固井材料

固井二界面封固系统及其研究现状∗

顾军高德利（石油大学〈北京〉石油天然气工程学院）

摘要固井二界面问题是一个亟待解决的工程难题。文章主要做了三方面工作：一是阐述了固井二界面封固系统的概念，分析了系统组分对固井二界面封固系统的作用或影响，建立了系统的状态变化模型和动态破坏模型；二是从油田开采和防止气窜两个角度，剖析了固井二界面封固系统失效的危害性，阐释了解决固井二界面问题的重要性；三是调查分析了国内外固井二界面问题的研究现状，提出了固井二界面问题的研究方向和解决途径。笔者认为，固井二界面问题的研究和解决必须要从系统的角度出发，采用类似储层保护的技术和方法，才能实现固井二界面封固系统的整体固化胶结。否则，这一难题还将会长期伴随固井界。

关键词: 固井二界面封固系统油田开采防止气窜整体固化胶结

1 固井二界面封固系统的概念

1.1 基本定义

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之为固井一界面，把水泥环与地层（或外层套管）之间的胶结面称之为固井二界面。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，它是对固井二界面这一概念更深层更内涵更实用的概括和阐释。

1.2 系统组成分析

（1）水泥浆水泥浆在这里是一个广义的概念，它既指由油井水泥与水泥外加剂和/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。

∗本文得到了国家自然科学基金重点项目（编号：50234030和90410006）的资助。

（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，固井时尽管已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来说则是有害无益的，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）地层壁面井筒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。目前油田普遍存在一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。

显然，固井二界面封固系统的四个组成部分都与封固段地层的性质密切相关：一是水泥浆性能与地层性质有关，尤其是水泥浆密度更取决于地层孔隙压力和地层破裂压力；二是窝存的死泥浆量和地层壁面的性状也取决于封固段地层的稳定性；三是滤饼形成和滤饼性质不仅与钻井液性能有关，还与地层渗透率有关。

1.3 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，而且象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（图1）。

图1 地层壁面－滤饼－死泥浆－水泥浆状态示意图（参考了〔13〕）

1.1.4 系统动态分析

若固井环空介质的静液压力或阻抗能力低于地层的孔隙压力，地层流体必将破坏滤饼而

进入环空，结果是水泥浆被稀释，水泥浆水灰比变大，水泥浆密度变低，凝结时间延长，最终会导致水泥浆不能正常凝固甚至不凝固。此种情况下，固井二界面封固系统的密封必然失效，从而引发诸如空套管、管外冒或层间窜等严重问题（图2）。通常，地层流体只有破坏了滤饼才能产生五种水泥浆（环）被破坏的情况，导致环空封固不良而引发诸多质量问题。实验发现，在1MPa负压差下，渗透率为100×10-3μm2的地层每米井段上每小时渗出流体0.5m3，而若滤饼未被破坏，此量则不到2.5L。但动态条件下固井二界面封固系统的胶结机理对保证调整井、高压井和气井的固井质量无疑是十分重要的，因此尚待研究和探索。

图2 地层流体侵入对固井环空封固系统的破坏模型（参考了〔13〕）

2 固井二界面胶结质量的重要性

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。但无论哪一个问题，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封固系统失效。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。

2.1 对油田开采的影响

固井的主要目的就是封隔地层〔1-7〕，它是实现分层开采、分层注水、分层管理和分层改造的基础。可以说，一口井要达到应有的产能，主要取决于完井过程中所达到的层间封隔程度。层间封隔不良对需压裂开采的油气藏则更为不利，因为它将直接导致作业时压裂液的漏失和作业后油气藏流体的窜通。

那么，层间封隔程度该如何评价呢？简单的方法就是把油气层的产量（q r）与其上部和下部地层通过水泥环而产出的流体量（q c）进行对比（图3），即层间封隔指数（IZI）。层间封隔指数越大，说明层间封隔程度越高：当IZI趋于无穷大时，表明环空封固系统密封有效，产