水平井固井一界面泥膜分布規(guī)律及其特性

顧 軍 李士超 田亞芳 李 剛 趙鑫鑫 李林蔚 唐 雨

1. 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院 2. 中國石化中原石油工程有限公司固井公司 3. 中國石油青海油田公司采氣一廠

0 引言

油氣水平井界面環(huán)空竄流嚴重影響了水平井完井的質(zhì)量[1-5]，無論是常規(guī)水平井還是頁巖氣水平井固井效果均不盡人意[6-8]。鉆井液在固井一、二界面均形成附著層，固井二界面附著層被稱為泥餅，固井一界面附著層厚度很薄而被稱為泥膜。固井一界面是水泥環(huán)、泥膜、套管三者形成的一個復(fù)合膠結(jié)面，泥膜容易在各種力的作用下部分缺失而在水泥環(huán)和套管間形成微裂隙，從而降低其界面膠結(jié)的強度。研究表明，固井一界面是油氣井環(huán)空膠結(jié)的薄弱處和流體竄流通道之一[9-11]。有學(xué)者在研究影響界面膠結(jié)的影響因素中，通過室內(nèi)試驗和對比井場資料，發(fā)現(xiàn)泥膜變厚會降低其界面膠結(jié)強度[12]，并且膠結(jié)強度可直接決定其水力密封完整性[13,14]。亦有學(xué)者建立了在無泥膜存在條件下，套管內(nèi)壓力連續(xù)變化時的套管—水泥環(huán)—圍巖體系彈塑性力學(xué)模型[15]。但是，對不同井斜角下套管外表面的泥膜厚度分布規(guī)律及其對界面膠結(jié)強度的影響，迄今尚未見到相關(guān)文獻報道。鑒于水平井不僅有水平段，還有直井段、造斜段、增斜段和穩(wěn)斜段。因此，筆者基于自主設(shè)計的井斜角控制裝置和泥膜厚度測量裝置，選取不同井斜角（0°、30°、60°、86°）作為特征角度，首先研究不同井斜角下的泥膜厚度及其分布規(guī)律；然后，為了研究泥膜對界面膠結(jié)強度的影響，設(shè)計同樣4個特征角度下界面膠結(jié)強度的測試方法，并對固井一界面膠結(jié)面進行了宏觀分析。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與材料

GJS-B12K型變頻高速攪拌機、瓦楞恒速攪拌器、TG-1280B型強度養(yǎng)護箱、WDW-Y10A電子萬能實驗機、游標卡尺、軟鐵絲、玻璃棒、導(dǎo)線、AG3規(guī)格紐扣電池、1.5 V螺口小燈泡、模擬探針（導(dǎo)電良好鐵片）、燃燒匙、PVC給水管、PVDC保鮮膜、BOPP封箱膠帶、3 000 mL大燒杯、鋼尺。采用鋼管模擬套管，長度L=10/15 cm，外直徑D=3.3 cm。

實驗用鉆井液取自中國石油玉門油田公司酒東探區(qū)現(xiàn)場水基鉆井液，實驗用水泥漿配方為100%嘉華G級水泥+44%自來水。

1.2 井斜角控制裝置和泥膜厚度測量裝置的設(shè)計

井斜角控制裝置由玻璃棒，鋼管（模擬油井套管）和軟鐵絲組成（圖1）。井斜角（α）通過鋼管兩端面的高差（Δh）控制。因cosα=Δh/L，鋼管長度L=15 cm，當井斜角分別為0°、30°、60°、86°時，通過調(diào)節(jié)軟鐵絲長度，使Δh分別為15.00 cm、12.99 cm、7.50 cm、1.05 cm即可。

