钻井液泥饼对固井质量的影响研究

  国外已越来越重视固井界面的研究工作,认为界面胶结质量是影响油气井使用寿命的关键因素。

 

  固井界面封固失效,会降低开发效益,引起环保(污染地下水源)和安全(天然气窜到地面)的危害[4]。

 

  而固井前地层表面的状态与性质对固井二界面的影响很大,地层表面的状态与性质又直接受到钻井液性能、在地层表面形成的泥饼的性能和质量、泥页岩地层的岩性和砂岩地层渗透率的影响,其中钻井液性能的影响最为关键。钻井液对固井胶结质量的影响是人们一直关注和研究的问题,但大量研究工作集中在认识钻井液本身对固井质量的不利影响上。

 

  单高军等人[5]用人造岩心和金属棒浸泡在不同油基钻井液组分和体系中24 h,然后分使用前置液冲洗和不使用前置液冲洗两种情况,分别注入水泥浆养护后测定一、二界面的胶结强度。他们通过研究后认为:油基钻井液各组分对第一、第二界面剪切胶结强度均有较明显的影响,各组分及其体系形成的界面胶结强度都明显低于对应的空白岩心和金属棒形成的界面胶结强度;用特殊前置液清洗15 min后,第一、第二界面剪切胶结强度成倍提高;混浆试验表明,随混浆比增大,水泥浆初、终凝时间明显延长,胶凝强度和水泥石抗压强度明显下降。

 

  赵黎安等人[6]用简便独特的研究方法探讨了钻屑与油井水泥的胶结特性。他们将地层岩心破碎,在周围裹上钻井液后烘干过筛,制成带有1 mm厚泥饼的碎岩屑。在实验室内,模拟水泥环与地层胶结全过程,分析了泥饼以及采用不同配方的水泥浆对各种钻屑与油井水泥胶结强度的影响。通过半定量的方法,即对钻屑)油井水泥混合浆体形成的固化体抗压强度的测定,来表征不同钻屑不同水泥浆体系组合(即净油井水泥、沸石油井水泥、海泡石沸石油井水泥与净钻屑和带泥饼钻屑等八种组合)形成的界面胶结强度,并借助SEM分析了界面的微观结构。赵黎安等人的研究结果表明:水泥净浆与有泥饼的钻屑根本无胶结。只要是有泥饼存在,不管有多薄,都会在井壁上形成不可固化的夹层,使水泥环与地层岩石之间存在不同程度的剥离,产生微裂缝,导致界面胶结强度的下降,留下层间窜的隐患。

 

  顾军等人[7]认为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,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,因此使用优质钻井液提高固井二界面胶结质量     是有害因素。

 

  郭小阳等人[8]认为泥饼性能关系到井壁稳定,而且也严重影响固井二界面的胶结质量,聚合物钻井液泥饼质量差是致命弱点,特别是在强水敏和高渗透地层未注意泥饼造壁保护作用,而且在进行体系转换过程中未能及时形成优质泥饼,井下就会出现因井壁不稳定被迫提高体系粘度、切力、触变性的情况。此外,多数油田不重视使用泥饼刷清除渗透性产层处的井壁附着泥饼,劣质泥饼混入水泥浆将影响水泥胶结和声幅测井的质量。在固井后如果胶结质量不良,会导致投产后层间分隔失效,影响油气层强化改造工程的工艺效果。因此,应重视钻井液应用技术与井壁稳定、泥饼清除要求的技术衔接,固井前最好是在完钻前,根据岩性及时转换钻井液体系,形成优质泥饼护壁,为调整钻井液性能满足提高固井质量工艺措施的实施创造条件。因此,郭小阳等人提出,钻井液性能对提高复杂井固井质量具有不可忽视的潜在影响,应把钻井液、前置液、水泥浆视为相互关联的完整工作液体系进行研究,探讨第二界面与层间封隔效果的影响机理,满足提高复杂井固井质量的要求。

 

  姚晓等人[9]认为,地层、滤饼和水泥环三种不同组成的材料构成了二界面封固系统。系统涉及地层特性(隔层、渗透层、硬地层、软地层、裂缝性地层等)、井下压力系统、滤饼特性(虚泥饼、实泥饼或无泥饼)和水泥浆/水泥石特性(密度、滤失量、体积收缩、渗透率等)等,其中滤饼的性质和水泥浆体的胀缩特性是需要首先解决的关键问题。

 

  调整钻井液性能,减少井壁泥饼是保证固井质量的基本条件。由于泥饼与水泥浆之间根本上不胶结,使用低劣的钻井液体系要取得良好固井质量是不可能的。已有研究表明:在井壁存在2 mm厚的滤饼,当其收缩率达到0.1~0.4Lm2时,足以引发环空窜流。

 

  弓玉杰等人[10]从注水井对固井质量影响的角度,论述了钻井液性能在控制固井质量方面的重要作用。如果在固井施工后,环空介质的静压或阻抗能力低于水淹层的地层孔隙压力,地层流体将首先对钻井液的滤饼产生破坏,然后才进入环空,对固井胶结质量产生不良影响。由此可见,水淹层的高压水只有通过破坏了的滤饼通道才能产生相应的破坏作用,如果滤饼未被破坏,那么地层水的渗流就会遇到阻力,其破坏作用就会大大减低,水泥浆就能够正常凝固,胶结界面难以产生微缝隙,水淹层封固质量就可能得到保证。

 

  弓玉杰等人通过研究发现,对地层无滤饼和有滤饼出水情况的估算来看,在1 MPa的负压下,100@10-3Lm2的无滤饼地层每米井段每小时出水0.5m3,此种情况下导致水侵和管外窜都是有可能的。

