26固井二界面封固系统研究

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1、固井二界面封固系统研究顾军1高德利2（1.中国地质大学〈武汉〉油气井工程学科2.中国石油大学〈北京〉）摘要固井二界面问题是一个亟待解决的工程难题，它会直接影响勘探开发的效果和效益已是不争的事实。本文首次提出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，完善了系统的状态变化模型和动态破坏模型。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，才能从根本上解决固井二界面的胶结问题。否则，这一难题还将会长期伴随固井界。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

2、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，也是为什么测井资料看起来密封良好的环空在完成完井数周或数月后会检测到有气体出现的真正原因〔1〕。但是，国内外解决固井二界面问题基本都未考虑死泥浆的影响，即只注重研究泥饼的影响，往往强调提高顶替效率和冲刷泥饼，结果则是固井二界面胶结问题依然十分突出。因此，对固井二界面封固系统的构成和性质进行深入的探索和研

3、究不仅十分迫切和必要，而且具有重要的现实意义和重大的经济效益。固井二界面封固系统的概念（1）界面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-液、气-固、液-固、固-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的〔2〕。固体与液体或气体之间的接触面常称为固体的表面〔图1－（a）和（b）〕，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－（c）〕，也可以是材料中两个相似但方向不同的晶体的分

4、界面〔图1－（d）〕。液体固体气体固体表面表面（b）固体与气体之间的表面（a）固体与液体之间的表面固相A固相B界面晶体B晶体A（d）晶体与晶体之间的分界面（c）固相与固相之间的分界面图1界面的概念6（2）固井二界面封固系统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（图2）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〔3～5〕。渗透

5、层滤液水泥浆死泥浆滤饼套管地层壁面图2固井二界面封固系统物理模型（3）对界面性质的初步认识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〔陆〕。这是为什么呢？原因有二：一是界面与内部相比，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3），它具有多孔、疏松、晶体粗大且径向排列的特点。因此，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〔7〕。固

6、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－骨料问题类似，遗憾的是水泥浆无法与地层壁面直接接触。图3过渡区结构示意图氢氧化钙（CH）水化硅酸钙（C-S-H）钙矾石（C-A--H）水泥石本体过渡区骨料显然，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

7、考虑固体界面的粘接、增强和固化程度。固井二界面封固系统的组成分析固井二界面封固系统是由多个界面和不同材料组成的复合体，即6固井二界面问题的研究和解决不仅要考虑多个界面的问题，还要考虑材料差异的问题。（1）系统界面组成就界面而言，固井二界面封固系统是至少由五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、水泥饼与泥饼之间的界面和泥饼与地层壁面之间的界面。（2）系统材料组成就材料而言，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

8、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（如掺加轻质材料配制的密度小于1.75g/cm3的水泥浆，称为低密度水泥浆；掺加各种性能调节剂配制的密度在1.75～2.10g/cm3范围内的水泥浆，称为常规密度水泥浆；掺加加重材料配制的密度大于2.10g/cm3的水泥浆，称为高密度水泥浆；此外，还有特种水泥浆如泡沫水泥浆、防窜水泥浆、膨胀水泥浆、抗盐水泥浆、触变水泥浆、纤维水