圖1 井斜角控制裝置示意圖

泥膜厚度測量裝置由游標卡尺、1.5 V螺口小燈泡、導(dǎo)線、AG3規(guī)格紐扣電池、模擬探針組成（圖2）。

圖2 泥膜厚度測量裝置示意圖

1.3 泥膜分布規(guī)律的實驗方法

固井施工中通常使用一定量的沖洗隔離液（其用量一般為可充填環(huán)空裸眼段300～500 m），因此固井一界面虛泥膜已經(jīng)接近完全除去[16]，即泥膜分布觀察結(jié)果應(yīng)與井下套管被沖洗隔離液除去虛泥膜的實泥膜分布狀態(tài)基本吻合。但是，若除去虛泥膜，鋼管外表面實泥膜厚度薄、流動性大，泥膜厚度難以測量，綜合考慮實驗條件限制和測量誤差，選擇在泥膜較厚的情況下，通過測量未除虛泥膜的泥膜厚度作為實驗數(shù)據(jù)來源，以便用來印證實泥膜分布規(guī)律觀察結(jié)果。鑒于此，泥膜分布規(guī)律實驗分為兩部分，即帶虛泥膜的泥膜厚度測量和實泥膜的分布觀察。

1.3.1 帶虛泥膜的泥膜厚度測量

①選用長度L=15 cm鋼管，并制取特定井斜角下的井斜角控制裝置；②將井斜角控制裝置放置在3 000 mL空燒杯中。采用變頻高速攪拌機（8 000 r/min×5 min）攪拌鉆井液，緩緩倒入空燒杯，淹沒鋼管至液面距離鋼管中心10 cm，并浸泡4 min；③模擬鉆井液上返過程，使用燃燒匙舀鉆井液至備用燒杯中，控制鉆井液液面平緩下降至脫離鋼管；④置井斜角控制裝置于陰涼處20 min，控制鋼管外表面泥膜處于半干狀態(tài)，便于“針入法”測量泥膜厚度；⑤使用泥膜厚度測量裝置（圖2），分別測量、記錄鋼管外表面測量點泥膜厚度（圖3）。當模擬探針接觸到泥膜外緣時，模擬探針、導(dǎo)線、紐扣電池、螺口小燈泡就會形成閉合回路，燈泡發(fā)光。記下此時游標卡尺的示數(shù)H1?；顒涌_繼續(xù)下降，直至探針碰到鋼管時，燈泡達到最大亮度，記下示數(shù)H2，兩次讀數(shù)之差即為泥膜厚度。

圖3 套管測量點位置示意圖

1.3.2 實泥膜的分布觀察

該實驗選用長度L=15 cm鋼管，并在帶虛泥膜的泥膜厚度測量實驗步驟①、②、③基礎(chǔ)上進行。

①為了模擬沖洗隔離液作用原理，將井斜角控制裝置的帶虛泥膜鋼管平緩下放至自來水中，浸泡3 min，再自水中平緩上提出（模擬洗井）；②置井斜角控制裝置于陰涼處8 h，至泥膜晾干，逐個觀察描述泥膜分布。

1.4 界面膠結(jié)強度測量方法

該實驗選用長度L=10 cm鋼管，并在實泥膜的分布觀察步驟①基礎(chǔ)上進行。

①置井斜角控制裝置于陰涼處40 min，至鋼管外表面實泥膜喪失流動性；②制取2 cm厚水泥環(huán)，結(jié)合PVC給水管、PVDC保鮮膜和BOPP封箱膠帶，制取防液漏密封裝置。并將實驗組鋼管豎直置于防液漏密封裝置中；③采用瓦楞恒速攪拌器（先3 000 r/min×10 s，后12 000 r/min×35 s）攪拌100%嘉華G級水泥，水灰比取0.44。將水泥漿倒入防液漏密封裝置中；④采用TG-1280B型強度養(yǎng)護箱，95 ℃水浴養(yǎng)護上步驟中防液漏密封裝置，養(yǎng)護時間為1 d；⑤取出并拆封上步驟中防液漏密封裝置。將水泥環(huán)與鋼管未膠結(jié)部分進行刮拭處理，然后用鋼尺量出水泥環(huán)與鋼管膠結(jié)面的高度h，并做記錄，然后用WDWY10A型電子萬能實驗機測量其膠結(jié)強度（圖4），依次記錄界面剪切力，然后計算得到界面膠結(jié)強度[17]：

式中p表示界面膠結(jié)強度，MPa；F表示界面剪切力，kN；h表示鋼管與水泥環(huán)膠結(jié)部分的高度，cm；D表示鋼管外直徑，本實驗為3.3 cm。

