜井固井質(zhì)量的要求。

 

  姚曉等人[9]認為,地層、濾餅和水泥環(huán)三種不同組成的材料構成了二界面封固系統。系統涉及地層特性(隔層、滲透層、硬地層、軟地層、裂縫性地層等)、井下壓力系統、濾餅特性(虛泥餅、實(shí)泥餅或無(wú)泥餅)和水泥漿/水泥石特性(密度、濾失量、體積收縮、滲透率等)等,其中濾餅的性質(zhì)和水泥漿體的脹縮特性是需要首先解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

 

  調整鉆井液性能,減少井壁泥餅是保證固井質(zhì)量的基本條件。由于泥餅與水泥漿之間根本上不膠結,使用低劣的鉆井液體系要取得良好固井質(zhì)量是不可能的。已有研究表明:在井壁存在2 mm厚的濾餅,當其收縮率達到0.1~0.4Lm2時(shí),足以引發(fā)環(huán)空竄流。

 

  弓玉杰等人[10]從注水井對固井質(zhì)量影響的角度,論述了鉆井液性能在控制固井質(zhì)量方面的重要作用。如果在固井施工后,環(huán)空介質(zhì)的靜壓或阻抗能力低于水淹層的地層孔隙壓力,地層流體將首先對鉆井液的濾餅產(chǎn)生破壞,然后才進(jìn)入環(huán)空,對固井膠結質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。由此可見(jiàn),水淹層的高壓水只有通過(guò)破壞了的濾餅通道才能產(chǎn)生相應的破壞作用,如果濾餅未被破壞,那么地層水的滲流就會(huì )遇到阻力,其破壞作用就會(huì )大大減低,水泥漿就能夠正常凝固,膠結界面難以產(chǎn)生微縫隙,水淹層封固質(zhì)量就可能得到保證。

 

  弓玉杰等人通過(guò)研究發(fā)現,對地層無(wú)濾餅和有濾餅出水情況的估算來(lái)看,在1 MPa的負壓下,100@10-3Lm2的無(wú)濾餅地層每米井段每小時(shí)出水0.5m3,此種情況下導致水侵和管外竄都是有可能的。

 

  同等條件下,有濾餅時(shí)(濾餅厚度為1 mm,滲透率為0.001@10-3Lm2),其出水量不到2.5 L,這樣微小的出水量不會(huì )對水泥環(huán)造成破壞,也不會(huì )發(fā)生空套管或管冒的問(wèn)題。由此分析,發(fā)生嚴重的固井質(zhì)量問(wèn)題時(shí),地層里流體的壓力必須先破壞濾餅,然后才能引發(fā)其它問(wèn)題。他們通過(guò)試驗認識到濾餅對隔層液體的外竄有很好的阻抗能力,提出應該深入認識和研究濾餅在地層上的附著(zhù)強度和濾餅的破裂強度,尤其是水泥環(huán)-濾餅-地層的膠結機理研究和界面親和性的改善研究。

 

  弓玉杰等人還認為低壓層固不好井,同樣是由于泥餅質(zhì)量不好或濾餅被破壞,使水泥漿失水量過(guò)大影響水泥漿的正常凝固,導致出現聲幅值偏高的現象,這一點(diǎn)從室內水泥漿在巖心上失水后的聲幅說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。

 

  由此可見(jiàn),泥餅質(zhì)量對水淹層的固井質(zhì)量至關(guān)重要。其意義是:?控制水泥漿失水,保證固井質(zhì)量;?泥餅自身的質(zhì)量好,就能減輕水淹層對固井界面膠結強度的不利影響;?如果泥餅自身具有潛在活性,能夠自身硬化和被固井液激發(fā)固化,那么鉆井液泥餅不僅不是薄弱層,反而變成了增強層。

 

  H. K. J. Ladva等人[4]通過(guò)專(zhuān)門(mén)的研究設備,研究了水泥漿與地層膠結界面之間的化學(xué)反應和鉆井液體系對界面膠結強度和封固失效部位的影響。

 

  研究揭示了抑制性鉆井液對膨脹和非膨脹泥頁(yè)巖固井二界面膠結強度的影響。實(shí)驗結果表明,對于在鉆井液作用下容易發(fā)生壓力傳遞、分散膨脹的不穩定泥頁(yè)巖,固井二界面膠結強度很低,破壞面在不斷變化;而對于不容易受壓力傳遞影響、相對穩定的泥頁(yè)巖,二界面膠結強度較高。

 

  作者通過(guò)研究得出下列認識。

 