 

  同等条件下,有滤饼时(滤饼厚度为1 mm,渗透率为0.001@10-3Lm2),其出水量不到2.5 L,这样微小的出水量不会对水泥环造成破坏,也不会发生空套管或管冒的问题。由此分析,发生严重的固井质量问题时,地层里流体的压力必须先破坏滤饼,然后才能引发其它问题。他们通过试验认识到滤饼对隔层液体的外窜有很好的阻抗能力,提出应该深入认识和研究滤饼在地层上的附着强度和滤饼的破裂强度,尤其是水泥环-滤饼-地层的胶结机理研究和界面亲和性的改善研究。

 

  弓玉杰等人还认为低压层固不好井,同样是由于泥饼质量不好或滤饼被破坏,使水泥浆失水量过大影响水泥浆的正常凝固,导致出现声幅值偏高的现象,这一点从室内水泥浆在岩心上失水后的声幅说明了这个问题。

 

  由此可见,泥饼质量对水淹层的固井质量至关重要。其意义是:?控制水泥浆失水,保证固井质量;?泥饼自身的质量好,就能减轻水淹层对固井界面胶结强度的不利影响;?如果泥饼自身具有潜在活性,能够自身硬化和被固井液激发固化,那么钻井液泥饼不仅不是薄弱层,反而变成了增强层。

 

  H. K. J. Ladva等人[4]通过专门的研究设备,研究了水泥浆与地层胶结界面之间的化学反应和钻井液体系对界面胶结强度和封固失效部位的影响。

 

  研究揭示了抑制性钻井液对膨胀和非膨胀泥页岩固井二界面胶结强度的影响。实验结果表明,对于在钻井液作用下容易发生压力传递、分散膨胀的不稳定泥页岩,固井二界面胶结强度很低,破坏面在不断变化;而对于不容易受压力传递影响、相对稳定的泥页岩,二界面胶结强度较高。

 

  作者通过研究得出下列认识。

 

  (1)Catoosa shale岩心与水泥的胶结强度最高,该岩心是非膨胀性的页岩。而微膨胀的Oxfordclay岩心用不同的钻井液处理后,其胶结强度变化很大,其中用硅酸盐钻井液处理后的岩心胶结强度最高,超过不用任何钻井液处理的Oxford clay岩心;油基钻井液处理的岩心界面胶结强度最低。

 

  (2)通过对膨润土钻井液形成的泥饼与水泥浆相互作用的研究,模拟了水泥浆在变化的泥饼上凝固的情形,从中给出二界面胶结强度形成及影响因素的重要信息。实验发现水泥浆与泥饼结合后,水泥浆与泥饼界面处的含水量逐渐增加,同时泥饼的剪切强度相应下降,呈一个镜像图。而在硅酸盐钻井液形成的泥饼中没有见到这种变化。水泥浆水化过程中,泥饼含水量增加,强度下降,显然对界面胶结强度的发展不利。

 

  (3)水泥浆与泥饼接触后,随着水化反应的进行,Ca(OH)2会渗透到整个泥饼中。而且在发生变化的泥饼中观察到方解石的峰值,可能是渗透到泥饼中的Ca(OH)2与空气中的CO2在样品养护过程中反应形成的产物。

 

  (4)在Oxford clay环形岩心与水泥浆的胶结实验中(将水泥浆灌进岩心内孔中),一个岩心在胶结前不用钻井液处理,养护后将成形的水泥心取出,可观察到其破坏面已波及到Oxford clay岩心内部;而用硅酸盐钻井液在胶结前对岩心进行预处理,养护成形后将水泥心取出,发现水泥与岩心的界面十分清楚完整,界面上可以看到硅酸钙沉淀,可以认为是水泥浆水化过程中大量释放的Ca(OH)2与硅酸盐形成的产物。

 

  (5)对于同样的泥页岩井壁来说,用不同的钻井液预处理后的井壁,与水泥浆结合后由于水泥浆失水造成的井壁含水量的变化是不同的。硅酸盐钻井液井壁的含水量变化最小,井壁稳定,封固强度也就较高。说明从地层被钻开开始,钻井液的好坏就一直对固井质量产生影响。

 

  (6)对于砂岩岩心,用不同的钻井液在一定的温度和压力下在岩心外壁上形成泥饼,然后灌入水泥浆,养护成形后测定界面胶结强度。实验表明砂岩岩心有泥饼存在后,水泥浆与岩心的界面胶结强度大幅度下降。

 

  作者通过研究后认为,进一步改善二界面胶结强度的潜力是研究能够改善胶结界面过渡带形态和结构的化学处理剂。

 

  戈罗德诺夫??[11]提出,把井眼围岩作为三个同心圆柱层所构成的物体来分析。第一层,它能够与在分散介质中处于游离状态的钻井液的所有组分直接相互作用,并在地层岩石表面形成泥饼。在第二层,能发生钻井液与岩石之间的扩散或渗透过程。

 

  在第三层,是在整个钻井过程中保持天然特性的岩石,完全没有与钻井液发生相互作用。由此可以认为水泥环的第二胶结界面实际上是固井液与井壁泥饼和已经受钻井液渗透或扩散作用影响的近井壁之间的多相胶结界面,这就造成了水泥环与地层之间胶结的复杂性。由于地层特性、井下温度压力等因素是不可控制的客观因素,由此提高固井二界面胶结质量的关键因素必然是固井液和钻井液,而钻井液是影响井壁时间长,控制比较困难的重要因素,没有好的钻井液,就不会有好的井壁,也就没有好的固井二界面封固平台或基础,这一点常被忽视。