圖4 界面剪切力測試示意圖

2 實驗結(jié)果與分析

在帶虛泥膜的泥膜厚度測量實驗中，泥膜厚度受固相顆粒沉降作用和鉆井液重力流動作用影響。

固相顆粒沉降有兩種作用形式：Ⅰ是鉆井液液深加大，固相顆粒聚集，鉆井液本體黏稠化，黏附力變大，使鋼管所有部位泥膜厚度均變大。該作用主要與鋼管埋深有關(guān)。Ⅱ是井斜角從0°增大到86°時，固相顆粒沉降在鋼管軸向橫截面上半部分外表面。鋼管上表面固相顆粒沉降變多，上表面泥膜較大程度加厚；左、右表面上半部分較少固相顆粒沉降，左、右表面上半部分泥膜輕微加厚，左、右表面下半部分和下表面無固相顆粒沉降，左、右表面下半部分和下表面泥膜厚度不受影響。

鉆井液重力流動也有兩種作用形式：Ⅰ是鋼管埋深不變、井斜角從0°增大到86°時，鋼管上表面虛泥膜在重力作用下流動，會在鋼管左、右表面發(fā)生部分黏附和下表面大量堆積。因此，當井斜角增大，鉆井液重力流動作用使上表面泥膜厚度變小，左、右表面泥膜輕微加厚，下表面泥膜較大程度加厚。Ⅱ是井斜角不變、埋深改變時，鋼管同一軸向長度的徑向外表面泥膜均向緊鄰低部位另一軸向長度的徑向外表面發(fā)生重力下的流動堆積加厚，使鋼管所有位置的軸線方向下部位相對上部位泥膜均變厚。

2.1 井斜角對泥膜厚度的影響

據(jù)不同井斜角下鋼管上、下、左、右表面的泥膜厚度實測數(shù)據(jù)平均值作圖5，從中可以看出，井斜角分別為0°、30°、60°、86°時，鋼管在上、下、左、右表面的上部位、中部位、下部位的泥膜厚度依次變大。

圖5 不同井斜角條件下鋼管軸向泥膜厚度變化規(guī)律圖

此時，鋼管外表面泥膜厚度受固相顆粒沉降作用Ⅰ、Ⅱ和鉆井液重力流動作用Ⅱ的影響，其中鉆井液重力流動作用Ⅱ起主要作用。

固相顆粒沉降作用Ⅰ使鉆井液液深大處鉆井液黏稠度大，黏附力變大，使同一軸向長度的徑向外表面泥膜相對緊鄰高部位輕微加厚。固相顆粒沉降作用Ⅱ也使同一軸向長度左、右表面上半部分的固相顆粒沉降數(shù)量略多于緊鄰高部位，其泥膜輕微程度加厚，同時，也使同一軸向長度上表面的固相顆粒沉降數(shù)量多于緊鄰高部位，其泥膜略大程度加厚。在鉆井液重力流動作用Ⅱ作用下，鋼管同一軸向長度的徑向外表面泥膜均向緊鄰低部位另一軸向長度的徑向外表面發(fā)生重力下的流動堆積，泥膜較大程度加厚。

為了進一步分析井斜角對鋼管上、下、左、右表面泥膜厚度的影響規(guī)律，基于圖5中不同井斜角條件下鋼管上、下、左、右表面中部位的泥膜厚度實測數(shù)據(jù)平均值可作圖6。從圖6可以看出：

圖6 鋼管上、下、左、右表面泥膜厚度與井斜角的關(guān)系圖

1）鋼管上表面泥膜厚度隨井斜角的增大而增大。鋼管上表面泥膜厚度受固相顆粒沉降作用Ⅰ、Ⅱ和鉆井液重力流動作用Ⅰ的影響，其中，固相顆粒沉降作用Ⅱ占主導(dǎo)地位。隨著井斜角的增大，鉆井液固相顆粒在鋼管上表面沉降變多，黏附力增大，從而上表面泥膜厚度變大。