  (1)Catoosa shale巖心與水泥的膠結強度最高,該巖心是非膨脹性的頁(yè)巖。而微膨脹的Oxfordclay巖心用不同的鉆井液處理后,其膠結強度變化很大,其中用硅酸鹽鉆井液處理后的巖心膠結強度最高,超過(guò)不用任何鉆井液處理的Oxford clay巖心;油基鉆井液處理的巖心界面膠結強度最低。

 

  (2)通過(guò)對膨潤土鉆井液形成的泥餅與水泥漿相互作用的研究,模擬了水泥漿在變化的泥餅上凝固的情形,從中給出二界面膠結強度形成及影響因素的重要信息。實(shí)驗發(fā)現水泥漿與泥餅結合后,水泥漿與泥餅界面處的含水量逐漸增加,同時(shí)泥餅的剪切強度相應下降,呈一個(gè)鏡像圖。而在硅酸鹽鉆井液形成的泥餅中沒(méi)有見(jiàn)到這種變化。水泥漿水化過(guò)程中,泥餅含水量增加,強度下降,顯然對界面膠結強度的發(fā)展不利。

 

  (3)水泥漿與泥餅接觸后,隨著(zhù)水化反應的進(jìn)行,Ca(OH)2會(huì )滲透到整個(gè)泥餅中。而且在發(fā)生變化的泥餅中觀(guān)察到方解石的峰值,可能是滲透到泥餅中的Ca(OH)2與空氣中的CO2在樣品養護過(guò)程中反應形成的產(chǎn)物。

 

  (4)在Oxford clay環(huán)形巖心與水泥漿的膠結實(shí)驗中(將水泥漿灌進(jìn)巖心內孔中),一個(gè)巖心在膠結前不用鉆井液處理,養護后將成形的水泥心取出,可觀(guān)察到其破壞面已波及到Oxford clay巖心內部;而用硅酸鹽鉆井液在膠結前對巖心進(jìn)行預處理,養護成形后將水泥心取出,發(fā)現水泥與巖心的界面十分清楚完整,界面上可以看到硅酸鈣沉淀,可以認為是水泥漿水化過(guò)程中大量釋放的Ca(OH)2與硅酸鹽形成的產(chǎn)物。

 

  (5)對于同樣的泥頁(yè)巖井壁來(lái)說(shuō),用不同的鉆井液預處理后的井壁,與水泥漿結合后由于水泥漿失水造成的井壁含水量的變化是不同的。硅酸鹽鉆井液井壁的含水量變化最小,井壁穩定,封固強度也就較高。說(shuō)明從地層被鉆開(kāi)開(kāi)始,鉆井液的好壞就一直對固井質(zhì)量產(chǎn)生影響。

 

  (6)對于砂巖巖心,用不同的鉆井液在一定的溫度和壓力下在巖心外壁上形成泥餅,然后灌入水泥漿,養護成形后測定界面膠結強度。實(shí)驗表明砂巖巖心有泥餅存在后,水泥漿與巖心的界面膠結強度大幅度下降。

 

  作者通過(guò)研究后認為,進(jìn)一步改善二界面膠結強度的潛力是研究能夠改善膠結界面過(guò)渡帶形態(tài)和結構的化學(xué)處理劑。

 

  戈羅德諾夫??[11]提出,把井眼圍巖作為三個(gè)同心圓柱層所構成的物體來(lái)分析。第一層,它能夠與在分散介質(zhì)中處于游離狀態(tài)的鉆井液的所有組分直接相互作用,并在地層巖石表面形成泥餅。在第二層,能發(fā)生鉆井液與巖石之間的擴散或滲透過(guò)程。

 

  在第三層,是在整個(gè)鉆井過(guò)程中保持天然特性的巖石,完全沒(méi)有與鉆井液發(fā)生相互作用。由此可以認為水泥環(huán)的第二膠結界面實(shí)際上是固井液與井壁泥餅和已經(jīng)受鉆井液滲透或擴散作用影響的近井壁之間的多相膠結界面,這就造成了水泥環(huán)與地層之間膠結的復雜性。由于地層特性、井下溫度壓力等因素是不可控制的客觀(guān)因素,由此提高固井二界面膠結質(zhì)量的關(guān)鍵因素必然是固井液和鉆井液,而鉆井液是影響井壁時(shí)間長(cháng),控制比較困難的重要因素,沒(méi)有好的鉆井液,就不會(huì )有好的井壁,也就沒(méi)有好的固井二界面封固平臺或基礎,這一點(diǎn)常被忽視。