2）鋼管左、右、下表面泥膜厚度均在井斜角為0°、30°、60°、86°時，呈先遞增后遞減再遞增的趨勢，井斜角為30°為最大值點。鋼管左、右表面泥膜厚度受固相顆粒沉降Ⅰ、Ⅱ和鉆井液重力流動作用Ⅰ的影響，下表面泥膜厚度受固相顆粒沉降Ⅰ和鉆井液重力流動作用Ⅰ的影響。其中，鉆井液重力流動作用Ⅰ對鋼管左、右、下泥膜厚度均具有主導(dǎo)性影響。隨井斜角的增大，鉆井液重力流動對鋼管左、右、下表面的泥膜再分配作用先增強后輕微削弱再增強，在井斜角為30°時達到最大，并且其對下表面的影響比對左、右表面更為顯著。

3）井斜角從0°增大到86°時，鋼管左、右表面泥膜厚度改變幅度小，上、下表面泥膜厚度改變幅度大。

固相顆粒沉降作用Ⅰ對鋼管左、右、下表面作用強度相同，對泥膜厚度分異無影響。固相顆粒沉降作用Ⅱ和鉆井液重力流動Ⅰ，對鋼管上、下表面泥膜厚度的影響均比對左、右表面的影響小。實驗中表現(xiàn)為井斜角增大時，鋼管外表面泥膜厚度改變幅度不一致的現(xiàn)象。

對圖6的橫軸和縱軸位置互換，可得圖7。從圖7可以看出：①當井斜角為0°時，鋼管上、下、左、右四個表面彼此對稱，泥膜厚度接近、均比較??；②當井斜角為30°時，下表面泥膜厚度最大，鋼管上表面泥膜厚度次之，左、右表面泥膜厚度最?。虎郛斁苯菫?0°時，鋼管上表面泥膜厚度最大，下表面泥膜厚度次之，左、右表面泥膜厚度最小；鋼管下、左、右表面泥膜厚度均較薄，三者厚度相近，上表面泥膜厚度較大；④當井斜角為86°時，鋼管上表面泥膜厚度最大，下表面泥膜厚度次之，左、右表面泥膜厚度最??；鋼管左、右表面泥膜厚度均較薄，下表面泥膜厚度較大，上表面泥膜厚度很大。

圖7 不同井斜角條件下鋼管外表面泥膜分布圖

2.2 井斜角對實泥膜分布的影響

在實泥膜厚度分布觀察實驗中，泥膜厚度受固相顆粒沉降作用Ⅰ、Ⅱ、鉆井液重力流動作用Ⅰ、Ⅱ和模擬洗井作用影響。不同井斜角條件下鋼管外表面實泥膜分布狀況如圖8所示。

模擬洗井作用：浸泡過程使鋼管外表面虛泥膜疏松、部分脫落，下放上提過程模擬前置清洗液沖刷虛泥膜。浸泡過程對鋼管外表面泥膜厚度呈同等程度削減效果，下放上提過程模擬得到油井現(xiàn)場洗井后泥膜在重力流動后的差異化分布，此過程對鋼管上、下表面泥膜沖刷作用較小，左、右表面沖刷作用較大，在實泥膜分布方面的突出表現(xiàn)為，井斜角從0°增加到86°時，泥膜偏薄和鋼管裸露區(qū)域面積占比增大。

由圖8可以看出，①當井斜角為0°時，沿鋼管軸向上，自上向下泥膜逐漸變厚；在徑向上，泥膜呈現(xiàn)環(huán)狀分布，厚度相仿。鋼管上部位泥膜具有一定厚度，在失水時翹皮剝落。拋開泥膜剝落的意外因素，黏附在鋼管外表面的泥膜略薄，分布均勻，覆蓋完整。②當井斜角為30°時，沿鋼管軸向上，自上向下泥膜逐漸變厚；在徑向上，上表面泥膜厚度最小，下表面泥膜厚度最大，左、右表面泥膜厚度居中。在鋼管上表面上部位，泥膜厚度很薄，已有零星鋼管裸露區(qū)，鋼管其他位置泥膜略厚些。③當井斜角為60°時，沿鋼管軸向上，自上向下泥膜逐漸變厚；在徑向上，上表面泥膜厚度最大，下表面泥膜厚度最小，左右表面泥膜厚度居中。鋼管下表面上部位，泥膜厚度很薄，可見較大面積鋼管裸露區(qū)，鋼管其他位置泥膜均有一定厚度。④當井斜角為86°時，沿鋼管軸向上，泥膜厚度相近，下部位泥膜略厚；在徑向上，上表面泥膜最大，有很厚的固相黏附物，下表面泥膜厚度次之，有略厚的固相黏附物，左右表面泥膜近乎全部消失。

2.3 泥膜對界面膠結(jié)強度的影響

不同井斜角條件下界面膠結(jié)強度的測試結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，帶泥膜組界面膠結(jié)強度隨著井斜角增大而增大，而裸鋼管組界面膠結(jié)強度則比帶泥膜組大得多。

究其原因，從裸鋼管和帶泥膜的固井—界面膠結(jié)剖面照片（圖10）可以看出，對于裸鋼管組，固井一界面處沒有泥膜，固井一界面實質(zhì)上是水泥環(huán)和鋼管形成的簡單膠結(jié)面，水泥水化產(chǎn)物通過吸附作用[18-21]和機械摩擦力，產(chǎn)生很大的膠結(jié)強度，界面抗剪黏結(jié)性能優(yōu)異。因此裸鋼管組界面平均膠結(jié)強度為0.197 3 MPa，約為帶泥膜組（α=0°）的21.45倍。

對于帶泥膜組（α=0°），鋼管外表面黏附的泥膜厚度略薄，無缺失部分，泥膜是界面膠結(jié)的薄弱環(huán)節(jié)，因此其界面平均膠結(jié)強度僅為0.009 2 MPa。

對于帶泥膜組（α=30°），鋼管上表面上部位，泥膜厚度很薄，有零星鋼管裸露區(qū)，其他部位泥膜相對略厚。因此其界面平均膠結(jié)強度為0.0195 MPa，約為帶泥膜組（α=0°）的2.12倍。

對于帶泥膜組（α=60°），鋼管下表面上部位，泥膜厚度很薄，有較大面積鋼管裸露區(qū)，其他部位泥膜均有一定厚度。因此其界面平均膠結(jié)強度為0.0357 MPa，約為帶泥膜組（α=30°）的1.83倍。

圖8 不同井斜角條件下鋼管外表面實泥膜分布狀況照片

對于帶泥膜組（α=86°），鋼管上表面的泥膜厚度相對要大得多，肉眼可見有很厚的干泥膜翹起，左右表面則出現(xiàn)大片鋼管裸露區(qū)。鋼管上表面泥膜很厚，對界面膠結(jié)強度影響較小，而左右表面有大片的鋼管裸露區(qū)，因此其界面平均膠結(jié)強度為0.068 5 MPa，約為帶泥膜組（α=60°）的1.92倍。

綜上所述，隨著井斜角從0°增大到86°，界面膠結(jié)強度依次增大，這與鋼管裸露區(qū)在其外表面實泥膜中面積占比逐漸變大是一致的。

3 結(jié)論

1）帶虛泥膜時，鋼管上表面的泥膜厚度隨井斜角的增大而增大，而左、右、下表面的泥膜厚度均呈先遞增后遞減再遞增的趨勢，并且隨井斜角增大，鋼管左、右表面泥膜厚度改變幅度小，上、下表面泥膜厚度改變幅度大。

圖9 井斜角與界面膠結(jié)強度的關(guān)系圖

圖10 裸鋼管和帶泥膜的固井一界面膠結(jié)剖面照片

2）隨著井斜角的增大，鋼管表面的實泥膜由均勻分布變?yōu)楸『裣嚅g分布，并且除去虛泥膜時，外表面厚度較薄部分的泥膜尤其是鋼管裸露區(qū)面積占比增大。

3）裸套管組界面膠結(jié)強度遠大于帶泥膜組界面膠結(jié)強度，并且隨著井斜角增大，帶泥膜組界面膠結(jié)強度趨于增大。

4）隨著井斜角增大，界面膠結(jié)強度依次增大與鋼管裸露區(qū)在其外表面實泥膜中的面積占比密切相關(guān)。